蒙脫石含量對(duì)粉質(zhì)黏土填料壓實(shí)和強(qiáng)度的影響

樂紅志 羅強(qiáng) 周鑫 劉宏揚(yáng) 吳鵬

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

含有較多黏粒的粉質(zhì)黏土填筑的路基易發(fā)生失穩(wěn)滑移、崩塌等病害。在黏粒含有的幾種黏土礦物中，蒙脫石對(duì)粉質(zhì)黏土的工程性質(zhì)影響最為顯著。隨著蒙脫石含量的提高，土體壓實(shí)性顯著變差，強(qiáng)度明顯下降。

邵梧敏等［1］對(duì)我國(guó)十余省市的膨脹土進(jìn)行礦物組成分析，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)膨脹土中以蒙脫石為主要黏土礦物的占絕大多數(shù)，膨脹性黏土礦物含量是影響膨脹土工程性質(zhì)的重要因素。周暉等［2］對(duì)由單一礦物組成的細(xì)顆粒黏土、多種礦物混合形成的人工細(xì)顆粒黏土、天然軟土進(jìn)行了快剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黏土中某種細(xì)顆粒黏土礦物含量越高，混合土試樣的強(qiáng)度特性越接近該黏土礦物，若某種細(xì)顆粒黏土礦物含量超過一定限值，混合土試樣的強(qiáng)度特性則由該細(xì)顆粒黏土礦物決定。金銀富等［3］采用多種黏土礦物，按不同質(zhì)量比例混合制備重塑土樣，進(jìn)行了室內(nèi)一維標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蒙脫石、伊利石、高嶺石混合土樣的壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)隨蒙脫石含量的增加而增大，且蒙脫石的作用占主導(dǎo)地位。趙高文等［4］測(cè)定添加蒙脫石黏性土土樣的分散性，隨鈉基蒙脫石的增加土樣分散性增強(qiáng)、水穩(wěn)性下降，隨鈣基蒙脫石的增加土樣分散性下降、水穩(wěn)性增強(qiáng)。綜上所述，許多學(xué)者主要聚焦于不同種類礦物對(duì)黏性土的影響，或者是蒙脫石對(duì)黏性土分散性等的影響。而蒙脫石含量對(duì)粉質(zhì)黏土壓實(shí)特性以及強(qiáng)度特性的影響規(guī)律目前研究很少。

本文將一種不含蒙脫石的低液限粉質(zhì)黏土作為基土，開展不同含水率、垂直壓力、壓實(shí)系數(shù)下的直剪試驗(yàn)，研究粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度隨蒙脫石含量的變化規(guī)律。運(yùn)用一種以凸面形態(tài)構(gòu)成接觸面的微觀模型，分析蒙脫石黏粒對(duì)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度影響的微觀機(jī)理。采用偏相關(guān)分析方法對(duì)影響抗剪強(qiáng)度的4 個(gè)因素（蒙脫石含量、垂直壓力、含水率、壓實(shí)系數(shù)）逐一進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)土樣和方案

1.1 試驗(yàn)土樣制備

為排除因土體微觀結(jié)構(gòu)不同引起的土性差異，試驗(yàn)過程中保持土樣的粗顆粒組、細(xì)顆粒組比例分別為8%，92%。配制的基土、蒙脫石的礦物成分見表1，基土的主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、閃石，不含蒙脫石。基土、蒙脫石的物理性質(zhì)指標(biāo)見表2，基土中粒徑0.075～0.005 mm 粉粒高達(dá)77.1%。采用液限、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得基土塑性指數(shù)為9.3，接近粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)的下限。用蒙脫石黏粒等量置換基土中的部分細(xì)顆粒，制備蒙脫石含量M分別為0，10%，20%，30%，40%，50%的試驗(yàn)土樣，見表3。試驗(yàn)所用蒙脫石黏粒中蒙脫石成分高達(dá)90%，塑性指數(shù)為55.7，粒徑小于0.005 mm黏粒占70.5%。

表1 基土與蒙脫石礦物成分 %

表2 基土與蒙脫石物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 試驗(yàn)土樣制備方案

1.2 試驗(yàn)方案

1）界限含水率試驗(yàn)。制備如表3 所列6 種蒙脫石含量的試樣，依次測(cè)定試樣的液限、塑限。

2）擊實(shí)試驗(yàn)。針對(duì)蒙脫石含量0，10%，20%，30%的粉質(zhì)黏土試樣，在試樣塑限附近選擇依次相差2%的含水率，各配制至少5 個(gè)不同含水率的試樣。密封靜置過夜，利用電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行重型Z1擊實(shí)試驗(yàn)。

