文摘

最自然的沉积粘土包含有机物质,甚至少量的有机物将会有一个伟大的对粘土的物理和力学性能的影响。为了澄清对粘土土壤有机质含量的影响,illite-quartz混合物混合了天然无定形泥炭土壤(有机质含量50%)在不同比例为研究不同有机质含量的影响物理性质(比重,G_年代;水分含量, ;孔隙比,e;液限, ;塑性极限, ;塑性指数,我_p)和剪切特性(凝聚力,c;摩擦角,φ)的粘土。实验结果发现,与有机质含量的变化,的比重和孔隙比粘土线性变化,而含水量,阿太堡限制,抗剪强度、凝聚力、摩擦角变化非线性随有机质含量的增加。水分含量和阿太堡限制OC = 7.5%时的一个转折点。抗剪强度、凝聚力、摩擦角都有明显的转折点当OC = 7.5%, OC = 37.5%。水分含量的变化与有机质含量和阿太堡限制表明OC = 7.5%可能是不同形式的极限值的粘土的有机物质。当OC≤7.5%,粘土的有机物质束缚态;度> 7.5%时,绑定有机物达到饱和;和自由有机质逐渐增加。抗剪强度的变化规律与有机质含量特征表明,矿物质和有机物之间的互动展示在不同有机质含量不同的剪切特征。当OC≤7.5%,粘土矿产属性,当7.5% < OC≤37.5%,粘土显示mineral-free有机质性质,当OC > 37.5%,粘土显示免费的有机物质属性。

1。介绍

自然,沉积粘土通常包含有机物质,但有机质的含量和类型有显著差异1- - - - - -4]。不同的内容和不同的有机物形式产生重大影响土壤矿物的结构和性能。在道路建设中,道路将不可避免地穿过高有机质土壤或泥炭地区域。有机土壤和泥炭含水量高、压缩性高、承载力和低不适合建造堤坝和高速公路,所以预压方法的使用,水泥深层搅拌和Excavation-Replacement方法处理地基梁是越来越普遍5- - - - - -7]。然而,如何评估土壤有机质含量的影响在粘土的工程性质仍不清楚。研究的内容和类型有机质的影响在粘土的工程性质是重要的指导路基工程设计和施工(8- - - - - -10]。

许多学者用不同的方法来研究有机物对土壤的工程性质的影响。根据总结的研究方法有机物质对土壤的工程性质的影响,主要的研究方法可以分成3类。第一个方法是收集不同有机质含量土壤样本在多个领域的影响,然后分析有机质含量土壤的工程性质。例如,Odell et al。11]研究26组不同的有机土壤在伊利诺斯州,和有机质含量的影响在阿太堡极限进行了分析。发现阿太堡上限增加随着有机质含量的增加。他们还发现有机物负责大部分的变化观察到样品的塑性极限值;布什和凯勒(12]研究沉积物的物理性质的两个区域Peru-Chile大陆坡和纳斯卡板块东部。结果表明,沉积物的含水率和阿太堡限制与有机质含量呈正相关;班尼特et al。13]研究了有机质和沉积物属性之间的关系在美国的两个大陆边缘。人们已经发现,含水量,阿太堡极限,和粒子含量与有机质含量密切相关。然而,他们得出结论,有机质含量之间的相关性和阿太堡没有强大到足以意味着重要的相互依存。由于不同的有机物的来源和不同的矿物成分有机土壤在不同地区,这种方法的最大缺点是,虽然有机质含量变化,土壤的矿物和有机物成分也发生了变化。另一个常见的方法是准备有机粘土复合材料通过添加纯矿物土壤有机化合物。例如,Olgun和Yıldız14)混合甲醇、乙醇、异丙醇、醋酸,蒸馏水在不同比例并将它们添加到土壤从Aksaray城市土耳其准备收集有机土壤有机质含量不同。土壤含水量限制测量,进行三轴压缩试验。结果表明,液限、塑性指数随有机质含量的比例增加而降低含水量,土壤和甲醇作为有机物质压缩指数和肿胀指数低于其他有机土壤。曾庆红et al。(15)混合水不溶性有机物(胡敏酸)和水溶性三有机物(腐殖酸酞、腐殖酸钾和织物酸)和八个粘土自然粘土和两个纯矿物粘土(6)。不同的矿物和有机质的有机化合物都准备好了,和各种有机化合物的物理性质进行了研究。结果表明,粘土的界限含水量不同的矿物和有机质成分有很大的不同。然而,这种有机化合物的组成完全不同于自然土壤中的有机物质,不能完全考虑到实际情况。一些学者还通过化学手段处理有机土壤调节土壤中的有机物质。例如,Roshid和棕色(16]使用过氧化氢清除从原始土壤有机物质,然后添加腐殖酸准备有机土壤有机质含量为0%∼4%,和不同有机质含量土壤的工程性质进行了研究。结果表明,可塑性,土壤不排水抗剪强度、压缩性和有机质含量增加。布斯和达尔17]删除从土壤沉积有机质的过氧化氢,然后把它们混合与原始沉积土壤准备样品不同有机质含量的比例(0.57%∼3.2%)。结果表明,有机质与液限有显著相关性,塑性指数和比重。然而,这方法复杂,费时,费力,只适合用最小的有机质含量土壤样本。

