紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)與聲波波速關(guān)系的初步研究

張 丹，晏鄂川，梁 風(fēng)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

紅黏土是一種有特殊工程地質(zhì)性質(zhì)的區(qū)域性特殊土。在我國，它特指碳酸鹽類巖石在亞熱帶濕潤氣候條件下，經(jīng)過強(qiáng)烈的風(fēng)化作用形成的厚度不同的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的褐紅、棕紅等色的黏性土，在廣西、云南、貴州的分布最廣泛，且厚度變化很大[1-2]。紅黏土工程地質(zhì)的特殊性主要表現(xiàn)在以下三個方面：①紅黏土具有反向剖面性，即上硬下軟，隨著埋藏深度的增大，紅黏土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)均增大，土質(zhì)由硬變軟，強(qiáng)度大大降低，工程力學(xué)性質(zhì)變差；②紅黏土失水收縮強(qiáng)烈，會導(dǎo)致其表面裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，對邊坡的穩(wěn)定性或淺埋基礎(chǔ)都會造成一定的影響；③受地形地貌和下伏基巖起伏的影響，地勢較高處的紅黏土含水率與壓縮性均較低，土體強(qiáng)度較高，工程力學(xué)性質(zhì)較好，同時，因基巖起伏，即使相距很近的紅黏土，其厚度變化也可能很大，也會造成土體性質(zhì)的差異，對工程建設(shè)的影響較大[1]。貴陽地區(qū)的紅黏土發(fā)育極其典型且分布廣泛，在建筑工程中常常涉及到對紅黏土地基等與紅黏土有關(guān)的工程地質(zhì)性質(zhì)的評價。

20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外鐵道、水電及工程地質(zhì)界普遍運(yùn)用巖石的縱波速度進(jìn)行巖體分類、風(fēng)化層劃分等，聲波測試技術(shù)作為一種無損、快速、簡便的檢測方法，已經(jīng)成為了一種不可缺少的巖土體檢測手段。如Stephenson[3]對無側(cè)限黏土進(jìn)行了聲波波速測試，著重研究了黏土含水率、孔隙比等對其聲波波速的影響；Alba等[4]測定了三軸壓力室內(nèi)飽和砂土的剪切波速等；王大雁等[5]測定了不同密度的凍結(jié)黃土、砂土和黏土在不同溫度下的聲波波速，建立了未凍結(jié)黃土含水量與聲波波速的關(guān)系；王崢輝等[6]對比研究了黏性土含水率、壓縮系數(shù)與其超聲波波速值的關(guān)系，結(jié)果表明黏性土的縱波波速隨其含水量的增大而增大，在一定的含水量條件下，其縱波波速與壓縮系數(shù)之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其橫波波速與其壓縮系數(shù)之間呈線性關(guān)系；黃星等[7]分析了凍結(jié)粉質(zhì)黏土的含水率、溫度、干密度對其聲波波速的影響，結(jié)果表明在黏土含水率相同的情況下，其聲波波速隨干密度的增加呈線性增加；王飛聲[8]研究了粉質(zhì)紅黏土含水率、孔隙比與其縱波波速的關(guān)系，結(jié)果表明土樣含水量與縱波波速呈正相關(guān)關(guān)系，土樣孔隙比與縱波波速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；李艷等[9]對齡期為28 d的不同水泥摻量的紅黏土進(jìn)行了超聲波測試，驗證了超聲波測試技術(shù)在水泥紅黏土測試應(yīng)用中的可行性，有助于推進(jìn)聲波無損測試技術(shù)在土體中的應(yīng)用。

在地質(zhì)工程領(lǐng)域中，現(xiàn)階段聲波波速測試技術(shù)主要運(yùn)用于巖體的波速測試，在土體的實際運(yùn)用則較少。因此，本文利用WSD-2數(shù)字聲波儀研究紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)與聲波波速的關(guān)系，以驗證聲波測試技術(shù)在生產(chǎn)實際或工程建設(shè)中運(yùn)用的可行性，提供一種通過聲波波速了解紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)的新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣

本試驗所用的紅黏土土樣取自貴陽市金陽新區(qū)“中鐵·逸都國際”工程[10]。該紅黏土在場地內(nèi)局部分布，呈褐黃色，裂隙發(fā)育,局部含錳質(zhì)條帶,為致密狀-塊狀,局部含少量強(qiáng)風(fēng)化團(tuán)塊，主要呈可塑狀。試驗土樣主要為環(huán)刀樣，部分試樣為重塑土樣。試驗紅黏土土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)，見表1。

