鈣質(zhì)結(jié)核土及其大型直剪試驗研究

藍天鵬， 吳道祥， 楊遠(yuǎn)杰， 李 莉， 王國強

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

更新世時期，在我國西北地區(qū)黃土堆積的同時，位于中緯度的淮河流域也形成了一套內(nèi)陸河湖相沉積土，這些比黃土粒度成分更細(xì)小的黏性土由于受到地表水流的影響，失去黃土的某些重要特征，但其中含CaC03成分的特點沒有改變。在地下水的作用下，CaC03因淋溶淀積而集中，或由于水份蒸發(fā)集聚而形成了粒徑不等、形態(tài)各異的鈣質(zhì)結(jié)核［1］。在安徽淮北平原第四系的黏性土層中，鈣質(zhì)結(jié)核廣泛分布。鈣質(zhì)結(jié)核的存在使得土體呈現(xiàn)明顯的不均勻性和各向異性，土體的工程地質(zhì)性質(zhì)既不同于黏性土又別于碎石土，無法將其劃入任何已知的土類，是一種尚未得到深入研究的區(qū)域性特殊土。由于其工程性質(zhì)的優(yōu)劣很大程度上取決于鈣質(zhì)結(jié)核的形狀、大小、數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)及發(fā)育程度等，這使得對該土體開展工程地質(zhì)評價十分困難?；诖?，筆者所在課題組于2008年開始在國家自然科學(xué)基金的資助下開展對該區(qū)域性特殊土的工程地質(zhì)性質(zhì)等方面的基礎(chǔ)研究，且予以命名，即為鈣質(zhì)結(jié)核土［2］。

以往針對鈣質(zhì)結(jié)核土的研究，多是從其水利、農(nóng)業(yè)上的利用角度出發(fā)，因而成果也主要集中在土體成因及土壤的改良與利用等方面，對其工程性狀、物理力學(xué)性質(zhì)等工程性質(zhì)方面的研究一直處于空白狀態(tài)［1］。抗剪強度是土體一個十分重要的力學(xué)指標(biāo)，而對土體進行直剪試驗是獲取土體抗剪強度的一個十分簡單有效的方法，但是針對鈣質(zhì)結(jié)核土開展的傳統(tǒng)室內(nèi)小尺寸直剪試驗卻由于結(jié)核的存在而難以進行。因此，筆者在鈣質(zhì)結(jié)核土的力學(xué)特性研究中引入了大型直剪儀，進行了多組鈣質(zhì)結(jié)核土原狀土樣和重塑土樣的大尺寸直接剪切試驗，分析研究了鈣質(zhì)結(jié)核土的力學(xué)特性及其強度的影響因素。本文的研究對于準(zhǔn)確評價鈣質(zhì)結(jié)核土力學(xué)特性、工程性質(zhì)以及實際工程應(yīng)用具有重要的理論意義和實用價值，并為今后全面研究鈣質(zhì)結(jié)核土的結(jié)構(gòu)對強度的影響與控制打下基礎(chǔ)。

1 鈣質(zhì)結(jié)核土結(jié)構(gòu)形式和分布特點

1.1 二相結(jié)構(gòu)形式

鈣質(zhì)結(jié)核土是由細(xì)粒黏性土和粗粒鈣質(zhì)結(jié)核在空間上按一定的規(guī)律展布而成。鈣質(zhì)結(jié)核又稱石灰結(jié)核或砂姜，多呈黃白色或灰色，形狀呈姜狀、核狀或渾圓狀，粒徑一般3～8cm，大的可達30cm以上，最小的不及1cm，如圖2所示。

圖1 不同粒徑鈣質(zhì)結(jié)核照片

它是分散的碳酸鹽在硅酸、二氧化物、三氧化物、鐵和錳等吸附性物質(zhì)的表面與土膠結(jié)而成的［1］。鈣質(zhì)結(jié)核的形成與地質(zhì)時期海平面的升降、古氣候、古河道的變化、地下水作用以及土壤淋溶淀積等因素有關(guān)，碳酸鈣的來源主要是富含HCO3－－Ca2＋的淺層地下水，而鈣質(zhì)結(jié)核的大小和形態(tài)與地下水保持在這一層位的時間長短以及蒸發(fā)率有關(guān)［3－5］。根據(jù)鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育程度、化學(xué)組分和外表形態(tài)的不同，可將其分成雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完形鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐3種形態(tài)，其中以完形鈣質(zhì)結(jié)核分布最廣［1］。從鈣質(zhì)結(jié)核的微觀結(jié)構(gòu)來看，又可將其分為均質(zhì)結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)2類。利用X射線衍射儀和X射線熒光光譜儀對兩者的微觀結(jié)構(gòu)和成分進行分析后發(fā)現(xiàn)，同心結(jié)構(gòu)的鈣質(zhì)結(jié)核石英、金屬含量相對較多，且石英結(jié)晶度較好；均質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈣質(zhì)結(jié)核方解石含量較多，結(jié)晶度較好。由于石英硬度遠(yuǎn)大于方解石，因而同心結(jié)構(gòu)的鈣質(zhì)結(jié)核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好些，強度要高些［6］，如圖2所示。