此外,当前研究有机物之间的关系和粘土的工程性质仍然是集中在一个相对较小的范围(0%≤OC≤20%)11- - - - - -13,16- - - - - -19]。例如,Hameedi et al。20.,21和法塔赫et al。22]研究了粘土的工程性质与有机质含量在伊拉克南部2∼15%。然而,对于特殊黏土如有机土壤和泥炭土壤有机质主要是超过20%的内容(23- - - - - -25]。针对上述缺点,illite-quartz混合物和天然无定形泥炭土壤(有机质含量50%)在不同比例混合准备12组粘土土壤矿物成分相同的和不同的有机质含量(0%∼50%)。本文的主要目的是阐明在粘土土壤有机质含量的影响的物理和机械性能。另一方面,本研究分析了不同有机质的阈值(绑定和免费的)形式和有机质和矿物质之间的相互作用的影响在不同形式的粘性土的剪切特征。

2。材料和方法

2.1。材料

天然泥炭土壤样本收集的工程在昆明滇池附近的城市,云南省,中国,如图1(一)和1(b),手动取样如图1(c),示例如图1(d)。测试结果如表所示1。其中,烧失量( )确定所有泥炭土壤样本ASTM (D2974 2014) (26];纤维的内容( )确定所有泥炭土壤样本ASTM (D1997-13) [27),根据ASTM (D4427 2013) (28)的分类方法,它可以被法官泥炭土壤属于非晶态泥炭土壤。x射线衍射(XRD)测试进行识别泥炭土壤的矿物成分。标本进行XRD测试后准备Whittig和Allardice[描述的方法29日]。图2介绍了x射线衍射的泥炭土壤模式。自然泥炭土壤调查的主要粘土矿物伊利石,与不同比例75%到85%的范围内,其次是石英(10%∼20%)。根据伊利石的内容比石英的无定形泥炭土壤、伊利石的质量比石英混合物(d≤0.038毫米)添加到测试本文示例4:1。泥炭土壤的矿物成分、伊利石和石英表所示2。

2.2。样品制备和测试方法

去除残留纤维无定形泥炭土壤做样品之前,和添加蒸馏水是为了准备泥浆含水量的样品液限的2.0倍。充分混合后料浆的有机质含量测定为50%。最初的有机质含量的料浆50%是混合着illite-quartz(有机质含量0%)所需的比例准备样品有机质含量从0%到50%(如图3)。标本是由preconsolidating粘土泥浆24 h。的泥浆被放置成一个细胞preconsolidated身高61.8毫米直径40毫米。标本是preconsolidated 50 kPa的压力压力渐增(12.5,25.0,和50.0 kPa)之前测量物理力学参数。

的物理性质测量由比重(G_年代),水含量( ),和界限含水量(液体限制 ;塑性极限 ;和塑性指数我_P)。分别显示测试进行测试标准ASTM D854 [30.];ASTM (D2974-14) [26];ASTM (D4318-17) [31日]。

应该注意的是,直到现在,一个特定的剪切试验方法尚未引入泥炭土壤以确定其抗剪强度参数。但在常规剪切试验,戒指简单剪切和直接剪切试验中纤维对测试过程的影响是低找到更合适的(32]。因此,本文使用了直剪试验的剪切强度测试标本。标本是预压(应用prepressure )是50 kPa, 100 kPa, 150 kPa,和200 kPa, resp)在剪切试验。执行的测试是根据测试标准ASTM (D3080 / D3080 M−11) (33]。

3所示。结果与讨论

3.1。物理性质

在研究有机质含量影响的粘土的剪切特性,每组样本的基本物理性能评估。底层的物理性质如表所示3。不同有机质含量之间的关系曲线,每个指数吸引进一步分析每个物理指标的变化规律在不同有机质含量。