3）直剪試驗(yàn)。采用壓樣法制備直徑61.8 mm、高20 mm的試樣，以0.01mm∕min的速率在電動(dòng)直剪儀上剪切。每次剪切前，將試樣在對(duì)應(yīng)的垂直壓力下固結(jié)12 h，試樣固結(jié)變形不大于0.01 mm∕h 時(shí)認(rèn)為固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定。飽和試樣在固結(jié)之前采用真空飽和方式12 h后再進(jìn)行固結(jié)、剪切。蒙脫石含量0，10%，20%，30%的粉質(zhì)黏土試樣采用壓實(shí)系數(shù)0.92，0.96，最優(yōu)含水率wopt和飽和含水率wsat并控制垂直壓力P為100，300 kPa進(jìn)行了8組共32個(gè)試樣的剪切試驗(yàn)。

2 蒙脫石含量對(duì)液限、塑限的影響

測(cè)定蒙脫石含量0，10%，20%，30%，40%，50%粉質(zhì)黏土試樣的塑限wP、液限wL，試驗(yàn)結(jié)果見圖1，圖中wL10為10 mm 液 限，wL17為17 mm 液 限?？?知，wL10和wL17均隨蒙脫石含量的增加而增大。wP也隨蒙脫石含量增加不斷增大，但是相對(duì)wL而言增加平緩。利用wL10計(jì)算的塑性指數(shù)IP10與wL10之間呈線性正相關(guān)性，Ip10= 0.55wL10-5.77，相關(guān)系數(shù)為0.978。這一結(jié)果與文獻(xiàn)［5-6］的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 wL，wP與蒙脫石含量的關(guān)系

3 蒙脫石含量對(duì)壓實(shí)特性影響

利用圖1結(jié)果經(jīng)計(jì)算可知，M＝30%時(shí)IP10＝21.2，此時(shí)已經(jīng)超過了粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)上限。因此，后續(xù)試驗(yàn)不再包括40%，50%兩種情況。對(duì)蒙脫石含量0，10%，20%，30%的試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，最優(yōu)含水率wopt、最大干密度ρdmax及孔隙比e隨蒙脫石含量變化曲線見圖2。

圖2 wopt、ρdmax、e與蒙脫石含量的關(guān)系

由圖2可知，M≤10%時(shí)試樣wopt和ρdmax基本保持不變。這是由于蒙脫石含量較低時(shí)，試樣性質(zhì)主要由優(yōu)勢(shì)含量的粉?？刂?，蒙脫石影響不顯著；M>10%后，蒙脫石含量對(duì)試樣壓實(shí)特性有明顯影響。隨著蒙脫石含量M的增大，wopt不斷增大，ρdmax逐漸減小。關(guān)于黏性土的擊實(shí)已有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，許多學(xué)者認(rèn)為黏性土的wopt約為其wP，李文平等［7］對(duì)黏性土吸附結(jié)合水量進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)吸附強(qiáng)結(jié)合水量wf＝0.885wp，由此可知，黏性土wopt隨吸附強(qiáng)結(jié)合水量增多而變大。蒙脫石常帶有強(qiáng)烈負(fù)電且比表面積遠(yuǎn)大于石英、長(zhǎng)石，故吸附強(qiáng)結(jié)合水量大，因此試樣的wopt隨蒙脫石含量提高而增大。由圖2可知，試樣e隨蒙脫石含量增加而加速增大，因此試樣的ρdmax隨蒙脫石含量增加而降低。

4 蒙脫石含量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

4.1 抗剪強(qiáng)度隨蒙脫石含量變化規(guī)律

蒙脫石含量0，10%，20%，30%粉質(zhì)黏土試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 抗剪強(qiáng)度變化曲線

由圖3 可知：垂直壓力300 kPa 時(shí)，無(wú)論壓實(shí)系數(shù)采用0.92還是0.96，試樣抗剪強(qiáng)度都隨蒙脫石含量的增大而減小。經(jīng)過飽和處理后，抗剪強(qiáng)度隨蒙脫石含量增大表現(xiàn)出良好的線性衰減關(guān)系。垂直壓力100 kPa 時(shí)，對(duì)于不同壓實(shí)系數(shù)和含水率的試樣，蒙脫石含量對(duì)抗剪強(qiáng)度影響呈小幅衰減趨勢(shì)。蒙脫石含量增加對(duì)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的衰減效應(yīng)受垂直壓力影響較大，表現(xiàn)出隨垂直壓力增大，強(qiáng)度衰減效應(yīng)較明顯。

4.2 蒙脫石含量對(duì)摩擦角及黏聚力影響

根據(jù)圖3 試驗(yàn)結(jié)果，可得4 種蒙脫石含量下粉質(zhì)黏土的摩擦角與黏聚力變化曲線見圖4?？芍嚇幽Σ两请S蒙脫石含量的增大而減小。且試樣經(jīng)過飽和處理后，摩擦角隨蒙脫石含量提高表現(xiàn)出明顯的線性衰減關(guān)系。2 種壓實(shí)系數(shù)的試樣在最優(yōu)含水率狀態(tài)下，黏聚力與蒙脫石含量間關(guān)系尚不明顯，但經(jīng)過飽和處理后，試樣黏聚力隨蒙脫石含量提高呈線性增大趨勢(shì)。

