第２０卷 第５期 ２ ０１ ３钲 安全与环境工程 Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０ｌ＿２０ ＮＯ．５ Ｓｅｐ． ２０１ ３ ９月 不同备样方法对桂林红黏土最优含水率 及最大干密度的影响 陈学军 ，齐运来 ，卢丽霞 ，刘雪梅 ，肖桂元 （１．桂林理工大学，广西桂林５４１００４；２．桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林５４１００４） 摘 要：采用干土法和湿土法对桂林红黏土特性进行了击实试验研究，从桂林红黏土失水程度对结合水膜的影响 探讨了不同备样方法对桂林红黏土最优含水率及最大干密度的影响，并分析了导致不同试验结果的原因。结果表 明：桂林红黏土凝胶胶结结构中双电层失水多少与土样制备方法有关，不同备样方法对桂林红黏土的最优含水率 及最大干密度影响显著。该研究可为红黏土工程实践和土工试验提供理论依据。 关键词：干土法；湿土法；桂林红黏土；最优含水率；最大干密度；击实试验 中图分类号：Ｘ９４８；ＴＵ４４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—１５５６（２０１３）０５ ０１３６—０４ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｍｏｉｓｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｄｒｙ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ Ｒｅｄ Ｃｌａｙ ＣＨＥＮ Ｘｕｅ—ｊ ｕｎ ，ＱＩ Ｙｕｎ—ｌａｉ ，ＬＵ Ｌｉ—ｘｉａ ，ＬＩＵ Ｘｕｅ—ｍｅｉ ，ＸＩＡＯ Ｇｕｉ—ｙｕａｎ （１．Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆＭｉｎｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ３ ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔｓ ｗａｔｅｒ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｗｅｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ａｎａ— ｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ ｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｍ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｌ ｃｅｍｅｎｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎｇ ｒｅｄ ｃｌａｙ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｏｂｖｉ— ＯＵＳ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏ— ｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ—ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ；ｗｅｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ；Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ；ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ；ｍａｘｉｍｕｍ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ；ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ Ｏ 弓 口 桂林红黏土），其性质与我国其他地区红黏土存在着明 显差别口］。由于桂林红黏土工程性质的水敏性强烈， 红黏土是一种特殊土类，分布于我国大部分省，以 湖南、广西、贵州、云南等西南地区分布最广，其工程特 力学性质转折点在其最优含水率附近［２］，因此确定桂 林红黏土最优含水率成为岩土工程研究的重要内容。 目前，击实试验制样的方法有干土法、湿土法两 大类，《土工试验方法标准》（ＧＢ／Ｔ５０１２３ １９９９）＿３ 并未对制样方法进行明确限定，而不同制样方法所 性典型，主要表现为具有高分散性、高孔隙比、高天然 含水量、高液限等不良物理特性。