一种模拟易风化土风化过程的测试方法与流程

本发明属于公路工程修建技术领域，特别涉及一种模拟易风化土风化过程的测试方法。

背景技术：

我国高速公路工程的修建重点区域逐渐由经济较发达的沿海平原地区向经济落后的山岭重丘地区转移，这个过程中常遇到的易风化土等不良土体，结合现场踏勘和地质勘察资料可知，该类土具开挖暴露后易于风化特点使得其物理力学性质迅速劣化，强度降低且不可逆转等特点，作为不良土为工程的安全稳定性带来极大的隐患。例如：易风化土一般颜色呈灰黑色，具有干裂、吸水性强、遇水膨胀软化，开挖暴露后容易快速风化而导致结构破坏、强度降低且不可逆转但是易风化土开挖暴露风化而导致强度衰减规律的特殊性，导致仍无法深入分析暴露风化后易风化土强度衰减对工程安全稳定性的影响。

技术实现要素：

发明目的：解决现有技术的对应工程中易风化土暴露开挖后，随着风化程度的推进这一漫长的过程，其矿物成分、颗粒以及结构的变化导致强度的衰减而对工程安全稳定性的影响问题，提供一种模拟易风化土风化过程的测试方法。

技术方案：本发明提供一种模拟易风化土风化过程的测试方法，包括以下步骤：

1)制样：制备含水率为大于5％小于等于40％的土样；

2)装样：将所述的土样分三层装入容器内；

3)微波作用：将装有土样的容器放入试验炉，使用微波能发生器对所述的土样进行微波作用，其微波能发生器的作用功率为0～30kw、微波能发生器的作用时间为0～2h；

4)数据采集：采集微波作用后土样的最高温度和质量损失率；

5)求得易风化土自然风化时间与微波作用影响因素关系表达式，其表达式为：

f(t,p,t,w,m)＝0

式中，t为自然风化时间，p为微波作用功率，t为微波作用时间，w为易风化土样的含水率，m为易风化土样的质量。

进一步，在步骤1)中，测定所述土样的天然含水率、土样的天然密度、测定敏感指标。

进一步，所述的易风化土敏感指标与易风化土自然风化时间的关系表达式为：

式中y为敏感指标，t为风化时间，y0为易风化土完全风化时敏感指标的临界值，y0+a0可以反映模型的初始值，t0的取值范围(90，115)。

进一步，所述的不均系数、粘粒含量以及塑性指数与微波作用影响因素的关系表达式：

cu＝βk0+βk1p+βk2t+βk3w+βk4m

η3＝βk0+βk1p+βk2t+βk3w+βk4m

ip＝βk0+βk1p+βk2t+βk3w+βk4m

式中cu为不均匀系数，η3为粘粒含量，ip为塑性指数，p为微波作用功率，t为微波作用时间，ω为易风化土样含水率，m为易风化土样质量，k＝1，2，3，βk0βk1βk2βk3βk4为回归方程待定系数。

进一步，所述的土样的质量损失率的表达式为：

式中ζ为质量损失率，δm为土体质量损失，m为试验前质量，m′为试验后质量，ω为试验前含水率，ω′为试验后含水率。

进一步，在步骤5)中，易风化土的风化时间的表达式为：

式中t为易风化土的自然风化时间，atbtctdtetftgthtjt均为待定系数，cu为不均匀系数，η3为粘粒含量，ip为塑性指数。

进一步，所述容器的材料为陶瓷或碳化钨；外表面为圆柱面，内表面为大球冠面，球冠面最大直圆面平行于容器底面，球冠高为3/4的球冠面的最大直径。

进一步，所述的容器包括：小球缺、中球台和上球台，其中小球缺、中球台和上球台高度均为1/4的球冠面的最大直径，小球缺和中球台之间，中球台和上球台之间均通过两个槽口安装固定。