表1 試驗紅黏土土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 土樣聲波波速測試

試驗采用WSD-2數(shù)字聲波儀對不同物理力學(xué)狀態(tài)下的紅黏土土樣的聲波波速進(jìn)行測定。先用兩個換能器涂上蜂膠牙膏(作為耦合劑)并分別壓在土樣的上下兩面并耦合充分，每個土樣測定3次聲波波形；然后將土樣的聲波波形傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行起跳點[圖1(a)中藍(lán)色豎線]校正，得到校正前后紅黏土土樣的聲波波形，見圖1；用游標(biāo)卡尺測量土樣高度l，最后讀取起跳點聲時并對同一個土樣的多次測量結(jié)果取平均值，記為t0(μs)，則聲波在土樣中的傳播速度可由土樣高度l除以t0求出。

圖1 校正前后紅黏土土樣的聲波波形圖Fig.1 Acoustic wave waveform of soil samples before and after calibration

1.2.1 不同含水率土樣的制備

不同含水率紅黏土土樣的制備方法是，降低土樣含水率的方法采用自然風(fēng)干，增大土樣含水率的方法采用自然泡水。紅黏土土樣自然泡水時，在環(huán)刀樣兩端放上透水石，再用橡皮圈固定，以防止土樣表面被泡壞；固定好之后輕輕放入盛有蒸餾水的燒杯或桶中，使土樣完全泡入水中。紅黏土土樣自然風(fēng)干時，先用ZJ型應(yīng)變控制直剪儀將土樣從環(huán)刀中取出，具體取出方法按照《土工試驗規(guī)程》[11]中直接剪切試驗(SL237—021—1999)第4.2.1條的規(guī)定；取出土樣后放在桌面上進(jìn)行風(fēng)干，保證每個土樣的風(fēng)干時間不同即可。因土樣含水率具體的改變量不能人工控制，所得的土樣含水率將隨機(jī)變化，分布并不均勻，因此泡水時間、風(fēng)干時間也沒有特別規(guī)定。

1.2.2 不同孔隙比土樣的制備

通過固結(jié)試驗改變紅黏土土樣孔隙比后進(jìn)行不同孔隙比紅黏土土樣的制備。本試驗按照《土工試驗規(guī)程》(SL237—015—1999)的規(guī)定，進(jìn)行50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、500 kPa、800 kPa、1 200 kPa不同壓力下的固結(jié)試驗，加壓時均為一次性加壓，加壓目的僅為改變土樣的孔隙比。在土樣開始固結(jié)時，用洗耳球緩緩在固結(jié)容器中加入蒸餾水至淹沒整個環(huán)刀樣，以消除土樣含水率對其聲波波速的影響；固結(jié)完成后再用洗耳球慢慢吸出水分，取出所需土樣。

1.2.3 不同干密度土樣的制備

在擊實功一定的條件下，進(jìn)行4組不同加砂率[0%(不加砂)、5%、10%和20%]紅黏土土樣的擊實試驗，過篩土樣按照規(guī)范制備。將制備好的土樣按照不同加砂率分別配備土樣質(zhì)量和砂質(zhì)量，總質(zhì)量為170 g，并按照《土工試驗規(guī)程》中擊實試驗(SL237—011—1999)中擊實試驗公式(4.1.1)計算加水量。首先用天平(精確到0.1 g,下同)稱取干凈擊實筒(內(nèi)徑39.9 mm)質(zhì)量并記錄；再將制備好的土樣分成5份，按規(guī)范安裝裝置后分層進(jìn)行擊實，每層擊實36次，每擊實一次重錘桿旋轉(zhuǎn)一圈，擊實完成后將兩端土磨平；取出擊實筒并擦凈后稱重，再取出土樣后測量其高度，以便求出土樣的體積，并按照《土工試驗規(guī)程》中擊實試驗公式計算擊實后干密度。測定紅黏土土樣的聲波波速后取土樣中部進(jìn)行含水率試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅黏土原狀土樣含水率與其聲波波速的關(guān)系

紅黏土原狀土樣的含水率與其聲波波速的關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 紅黏土原狀土樣含水率-聲波波速的關(guān)系曲線Fig.2 Diagram of water content-acoustic wave velocity of undisturbed red clay soil samples

