制樣含水率影響紅黏土強度特性的微觀機理研究*

金 盼 陳 波 胡云世

(衢州學院,建筑工程學院,衢州 324000,中國)

0 引 言

紅黏土是指碳酸鹽類的巖石在溫濕氣候條件下,物理化學風化后形成的殘坡積土,經紅土化作用形成的一種具有特殊物理力學特性的土(Gidigaso 1972; 陳正漢等,2019)。紅黏土廣泛分布在我國長江以南的熱帶和亞熱帶地區,具有裂隙性明顯、收縮性大和水敏性強等不良的物理特性(孫德安等,2015a; 談云志等,2015; 張宏等,2019)。然而,由于紅黏土又具有強度高、壓縮性低等相對不錯的力學特性,它也被作為一種良好的填料,廣泛應用于基礎設施建筑中的填方工程中(高盛翔等,2019)。

紅黏土具有裂隙性、收縮性明顯等不良物理特性,使其運用于基礎設施建設過程中誘發了大量的工程問題,包括地基的不均勻變形和填方邊坡失穩等(陳正漢等,2019)。因此壓實紅黏土的脹縮特性(孫德安等,2015a; 張宏等,2019)、持水特性(孫德安等,2015b; Chen et al.,2019)和力學特性(孫德安等,2017; 張祖蓮等,2019; 孫萍萍等,2020)也引起了國內外學者的極大關注。如:研究人員通過對非飽和紅黏土壓實樣開展大量試驗和理論研究后得出,土體的浸水壓縮變形和線收縮率均隨著初始干密度的增加而減小(孫德安等,2015a; 談云志等,2015); 土體的持水性能隨著初始干密度增大而提高,隨干濕循環次數增加而減弱(劉小文等,2015); 土體抗剪強度隨著吸力的增加而提高,隨干濕循環次數的增加而減弱(張祖蓮等,2018)。近年來,隨著壓汞和掃描電鏡在土體測試技術中的廣泛應用,研究人員從微觀結構方面對土體結構性、干密度、干濕循環作用引起紅黏土脹縮特性、持水特性和力學特性的差異進行了合理解釋,并明確了上述因素影響土體持水和力學特性的微觀機理(孫德安等,2015b; 談云志等,2015; Ng et al.,2020)。

雖然研究人員已對吸力和干濕循環影響非飽和紅黏土壓實樣的強度特性及微觀機理進行了廣泛的研究(孫德安等,2017; 張祖蓮等,2018; Ng et al.,2020),但由于軸平移技術(ATT)控制土體吸力范圍十分有限,紅黏土的吸力控制三軸剪切試驗主要集中于低吸力(s<500kPa)范圍(祝艷波等,2012; Ng et al.,2020),高吸力的剪切試驗成果則寥寥無幾。事實上,紅黏土在炎熱干燥的夏季往往處于高吸力狀態(Miguel et al.,2012)。高吸力試樣和低吸力試樣由于孔隙水賦存形式、顆粒間作用力不同,兩者的水力和力學特性存在明顯差異(徐筱等,2018; 李強等,2021)。另一方面,土體的初始含水率若能控制在最優含水率,則能取得良好的壓實效果。但事實上,土體的初始含水率往往處于最優含水率的干側(小于最優含水率)或濕側(大于最優含水率)。研究結果表明:干側樣(最優含水率干側制樣)和濕側樣(最優含水率濕側制樣)的微觀結構不同會導致兩者的力學特性存在差異(Delage et al.,1996; Alonso et al.,2013; Otlvaro et al.,2015)。但是,對于制樣含水率對紅黏土壓實樣抗剪強度的具體影響,以及微觀結構影響土體抗剪強度的量化研究方面,則極為匱乏。因此有必要開展制樣含水率對紅黏土壓實樣強度特性影響及微觀機理的研究工作。

隨著蒸汽平衡技術(VET)控制高吸力技術的成熟(Blatz et al.,2008),以及高吸力土樣的吸力只與土體含水率有關,與干密度無關的特性(Romero et al.,1999; Gao et al.,2019),為研究高吸力試樣的吸力控制三軸剪切試驗提供了理論依據和實用方法。即:通過開展排氣不排水的試驗方法可實現吸力控制的三軸剪切試驗(Gao et al.,2019)。因此,本文對取自浙江衢州的紅黏土,在最優含水率的干側和濕側制備而成的干側樣和濕側樣,用軸平移技術(ATT)或蒸汽平衡技術(VET)進行吸力平衡。吸力平衡后,將試樣安裝在非飽和土三軸儀中進行凈應力平衡。待凈應力平衡后,對不同吸力的干側樣和濕側樣開展吸力控制的三軸剪切試驗。比較相同吸力和孔隙比的干側樣和濕側樣的應力-應變曲線,探究制樣含水率對壓實紅黏土抗剪強度的影響。比較兩者孔徑分布曲線,明確制樣含水率影響紅黏土強度特性微觀機理的基礎上,建立峰值強度與孔徑分布的量化關系,為紅黏土在填方工程中的運用提供理論指導。