进一步，所述的装样分三层进行装样，第一层装样：(1)在小球缺上通过槽口安装第一护筒，称取克土样装入带有第一护筒的小球缺；(2)将该带有第一护筒的小球缺装载在台架上，(3)在第一护筒中心横截面的圆周上匀的贴上震动片，开启电机使震动片持续震动3～8mins，(4)停止震动后，将一钢片放入第一护筒，开动千斤顶向下压实土样，将钢片压至小圆缺底面即停止；(5)抬升千斤顶，卸下组合容器，拆去第一护筒，移除钢片，第一层装样完成；第二层装样：通过槽口将中球台安装在小球缺上，再通过中球台的槽口安装第二护筒，称取克土样装入带有第二护筒的中球台；将带有第二护筒的中球台装载在台架上，重复第一层装样的步骤(3)至步骤(5)，第二层装样完成；第三层装样：通过槽口将上球台安装在上球台上，再上球台上通过槽口安装第一护筒，称取克土样装入带有第一护筒的上球台；将带有第一护筒的上球台装载在台架上，重复第一层装样的步骤(3)至步骤(5)，第三层装样完成。

进一步，在步骤3)的微波作用过程中，用温度传感器实时监测容器中心的土样温度和土样表面的温度。

有益效果：本发明通过改进现有现有的圆柱形土样为球缺形土样更易于均匀接受微波作用，通过对微波作用功率和时间的设定来室内模拟自然状态下不同风化时间的易风化土样。建立不均匀系数、粘粒含量和塑性指数与微波作用影响因素的回归表达式和适用于不同条件下的自然风化与微波作用影响因素的关系式。弥补了自然作用下制备易风化土样耗时长不利于研究的缺陷，对易风化土物理力学性质根据风化过程而改变提供重要依据，对掌控易风化土物理力学性质保障工程质量及相关工程的应用提供理论基础，具有重要的理论和现实意义。

附图说明

图1为本发明的测试方法的流程图；

图2为本发明的利用微波测试模拟风化过程的球缺形容器和装样时的护筒；

图3为本发明的利用微波测试模拟风化过程的槽口安装示意大图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的模拟易风化土风化过程的测试方法的流程图，如图1所示，具体的测试步骤如下：

步骤1，制样：取未风化扰动使其成为易风化土，测定其天然含水率w0、天然密度ρ0等基本物理性质。为便于试验使用，将未风化土较大土块用木锤击碎，最大土块直径不超过2cm的土置于阴凉处自然风干。

为制备含水率为w的易风化土，(5％≤ω≤40％)在烘箱温度控制在65～70℃条件下烘48h以上，测定风干土样含水率。根据试验规程计算加水量，并在加水后拌和、静置、密封装入玻璃缸内，使土样内水分均匀。

步骤2，装样：将所述的土样分三层装入容器内，如图2所示；所述容器的材料为陶瓷或碳化钨；外表面为圆柱面，内表面为大球冠面，球冠面最大直圆面平行于容器底面，球冠高为3/4的球冠面的最大直径。所述的容器包括：小球缺、中球台和上球台，其中小球缺、中球台和上球台高度均为1/4的球冠面的最大直径，小球缺和中球台之间，中球台和上球台之间均通过两个槽口安装固定，如图3所示。

第一层装样，如图2a所示，在小球缺上通过槽口安装第一护筒①，其中第一护筒①为空心圆柱体外直径为dcm，内直径为高为hcm；称取土样克装入带有第一护筒①的小球缺；将带有第一护筒①的小球缺装载在台架上，在第一护筒①中心横截面的圆周上匀的贴上4片震动片，开启电机使震动片持续震动3～8mins；停止震动后，将直径为厚度为3mm的钢片放入第一护筒①，开动千斤顶以0.013mm/min的速度向下压实土样，将钢片压至小圆缺底面即停止；抬升千斤顶，卸下组合容器，拆去第一护筒①，移除钢片；第一层装样完成。

第二层装样，如图2b所示，通过槽口将中球台安装在小球缺上，再通过中球台的槽口安装第二护筒②，其中第二护筒②为空心圆柱体外直径为dcm，内直径为dcm，高为hcm；称取土样克装入带有第二护筒②的中球台；将带有第二护筒的中球台装载在台架上，在第二护筒②中心横截面的圆周上匀的贴上4片震动片，开启电机使震动片持续震动3～8mins；停止震动后，将直径为dcm厚度为3mm的钢片放入第二护筒②，开动千斤顶以0.013mm/min的速度向下压实土样，将钢片压至中球台顶面即停止；抬升千斤顶，卸下组合容器，拆去第二护筒②，移除钢片；完成第二层装样。

