發(fā)布時(shí)間：2021-11-21 00:30

　　土體液化是地球表面眾多地質(zhì)災(zāi)害和工程災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵機(jī)制,而土體中粘土礦物的含量和礦物學(xué)性質(zhì)對(duì)土體液化特性影響明顯。本文通過系統(tǒng)分析國內(nèi)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(gè)方面對(duì)土體液化特性影響的研究成果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(zhì)與粘土礦物之間的相互作用對(duì)土體液化特性的影響規(guī)律和機(jī)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(guān)系可能有助于提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警水平。 

【文章來源】：災(zāi)害學(xué). 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(duì)于土體液化性質(zhì)的影響研究結(jié)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(jié)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(dāng)粘粒加入非塑性粉砂中,混合物的抗液化性先降低,直至達(dá)到某一最低點(diǎn)或區(qū)間,隨后隨著粘粒含量的進(jìn)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(duì)應(yīng)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(duì)于土體的抗液化性主要有兩種作用:①塑性粘粒的存在會(huì)降低土體的水力傳導(dǎo)性,土體在剪切過程中孔隙水壓力增加的速率可能會(huì)增加,這對(duì)土體的抗液化強(qiáng)度起到削弱作用;②粘粒的可塑性給土體提供了一定的內(nèi)聚力,這對(duì)于土體的抗液化性會(huì)起到增強(qiáng)作用[39]。這兩方面的相互作用決定含塑性細(xì)粒的土體的抗液化性是否比非塑性粉、砂更高。粘粒含量對(duì)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(jié)構(gòu),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(duì)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(duì)應(yīng)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(jié)果則在4.7%～7%[37]。對(duì)于高嶺石,循環(huán)荷載下的研究結(jié)果顯示這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(duì)抗液化性的作用與其他礦物進(jìn)行區(qū)分難度較大,對(duì)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(jié)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的粘粒含量大約在9%,Georgiannou等[24]的研究表明,在單調(diào)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的粘粒含量大約在10%。

粘土礦物顆粒細(xì)小,比表面積大,與周圍介質(zhì)特別是孔隙溶液的相互作用十分強(qiáng)烈�？紫度芤号c粘土礦物的相互作用最終會(huì)體現(xiàn)在對(duì)土的整體性質(zhì)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(duì)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(jié)果表明pH對(duì)細(xì)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(zhì)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(nèi)在機(jī)制還需通過進(jìn)一步的研究進(jìn)行驗(yàn)證。與此同時(shí),pH和粘土礦物之間相互作用對(duì)于靜態(tài)液化特性的影響,以及溶液的化學(xué)組成與粘土礦物相互作用對(duì)土體液化特性的影響目前我們?nèi)灾跎佟５ㄟ^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(duì)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(zhì)發(fā)生改變,進(jìn)而影響土壤的整體結(jié)構(gòu)和性質(zhì),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(duì)土壤性質(zhì)的影響研究中,界限含水率被認(rèn)為是較為良好的表征指標(biāo)[51-52]�？紫度芤号c粘土礦物的作用對(duì)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(dǎo)致的粘土礦物雙電層厚度變化。當(dāng)粘土礦物的雙電層厚度減小時(shí),粒間引力增大,從而促進(jìn)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(huì)導(dǎo)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(yuǎn)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(zhì)改變,進(jìn)而影響到的礦物顆粒間聯(lián)結(jié)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(fù)電荷,而在高pH下,由于OH-的吸附,斷裂面上的負(fù)電荷多于正電荷。這就導(dǎo)致隨著pH降低,粘土礦物邊-面(E-F)結(jié)合趨于普遍,這種聯(lián)結(jié)方式使得顆粒之間存在較大的孔隙,從而儲(chǔ)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(jié)合占主導(dǎo)地位,導(dǎo)致礦物集聚,土體液限較低[63,65]。pH對(duì)粘土礦物的這兩種機(jī)理在pH范圍約為3～11時(shí)占主導(dǎo)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(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生顯著變化[67]。

【參考文獻(xiàn)】：
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