由圖2可知：紅黏土土樣含水率與其聲波波速的關(guān)系大致呈“U”字型關(guān)系，擬合關(guān)系式為y=36.644 47x2-26.458 65x+6.135 91[其中，x為土樣的含水率(%)，y為土樣的聲波波速(km/s)]；在紅黏土土樣的含水率小于36%時，其聲波波速隨含水率的增大而減小；在紅黏土土樣的含水率超過36%后，土樣的聲波波速則隨含水率的增大而增大，這是因為土樣含水率增大，土體中的孔隙將被同體積的水所占，而空氣中的聲波波速小于液體中的聲波波速，所以引起土體聲波波速變大。這與王錚輝[12]對下蜀黃土的含水率與其聲波波速的關(guān)系研究中所得黃土含水率-聲波波速曲線類似。

一般認(rèn)為，紅黏土土樣含水率減小會導(dǎo)致孔隙水流失，進(jìn)而導(dǎo)致其聲波波速變小，但本次試驗結(jié)果紅黏土含水率小于36%時，隨著其含水率的減小，土樣的聲波波速卻增大，推測是土體水分流失后紅黏土土樣體積發(fā)生收縮，土粒間距離拉近，土顆粒表面自由水不斷減少，強(qiáng)弱結(jié)合水膜成為土粒之間粒間連結(jié)的主要形式，而結(jié)合水的密度比自由水更大，土樣結(jié)構(gòu)更為緊密，進(jìn)而引起其聲波波速的增大。此時控制其聲波波速變化的主要因素不是土樣的含水率，而與土粒微觀結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。

2.2 紅黏土原狀土樣孔隙比與其聲波波速的關(guān)系

紅黏土原狀土樣的孔隙比與其聲波波速的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 紅黏土原狀土樣孔隙比-聲波波速的關(guān)系曲線Fig.3 Diagram of pore ratio-acoustic wave velocity of undisturbed red clay soil samples

由圖3可知，隨著紅黏土土樣孔隙比的增大，其聲波波速減小，紅黏土土樣的孔隙比與其聲波波速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y=-1.393 14x+2.822 6[其中，x為土樣孔隙比，y為土樣聲波波速(km/s)]。這是因為土樣孔隙比越大，土體中的空隙就越多，此時空隙中的空氣就作為傳播介質(zhì)，而聲波通過空氣的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通過固體介質(zhì)的速度；再者，聲波會在孔隙中因折射、散射發(fā)生損失，土體的孔隙越多，損失的能量也就越多，也會造成聲波波速的減小。反之，隨著土體不斷被壓密，其孔隙比越來越小，土粒重塑土樣間距離不斷減小，聲波主要沿土體骨架傳播，聲波波速不斷增大。

2.3 紅黏土重塑土樣干密度與其聲波波速的關(guān)系

擊實試驗紅黏土重塑土樣，見圖4。

圖4 擊實試驗紅黏土重塑土樣Fig.4 Remolded red clay soil sample in compaction experiment

試驗所得紅黏土重塑土樣的含水率、干密度與聲波波速見表2。

表2 紅黏土重塑土樣的含水率、干密度與聲波波速

由表2可知，在擊實功一定的條件下，紅黏土重塑土樣的干密度先隨著土樣含水率的增大而增大，后隨著土樣含水率的增大而減小，其轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率，符合黏性土的一般規(guī)律。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪出不同加砂率下紅黏土重塑土樣的含水率-聲波波速、干密度-聲波波速曲線，見圖5和圖6。

圖5 不同加砂率下紅黏土重塑土樣含水率-聲波波速的 關(guān)系曲線Fig.5 Curves of moisture content-acoustic wave velocity of remolded red clay soil samples