桂林市是岩溶极为 发育的地区，在岩溶谷地、洼地常发育着红黏土（即称 收稿日期：２０１３－０４—２６ 修回日期：２Ｏｌ３一Ｏ５一Ｏ７ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１ ２６２０１１、５１１０８１］Ｏ）；广西重点实验室基金项目（１１－ＣＸ一０１） 作者简介：陈学军（１ ９６１），男，教授，主要从事环境工程、灾害地质与岩土工程方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｘｊ＠ｇｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 第５期 陈学军等：不同备样方法对桂林红黏土最优含水率及最大干密度的影响 １３７ 确定的红黏土最优含水率及最大干密度存在明显的 差别。为此，本文采用干土法与湿土法两种方法备 样，其中干土法又分为１０５℃烘干、６５℃烘干以及自 然风干三种，并根据备样过程的失水程度通过击实 试验研究桂林红黏土的击实特性。 １试验材料与方法 １．１试验材料 试验用土取自桂林市叠彩区某处建筑工地基 坑，深度约２．５ ｍ，为Ｑ。残积成因红黏土，其物理力 学性质指标见表１。根据桂林红黏土液限预估其最 优含水率约为２６ 左右 ］。 表１ 桂林红黏土物理力学性质指标 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ ， 椰摘度 数 ］６５～１ ７４ ２６ ８５～３１ ５ １ ３０～］ ３ ２ ７６～２ ７Ｒ ３４ ２～ ４ ６１ ３～７１ ２ ３１ ５～３６ Ｒ １．２试验仪器与试验方法 击实试验选用北京路达兴业公司ＹＤＴ—Ｉ型重 型击实仪，试验操作方法依据《土工试验方法标准》 （ＧＢ／ＴＳ０１２３—１９９９）进行。 ２试验结果与分析 ２．１ 不同备样方法桂林红黏土的击实特性 将烘干土分为两组，分别放入烘箱内进行１０５℃和 ６５℃烘干１２ ｈ，辗碎后过５ ｍｍ筛加水闷料２４ ｈ到目 标含水率进行击实试验。干土法组与湿土法组均依照 《土工试验方法标准｝（ＧＢ／Ｔ５０１２３－－１９９９）进行击实试 验。其击实试验结果见图１和表２。 ．、 吕 ● 粕 Ｈ－ 含水率∞／％ 图ｌ 不同备样方法下桂林红黏土ｍ— 的关系曲线 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｐｄ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ 不同的备样方法主要是使红黏土颗粒失水的程 度不同。在相同含水率击实条件下，按照备样过程 中红黏土的失水程度，备样过程失水越强，红黏土击 实后最大干密度越大，最优含水率越小。由图１和 表２可见，１０５℃完全烘干备样的桂林红黏土击实后 的最大干密度高于其湿土法，最优含水率也明显低 于其他备样方法。 表２不同备样方法下桂林红黏土的最大 干密度及最优含水率 Ｔａｂｌｅ ２ Ｍａｘｉｍｕｍ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ ｒｅｄ ｃｌａｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ２．２桂林红黏土微观结构分析 红黏土的主要矿物为高岭石、伊利石、针铁矿、 褐铁矿、蒙脱石、石英、绿泥石和水铝英石等，这些矿 物都是母岩经长期的风化、淋滤、重结晶和红黏土化 所形成。从红黏土的微观结构分析，红黏土是由黏 土粒团为基本颗粒单元，Ｆｅ：Ｏ。・ｎＨ。Ｏ，ＳｉＯ ・ ｎＨ Ｏ等铁、硅氧化物以胶结方式将土粒团包住，通 过胶结连接而成整体，这些胶结物是红黏土中最活 跃的组分之一Ｌ７ ］。红黏土的游离氧化铁主要以针 铁矿的形式存在，其颗粒非常细小，图２是放大 ２０ ０００倍桂林红黏土胶结物形态电镜照片。由图２ 可以看出：经过１０５℃烘干重新补水后，桂林红黏土 针条状更为明显，其外围絮状物更薄，其矿物的表面 胶结物是由一层氧或一层羟基组成，氢键连接容易 产生，土颗粒表面形成的氢键将改变正常水中电子 分布，因此容易使水分子与同层分子或下一层分子 形成附加键，从而改变了自由水形成一个扩散层。 这些胶结物中包含的水是结合水，结合水在某种程 度上可以看作是固体颗粒的组成部分，不同于普通 土的自由水 ，而对土的液塑性＿１ 、击实特性和 强度等产生影响的是颗粒中的自由水（见图３），但 当温度达到１０５℃左右时，强结合水大量蒸发，补水 后难以恢复，同时导致弱结合水变薄。由桂林红黏 土微结构示意图（见图４）可见，烘干补水后其土颗 粒粒团变小，结构更紧密。 ２．３试验结果原因分析 ２．３．１ 击实特性原因分析 红黏土烘干后破坏了结合水与颗粒间的结合力 第５期 陈学军等：不同备样方法对桂林红黏土最优含水率及最大干密度的影响 文集［Ｍ］．北京：地质出版社，１９８２． ｌ３９ 数据，这是因为湿土法击实试验获得的最大密实度 及最优含水量更接近工程的实际情况，并且能够减 轻工程压实工作量。 参考文献： ［１］陈瑶平．桂林红粘土的土工试验指标关系分析ｒ－ｊ］．桂林工学院 学报，２００７，２７（３）：３４８ ３５４． ［７］Ｏｒｉｆｆｉｔｈｓ，Ｆ．Ｊ．，Ｒ．ｃ．Ｊｏｓｈｉ．Ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｐｏｒｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌａｙｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９８９，３９（１）：１５９ １６７． ［８］Ｍａｄｕ，Ｒ．Ｍ．Ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｏｍｅ ｌａｔｅｒｉｔｅｓ ｏｆ ｅａｓｔｅｒｎ Ｎｉｇｅｒｉａ［Ｊ１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ，１９７７（ＩＩ）：１０１ １２５． Ｅ２］赵颖文，孔令伟，郭爱国，等．广西原状红粘土力学性状与水敏性 特征［Ｊ］．岩土力学，２００３，２４（４）：５６８～５７２． ［３］ＧＢ／Ｔ５０１２３ １９９９，土工试验方法标准［ｓ］． ［４］黄雄，林荃，陈静．土工击实试验中预估最优含水率的方法［Ｊ］． 水运工程，２００９，７（７）：１５７—１６０． ［９］Ｇａｏ，Ｇ．Ｒ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｌｏｅｓｓ ｓｏｉｌｓ，ｌａｔｅｒｉｔｉｃ ｓｏｉｌｓ ａｎｄ ｃｌａｙｅｙ ｓｏｉｌｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｇｅｏｍｅ— ｃｈａｎｉｃｓＡｂｓｔｒａｃｔｓ，ｌ９９６，３３（８）：９５—１Ｏ４． ［１Ｏ］谭罗荣，孔令伟．某类红粘土的基本特性与微观结构模型［Ｊ］．岩 土工程学报，２００１，２３（４）：４５８—４６２． ［５］张志权，王志勇．最大干密度和最优含水率的准确性探讨［Ｊ］．长 安大学学报，２００４，６，（２１）；７—１Ｏ． ［ｉ１］龚先兵．红粘土路基填料的试验方法［Ｊ］．长沙理工大学学报， ２０１０，７（１）：２２—２５． ［６］Ａ．Ｉ４．库里契茨基．李生林，蒲遵昭，秦素鹃，等译．土中结合水译 二 牙 ； 盎 ； ｅ 写 、 、 、墒 石＼ 蛉 、蛉 石 石 分 石 ０石＼ ； （上接第１２９页） 日预抽１５个月，累计抽采瓦斯量１７ ８３８ ｍ。（数据来 自九里山矿抽放台账）。孔问压裂钻孔以９ 孔为例 段）相比预抽期减少３／４。此外，与１６１６１运输巷掘 进时采用煤巷密集钻孔区段预抽相比，其效果明显。 １６１６１运输巷掘进时，采用煤巷密集钻孔进行预抽， 进行对比，抽采区块走向６ ｍ，９ 钻孔自２０１２年３ 月１５日压裂后带抽，至８月２１日累计抽采瓦斯量 １０３ ０６８ ｍ。（数据摘自九里山矿抽放台账）。可见， ９ 钻孔平均抽采瓦斯量是１６１３１下风巷第７组钻 孔平均流量的１７倍。 根据评价报告，评价单元自２０１１年３月１日带抽， 累计抽采时间６个月，煤矿层残余瓦斯含量为１０．５ ｍ。／ｔ，虽然低于始突标高的瓦斯含量，但高于防突 规定。 （２）孔间煤体水力压裂区块抽采评价。试验区 块煤炭储量为１２５ １２６．４ ｔ，瓦斯储量２ ６８５ ２１３ ｍ。， 到２０１２年８月２１日，累计抽放瓦斯总量为 ４ 结 论 顺层钻孑Ｌ预抽措施结合孑Ｌ间煤体水力压裂技 术，能够有效地消除煤层地应力的集中，提高煤体透 气性，缩短预抽时间，与单纯的高压压裂相比，其范 围可控，不会产生应力叠加，驱离和置换的瓦斯能够 ｌ ８２０ ９４３．７ １２－１。，瓦斯抽采率６７．８ ，残余瓦斯含量 ６．９１ ｍ。／ｔ，低于防突规定区域防突措施效果检验指 标（煤层残余瓦斯含量小于８ ｍ。／ｔ），并低于该矿始 突标高的瓦斯含量。 （３）区域防突指标的现场测定。２０１２年８月 ２６日，焦煤集团公司科研所对试验区域进行了区域 得到排放，防突效益明显，值得推广使用。 参考文献： ［１］王兆丰，范迎春，李世生．水力冲孔技术在松软低透突出煤层中 的应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１２，（２）．５２—５５． ［２］华敬涛．预留变形量水力压裂石门快速揭煤技术［Ｄ］．郑州：河南 理工大学，硕士学位论文，２０１１． 防突指标现场测定，直接测定试验区域瓦斯压力为： ０．５２ ＭＰａ、０．５４ ＭＰ、０．４６ ＭＰａ，低于防突规定区域 防突效果检验指标（煤层残余瓦斯压力小于０．７５ ＭＰａ），更低于该矿始突标高的瓦斯压力。经现场检 测，试验区域煤层透气性指数增长４２０倍。 （４）防突效果与经济性比较。根据中国矿业大 ［３１晋康华，刘明举，毛振彬，等．水力冲孔卸压增透区域消突技术应 用［Ｊ］．煤炭工程，２０ｌＯ，（３）：５０—５２． ［４］潘辉．水力挤出防突机理及注水参数优化研究［Ｄ］．郑州：河南理 工大学，硕士学位论文，２００７． 学提供的１４１２ｌ准备工作面（里段）抽采达标评判报 告：该工作面自２０１０年５月开始抽采，截止到２０１２ 年３月，共抽采瓦斯量为２４８．３６万ｍ。，计算煤层残 余瓦斯含量为７．４５ ｍ。／ｔ。焦煤集团科研所进行的 实际取样测定表明，煤层残余瓦斯含量最大值为 ６．７５ ｍ。／ｔ，在与本研究试验区域效果相当的情况 下，预抽期高达２２个月，与１４１２１准备工作面（里 ［５］袁亮．松软低透气性煤层群瓦斯抽采理论与技术［Ｍ］．北京：煤 炭工业出版社，２００４． ［６］王新新，石必明，穆朝民．水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机 理研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１２，（３）：４６７ ４７１． ［７］华敬涛，张明杰，滑俊杰．鹤煤四矿突出石门快速揭煤技术的研 究及应用［刀．煤，２０１１，（３）：２２ ２５．