一种高液限大孔隙结构性土及其制样方法

摘要

本发明公开了一种高液限大孔隙结构性土及其制备方法，该结构性土是通过以基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土、水泥以及尿素作为原料，然后按特殊比例进行混合并压实，最后再经注水养护和恒温养护后制备而成。本发明提供了一种简易可行、有效的人工制备结构性土的方案，可以解决现场取土对土样结构造成扰动的问题，更好地控制试样的均一性、快速的制备高液限大孔隙结构性土。本发明通过在原料土中加入早强水泥形成化学胶结作用，还加入硅藻土和钙基膨润土改善液限以及加入不同质量百分比的尿素颗粒水化后形成的大孔隙来模拟天然高液限大孔隙结构性土。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程研究方法，具体涉及一种模拟天然原状土粘结及高液限、大孔隙特性的人工结构性土及其制样方法，属于土木工程领域。

背景技术

随着我国经济的迅速发展和城镇化进程的快速推进，国内的各类工程建设项目日益增多，比如：工业与民用建筑、道路桥梁、地下工程、水利设施、港口工程等。特别是在经济发达的东部和南部沿海地区，该地区分广泛分布软黏土地层，受地理条件和土地资源的限制，使更多工程建设项目在软黏土地基环境中进行。天然软黏土一般具有高含水率、大孔隙比、低强度、触变性、高压缩性和结构性等特点，此类土体排水固结缓慢、可被压缩量大，导致地基稳定性差及工后沉降等问题突出，在外荷载的作用下，土体不可避免地出现突发性破坏，会给工程建设造成重大危害。

一些学者试图人工制备出与天然土性状相同的试样。有研究者通过在砂土中放入水泥制备结构性砂土。也有研究者通过粉土与Ca(OH)

近些年来，有部分学者对室内制备结构性土进行了深入研究，蒋明镜等在低温环境中通过在原料土中掺入少量水泥和冰粒，以形成颗粒胶结作用和大孔隙特征来模拟天然软黏土的结构性；另采用原始黄土料，人工干预颗粒间通过CaCO

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种简易可行、有效的人工制备高液限结构性土的方案，可以解决现场取土造成对土样结构的扰动的问题，更好地控制试样的均一性、快速的制备高液限大孔隙结构性土，以便于人们能够更好的对天然结构性软黏土，特别是对海相或是湖相等沉积地区的天然土的结构特性进行试验研究。

本发明通过在原料土中加入早强水泥形成化学胶结作用，还通过加入硅藻土和钙基膨润土改善土样液限以及加入不同质量百分比的尿素颗粒水化后形成的大孔隙来模拟天然高液限大孔隙结构性土。

根据本发明的第一种实施方案，提供一种高液限大孔隙结构性土。

一种高液限大孔隙结构性土，该结构性土是通过以基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土、水泥以及尿素作为原料，然后将所有原料进行混合并压实，最后再经注水养护和恒温养护后制备而成。