圖2 鈣質(zhì)結(jié)核顯微鏡下剖面照片

1.2 分布特點

鈣質(zhì)結(jié)核土在空間上的展布具有明顯的規(guī)律性。從平面分布上看，淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土集中分布在河間平地、洼地及黃泛平地上，整個中南部地區(qū)除河流水系流經(jīng)之處外，均有鈣質(zhì)結(jié)核土的分布，而在古河道高地、泛濫微高地及河漫灘上則少見。從剖面分布看，西北部地勢較高，鈣質(zhì)結(jié)核土埋深較深；而東南部地勢較低，鈣質(zhì)結(jié)核土埋深也較淺。鈣質(zhì)結(jié)核土主要存在于黏土及粉質(zhì)黏土層中，粉土中也有少量分布，埋深集中在1.0～3.5m，部分地區(qū)直接出露地表。從上到下，一般為雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完形鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐，結(jié)核粒徑隨著深度增加而增大，含量也隨之增多［1］。

鈣質(zhì)結(jié)核土的二相結(jié)構(gòu)影響著土體的力學(xué)特性。土體中所含顆粒的最大粒徑、土體顆粒分布的級配特征以及粗粒鈣質(zhì)結(jié)核的含量都深刻影響著土體的強度和變形特征。前人的研究成果表明，土體的強度存在尺寸效應(yīng)，即在開展相關(guān)土體力學(xué)試驗時，所獲得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會受到土顆粒粒徑與試驗儀器尺寸間的比尺的影響，在比尺較小時，所獲得強度數(shù)據(jù)會偏高。而當(dāng)比尺大到一定的水平時，比尺效應(yīng)對強度的影響就可忽略不計［7－10］。鈣質(zhì)結(jié)核土中結(jié)核的粒徑大小不一，其顆粒粒徑普遍較大，利用常規(guī)土工試驗儀器所獲得的數(shù)據(jù)必然受到比尺效應(yīng)的影響。同時，大粒徑鈣質(zhì)結(jié)核的存在，使得室內(nèi)試驗制樣存在很大困難，鈣質(zhì)結(jié)核的尺寸往往比室內(nèi)試驗試樣大很多，很難制樣成功，即使是利用小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核制得了試驗土樣，試驗時也會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使試驗結(jié)果離散性明顯，不具有代表性。因此，本文在研究中利用大型直剪儀開展試驗，以期獲得較為準(zhǔn)確和客觀的試驗結(jié)果。

2 大型直剪試驗

2.1 儀器介紹

本次試驗使用的大型直剪儀為長沙亞星數(shù)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TGH－2C型直剪儀。該直剪儀由微機控制部分、傳感器采集和顯示部分、杠桿砝碼加載部分（有液壓升降機構(gòu)）、異步電機減速傳動加卸載部分組成，如圖3所示。

圖3 大型直剪儀外觀照片

其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）直剪速度為0.02～3mm／min，無級調(diào)速。

（2）位移傳感器的量程為0～300mm，精度為0.04mm。

（3）拉壓力傳感器量程為0～30kN，精度為0.05%FS。

（4）數(shù)據(jù)采集儀采用20×4LCD液晶顯示，內(nèi)存32K。

（5）垂直加載范圍為50、100、150、200kPa。

（6）試模尺寸為30cm×30cm×15cm。

（7）和試驗儀配套的數(shù)據(jù)采集與處理軟件可在中文 Windows98／2000／XP操作平臺下，對試驗過程進行全自動控制，并可打印出試驗結(jié)果。

2.2 試驗過程要點

（1）施加要求的垂直荷載，待土樣固結(jié)。每1h測計垂直變形1次，試樣固結(jié)穩(wěn)定的垂直變形值為每小時不大于0.002 5 h（h為土樣高度，單位為mm）。

（2）首先預(yù)拉伸至0.2kN停機，將壓力和位移傳感器清零，開始施加水平荷載。由微機自動控制整個試驗過程，剪切速率為2mm／min，每隔1s測記水平荷載1次，直至剪損。

（3）試驗至出現(xiàn)下列情況時自動停止：如果剪應(yīng)力出現(xiàn)峰值，試驗進行至獲得穩(wěn)定值（殘余強度）；如果剪應(yīng)力始終隨水平位移增大而增大，試驗進行至水平位移達20mm時停止。