1 試驗土樣及方法

1.1 試驗材料

試驗用的紅黏土取自浙江省衢州市郊區,取土深度為地表以下約1.5m處,為金衢盆地內典型分布的殘積紅黏土。從圖1所示的顆粒級配曲線可知,試驗土樣的砂粒、粉粒和黏粒的比例分別為15.7%,39.4%和44.9%。表1所示的脹縮特性則表明,試驗土樣具有強收縮性和弱膨脹性。此外,X射線衍射(XRD)試驗結果表明試驗土樣的礦物成分為高嶺石、伊利石和蛭石,并含有少量的蒙脫石。X射線熒光光譜分析(XRF)的試驗結果表明試驗紅黏土的主要化學成分為氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3),并含有少量的氧化鐵(Fe2O3)。

表1 試驗紅黏土的基本物理特性

圖1 試驗土樣的顆粒級配曲線

1.2 試樣制備

將自然風干的紅黏土過2.0mm土工標準篩,然后分層均勻噴灑脫氣水,分別配備12.0%(最優含水率干側)和21.0%(最優含水率濕側)兩種含水率的土樣。選用上述兩個含水率的原因主要如下:達到98%壓實度要求的試樣,所對應的干密度為1.65g·cm-3。圖2的擊實曲線表明,該干密度在壓實曲線上對應的含水率分別為12.0%和21.0%,為最優含水率的干側和濕側。此外,21.0%含水率的土體雖然存在較多土粒團塊,但壓實過程中能基本破碎,保證制備的三軸樣比較均勻。將配好含水率的土樣攪拌均勻,放入多層保鮮袋中封存24h,使土中的水分分布更加均勻。制樣時,將指定質量土體放入鋼模具(d=38mm,h=76mm)中分層壓實,可得到預定干密度的壓實試樣。

圖2 干/濕制樣的含水率和干密度

需要說明的是,本次重點研究制樣含水率對紅黏土抗剪強度的影響,因此為防止含水率或孔隙比不同對土體抗剪強度的影響,應確保干側樣和濕側樣剪切前的孔隙比基本保持一致。由于不同結構和干密度土樣的w-s曲線在高吸力階段基本重合(Romero et al.,1999; Jin et al.,2021),因此只要干側樣和濕側樣施加的吸力一致,兩者的含水率可基本一致。同時,土樣凈應力平衡階段的體變量較小,可認為吸力平衡后的孔隙比與剪切前孔隙比基本一致。但是,由于濕側樣的初始含水率明顯高于干側樣的初始含水率,濕側樣在吸力平衡(脫濕)時的體積變化量也大于相應濕側樣的體積變化量。為保證兩者剪切前的孔隙比一致,可利用土體孔隙比隨吸力增大的變化關系(Jin et al.,2021),將干側樣的制樣干密度控制在1.65g·cm-3,濕側樣的制樣干密度控制在1.58g·cm-3(圖2),從而可實現干側樣和濕側樣在剪切前具有相同的孔隙比。

1.3 試驗內容與方案

1.3.1 剪切試驗

將制備好的干側樣和濕側樣分別用不同方式施加4種不同的吸力(1.2MPa,3.29MPa,38.0MPa,367.5MPa)。其中:1.2MPa的吸力是根據軸平移技術(ATT),通過壓力板儀(圖3a)控制氣壓的方法施加(Fredlund et al.,1993)。另外3種吸力則根據蒸汽平衡技術(VET),通過控制氣體相對濕度的方法施加(Blatz et al.,2008)。即,將制備好的試樣放置到盛有不同飽和溶液的干燥器中(圖3b),通過密封空間氣體相對濕度平衡實現施加預定的吸力。雖然通過ATT和VET施加得到的吸力分別為基質吸力和總吸力,但是,由于試驗紅黏土基本沒有鹽分(Jin et al.,2021),土體的基質吸力與總吸力是一致的,可認為是基質吸力或總吸力。待試樣吸力平衡后,將其安裝在用橡皮膜密封的GDS非飽和三軸儀底座上,從而保證試樣在試驗過程中的含水率(吸力)保持不變。待試樣固結平衡后(體變小于0.2cm3·d-1),開展剪切速率為0.144mm·h-1的等凈應力(σrn=0.1MPa)排氣不排水剪切試驗。試驗過程中,量測吸力平衡后試樣的質量和體積以及體變傳感器測得的試樣凈應力平衡過程中的體積變化,結合土樣凈應力平衡時的質量不變,可推算試樣固結完成時的含水率和孔隙比,試樣的詳細信息見表2。