作为优选，该结构性土中各原料组分的含量如下：

基土：28-50重量份，优选为30-45重量份，更优选为32-40重量份。

高岭土：13-28重量份，优选为15-26重量份，更优选为18-24重量份。

硅藻土：18-32重量份，优选为20-30重量份，更优选为22-28重量份。

钙基膨润土：2-10重量份，优选为3-9重量份，更优选为4-8重量份。

水泥：1-8重量份，优选为2-7重量份，更优选为3-6重量份。

尿素：4-16重量份，优选为6-14重量份，更优选为8-12重量份。

作为优选，该结构性土的液限含水率为65-83％，优选为70-80％，更优选为73-78％。

作为优选，该结构性土的塑限含水率为28-38％，优选为29-35％，更优选为30-33％。

作为优选，所述基土为湖底淤泥土。

作为优选，所述水泥为早强水泥。

作为优选，所述湖底淤泥土为干燥后的湖底淤泥土。所述早强水泥为425R水泥。

作为优选，所述基土的粒径为0.01-0.5mm，优选为0.02-0.45mm，更优选为0.03-0.4mm。

作为优选，所述高岭土的粒径为0.5-5μm，优选为1-4μm，更优选为1.5-3μm。

作为优选，所述硅藻土的粒径为0.5-5μm，优选为1-4μm，更优选为1.5-3μm。

作为优选，所述钙基膨润土的粒径为0.5-5μm，优选为1-4μm，更优选为1.5-3μm。

作为优选，所述水泥的粒径为1-40μm，优选为3-35μm，更优选为5-30μm。

作为优选，所述尿素的粒径为0.05-2mm，优选为0.08-1.8mm，更优选为0.1-1.5mm。

根据本发明的第二种实施方案，提供一种高液限大孔隙结构性土的制样方法。

一种高液限大孔隙结构性土的制样方法或第一种实施方案所述高液限大孔隙结构性土的制样方法，该方法包括以下步骤：

1)组分检测：检测基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土各自的塑限含水率、液限含水率及比重，同时检测水泥的比重。

2)混合：根据组分检测的情况，将基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土、水泥以及尿素进行混合，搅拌均匀后获得混合料。

3)制样：将混合料倒入制样器中，击实，得到试样。

4)养护：将试样放入容器中，先抽真空，再进行注水养护，最后再进行恒温养护。

5)拆模：取出试样，拆模得到结构性土试样。

作为优选，步骤2)中各原料组分加入量的配比如下：

基土：28-50重量份，优选为30-45重量份，更优选为32-40重量份。

高岭土：13-28重量份，优选为15-26重量份，更优选为18-24重量份。

硅藻土：18-32重量份，优选为20-30重量份，更优选为22-28重量份。

钙基膨润土：2-10重量份，优选为3-9重量份，更优选为4-8重量份。

水泥：1-8重量份，优选为2-7重量份，更优选为3-6重量份。

尿素：4-16重量份，优选为6-14重量份，更优选为8-12重量份。

作为优选，在步骤1)中，选用基土的比重为2.4-3，优选为2.5-2.9，更优选为2.6-2.8。选用基土的塑限含水率为20-30％，优选为22-28％，更优选为24-26％。选用基土的液限含水率为37-49％，优选为40-47％，更优选为42-45％。

作为优选，选用高岭土的比重为2.3-3，优选为2.4-2.9，更优选为2.5-2.8。选用高岭土的塑限含水率为30-43％，优选为33-40％，更优选为35-38％。选用高岭土的液限含水率为63-75％，优选为65-72％，更优选为67-70％。

作为优选，选用硅藻土的比重为2-2.9，优选为2.1-2.7，更优选为2.2-2.5。选用硅藻土的塑限含水率为47-58％，优选为48-55％，更优选为50-53％。选用硅藻土的液限含水率为95-98％，优选为95.5-97.5％，更优选为96-97％。

作为优选，选用钙基膨润土的比重为1.9-2.5，优选为2.0-2.4，更优选为2.4-2.3。选用钙基膨润土的塑限含水率为39-49％，优选为41-47％，更优选为43-45％。钙基膨润土的液限含水率为70-80％，优选为72-78％，更优选为74-76％。

作为优选，选用水泥的比重为2.6-3.6，优选为2.8-3.4，更优选为3.0-3.2。

作为优选，选用尿素的比重为1.1-2.1，优选为1.3-1.9，更优选为1.5-1.7。

作为优选，步骤3)具体为：将混合料分2-8次(优选为3-5次)倒入制样器中，分层击实并刮毛，同时控制试样的干密度为1.0-1.7g/cm

作为优选，步骤4)具体为：将试样放入容器中，先抽真空0.5-5h(优选为1-4h，更优选为1.5-3h)。然后再注水养护8-72h(优选为12-48h，更优选为18-36h)。最后再将试样放入至恒温水浴锅中在20-50℃(优选为25-40℃，更优选为30-35℃)温度下养护2-12天(优选为3-10天，更优选为5-8天)。

