Abstract

Această lucrare investighează efectul conținutului de argilă asupra rezistenței la forfecare a amestecurilor de argilă-nisip. Bentonita și nisipul Jumunjin au fost amestecate pentru a prepara amestecuri de argilă-nisip cu conținut variabil de argilă de 5, 10, 15, 20, 25 și 30%. Rezistența la forfecare a amestecului de argilă-nisip a fost măsurată folosind teste de forfecare directă și teste de unghi de repaus în stare uscată. Unghiul de repaus al amestecului de argilă-nisip a fost măsurat ca fiind mai mare decât cel al nisipului pur pentru gama studiată de conținut de argilă. De asemenea, unghiul de frecare intern al amestecului de argilă-nisip a fost măsurat pentru a fi mai mare decât cel al nisipului pur, atingând un vârf la conținutul de argilă de 10%. Teoretic, comportamentul amestecurilor de argilă-nisip urma să fie guvernat de particule de dimensiuni mari la un conținut de argilă mai mic de 23,5%, ceea ce este de acord cu inspecția vizuală a amestecurilor. La un conținut de argilă de 25,1% sau mai mare, unde aportul particulelor mari s-a presupus teoretic că nu este nici unul, rezultatele din unghiul testelor de repaus au fost semnificativ împrăștiate, indicând faptul că argila a început să joace un rol cheie în comportamentul amestecurilor.

Introducere

În timp ce mecanica solului a fost dezvoltată în principal pe baza rezultatelor testelor de nisip pur sau argilă pură, solurile întâlnite în câmp sunt în mare parte amestecuri de soluri diferite. Comportamentul mecanic al unor astfel de amestecuri de sol este foarte dificil de definit în câțiva parametri, deoarece fracțiunea boabelor fine și grosiere poate fi infinită. Cu toate acestea, comportamentul amestecurilor de sol a fost investigat cu diferite combinații de diferite tipuri de sol.

Mollins și colab. [6] au studiat proprietățile amestecurilor de argilă-nisip (bentonita Wyoming și nisipul Knapton Quarry) folosind teste de umflare și teste de conductivitate hidraulică. Rezultatele testului de umflare au arătat că bentonita a atins un raport de vid al stresului specific de limitare, iar acest raport de vid și logaritmul stresului efectiv vertical se afla într-o relație liniară. Corelarea permeabilității cu raportul gol al bentonitei a fost exprimată printr-o lege a puterii. Mai târziu, Mollins și colab. [7] a măsurat rezistența drenată a amestecurilor de argilă-nisip bentonită cu conținut diferit de argilă și densitate relativă. Densitatea relativă și unghiul de frecare al nisipului într-o stare critică au afectat rezistența finală la forfecare a amestecurilor de argilă-nisip. Dafalla [8] a investigat efectele conținutului de argilă și al conținutului de umiditate asupra rezistenței la forfecare a amestecurilor de argilă-nisip. Pe măsură ce conținutul de apă a crescut, coeziunea și unghiul de frecare intern al amestecurilor de argilă-nisip au scăzut. Mai mult, la un conținut mai mare de argilă, creșterea conținutului de apă a redus brusc coeziunea și unghiul de frecare intern. Creșterea conținutului de argilă a dus la o creștere a coeziunii pentru un conținut scăzut de argilă, cum ar fi 5 și 10%; totuși, la un conținut de argilă de până la 20%, coeziunea ar putea scădea.

Variația proprietăților materialului cu raportul golului poate fi atribuită multor factori, cum ar fi golul, densitatea relativă, compresibilitatea și permeabilitatea. Variația golului cu conținut volumetric fin a fost teoretic derivată de Lade și colab. [9]. În hârtia lor, boabele de sol s-au presupus a fi sfere complete non-plastice cu o dimensiune identică. Figura 1a ilustrează variația teoretică a raportului de gol cu ​​conținuturi fine în volum, împreună cu figurile de umplere a golurilor conceptuale. Variația raportului gol a fost exprimată atât pentru maxim cât și pentru minim în Fig. 1b.

conținutului

(modificat din Lade și colab. [9])

A Variația teoretică a raportului golului și a umplerii golurilor cu conținut fin, și b variația raportului de gol maxim și minim cu conținut fin

Ueda și colab. [10] a evaluat contribuția teoretică a particulelor mari și mici asupra proprietăților mecanice ale amestecurilor de particule de două dimensiuni. Au fost adoptate metodele și experimentele cu elemente discrete bidimensionale. Contribuția particulelor mari la rezistența la forfecare s-a schimbat de la una la un conținut mic de argilă la zero la un conținut mare de argilă așa cum se arată în Fig. 2. Conținutul de argilă în care contribuția particulelor mari a început să scadă a fost definit ca limita inferioară (W a s), iar conținutul de argilă în care contribuția particulelor mari a devenit zero a fost definit ca limită superioară (W b s). Contribuția particulelor mari a continuat să varieze între cele două limite. Rezistența la forfecare a amestecului de argilă-nisip cu conținut scăzut de fin depindea de proprietățile particulelor de dimensiuni mari, iar golul unui astfel de amestec părea parțial umplut cu fine. Pe măsură ce conținutul fin a crescut, golul a fost complet umplut și particulele de dimensiuni mari ar fi înconjurate de fine. Ulterior, așa cum se arată în Fig. 2, zona de forfecare era probabil să apară în zona particulelor mici și comportamentul amestecului de argilă-nisip a început să fie guvernat de proprietatea particulelor mici.