表2 不同試樣剪切試驗的基本信息

圖3 軸平移技術和蒸汽平衡技術施加吸力

1.3.2 壓汞試驗

用于壓汞試驗的試樣,采用對試樣微觀結構影響最小的液氮冷凍干燥法(Delage et al.,1996)制備。即:制備與三軸試樣含水率和干密度一致的干側樣和濕側樣,待它們在不同吸力(1.2MPa和38.0MPa)下平衡后,選取具有代表性部分,切取體積約為1cm3的小立方體2～3塊。將切取的試樣迅速放入抽中空的液氮中,使土樣在-210°C的低溫下迅速凍干。將凍干樣放入Freezone凍干機中抽真空24h,以保證試樣中的水分完全升華。然后,將制備好的試樣放入到壓汞儀(AutoPore IV 9500)中,逐級施加進汞壓力,可得到孔隙直徑分布在0.005～350μm范圍內的孔徑分布曲線。

2 試驗結果

2.1 剪切試驗結果

圖4為紅黏土干側樣和濕側樣在不同吸力條件下的應力-應變曲線。圖中,q(=σan-σrn)為土體的偏應力;σan和σrn分別為軸向和側向凈應力;εa,εr和εv分別為試樣的軸向應變,側向應變和體應變。

圖4 不同吸力下試樣的應力-應變曲線(σrn=0.1MPa)

圖4的試驗結果顯示:1.2MPa吸力下的濕側樣和干側樣應力-應變曲線具有明顯差異,濕側樣為典型的剪縮硬化曲線,而干側樣則為微弱的剪脹軟化曲線。此外,從圖中還可以看出,隨著吸力的增大,無論是干側樣還是濕側樣,它們的應力-應變曲線均呈現出剪脹軟化的特性,并且隨著吸力的增加,土體的剪脹和軟化現象更加明顯。從圖4中還可以看出,隨著吸力的增加,土體的峰值強度逐漸增加,土體達到峰值強度的應變量逐漸減小,這種現象在吸力小于38.0MPa的試樣中更加明顯。雖然不同吸力試樣的應力-應變曲線存在明顯差異,但是,它們的應力-應變曲線在大應變(εa≥10%)時基本重合,表明不同吸力試樣的殘余強度基本是一致的。Zhang et al.(2020)開展的廣吸力范圍弱膨脹土強度特性試驗研究中,也得到不同吸力土樣的應力-應變曲線在大應變階段基本重合的結論,與本文的試驗結果基本一致。

圖5的試樣結果則表明:1.2MPa吸力濕側樣和干側樣的破壞模式也存在明顯差異。濕側樣破壞模式為典型的塑性破壞(圖5a),但是干側樣破壞模式則為明顯的脆性破壞(圖5e)。此外,更高吸力(s>1.2MPa)的試樣,無論是干側樣還是濕側樣,剪切破壞模式均表現為脆性破壞,與圖4中的應力-應變曲線特點相吻合。而且,中高吸力試樣脆性破壞形式基本為貫穿于試樣的單一型剪切帶(圖5b～5h)。

圖5 不同吸力下干側樣和濕側樣的破壞模式

圖6所示的是干側樣和濕側樣的強度(峰值強度和殘余強度)和剪脹量隨吸力逐漸增大的變化規律。從圖6a中可以看出,土體的峰值強度隨著吸力的增加而不斷增大,但是,峰值強度隨吸力變化的曲線(半對數坐標)具有明顯的非線性,說明隨著吸力的增大,吸力對土體峰值強度的提高作用逐漸減弱。該結果與Vanapalli et al.(2000)和Zhang et al.(2020)得到的粉質黏土和黏土峰值強度隨吸力增大的變化規律基本一致。圖6a中的干側樣峰值強度曲線位于濕側樣峰值強度曲線上方的結果表明,在相同吸力和孔隙比條件下,干側樣的峰值強度將大于相應濕側樣的峰值強度。干側樣和濕側樣的殘余強度曲線重合的結果則表明,制樣含水率對土體的殘余強度幾乎沒有影響,與Rasool et al.(2019)得到的結果基本一致。此外,濕側樣的剪脹變形量也明顯小于相應的干側樣(圖6b),也說明制樣含水率會對土體的變形特性產生重要影響。尤其是1.2MPa吸力的試樣,兩者的體積變化趨勢都不相同。即,濕側樣為典型的剪縮硬化變形,而干側樣則為剪脹軟化變形。干側樣和濕側樣的強度和變形差異主要是由于不同含水率制備的試樣微觀結構存在明顯差異。相關試驗結果表明:黏土干側樣為典型的絮凝結構,黏土濕側樣則為典型的分散結構。而且,絮凝結構的試樣由于具有更多的超大孔徑,土樣強度更高,也更易產生剪脹和軟化變形(Prashant et al.,2007; Rasool et al.,2019)。

