游离氧化铁对红黏土物理力学性能影响的室内及原位试验研究

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红黏土属于一种特殊土类,在我国分布十分广泛,主要集中于云贵高原、湘南、鄂东及两广地区。红黏土是碳酸盐岩风化作用形成的高塑性黏土,具有高孔隙比、高含水率和低密度等物理特性,但同时具有高强度和低压缩性等力学特性,这种矛盾性与红黏土中含有游离氧化铁有关。游离氧化铁存在形态不同,其工程特性不同,部分游离氧化铁具有胶结土颗粒作用,但是目前仍没有较为准确的方法可确定该部分的含量。工程实践中发现,虽然可以测定游离氧化铁的含量,但是由于具有胶结作用的测定方法没有确定,无法获取真正具有胶结作用的游离氧化铁的含量,亟需建立一套红黏土中有效胶结铁含量的测定方法,用于指导工程实践。本文以湖北省鄂州市庙岭镇的红黏土为研究对象,通过现场原位试验、室内试验与微观试验相结合的研究方法,对红黏土中游离氧化铁的强度作用机理进行了详细的研究。以化学选择溶解法作为处理手段,以淋溶及浸泡两种方式作为处理方式,将原状红黏土中的游离氧化铁按梯度去除,获得连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)溶液对红黏土的处理时间与除铁率的关系,分析了游离氧化铁含量对红黏土物理力学特性及微观孔隙结构的影响,探讨了庙岭红黏土的有效胶结铁含量,更准确地获得游离氧化铁含量对红黏土强度和变形特性的影响,为红黏土工程性质的研究提供进一步理论支持。结论如下:(1)随着DCB溶液淋溶时间的增加,前期游离氧化铁的去除速度快,后期除铁率逐渐趋于稳定。红黏土中砂黏粒与胶粒含量逐渐增大;pH值增大至6.6;塑限ωP和液限ωL减小、塑性指数IP减小,由高液限黏土转化为低液限黏土;阳离子交换量增大;耐热性小幅度提升。无侧限抗压强度大幅降低至,电阻率逐渐降低且减小幅度趋缓,电阻率谷值应变节点逐渐右移;黏聚力c和内摩擦角φ减小。(2)旁压试验表明DCB溶液浸泡时间的增长使红黏土的原位水平压力p0、临塑压力pf和预估极限压力pl不同程度降低;承载力基本值f0k先快速降低,DCB溶液浸泡时间达到4天时下降速率趋于平缓;旁压剪切模量Gm和旁压模量Em呈波动减小趋势。埋深对红黏土的强度有一定影响,随着埋深的增大红黏土的临塑压力pf、预估极限压力pl和承载力基本值f0k也随之增大,且该现象在埋深4~5 m处体现较为明显,埋深对DCB溶液对游离氧化铁的去除效果无明显影响。(3)游离氧化铁中不是全部都具有胶结作用,有部分游离氧化铁以非胶结性包膜铁形式存在于土粒间。室内试验测得红黏土中有效胶结铁含量偏低,约为32.8%;现场原位试验测得的有效胶结铁含量约为52.9%。(4)随着DCB溶液淋溶作用时间的增长,游离氧化铁含量逐渐降低,土体中小孔隙与中孔隙数量减少,较大孔隙与大孔隙数量增多,结合水总体减少,呈现先减少后逐渐增大的规律,团粒结构遭到破坏,大量结构单元裸露,结构形式从紧凑的粒团堆叠结构逐渐转化为聚集体-松散颗粒状结构。(5)红黏土土粒间的连结力主要是游离氧化铁所形成的胶结连结。这种胶结连接本质上就是一种化学键连接,随着游离氧化铁的去除,化学键断裂。微观表现为游离氧化铁小颗粒的流失;宏观表现为土样红色衰退变白,抗压、抗剪强度的降低等。(6)提出一种将化学选择溶解法与现场原位旁压试验相结合的方法,该手段可在一定程度上减少取样和试验中的失真和误差,更准确地获得游离氧化铁含量对红黏土强度和变形特性的影响,为红黏土工程性质的研究提供进一步理论支持。
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