由圖5可以看出，擊實后紅黏土重塑土樣的聲波波速在土樣的含水率小于最優(yōu)含水率時，其隨著含水率的增大而增大，一旦土樣的含水率超過最優(yōu)含水率，則土樣的聲波波速將隨著其含水率的增大而減小，減小的速率先快后慢，其變化規(guī)律與干密度隨含水率的變化規(guī)律大致一致。對比圖2與圖5發(fā)現(xiàn),紅黏土重塑土樣的含水率-聲波波速曲線與紅黏土原狀土樣的含水率-聲波波速曲線恰好相反。這是因為前述的紅黏土土樣為原狀土樣或是僅改變了含水率的原狀土樣，其土樣結(jié)構(gòu)并沒有受到破壞；而本小節(jié)試驗進(jìn)行時，將原狀紅黏土樣進(jìn)行了烘干研磨，再通過加水擊實重塑，完全破壞了土樣的原始結(jié)構(gòu)，因此所測得到的土樣聲波波速隨土樣含水率的變化規(guī)律不同，這種變化是由土樣間結(jié)構(gòu)的喪失引起的，這進(jìn)一步說明了土樣的聲波波速與土粒的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖6 不同加砂率下紅黏土重塑土樣干密度-聲波 波速的關(guān)系曲線Fig.6 Dry density-acoustic wave velocity curves of remolded red clay soil samples with different sand filling rates

由圖6可以看出，雖然加砂率不同，但擊實后的紅黏土重塑土樣的聲波波速均隨著土樣干密度的增大而增大，增大速率越來越快，重塑土樣干密度與聲波波速之間滿足一定的關(guān)系式(見圖6)。這是因為土樣的干密度越大，其孔隙比越小、聲波波速越大，而擊實后的土樣雖為重塑土樣，但是同樣遵循孔隙比越小，孔隙就越少，單位體積的土顆粒就越多，固體中聲波的波速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔隙中的空氣或者填充的水分中的聲波波速的規(guī)律，因此擊實后的紅黏土重塑土樣和加砂后的紅黏土土樣的聲波波速隨著土樣干密度的增大而增大。根據(jù)該結(jié)論，若通過大量的試驗統(tǒng)計，找到合適的統(tǒng)計關(guān)系后，在實際的工程運(yùn)用中，進(jìn)行土體壓實系數(shù)檢測時，只需對壓實過的土體取環(huán)刀樣，通過測定土樣的聲波波速，再根據(jù)土樣的干密度-聲波波速的關(guān)系式就可以反算其干密度，從而現(xiàn)場判斷土體壓實系數(shù)是否滿足工程質(zhì)量的要求，這是一種簡便、快捷的通過聲波波速了解紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)的手段。

將不同加砂率的紅黏土重塑土樣的干密度-聲波波速關(guān)系曲線(見圖6)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，對加砂后的土樣而言，擊實后紅黏土重塑土樣的最大干密度隨加砂率的增大而增大。因此，在實際工程中，可通過在紅黏土土樣中加適量的砂，以提高土樣的密實度，從而改善紅黏土的力學(xué)性質(zhì)。

3 結(jié) 論

(1) 紅黏土原狀土樣的含水率與其聲波波速呈“U”字型關(guān)系,當(dāng)土樣的含水率小于36%時，其聲波波速隨含水率的增大而減小，當(dāng)土樣的含水率超過36%時，其聲波波速隨含水率的增大而增大。

(2) 紅黏土原狀土樣的孔隙比與其聲波波速呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土樣的聲波波速隨孔隙比的增大而減小。

(3) 在擊實紅黏土重塑土樣的含水率小于最優(yōu)含水率時，其聲波波速隨含水率的增大而增大；在擊實紅黏土重塑土樣的含水率大于最優(yōu)含水率時，土樣的聲波波速隨含水率的增大而減小。

(4) 擊實紅黏土重塑土樣與加砂紅黏土土樣的干密度與其聲波波速均存在良好的正相關(guān)性，滿足二次函數(shù)關(guān)系式,并且隨著土樣加砂率的增大，所能達(dá)到的最大干密度也越大，對應(yīng)的聲波波速也越大，相關(guān)性越明顯。實際工程中，可通過在土樣中加適量的砂，以提高土樣的密實度，從而改善土的力學(xué)性質(zhì)。

(5) 紅黏土的物理力學(xué)指標(biāo)與其聲波波速之間有一定的相關(guān)性，并且滿足一定的關(guān)系式，因此在工程建設(shè)中可以通過測定紅黏土的聲波波速來反算其物理力學(xué)指標(biāo)值，為了解紅黏土物理性質(zhì)、狀態(tài)提供了一種簡便、快速的方法。此外，研究還發(fā)現(xiàn)紅黏土的聲波波速與土粒的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，可為進(jìn)一步理論研究和生產(chǎn)實踐提供試驗依據(jù)。