圖6 干側樣和濕側樣的強度和體變比較

2.2 壓汞試驗結果

圖7為兩種吸力下,相同孔隙比的濕側樣和干側樣累計汞壓入體積曲線和孔徑分布密度曲線。圖中,孔隙比em為累計壓入汞孔隙比,可用累計壓入汞體積與顆粒比重的乘積求得,孔隙比e為土體吸力平衡后推算的宏觀孔隙比。從圖7a中可以看出,由于土樣存在封閉孔徑和壓汞儀無法探測到的極小孔徑(d<0.005μm),使壓汞試驗得到的累計壓入汞孔隙比em小于吸力平衡后的土體宏觀孔隙比e。試驗結果顯示,累計壓入汞孔隙比只有宏觀孔隙比的84%～94%,這主要是試驗紅黏土具有一定的蒙脫石含量,造成土體中含有較多極小孔徑引起的(Alonso et al.,2013)。圖7a的試驗結果還表明,同一吸力和孔隙比下的干側樣和濕側樣,雖然兩者的累計壓入汞體積基本一致,但是它們的變化趨勢明顯不同。而且,干側樣的超大孔徑(d>5.0μm)累計分布量明顯大于相應濕側樣的超大孔徑累計分布量,與絮凝結構的孔徑分布特點相吻合。此外,隨著吸力增大,土體由于干縮引起孔隙比和孔徑大小變化,使土體的累計壓入汞體積和壓入比例也相應地減少。

圖7 不同吸力下紅黏土濕側樣和干側樣的孔徑分布曲線

圖7b的試驗結果顯示,濕側樣的孔徑分布密度曲線為典型的單峰型孔徑結構,干側樣的孔徑分布曲線則為典型的雙峰型孔徑結構。該試驗結果與現有的粉土和膨脹土微觀試驗結果一致(Delage et al.,1996; Alonso et al.,2013)。從圖中還可以看出,不同土樣的集中分布孔徑有所不同,濕側樣的集中分布孔徑位于0.5～6.0μm之間,峰值對應的孔徑約為2.2μm。然而,干側樣在6.0～30μm和0.1～0.4μm之間均有集中分布孔徑,峰值對應的孔徑分別為18μm和0.2μm左右。此外,隨著吸力的增加,土體孔徑分布的峰值逐漸下降且峰值點位置左移,孔徑集中分布范圍變窄,說明土樣的孔徑隨著吸力的增大而變小,孔徑分布也變得更加集中。該試驗結果與土體由于荷載作用引起的孔徑變化趨勢類似(李旭昶等,2019; Sun et al.,2020)。

3 峰值強度差異微觀機理

大量試驗結果表明,土體的水力和力學特性與其微觀結構相關,且可通過孔徑分布合理的解釋土體的水力和力學特性。如:孫德安等(2015b)得出土體持水特性與土體的孔徑分布密切相關,并用孔徑分布曲線準確地預測紅黏土的持水曲線。賈超等(2019)得到黏性土的壓縮系數與孔徑分布具有明顯相關性,并基于試驗結果得到土體的等效孔徑越大,土體的壓縮系數也越大的結論。Sun et al.(2020)根據軟黏土抗剪強度與孔徑分布中的大孔徑累積量密切相關,并得到大孔徑累積量越多,土體的抗剪強度越低的試驗結果。因此為明確干/濕側制樣影響紅黏土抗剪強度的微觀機理,需要對土體的孔徑分布進行定量化分析。