第三层装样，如图2c所示，通过槽口将上球台安装在中球台上，在上球台上通过槽口安装第一护筒①，称取土样克装入带有第一护筒①的上球台；将有第一护筒①的上球台装载在台架上，在第一护筒①中心横截面的圆周上匀的贴上4片震动片，开启电机使震动片持续震动3～8mins；停止震动后，将直径为厚度为3mm的钢片放入第一护筒①，开动千斤顶以0.013mm/min的速度向下压实土样，将钢片压至上球台顶面即停止；抬升千斤顶，卸下组合容器，拆去第一护筒①，移除钢片，装样完成。

步骤3：微波作用：将装有土样的容器放入试验炉，使用微波能发生器对所述的土样进行微波作用，其微波能发生器的作用功率为0～30kw、微波能发生器的作用时间为0～2h；在微波作用过程中，采用两个温度传感器，一个温度传感器要求插入至球心另一温度传感器要求刚刚接触土样表面时刻监测的试样中心温度和表面温度直接导入计算机形成“温度—时间变化图”并记录整个试验过程的试样中心最高温度tc，试样表面最高温度ts；监测系统为红外扫描摄影实时拍摄土样表面情况并在监测室主机等比放大显示，计算机可自动捕捉土样表面裂缝并根据放大比例计算裂缝宽度形成“裂缝宽度—时间变化图”记录整个试验过程的最大裂缝宽度c并将该条裂缝在拍摄的图片中标记。通过温度传感器和监测系统实时监控土样温度和裂缝开展情况，对试验过程中土样得状况进行掌握，

步骤4：数据采集。微波能发生器在设定时间后自动停止工作，打开试验炉舱门，带上隔温手套取出试样，打开锅盖，用手持式红外温度计并以铁铲辅助测量锅内表面及内部不同位置的土样温度，取温度最高值ttem(在tcts和手持红外温度计读数三者中得最大值)并记录。为控制试验前后土体质量测量的变量一致，待自然冷却至室温后倒出土样，进行称重，土体质量损失为试验前后质量差去除试验前后水分质量差，计算土体质量损失率。

易风化土敏感指标与易风化土自然风化时间采用指数关系进行拟合：

式中y为敏感指标，t为风化时间，y0为易风化土完全风化时敏感指标的临界值，y0+a0可以反映模型的初始值，t0的取值范围(90，115)。

仿真模拟影响因素，建立不均匀系数、粘粒含量和塑性指数与微波作用

影响因素的回归表达式依次为：

cu＝βk0+βk1p+βk2t+βk3w+βk4m

η3＝βk0+βk1p+βk2t+βk3w+βk4m

ip＝βk0+βk1p+βk2t+βk3w+βk4m

其中cu为不均匀系数、η3为粘粒含量和ip为塑性指数；p为微波作用功率，t为微波作用时间，ω为易风化土样含水率，m为易风化土样质量，k＝1，2，3，βk0βk1βk2βk3βk4为回归方程待定系数。

根据自然风化时间与微波作用影响因素的函数关系式：

f(t,p,t,w,m)＝0

其中t为自然风化时间，p为微波作用功率，t为微波作用时间，w为易风化土样的含水率，m为易风化土样的质量。

可靠性验证：将微波试验模拟风化作用土样进行xrd鉴定和颗粒分析试验和界限含水率试验，将所得数据与暴露自然风化下土样的数据进行对比，确认该模拟试验的可靠性。

现场取样在该易风化土边坡开挖过程中，在原山体表面以下约5～7m深处位置，采用重锤少击法，快速将薄壁取土器击入土中，将原状未风化易风化土样运回实验室。

配置土样密度ρ＝1.80g/cm³，微波作用功率p取值为3kw，4kw，5kw，6kw、微波作用时间t取值为20min，30min，40min，50min、土样含水率w取值为15％，20％，25％，30％、和土样质量m取值为2kg，3kg，4kg，5kg。根据矩阵统计试验设计的微波模拟易风化土风化试验工况开展试验。