Variația teoretică a contribuției particulelor mari la rezistența la forfecare cu conținut variabil de fin

În acest studiu, rezistența la forfecare a amestecurilor de argilă-nisip au fost măsurate folosind testul de forfecare directă și testul unghiului de repaus. Bentonita și nisipul Jumunjin au fost adoptate pentru argilă și respectiv nisip, iar conținutul de argilă variază de la 0 la 30% în greutate. A fost măsurată rezistența la forfecare cu conținut diferit de argilă, iar rezultatele obținute din teste au fost comparate cu greutatea unitară uscată. În plus, efectul raportului de vid asupra rezistenței la forfecare a fost discutat pe baza graficelor derivate teoretic și a comparațiilor grafice.

Materiale și metode de încercare

pregătirea unei mostre

Nisipul folosit pentru amestecul de lut - nisip a fost nisipul Jumunjin, iar proprietățile sunt prezentate în tabelul 1. Greutatea specifică a nisipului este de 2,65, iar greutatea unitară minimă și maximă este de 13,43 kN/m 3 și 15,62 kN/m 3, respectiv, indicând faptul că nisipul este foarte greu de compactat. Distribuția mărimii bobului este prezentată în Fig. 3; nisipul a fost clasificat în SP (nisip slab gradat) [11]. Nisipul este alcătuit în principal din cuarț (60,1%), microclină (25,3%) și albită (14,6%) și o ușoară includere a moscovitei [12]. Argila folosită a fost pudra de bentonită (Samchun Chemical Co., Ltd., Coreea). Greutatea specifică a bentonitei este de 2,6, iar Plastic Limit și Liquid Limit sunt 116,7 și respectiv 291,7. Diametrul mediu raportat al bentonitei a fost de aproximativ 5,4 μm [13].

Distribuția mărimii cerealelor a nisipului Jumunjin

Conținutul de argilă al amestecului a fost 0, 5, 10, 15, 20, 25 și 30% în greutate. Tabelul 2 prezintă greutatea unitară uscată a amestecurilor în „stare liberă” pentru gama conținutului de argilă și clasificarea solului exemplarelor utilizând Sistemul de clasificare a solului unificat (USCS) [11]. Starea liberă a indicat faptul că amestecul a fost depus cât mai slab posibil. În acest test, amestecurile au fost pluviate în cutia de testare folosind o pâlnie de la înălțimea de picătură mai mică de 13 mm, iar greutatea unitară minimă uscată a fost definită ca greutatea unitară uscată în stare liberă. Astfel, greutatea unitară uscată în stare slabă pentru conținutul de argilă de 0% a fost identică cu greutatea minimă unitară uscată prezentată în Tabelul 1. Următoarele experimente au fost efectuate folosind amestecurile în stare uscată și slabă, așa cum este descris aici. Greutatea unitară uscată a fost măsurată folosind pâlnia și matrița cu un volum specific conform ASTM D 4254 [14].

Încercări de rezistență la forfecare

Au fost adoptate două teste pentru a investiga efectul conținutului de argilă asupra rezistenței la forfecare: testul de forfecare directă și testul unghiului de repaus. Testul de forfecare directă a fost efectuat în conformitate cu ASTM D 3080 [15]. Amestecul de argilă-nisip a fost pluviat în cutia de forfecare cu o rază de 6 cm și o înălțime de 2 cm, așa cum a fost descris în secțiunea anterioară. După prepararea eșantionului, cutia de forfecare inferioară a fost deplasată cu o rată de deformare de 1,2 mm pe minut. În plus, au fost utilizate tensiuni normale relativ scăzute de 10,3, 20,0 și 29,8 kPa pentru comparație cu testul unghiului de repaus.

Unghiul de repaus este definit ca cel mai mare unghi de pantă al unei grămezi de soluri fără coeziune care se formează lent prin turnarea materialelor [16]. Factorii care afectează unghiul de repaus includ înălțimea picăturii, dimensiunea particulelor, forma granulelor, fricțiunea dintre nisip și placă și metoda de turnare. Miura și colab. [17] au investigat factorii care afectează unghiul de odihnă. S-a constatat că unghiul de odihnă variază în funcție de dimensiunea diferită a grămezilor de nisip. În plus, scăderea ratei de turnare, precum și a plăcii aspre a dus la creșterea unghiului de repaus. Au dezvoltat noul dispozitiv pentru testul unghiului de repaus pentru a elimina astfel de defecte, iar dispozitivul a fost utilizat în acest studiu.

Figura 4 prezintă dispozitivul pentru unghiul de odihnă și procedurile de testare. Dispozitivul de testare constă din piedestal pentru menținerea grămezilor de sol, inelul exterior pentru prăbușirea stratului exterior de nisip prin deplasarea inelului în jos și distanțierul pentru mișcarea treptată în jos a inelului (Fig. 4a). Procedura de testare este prezentată în Fig. 4b, c. Amestecul de argilă-nisip la conținutul de argilă dorit a fost pluviat în piedestal pentru a forma o grămadă conică în stare liberă (Fig. 4b). Apoi distanțierul care susține inelul exterior a fost scos încet, astfel încât amestecurile perimetrice de pe inel să se poată prăbuși și să se formeze o nouă grămadă conică (Fig. 4c). Unghiul de repaus a fost măsurat folosind vârful conic și începutul grămezii conice din partea stângă sau dreaptă inferioară (punctul A și B din Fig. 4c). Figura 5 oferă dispozitivul de testare și măsurarea unghiului de odihnă pentru nisipul pur.

Procedura de testare utilizând dispozitivul de testare a unghiului de repaus. A Vedere schematică a unui dispozitiv de testare, b grămada originală de sol înainte de prăbușire și c grămada de sol după prăbușire și măsurarea unghiului de repaus