圖7a試驗結果顯示,由于絮凝結構的干側樣內部存在較多的團粒結構,導致干側樣的超大孔徑(d>5.0μm)累積量明顯多于相應濕側樣的超大孔徑累積量。因此相同孔隙比的干側樣的峰值強度理應低于相應的濕側樣。但是,該結論與相同孔隙比的干側樣峰值強度大于相應濕側樣峰值強度的試驗結果明顯不符(圖6)。目前,雖然黏土干側樣和濕側樣的強度比較試驗結果極為有限(Rasool et al.,2019),但相同孔隙比的Barcelona粉質黏土干側樣和濕側樣的等吸力(s=1.0MPa)壓縮試驗結果顯示,在豎向荷載作用下,濕側樣的軸向應變量大于相應干側樣的應變量(Alonso et al.,2013)?？紤]到相同應力下,土體變形量越大,強度越低,也進一步證實了相同孔隙比的干側樣抗剪強度將大于相應濕側樣的抗剪強度?；谕馏w的峰值強度與孔徑分布曲線的關系可以得出,土體的峰值強度無法用超大孔徑(d>5.0μm)或者平均孔徑累積量進行合理的解釋。因此研究孔徑分布對土體抗剪強度的影響時,需要從土體大孔徑累計量的角度進行詳細分析(Sun et al.,2020)。

利用國內外常用孔徑界限值確定方法(Delage et al.,1996),并參考國內外紅黏土的大小孔徑界限值(Otlvaro et al.,2015; Ng et al.,2020),選擇以直徑0.2μm作為劃分大孔徑和小孔徑的界限尺寸。對圖7a所示的微觀試驗結果進一步分析后得出,相同吸力和孔隙比條件下,濕側樣的大孔徑累計量大于相應干側樣的大孔徑累計量。其中:1.2MPa吸力下的濕側樣和干側樣的大孔徑累計體積量分別為0.158 mL·g-1和0.149 mL·g-1; 38.0MPa吸力下,濕側樣和干側樣的大孔徑累計體積量分別為0.129 mL·g-1和0.115 mL·g-1。雖然干側樣和濕側樣的大孔徑累計值只差6%～12%,但由于土體的孔隙比較小,微弱的大孔徑累計值差異就能引起較大的強度差異。由于土體的峰值強度與大孔徑累計體積量相關(Sun et al.,2020),因此可以認為,兩者的強度差異主要是由于大孔徑累計體積量的差異引起的。

將干側樣和濕側樣在不同吸力下的峰值強度與對應的累計大孔徑體積量進行進一步整理,得到圖8所示的試驗結果。從圖中可以看出,土體的峰值強度隨大孔徑的累計體積增大而呈指數型減小,且兩者的相關性較好(R2=0.972)。該試驗結果與Sun et al.(2020)得到的軟黏土在相同孔隙比下,土樣的大孔徑累計量越多,土體的抗剪強度則越小的試驗結果基本一致。因此相同吸力和孔隙比下,干側樣的峰值強度大于相應濕側樣的峰值強度,主要是干側樣的大孔徑累計體積量相對較少導致的。隨著吸力的增大,干側樣和濕側樣的大孔徑累計量差值由0.009 mL·g-1逐漸增大到0.014 mL·g-1。相應地,兩者的峰值強度差距也將隨著吸力的增大而增大,與圖6a中顯示的峰值強度差值從0.119MPa增大到0.282MPa的結果一致。上述試驗結果表明,土體峰值強度主要由大孔徑累計體積量決定,且峰值強度隨土體的大孔徑累積量增加而指數型減小。

圖8 土體峰值強度與累計大孔徑體積量關系

4 結 論

本文對最優含水率干側和濕側制備的紅黏土壓實樣進行了吸力控制的三軸剪切試驗,比較兩者在相同吸力和孔隙比下的抗剪強度關系,并從孔徑分布角度闡釋了導致兩者強度存在差異的微觀機理。具體結論如下:

(1)高吸力紅黏土壓實樣的應力-應變曲線基本為剪脹軟化型,土體的破壞模式基本為脆性破壞,且破壞時呈現為貫穿于試樣的單一型剪切帶。隨著吸力的增加,土體的峰值強度逐漸增大,剪脹軟化現象也越明顯,試樣達到峰值強度所需的應變量也逐漸減小。

(2)同一吸力下,相同吸力和孔隙比的干側樣峰值強度大于相應濕側樣峰值強度,但兩者的殘余強度基本一致,說明干/濕側制樣只對土體的峰值強度具有重要影響,對殘余強度基本沒有影響。此外,同一吸力下剪切時,干側樣的體積膨脹量明顯大于濕側樣的體積膨脹量,說明干側樣的剪脹性明顯大于相應濕側樣的剪脹性。

(3)相同孔隙比下的干側樣峰值強度大于相應濕側樣峰值強度,主要是由于同一孔隙比下的濕側樣具有更多的大孔徑累計量引起的。而且,紅黏土峰值強度隨大孔徑累計量的增大而呈指數減少。