作为优选，其特征在于：步骤5)中得到的结构性土试样的孔隙比为1.1-2.1，优选为1.3-2.0，更优选为1.5-1.9。该结构性土试样的比重为2.2-2.9，优选为2.3-2.8，更优选为2.4-2.7。

在现有技术中，以往研究人员在制备结构性土时往往仅关注到制备试样的结构强度(胶结作用)和大孔隙特征(孔隙比)等指标，并没有考虑到土体的液限和塑限这一物理特征，而这一物理特征会直接影响制备结构性土的高压缩性特征。对于天然结构性软黏土，特别是海相或是湖相等沉积地区的天然土，由于其含水率更高，液限也更大，这就致使高液限这一本质的物理特征不可被忽略，不宜应用传统的室内制备方法制备结构性土进行试验研究。现阶段，也并没有相关报道公开对高液限结构土的模拟制样研究和人工模拟制样方案，也没有学者能够制备出高液限的大孔隙结构性土。

在本发明中，制备的结构性土中加入尿素，由于尿素的溶解速度和溶解度优势，在短时间内可以保证尿素颗粒全部溶解，溶解后形成的孔洞模拟天然结构性土的孔隙，通过添加不同质量分数的尿素来控制结构性土的孔隙比大小。本发明制作的结构性土可以更好的控制试样的均一性，可以通过加不同质量分数的尿素来模拟天然孔隙比不同的原状结构性土。人工制备结构性土可以有效的避免现场取样产生的扰动等优点，为更好研究结构性土力学性质提供便利。

在本发明中，针对天然软黏土一般具有高含水率、大孔隙比、低强度、触变性、高压缩性和结构性等特点，本发明通过在原料土中加入早强水泥形成化学胶结作用，通过加入硅藻土和钙基膨润土改善液限以及加入不同质量百分比的尿素颗粒水化后形成的大孔隙来模拟天然高液限大孔隙结构性土。在本发明中，钙基膨润土具有吸水性的同时又有较大的膨胀性，加入量过低，则无法吸收足够的水分使得结构土试样获得高液限这一特性，而过多的加入钙基膨润土又会影响试样的体积变化，故需对其添加量进行合理控制，使得添加了钙基膨润土的结构土试样整体可以提高液限含水率的同时，又不影响整体膨胀性，一般其添加量为2-10wt％，优选为3-9wt％，更优选为4-8wt％，例如添加量为5wt％。硅藻土本身具有很高液限，加入到结构土试样整体中可实现调节控制混合土试样整体的液限，使得人工制备的结构土试样整体的液限值吻合高液限天然结构土的特性，同时，又由但其本身就有较高的非塑性特点，可以起到抵消钙基膨润土所带来的膨胀性增多的问题，但是过多的添加硅藻土对结构土试样整体粘性又会有较大的影响，故也不宜添加过多，一般添加量为18-3wt％，优选为20-30wt％，更优选为22-28wt％，例如添加量为25wt％。

在本发明中，孔隙比e＝V

在本发明中，通过不同液限结构性土的三轴试验可以确定，本发明人工制备的高液限结构性土的峰值强度随着结构性土液限的增大而降低，人工制备的高液限结构性土的残余强度也随着结构性土液限的增大而降低，可见液限对结构性土的力学特性有很大的影响。

在本发明中，通过一维压缩固结实验，对比大阪湾天然土和本发明人工制备的高液限大孔隙结构性土的比重、孔隙率、液限、塑限、塑性指数、屈服强度、压缩指数、回弹指数、压缩系数以及回弹系数等参数，发现两者都较为接近，进一步佐证了本发明通过人工制备获得高液限大孔隙结构性土的可行性和有效性。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明通过简易可行、有效的人工制备高液限大孔隙结构性土的方案，可以解决现场取土造成对土样结构的扰动、不易取样等问题，为岩土试验及宏观研究提供了简便和可控的制样方法。

