对室内实验中粘土干裂过程起突出控制作用的因素外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

Costa, S. et al. (2013). Geacute;otechnique 63, No. 1, 18–29 [http://dx.doi.org/10.1680/geot.9.P.105]

对室内实验中粘土干裂过程起突出控制作用的因素

S. COSTA, J. KODIKARA, B. SHANNON

本文阐述了对土壤干燥有控制作用的一些因素。在干燥试验中用到了三种具有相似断裂能的材料——粘土，土豆淀粉和磨细石英砂。不管何种材料，在干裂过程中有两个控制因素已经被确定。首先是材料在克制收缩时材料内部的拉应力和应变能的发展。拉应力的分布取决于边界条件和材料的刚度，并将决定裂缝发生的位置。其次是裂缝发生的准确位置将由材料内的孔隙和/或气泡决定。诸如粘土这种具有非常细的颗粒的材料，裂化机制由孔隙决定，因为细孔的脱饱和将需要非常高的吸力，并且这将导致顺序裂化和正交裂纹模式。如果材料具有相对较大且一致的孔隙大小和具有高水分扩散率的颗粒，就会导致材料在开裂前具有较高的收缩能，而在这种情况下的断裂能量平衡分析表明将会同时产生接近120°的六边形裂纹。然而，即使是对粘土这样的水分扩散系数较低的材料，高的干燥速率可以产生一个“有效层”，在该有效层上产生高吸收和高应变能，导致几乎同时的密集的开裂。

关键词：粘土、实验测试、数值模拟、应力分析、温度效应。

引言

在岩土工程应用和其他的一些学科中，粘性土壤在干燥收缩时产生的裂缝是一个共同的问题。比如在岩土工程中，收缩开裂在堤坝、边坡、基础和道路上是非常重要的。在农业工程中，裂缝可以使水和溶质流过土壤灌溉土地。通常在环境岩土工程中会用于垃圾填埋厂的衬里和覆盖。收缩裂缝会通过促进水和渗透液迁移严重损坏这些粘土垫层的主要功能。在相关工作中，也在材料工程中进行了大量的研究去了解陶瓷、印刷和绘画中的抛光和在热力作用产生的裂纹。

最近，干燥裂化越来越引起许多研究人员的注意，但对此的理解和建模能力仍有待发展。许多以往的研究往往倾向于关注开裂材料的最终状态(Morris 等, 1992; Groisman 和Kaplan, 1994; Kodikara 等., 2000)。针对开裂过程建模，重要的是要了解裂纹演化背后的完整图像以及传播过程。一些研究人员已经提供了开裂实验的结果，给出了第一条裂纹，开裂时的含水量和裂纹演化的详细资料。Costa 等和Costa 和Kodikar用微速摄影技术和粒子图像测速仪来捕捉完整的开裂过程，并为裂缝的演变制作了一系列的视屏剪辑，阐明一些控制机制。另外一些研究人员用图像分析去测量体积压缩应力。

在本文中讨论了一些影响裂缝开始发生以及随后发展的控制因素。需要强调的是在粘土的干裂过程中主要的影响是由于应力积聚引起的细分，其中实际的细分位置由应力集中激活材料内的缺陷控制。在其他影响变量中，讨论了裂纹分布，土壤断裂能，干燥速率和粒径分布对裂纹起裂和裂纹模式的影响。讨论中采用了应力分析。缺陷可以是在试样制备期间引起的，例如微裂纹和分层，外来夹杂物例如气泡，以及较高刚度的颗粒例如砂或砾石颗粒。这些缺陷所处的位置通常是试样于干燥期间形成拉伸应力时发生应力集中的位置。

材料：

三种材料——Merri Creek和Werribee粘土，土豆淀粉和磨细石英砂——被战略性地选择作为解释本文所需研究的一些因素所做实验的实验材料。这三种材料有着较大的力学、物理和化学性能差异。