从温度变化情况来看，微波作用后温度最大可达到457.2℃，最小仅103.6℃，与敏感指标的变化基本一致，间接表明微波对易风化土的催化作用是通过加热实现的。

从质量损失情况来看，最大质量损失率达到2.46％，最小质量损失率为0.50％，质量损失率较小。

采用指数形式拟合易风化土敏感指标与自然风化时间的关系式为：

不均匀系数：

粘粒含量：

塑性指数：

假定建立的回归方程满足多元一次回归模型，设不均匀系数、粘粒含量和塑性指数分别为y1、y2和y3，微波作用功率、时间、土样含水率和土样质量分别为x1，x2，x3，x4。则各组正交试验结果存在式

式中：k＝1，2，3；βks为回归方程待定系数，s为待定系数序号，共s个待定系数，本次试验中s＝5，s＝0,1,2,3,4。yki为各组试验的敏感指标观测值，i为正交试验序号，共试验n组，本次试验中n＝16，i＝1,...,16。x1i，x2i，x3i和x4i为第i组试验的影响因素取值，εki为各组试验误差。

设yki和βks最小二乘估计值分别为和则敏感指标与影响因素一次回归方程的表达式为：

设各敏感指标回归方程误差平方和为qk，则

当qk最小时，预测回归方程是原方程的最佳匹配。而误差平方和最小的必要条件是：

经整理并计算得

则不均匀系数、粘粒含量和塑性指数与微波作用影响因素的回归表达式依次为：

cu＝38.389-2.432p-0.304t+0.134w+0.637m

η3＝21.415+2.033p+0.211t-0.178w-0.420m

ip＝5.011+1.828p+0.174t-0.101w-0.348m

并采用r检验、f检验和t检验评价回归方程。最后结合敏感指标与自然风化时间的关系，建立自然风化时间与仿真影响因素的关系式：

f(t,p,t,w,m)＝0

联立敏感指标与自然风化时间关系式和微波作用影响因素得：

可根据不同的测试要求，分别建立适用于不同条件下的自然风化与微波作用影响因素的关系式。

已知土样状态和目标，求微波功率和时间：

已知微波设备和目标，求土样含水率和质量：

已知影响因素，求风化时间：

由x射线衍射图谱分析结果可知，易风化土主要成分有石英(sio2)、云母(kal2[alsi3o10][oh]2)和伊利石(kal2[(al,si)si3o10](oh)2·nh2o)，以及少量的高岭石、绿泥石和蒙脱石等。这与自然暴露风化易风化土分析结果一致。该组微波作用后的易风化土矿物成分含量分别为：石英含量为30.24％，云母、方解石和钾长石等矿物成分含量为16.50％，粘土矿物(包括高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石等)含量为36.11％。与未风化易风化土的矿物成分含量对比可知，成岩矿物含量由初始状态的39.81％出现明显的减少，粘土矿物含量由初始状态的20.04％出现了明显的升高，与自然风化作用下的易风化土的矿物成分的变化规律基本一致。

xrd分析结果表明在微波作用下能够实现易风化土中成岩矿物向粘土矿物的转化，即微波作用模拟易风化土自然风化作用的试验方法具有一定的可行性。

易风化土在自然风化后的真实值、根据上述关系式计算得到的计算值，以及微波作用后的试验值。计算结果和试验结果可知：

不同风化时间下，与自然风化作用下易风化土不均匀系数的真实值相比，计算值与真实值最大相差1.6，最小相差为0。试验值与真实值最大差值为1.2，在自然风化40d时发生，误差为5.48％；最小差值为0.5，在自然风化时间80d时发生，误差为2.53％。

不同风化时间下，易风化土粘粒含量的真实值与计算值最大差值为0.9％，误差为2.49％，最小差值为0.5％，误差仅为1.46％；试验值与真实值最大差值为1.6％，误差为5.05％，最小差值为0.2％，误差仅为0.55％。

不同风化时间下，易风化土塑性指数的真实值与计算值最大差值为0.2，最小差值为0.1，误差均不足1％；试验值与真实值最大差值为0.9，误差为4.41％，最小差值为0.5，误差为4.00％。试验值与真实值的最大差较计算值与真实值的最大误差和最小误差基本一致，表明本文提出的模拟试验和关系式均具有一定的准确定。