土體液化是地球表面眾多地質災害和工程災害發(fā)生的關鍵機制,而土體中粘土礦物的含量和礦物學性質對土體液化特性影響明顯。本文通過系統(tǒng)分析國內外粘土礦物類型及其組成變化和粘土礦物與孔隙溶液之間的相互作用這兩個方面對土體液化特性影響的研究成果,發(fā)現(xiàn)當前研究中存在著循環(huán)、靜態(tài)液化研究程度不匹配,孔隙水性質與粘土礦物之間的相互作用對土體液化特性的影響規(guī)律和機制的研究不足等問題,并指出研究粘土礦物與土體液化之間的關系可能有助于提高地質災害監(jiān)測與預警水平。 

【文章來源】：災害學. 2020,35(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

土體液化的影響因素及粘土礦物在其中的作用

含粘土礦物的粘粒含量對于土體液化性質的影響研究結果呈現(xiàn)出從多樣到逐漸統(tǒng)一的過程。早先一些研究表明含粘粒砂土的抗液化性隨著粘粒含量的增加而提高[20-21],而另一部分研究結論與之相反[22-23]。這些研究中所使用的粘粒組成范圍較窄,一般不超過10%,且使用的粘土礦物粒徑不同。采用更大粘粒范圍的研究表明,當粘粒加入非塑性粉砂中,混合物的抗液化性先降低,直至達到某一最低點或區(qū)間,隨后隨著粘粒含量的進一步增加,混合物的抗液化性隨之增加[24-38]。已有研究中,循環(huán)荷載下含粘粒砂土的最低抗液化性對應的粘粒含量范圍在6.8%～20%,靜態(tài)荷載下的研究比較少,大致在7%～10%之間(圖2)。塑性粘粒的存在對于土體的抗液化性主要有兩種作用:①塑性粘粒的存在會降低土體的水力傳導性,土體在剪切過程中孔隙水壓力增加的速率可能會增加,這對土體的抗液化強度起到削弱作用;②粘粒的可塑性給土體提供了一定的內聚力,這對于土體的抗液化性會起到增強作用[39]。這兩方面的相互作用決定含塑性細粒的土體的抗液化性是否比非塑性粉、砂更高。粘粒含量對土體液化過程的影響因粘粒組中礦物類型的不同而存在差異。根據(jù)結構,粘土礦物可分為層狀和非層狀兩大類,相比于非層狀粘土礦物,層狀粘土礦物在土壤中的分布更為廣泛,其中最常見的礦物有蒙脫石、伊利石、高嶺石三種。對于主要含蒙脫石的粘粒的循環(huán)液化特性研究表明,最低抗液化性對應的粘粒范圍約在6.8%～10%[27-28,32-33],而在靜態(tài)荷載下的研究結果則在4.7%～7%[37]。對于高嶺石,循環(huán)荷載下的研究結果顯示這一轉折點可能處于7%～18.2%之間[29,35-36],靜態(tài)荷載下則可能在30%附近[30]。由于伊利石常與其他礦物伴生,提純較為困難,將伊利石對抗液化性的作用與其他礦物進行區(qū)分難度較大,對于粘粒主要含伊利石的土的抗液化性研究較少。衡朝陽等[27]的研究結果顯示循環(huán)荷載下,紅土(伊利石70%～80%)和砂的混合物抗液化最低點對應的粘粒含量大約在9%,Georgiannou等[24]的研究表明,在單調荷載情況下粘粒含伊利石(60%)和高嶺石(10%～15%)的土壤抗液化最低點對應的粘粒含量大約在10%。

粘土礦物顆粒細小,比表面積大,與周圍介質特別是孔隙溶液的相互作用十分強烈�？紫度芤号c粘土礦物的相互作用最終會體現(xiàn)在對土的整體性質的影響上。在液化特性方面,Gratchev & Sassa[51]研究了不同pH(3～11)環(huán)境下對高嶺石(15%)、伊利石(15%)、膨潤土(11%)和石英砂的混合物的循環(huán)液化特性,結果表明pH對細顆粒土壤液化敏感性的影響在很大程度上取決于粘土組分的礦物組成,特別是在酸性介質中,伊利石和膨潤土-砂混合物的液化阻力降低,而高嶺石-砂混合物的液化阻力略有增加,其中的內在機制還需通過進一步的研究進行驗證。與此同時,pH和粘土礦物之間相互作用對于靜態(tài)液化特性的影響,以及溶液的化學組成與粘土礦物相互作用對土體液化特性的影響目前我們仍知之甚少。但通過已有研究,我們可以推斷孔隙溶液和粘土礦物的相互作用對土體液化特性的影響過程:孔隙溶液與粘土礦物的相互作用使得粘土礦物的性質發(fā)生改變,進而影響土壤的整體結構和性質,使得土體的抗液化能力發(fā)生變化(圖3)。在孔隙溶液與粘土礦物相互作用對土壤性質的影響研究中,界限含水率被認為是較為良好的表征指標[51-52]。孔隙溶液與粘土礦物的作用對土體界限含水率的影響主要來自于粘土礦物的兩方面變化:①由于溶液中陽離子濃度變化或粘土礦物表面陽離子被置換導致的粘土礦物雙電層厚度變化。當粘土礦物的雙電層厚度減小時,粒間引力增大,從而促進顆粒之間的集聚,降低土體的液限,反之則增加。已發(fā)現(xiàn)溶液中H+濃度升高會導致蒙脫石和伊利石的液限降低[51,53-56],Ca吸附伊利石的液限略高于Mg吸附伊利石的液限[57],Na吸附蒙脫石的液限遠高于Ca吸附蒙脫石[58]。②由于孔隙溶液酸堿性變化使得粘土礦物邊緣電荷的性質改變,進而影響到的礦物顆粒間聯(lián)結方式。粘土顆粒斷裂面上的電荷取決于pH環(huán)境,在低pH下,由于H+的吸附,斷裂面上正電荷多于負電荷,而在高pH下,由于OH-的吸附,斷裂面上的負電荷多于正電荷。這就導致隨著pH降低,粘土礦物邊-面(E-F)結合趨于普遍,這種聯(lián)結方式使得顆粒之間存在較大的孔隙,從而儲存更多液體,使土體具有較高的液限[59,64],而在高pH條件下,面面(F-F)結合占主導地位,導致礦物集聚,土體液限較低[63,65]。pH對粘土礦物的這兩種機理在pH范圍約為3～11時占主導地位,且在高嶺土中尤為典型[54,66],有研究表明在非常低和非常高的pH下,礦物自身的結構可能會發(fā)生顯著變化[67]。

【參考文獻】：
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