Merri Creek和Werribee粘土

Merri Creek粘土的地址位于墨尔本东北端，是一种通常用于墨尔本地区板球场地的制备的膨胀性粘土，包括墨尔本板球场都是由这种粘土制造。因此这种粘土用作商用。

根据Frood（1992）的描述，Merri Creek粘土是一种极其致密的粘性十足的灰黑色粘性土壤，主要与当地的排水系统相关联。这种土壤曾被其他的研究人员使用过，并给出了其基本的性质和矿物成分，可分别见于表1和表2。从表中可以看出，其反应活性很高主要是因为其蒙脱石含量很高。

表1：Merri Creek粘土的性质

表2：Merri Creek粘土的矿物成分

Werribee粘土，发现于Werribee——墨尔本西部郊区——被归类为高活性的玄武岩残积土，具有高收缩-膨胀性。其界限含水量，液限为127%，塑限为26%，比重为2.66.关于这种粘土更多的详细的资料，包括在干燥情况下的材料性质变化，都可以在各种出版物中找到(e.g. Kodikara et al., 2004; Nahlawi et al., 2004; Nahlawi amp; Kodikara, 2006)。

土豆淀粉

测试中使用的商用土豆淀粉通常用于烹饪，图1给出了淀粉的颗粒级配。

磨细石英砂

表3：磨细石英砂的化学成分

图1：土豆淀粉的颗粒级配

研磨得非常细的石英砂由经销商提供，颗粒大小在63到75mu;m之间。石英的化学成分见于表3.

样品制备和实验步骤

除了对Werribee粘土的测试是在长380mm，宽80mm的矩形玻璃培养皿中进行，其他所有的实验都是在直径140mm的圆形玻璃培养皿中进行。首先主要对Merri Creek粘土进行了一系列测试。把未加工的粘土样品粉碎然后用孔径1.45mm的筛过筛。然后把过筛后的粉末与水混合达到液限（Merri Creek粘土的液限为74%），搅拌直至明显可见的均匀状态。在制备样本的时候需要用到一个振动器以消除残留在样品中的气泡。然后把土样置于一个阴凉潮湿的地方静置48到72小时，使粘土样品中的水分分布均匀。然后用抹刀把土样放在一个玻璃容器中。随后将容器放在一个连接了电脑的电子秤上，每隔三十分钟记录一次重量。

为了加快干燥的速率，我们使用了四个功率为500W的泛光灯，测试在不同的灯的距离（35mm、500mm、75mm）和不同样品厚度（3mm、5mm、10mm和20mm）情况下的干燥速率。由计算机控制的一个相机被垂直放置在试样上方。相机会按照编好的程序每隔30s就会拍一次照片。干燥过程通常会持续24小时。由于泛光灯输出的热量持续均衡，周围的环境温度会维持在50℃，相对湿度维持在20%，这可以通过靠近测试装置的的测量仪得出。据推测在这些温度条件下除了干燥速率，不会对材料的其他性质变化产生显著的影响。

在Werribee粘土实验的后期会进行一个特殊的试验，该实验使用阿拉米斯双向摄像头的离子图像测速分析材料的变形和应变。对 Merri Creek粘土也会进行一个这样的测试，不过会是在一个厚度为3mm 的矩形玻璃容器中。

第二个系列的测试是对土豆淀粉的。淀粉和水以重量比为3:2混合在一起。搅拌均匀后，反复敲打试样使孔隙中的空气排出。与粘土的实验步骤相同，三个样本的厚度分别是10毫米，20毫米，和30毫米，对这三份样品在灯距为500毫米的情况下进行试验，五分钟拍照一次。

对研磨的石英砂进行了两个测试。通过筛分，砂的粒径控制在63到75微米之间，将这样的砂子与水按照重量比为5:2进行混合搅拌。所有试样都在灯距为500毫米的情况下经行测试，但是试样的厚度不同，分别为10毫米和20毫米。图像和重量记录分别每隔30秒和五分钟记录一次。实验的详细数据见于表4.

表4：实验详细数据

<td

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</td

资料编号：[139120]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word