2.3 原狀土樣

土樣取自安徽省蒙城縣牛群特校東側(cè)一條新開挖的河道中，取樣深度為地下1.5～2.5m。在取樣前定制了尺寸為35cm×35cm×20cm的木盒用以盛放原狀土樣。取樣時選擇鈣質(zhì)結(jié)核成層分布的河道岸坡，在河道岸坡上開挖出平坦臺階面，臺階面的高度略大于所需土樣高度，然后將臺階面切修成一個個土樣，切修過程中保證土樣不受擾動。土樣修整好之后用定制的木盒倒扣于土樣之上，將土樣納入盒內(nèi)，再將底部的土體削離，便可得到一個完整的原狀土樣，取樣后用隔水薄膜密封保存。部分取樣過程如圖4所示。

圖4 原狀樣取樣過程照片

2.4 重塑土樣

對原狀土樣進行了顆粒分析試驗，將土體篩分為＜2mm、2～5mm、5～10mm、10～20mm、20～40mm和＞40mm 6個粒徑層次。將土體篩分后，以控制含水量和結(jié)核粒徑為目的進行重塑土樣的制作。重塑土樣制樣方法按文獻［11］的要求執(zhí)行，其中含水量及鈣質(zhì)結(jié)核粒徑為可變因子，結(jié)核的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為不變因子。設(shè)計使用的含水量分10%、15%和20%3級；粒徑變化的取值分2～5mm、5～10mm和10～20mm 3級；結(jié)核的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為20%（參考各組粒徑的結(jié)核在原狀土樣中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)所得）。

2.4.1 土樣的顆粒分析試驗

對剪切過后的原狀土樣進行顆粒分析試驗，其試驗的操作方法和注意事項皆因鈣質(zhì)結(jié)核的存在而具有特殊性。

（1）如前所述，鈣質(zhì)結(jié)核分為雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完型鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐3種。其中雛形鈣質(zhì)結(jié)核的強度最低，輕壓易碎，完型鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐的強度較高，但其強度也只與軟巖相當(dāng)。本次采取的原狀土樣中，總體上含的是雛形和完型鈣質(zhì)結(jié)核，并以完型鈣質(zhì)結(jié)核居多，因而在顆分前的碾壓中要特別注意保護結(jié)核不被壓碎，其方法見下文的制樣要點。

（2）所采取的原狀樣體量較大（35cm×35cm×20cm），其質(zhì)量更達到25kg以上，因而針對每個土樣進行的顆分試驗都是一個很大的工程，所以針對鈣質(zhì)結(jié)核土進行的顆分試驗不能像常規(guī)室內(nèi)顆分試驗?zāi)菢硬捎眯『Y，而必須采用特制的成套大篩，如圖5所示。

圖5 原狀土樣的顆分試驗

2.4.2 重塑土樣的制樣要點

（1）在對原狀土樣進行顆分的過程中，要注意保護鈣質(zhì)結(jié)核不受壓碎或磨損。由于鈣質(zhì)結(jié)核粒徑較大，若在土樣晾曬干燥后直接碾壓，會將部分大粒徑結(jié)核碾碎，因而必須在碾壓之前手工挑揀出肉眼可見的大粒徑結(jié)核，同時在碾壓時增大碾壓厚度，以保護尚未被挑揀出的結(jié)核，然后邊碾邊挑，確定結(jié)核基本挑出后再薄層攤鋪碾壓。

（2）為了保證重塑樣內(nèi)水分均勻分布，需要將配好的土樣在容器中陳放1～2d，期間恒溫保濕保存，以保證水分滲透到土樣的各個部分，達到基本均勻分布的效果。

（3）在將重塑土樣裝入剪切盒內(nèi)時，要事先計算好裝入土樣的質(zhì)量，并分層填入壓實，以保證重塑土樣的密度和原狀土樣相近。

3 試驗結(jié)果

3.1 原狀樣的級配特征與強度指標(biāo)

采取的原狀樣共12個，編號如圖6所示。從圖6中可以看出，原狀樣的級配曲線總體較為平滑，從細(xì)粒到粗粒的展布較為均勻，表現(xiàn)出良好的級配特征。這種級配特征有利于土體強度的提高。因為在受剪時，良好的級配能夠使粗、細(xì)顆粒間相互嵌擠咬合，形成整體骨架，顆粒間難以發(fā)生滑移，從而提高了土體的整體強度。

原狀樣的強度指標(biāo)討論如下。

綜合原狀土樣的含水量、密度、鈣質(zhì)結(jié)核含量和級配特征等諸多影響土體強度因素，試驗得到了原狀鈣質(zhì)結(jié)核土抗剪強度指標(biāo)，如圖7所示。