3.1.1。有机质含量对比重的影响

在先前的研究12,24),泥炭土壤的有机质和矿物成分不同地区样本有很大的不同,有机土壤的比重不是与有机质含量显著相关,和数据是高度离散的。这可能是由于不同的矿物和有机质和有机质含量的小范围。有机质含量的影响比重值(G_年代从图)是明显4。的G_年代的粘土减少线性值随着有机质含量的增加,高相关性(R²= 0.997)。有机质含量从0%上升至50%,和G_年代的样本值从2.75下降到1.65。的减少G_年代值随着有机物的增加主要是由于低价值的比重的有机物质16,17,34,35]。

3.1.2。有机质含量对孔隙比的影响

在图5孔隙比与有机质含量的样品报告。可以看出,孔隙比的增加而增加有机质含量,和非常高的相关性(R²= 0.983)。Hamouche和Zentar36]研究沉积物不同有机物和获得的结果与有机质孔隙比增加。

3.1.3。有机质含量对含水率的影响

Hamouche和Zentar36]发现含水率和有机质含量之间关系线性增加。有机质含量和含水率之间的关系如图6。值得注意的是,水分含量和有机质含量之间的关系不是一个单一的线性增加。OC = 7.5%时,直线,斜率增加从2.040到4.497。腐殖质具有巨大的比表面积和亲水性集团,及其强大的吸水的主要原因是土壤含水量的增加37]。

3.1.4。有机质含量对含水量的影响限制

目前,关于液限和塑限之间的关系和有机质含量的变化,有一个共识,即液限和塑限增加线性随着有机质含量的增加,如表所示4。从表中可以看出,虽然有机质含量相关性高液限和塑限,有机质含量研究的范围相对较小。至于可塑性指数(我_P)的有机土壤,许多研究者发现我_P随OC,但相关性不显著(11,13,16,38,39]。

液限之间的关系、塑性极限和粘土的塑性指数与有机质含量数据所示7(一)- - - - - -7 (c)。从图可以看出7液限、塑性极限和塑性指数随着有机质含量的增加而增加。值得注意的是,这条直线是分为两个阶段(OC = 7.5%)。当OC≤7.5%,有机质增加1%,液限、塑性极限,和塑性指数增加了1.89%,0.62%,和1.26%,分别;度> 7.5%时,有机物增加1%,和液限、塑性极限和塑性指数增长了7.48%,2.15%,和5.21%,分别。

3.2。有机质含量对剪切特性的影响

剪切强度测试进行了12组样品来评估不同有机质含量对剪切强度的影响及相关泥炭土壤参数。粘性土的剪切strength-displacement曲线当prepressure 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa, 200 kPa数据所示8(一个)- - - - - -8 (d),分别。从图可以看出8剪切strength-displacement曲线没有明显的峰值,和Badv Sayadian [25)也获得类似的研究结果。值得注意的是,剪切strength-displacement曲线逐渐向下移动随着有机质含量的增加在同一垂直压力。这种现象变得越来越明显的随着垂直压力的增加。

根据ASTM (D3080 / D3080M-11)标准(33),当没有峰值,对应的剪切应力剪切位移的10%作为标本失败时的剪切应力。表5显示了抗剪强度和抗剪强度指标(凝聚力和摩擦角)的12组样本在不同固结压力。抗剪强度之间的关系,抗剪强度参数和有机质含量是进一步分析剪切特征的变化规律在不同有机质含量。

3.2.1之上。有机质含量对剪切强度的影响

图9情节的变化曲线示例与有机质含量的抗剪强度在不同垂直压力。从图可以看出,粘土的抗剪强度逐渐随有机质含量的增加而减小。值得注意的是,当OC = 7.5%, OC = 37.5%,直线有一个转折点和抗剪强度的变化速度减慢。

3.2.2。有机质含量对凝聚力的影响和摩擦角

Pulat和Yukselen-Aksoy41)进行剪切测试市政固体废物来自欧洲、土耳其、美国和美国,发现内摩擦角降低与有机质含量的增加,线性相关性为0.6。虽然内聚力随着有机质含量的增加而增加,没有明确的函数关系;签等。42]研究圣玛丽亚的粘土在五个不同的地区,发现内摩擦角降低了线性与有机质含量的增加,和相关在0.1 ~ 0.6的范围。他们也相信,凝聚力与有机质含量无关;Edil和王43]分析了有效的摩擦角和有机质含量之间的关系基于现有的研究数据的有机土壤和泥炭在明尼苏达和威斯康辛州,发现数据有很大的可分散性。

从上面的研究成果,可以发现,有机物质之间的相关性和摩擦角是相对较弱,和数据是离散的。有机质含量之间的关系和凝聚力非常模糊。作者认为,这是由于不同的矿物质和有机成分的有机土壤收集来自不同地区。在本文中,凝聚力与有机质含量的变化如图10 (),摩擦角的变化规律与有机质含量如图10 (b)。随着有机质含量的增加,粘土增加凝聚力和内摩擦角降低。值得注意的是,这条直线就当OC = 7.5%, OC = 37.5,和直线的斜率的绝对值逐渐减少。粘土凝聚力和摩擦角的变化速率减慢。