2、本发明通过在原料土中加入早强水泥形成化学胶结作用以及、加入硅藻土和钙基膨润土改善液限以及加入不同质量百分比的尿素颗粒水化后形成的大孔隙来模拟天然高液限大孔隙结构性土。即本发明将胶结强度、大孔隙比和高液限这三个重要指标均考虑到了人工制备的方法中，使得制备获得的结构土的特性更加接近天然土。

3、本发明的方法中通过采用分批次、分层制备试样，再经真空养护后以及通过恒温养护，能够更准确的得到所需要的试样，使得人工制备获得的试样更接近实际土样。为岩土试验及宏观研究提供了简便和可控的制样方法。

附图说明

图1为本发明各实施例混合料的圆锥锥入深度与含水率关系曲线图。

图2为本发明不同原料组分的圆锥锥入深度与含水率关系曲线图。

图3为本发明孔隙比e＝1.7的人工制备的不同液限结构性土三轴不排水压缩试验的应力-应变关系曲线图。

图4为本发明孔隙比e＝1.7的人工制备的不同液限结构性土三轴不排水压缩试验的p-q关系曲线图。

图5为本发明人工制备的高液限大孔隙结构性土的液限、塑限以及塑性指数与峰值强度之间的关系曲线图。

图6为本发明人工制备的高液限大孔隙结构性土的液限、塑限以及塑性指数与残余强度之间的关系曲线图。

图7为本发明实施例5的混合料制备的高液限大孔隙结构性土与大阪湾天然土的一维压缩e-p曲线图。

图8为大阪湾天然土ε-q曲线图。

图9为大阪湾天然土p’-q曲线图。

图10为本发明实施例5的混合料制备的高液限大孔隙结构性土ε-q曲线图。

图11为本发明实施例5的混合料制备的高液限大孔隙结构性土p’-q曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。

一种高液限大孔隙结构性土的制样方法，该方法包括以下步骤：

1)组分检测：检测基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土各自的塑限含水率、液限含水率及比重，同时检测水泥的比重。

2)混合：根据组分检测的情况，将基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土、水泥以及尿素进行混合，搅拌均匀后获得混合料。

3)制样：将混合料倒入制样器中，击实，得到试样。

4)养护：将试样放入容器中，先抽真空，再进行注水养护，最后再进行恒温养护。

5)拆模：取出试样，拆模得到结构性土试样。

作为优选，步骤2)中各原料组分加入量的配比如下：

基土：28-50重量份，优选为30-45重量份，更优选为32-40重量份。

高岭土：13-28重量份，优选为15-26重量份，更优选为18-24重量份。

硅藻土：18-32重量份，优选为20-30重量份，更优选为22-28重量份。

钙基膨润土：2-10重量份，优选为3-9重量份，更优选为4-8重量份。

水泥：1-8重量份，优选为2-7重量份，更优选为3-6重量份。

尿素：4-16重量份，优选为6-14重量份，更优选为8-12重量份。

作为优选，所述基土为湖底淤泥土(例如湖底淤泥土为干燥后的湖底淤泥土)。

作为优选，所述水泥为早强水泥(例如425R水泥)。

作为优选，在步骤1)中，选用基土的比重为2.4-3，优选为2.5-2.9，更优选为2.6-2.8。选用基土的塑限含水率为20-30％，优选为22-28％，更优选为24-26％。选用基土的液限含水率为37-49％，优选为40-47％，更优选为42-45％。

作为优选，选用高岭土的比重为2.3-3，优选为2.4-2.9，更优选为2.5-2.8。选用高岭土的塑限含水率为30-43％，优选为33-40％，更优选为35-38％。选用高岭土的液限含水率为63-75％，优选为65-72％，更优选为67-70％。

作为优选，选用硅藻土的比重为2-2.9，优选为2.1-2.7，更优选为2.2-2.5。选用硅藻土的塑限含水率为47-58％，优选为48-55％，更优选为50-53％。选用硅藻土的液限含水率为95-98％，优选为95.5-97.5％，更优选为96-97％。