從圖7中可以看出，原狀鈣質(zhì)結(jié)核土的c值為43.34kPa，而φ值為42.56°。由于黏性土的c值常見值為20～100kPa，φ值常見值為8°～25°；粗粒土的c值很小，接近于0，而φ值常見值為30°～41°，與此相比，原狀鈣質(zhì)結(jié)核土的內(nèi)摩擦角相對較大，表明鈣質(zhì)結(jié)核在土體中起到了強度骨架的作用，正是由于鈣質(zhì)結(jié)核之間的嵌擠咬合，增大了土體的內(nèi)摩擦角。而鈣質(zhì)結(jié)核本身形狀的不規(guī)則性，也有利于鈣質(zhì)結(jié)核間的接觸和相互作用。但是其c值的大小屬于正常的范圍，這是因為土體中的黏聚力主要是由土體中的黏性土提供的?？梢?，鈣質(zhì)結(jié)核土的強度指標(biāo)直觀反映了鈣質(zhì)結(jié)核土二相粒度構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特征。

圖6 原狀樣綜合級配曲線對比圖

圖7 原狀樣剪切曲線

3.2 由重塑土樣試驗得到的c、φ值的關(guān)系

筆者通過重塑土樣的大型直剪試驗，得到了鈣質(zhì)結(jié)核土c、φ值之間的關(guān)系如圖8所示。其中的橫坐標(biāo)表示土的類型，1～4分別表示素土、含粒徑2～5mm鈣質(zhì)結(jié)核、含粒徑5～10mm鈣質(zhì)結(jié)核、含粒徑10～20mm鈣質(zhì)結(jié)核的重塑土。

從圖8中可以看出，在不同含水量時，不同粒徑結(jié)核對土體c、φ值的影響是有很大差異的，但總體上都表現(xiàn)出c值在增大時，φ值有減小的趨勢，反之亦然。究其原因，可能正是土體二相結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的結(jié)果。鈣質(zhì)結(jié)核土由細(xì)粒的黏性土和粗粒的鈣質(zhì)結(jié)核二相構(gòu)成，在宏觀上，土體的黏聚力主要由土體中的黏粒提供，而摩擦及咬合力可能來源于結(jié)核間的嵌鎖和咬合。重塑土樣中，由于鈣質(zhì)結(jié)核的含量是一定的，這就導(dǎo)致在同等含量下，粒徑較小的鈣質(zhì)結(jié)核相對數(shù)量會多一點。因此，大粒徑結(jié)核分布相對分散，而黏粒分布集中；小粒徑結(jié)核分布相對集中，而黏粒則填充在結(jié)核間的空隙中，黏粒間的連接較差。黏粒分布集中時，鈣質(zhì)結(jié)核被隔離，表現(xiàn)為c值較大而φ值較??；鈣質(zhì)結(jié)核分布集中時，黏粒被隔離，表現(xiàn)為c值較小而φ值較大，因而會表現(xiàn)出c、φ值增減趨勢上的相反性。

圖8 土體c、φ值的影響曲線對比

同時從圖8c中可以看出，含水量較大時c值和φ值的變化趨勢也表現(xiàn)出一定的相似特征，說明兩者之間的關(guān)系還和含水量的大小有關(guān)，其變化趨勢的影響因素還有待進一步的分析。

4 結(jié) 論

（1）鈣質(zhì)結(jié)核土原狀樣在采取過程中要注意保護其免受擾動，本文提供的采取方式較好地獲得了鈣質(zhì)結(jié)核土的原狀土樣。

（2）鈣質(zhì)結(jié)核土的顆粒分析試驗不同于以往任何一種土類的顆分試驗，有其特殊的試驗方法和操作規(guī)程。本文提供了一種較為準(zhǔn)確的進行鈣質(zhì)結(jié)核土顆粒分析的方法，對以后進行相關(guān)的顆分試驗是一種積極的嘗試和良好的參考。

（3）鈣質(zhì)結(jié)核土原狀樣表現(xiàn)出良好的級配特征，這種級配特征有利于土體強度的提高，這也從一個方面解釋了鈣質(zhì)結(jié)核在土體中充當(dāng)?shù)膹姸裙羌茏饔谩?/p>

（4）原狀鈣質(zhì)結(jié)核土的c值為43.34kPa，而φ值為42.56°。該強度指標(biāo)直觀反映了鈣質(zhì)結(jié)核土二相粒度構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特征。

（5）在不同含水量時，不同粒徑結(jié)核對土體c、φ值的影響是有很大差異的，但總體上都表現(xiàn)出c值在增大時，φ值有減小的趨勢，反之亦然。但含水量較大時，c值和φ值的變化趨勢也表現(xiàn)出一定的相似特征，說明兩者之間的關(guān)系還和含水量的大小有關(guān)，其變化趨勢的影響因素還有待進一步的分析。

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