3.3。讨论

非晶态泥炭土壤中有机质主要是腐殖质。腐殖质的比重小于的矿物质,及其形态类似于胶体和有一个更大的比表面积和比矿物亲水性基团。在有机土壤,土壤腐殖质和矿物颗粒不是简单的机械混合,以及它们之间复杂的物理和化学反应,形成一个有机matter-mineral复杂。矿物质和腐殖质将形成一个mineral-humus复杂通过阴离子交换,配位体交换表面协调,疏水性,熵,阳离子桥接,氢键在土壤学(图11)。吸收的有机物坚决矿物颗粒土壤颗粒的表面称为绑定有机物,有机物远离矿物颗粒和不受有机物吸附称为自由(37]。

根据上面的分析,可以得出的结论是,随着有机质含量的增加,之间存在一个阈值不同形式的有机物质(绑定状态和空闲状态)。当土壤中有机质含量低于阈值,有机质主要存在于合并后的状态;有机质含量超过阈值时,矿物质土壤有机质的吸附容量达到饱和和自由有机质增加(图12)。

由于有机质和矿物质之间的交互,不同形式的有机物质(绑定和免费的)将会影响土壤的物理性质。根据本文的结果,主要是反映在含水率的影响和阿太堡极限。阿太堡限制边界,将土壤含水量一致性状态和土壤中的含水量密切相关。由于腐殖质是一种亲水胶体物质,阿太堡限制和粘土的含水量增加有机质(腐殖质)内容的增加。然而,结合有机质由矿物颗粒吸附,及其对水的吸附能力相对较弱,而自由有机物比绑定有机质更自由,相对强劲的吸附水的能力。从本次测试的结果可以看出,粘性土的水吸附能力改变了OC = 7.5%。因此,OC = 7.5%可能绑定有机质的极限值和免费的有机物质。当度< 7.5%,矿物质和有机质相互吸附,有机物质束缚态的形式存在,对水的吸附能力较弱;OC = 7.5%时,绑定有机物达到饱和;度> 7.5%时,免费有机质逐渐增加,水吸附容量增加。

粘土的剪切特性不同于含水量限制和含水率。粘土的凝聚力主要取决于因素如土壤颗粒之间的胶结和静电引力效果;摩擦角主要取决于土壤颗粒表面的粗糙度和安排。有机质的含量从0%上升到7.5%;合并后的有机物质没有影响和土壤颗粒之间的胶结土颗粒的安排。因此,粘土的凝聚力和摩擦角显示类似的属性矿物质。随着有机质含量从7.5%上升到37.5%,土壤颗粒之间的自由有机质逐渐增加。免费的有机物在连接起了作用,也起到一定的作用在土壤颗粒“润滑”。粘土的凝聚力和摩擦角有一定的影响。土壤受到免费矿物质和有机质的联合行动,显示mineral-organic物质的性质。 With the further increase of organic matter content (OC > 37.5%), the free organic matter between soil particles far exceeds the bound organic matter, resulting in a reduction in contact points between soil particles and a significant change in their arrangement. Therefore, the friction angle of clay is reduced. The colloidal humus significantly improves the cementation between the particles, increasing the cohesion of the clay soil. At this stage, the clay is mainly affected by free organic matter and exhibits the properties of free organic matter.

4所示。结论

(1)土壤中有机质含量的线性关系比重和孔隙比。特定的重力随有机质含量的增加而减小,与孔隙比随有机质含量的增加;含水率和阿太堡限制随着有机质含量的增加而增加,但在OC = 7.5%,变化速率增加。随着有机质含量的增加,凝聚力的增加,摩擦角减小,抗剪强度降低。当OC = 7.5%, OC = 37.5%,凝聚力、摩擦角、和抗剪强度有明显的过渡。(2)含水量的变化规律和阿太堡限制与有机质含量表明,OC = 7.5%的门槛粘土吸水能力的变化。当OC≤7.5%,有机质处于绑定状态。度> 7.5%时,结合有机物质饱和和自由有机物质增加。(3)在不同有机质含量,有机质和土壤颗粒之间的相互作用的差异导致的不同粘土的剪切特征。有机质含量小于7.5%时,粘土土壤展品矿产属性;有机质含量是7.5%∼37.5%,粘土土壤展品mineral-free有机物的性质;有机质含量超过37.5%时,粘土展览免费有机物的性质。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51568030和51568030号)和云南基础研究重点项目(没有。2018 bc013)。