作为优选，选用钙基膨润土的比重为1.9-2.5，优选为2.0-2.4，更优选为2.4-2.3。选用钙基膨润土的塑限含水率为39-49％，优选为41-47％，更优选为43-45％。钙基膨润土的液限含水率为70-80％，优选为72-78％，更优选为74-76％。

作为优选，选用水泥的比重为2.6-3.6，优选为2.8-3.4，更优选为3.0-3.2。

作为优选，选用尿素的比重为1.1-2.1，优选为1.3-1.9，更优选为1.5-1.7。

制备实施例

一种高液限大孔隙结构性土的制样方法，该方法包括以下步骤：

1：组分检测：

1.1：比重检测：

取基土(湖底淤泥土)、高岭土、硅藻土、钙基膨润土和水泥备用。然后对基土进行风干和烘干，碾碎并过0.5mm筛，得到试验用基土。而高岭土、硅藻土和钙基膨润土均为采购的实验用级别原料，它们的粒径均大于4000目(粒径约小于2.7um)。最后依据《JTG E40-2007公路土工试验规程》，分别对以上各原料组分进行比重试验，试验结果见表1。

表1试验所用各原料组分的比重试验数据

采用比重瓶对各原料组分分别独立进行三个平行试验，取平均值作为相应原料组分的比重。试验数据如表1所示，经计算确定：基土的比重为2.72；高岭土的比重为2.62；硅藻土的比重为2.30；钙基膨润土的比重为2.15；水泥的比重为3.13。

1.2：土料的界限含水率(液限W

依据《JTG E40-2007公路土工试验规程》，分别对原料的土料(基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土)进行液限W

表2各土料的界限含水率试验数据

本次试验采用76g锥头，并以锥入深度17mm对应的含水率为液限，以锥入深度为2mm对应的含水率为塑限。从图2中可以查得：基土的液限含水率为43.5％；塑限含水率为25.3％。塑性指数I

2：混合：

2.1：各原料混合配比：

取各原料组分，根据基土、高岭土、硅藻土、钙基膨润土、水泥和尿素的比重，为制得具有一定胶结强度的高液限大孔隙比的结构性土确定混合料的配比组合；各混合料的详细分组配比结果见表3。

表3混合料配比编组试验数据

2.2：混合料的界限含水率(液限W

依据《JTG E40-2007公路土工试验规程》，分别对各组混合料进行液限W

表4不同混合料的实施例界限含水率试验数据

本次试验采用76g锥头，并以锥入深度17mm对应的含水率为液限，以锥入深度为2mm对应的含水率为塑限。从图1中可以查得：A-1组混合料的液限含水率为57.9％；塑限含水率为27.6％。塑性指数I

3：制样：根据表3的分组，将各实施例的混合料均按照一定的初始干密度进行控制，各自独立的均分为4次(进而获得4层)将混合料倒入

4：养护：

将各实施例的试样分别放入饱和桶内抽真空2个小时，注水养护一天以后，再将各实施例的试样分别放到恒温水浴锅在30摄氏度下保持水呈流动状态养护6天。

5：拆模：

将各实施例的试样养护7天后取出，脱掉三瓣模，得到各实施例混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土样。

对采用上述实施例1(A-1)、实施例2(A-2)、实施例3(A-2)、实施例4(A-4)、实施例5(E)各自混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土样均进行三轴不排水压缩试验，结果如图3和图4所示。从宏观试验方面证明结构性土制备方法是可行的。

图3为孔隙比e＝1.7的人工制备的不同液限结构性土的三轴不排水压缩试验的应力-应变关系曲线图；图4为孔隙比e＝1.7的人工制备的不同液限结构性土的三轴不排水压缩试验的p-q关系曲线图。从图3和图4的三轴不排水压缩试验可以看出：结构性土在加载过程中会出现应变软化现象，应力跌落相对较为缓慢，说明结构性土胶结破坏是一个渐进的过程；通过应力-应变关系曲线可以看出：液限低的结构性土比液限高的结构性土的峰值强度要高；液限低的结构性土比液限高的结构性土的残余强度高。

图5为人工制备的高液限大孔隙结构性土的液限、塑限以及塑性指数与峰值强度之间的关系曲线，从图5中可以看出，结构性土的峰值强度随着结构性土液限的增大而降低。

图6为人工制备的高液限大孔隙结构性土的液限、塑限以及塑性指数与残余强度之间的关系曲线，与图5中的结果类似，从图6中同样可以看出：结构性土的残余强度也随着结构性土液限的增大而降低。可见液限对结构性土的力学特性有很大的影响。

对比试验

本发明实施例5(E)混合料制备的高液限大孔隙结构性土试样与大阪湾天然土(大阪湾天然土为日本大阪地区的天然黏土)的对比试验：

i：变形特征比对(一维CRL试验)：

采用实施例5(E)的混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土试样和大阪湾天然土均进行一维压缩对比试验，试验结果如图7所示。从图7中可以看出，人工制备的高液限大孔隙结构性土的一维压缩曲线与大阪湾天然土的一维压缩曲线非常接近，说明本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土可以模拟天然土的压缩特性，即本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土的方案是可行的。

ii：强度特征比对(压缩和拉伸实验)：

采用实施例5(E)的混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土试样和大阪湾天然土均进行三轴压缩和三轴拉伸试验，试验结果如图8-图11所示。图8和图9为参照的大阪湾天然土的三轴压缩及拉伸曲线；图10和图11为实施例5(E)的混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土试样的三轴压缩及拉伸曲线。从图8与10的对比中以及图9与图11的对比中可以得到，本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土与大阪湾天然土的三轴压缩及拉伸的相关性质相似，峰值强度模拟和残余强度模拟方面比较接近，说明本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土的方案是确实可行的。

iii：液限W

依据《JTG E40-2007公路土工试验规程》，分别对实施例5(E)的混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土试样和大阪湾天然土进行液限W

表5实施例5的高液限大孔隙结构性土与大阪湾天然土的界限含水率试验对比数据

iiii：其他基本参数比对：

通过实施例5(E)的混合料所制备获得的高液限大孔隙结构性土试样和大阪湾天然土的一维压缩试验的数据可以计算得到：本方案人工制备的高液限结构性土的相关指数，结果如表6和表7所示。对比可得：本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土试样的参数与大阪湾天然土的参数相差甚小。即本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土是确实可行的，本发明的制备方案所制备获得的高液限大孔隙结构性土可以有效模拟大阪湾天然土的结构特征。

表1实施例5的高液限大孔隙结构性土与大阪湾天然土的参数对比表(一)

表2实施例5的高液限大孔隙结构性土与大阪湾天然土的参数对比表(二)

综上所述，在本发明中实施例5(E)的混合组分和配比进行了优化设计，本发明通过在原料土中加入早强水泥形成化学胶结作用以及、加入硅藻土和钙基膨润土改善液限以及加入不同质量百分比的尿素颗粒水化后形成的大孔隙来模拟天然高液限大孔隙结构性土。而以往的学者对人工制备结构性土的研究都没有考虑到高液限这一特点，也没有学者能够制备出高液限的大孔隙结构性土，综合以上，本发明就将胶结强度、大孔隙比和高液限这三个重要指标考虑到了人工制备的方法中。通过一维压缩固结实验，对比大阪湾天然土和本方案人工制备的高液限大孔隙结构性土的比重、孔隙率、液限、塑限、塑性指数、屈服强度、压缩指数、回弹指数、压缩系数以及回弹系数等参数，两者都较为接近，可见通过人工制备高液限大孔隙结构性土的方案是确实可行的。制备过程中可以同时控制结构性土的胶结强度、孔隙比和液限，克服了天然结构性土易扰动，不易取样等困难，为岩土试验及宏观研究提供了简便和可控的制样方法。