圖4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化曲線

4.3 粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性分析

粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度與各種宏觀物理狀態(tài)參數(shù)密切相關(guān)，但是宏觀物理性質(zhì)改變究其根本是由微觀性狀決定的。細(xì)粒土強(qiáng)度主要受土顆粒表面性質(zhì)、結(jié)合水膜性質(zhì)、黏聚作用共同影響。

4.3.1 粒間摩擦作用

采用凸面接觸微觀模型分析粒間摩擦作用形成的抗剪強(qiáng)度，認(rèn)為顆粒間以凸起形態(tài)形成接觸面，接觸面上附著結(jié)合水膜，黏土顆粒間接觸模式見圖5。

圖5 土體顆粒間接觸模式

圖5 中δ為顆粒直接接觸面積百分比，A為總接觸面積，N，T依次為顆粒間法向作用力、切向作用力。顆粒接觸形成的摩擦強(qiáng)度τ、摩擦系數(shù)μ計(jì)算式為

式中：τm為顆粒間直接接觸強(qiáng)度；τc為吸附結(jié)合水膜接觸強(qiáng)度；φu為顆粒間純滑動(dòng)摩擦?xí)r的內(nèi)摩擦角；σ 為法向接觸應(yīng)力。

由式（1）可知，摩擦強(qiáng)度τ主要由粒間直接接觸強(qiáng)度和結(jié)合水膜接觸強(qiáng)度共同形成，當(dāng)σ恒定時(shí)，顆粒間接觸面性質(zhì)和結(jié)合水膜特性決定了τ大小。蒙脫石、石英與長(zhǎng)石等礦物物理力學(xué)特性見表4，其中蒙脫石質(zhì)地光滑，顆粒間摩擦效應(yīng)小于石英長(zhǎng)石，因而形成的直接接觸強(qiáng)度τm較小。蒙脫石粒徑小且離子交換容量大，形成結(jié)合水膜厚度大，雖然試樣剪切過程中顆粒重新排列會(huì)使得接觸面積略微增大，但δ較石英、長(zhǎng)石等非黏土礦物小。由此可知，蒙脫石含量的增加會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)試樣摩擦強(qiáng)度減小。

表4 礦物顆粒物理力學(xué)特性

4.3.2 粒間黏聚作用

除了粒間摩擦形成的抗剪強(qiáng)度以外，吸附及咬合作用形成的黏聚力c也是抗剪強(qiáng)度重要組成部分。蒙脫石離子交換容量大導(dǎo)致雙電層厚度較大，顆粒間雙電層重疊形成很厚的公共結(jié)合水膜，通過陽(yáng)離子使相鄰兩顆粒相向吸引形成強(qiáng)烈吸附作用，宏觀上表現(xiàn)為較大黏聚力。對(duì)于基土，其主要礦物石英、長(zhǎng)石屬于非黏土礦物，比表面積與離子交換容量小，形成吸附結(jié)合水膜厚度小，黏聚力主要來源于顆粒幾何堆積形成的咬合作用，或在顆粒間接觸壓力下形成的摩擦強(qiáng)度（假黏聚力），其值較蒙脫石小。

綜上所述，土的抗剪強(qiáng)度τf由粒間摩擦強(qiáng)度τ和黏聚力c組成，即τf=τ+c，其中，摩擦強(qiáng)度τ隨蒙脫石含量提高而降低，黏聚力c則相反。因此，在試樣承受的垂直壓力較小時(shí)，蒙脫石含量對(duì)抗剪強(qiáng)度τf影響尚不明顯；隨著垂直壓力逐漸增大，摩擦強(qiáng)度τ在抗剪強(qiáng)τf中發(fā)揮重要影響，蒙脫石含量增大導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度衰減效應(yīng)較顯著。

4.4 影響因素偏相關(guān)分析

當(dāng)試驗(yàn)影響因素較多時(shí)，采用簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)衡量單個(gè)因素的重要程度操作簡(jiǎn)便，但其受其他因素的影響，反映的往往是表面的非本質(zhì)聯(lián)系。偏相關(guān)系數(shù)［8-9］是在扣除其他因素影響條件下，衡量單個(gè)因素與目標(biāo)值（抗剪強(qiáng)度）之間凈相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)，偏相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越大相關(guān)程度就越高。直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)

偏相關(guān)分析方法如下：

1）計(jì)算簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)時(shí)將τf簡(jiǎn)記為f，抗剪強(qiáng)度τf與4 個(gè)影響因素之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)rfi（零階偏相關(guān)系數(shù)）計(jì)算公式為式中：i依次取p，w，M，K；σf和σi分別為τf與i的標(biāo)準(zhǔn)方差；Cov(f，i)為τf與i協(xié)方差。

2）計(jì)算1，2，3階偏相關(guān)系數(shù)。計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)時(shí)控制因素個(gè)數(shù)即為偏相關(guān)系數(shù)階數(shù)，且任意n階（n≥1）偏相關(guān)系數(shù)都可以使用3 個(gè)（n-1）階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到。將3個(gè)對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)代入式（3）可得τf與4個(gè)影響因素i之間1階偏相關(guān)系數(shù)rfi，j，計(jì)算式為

式中：rij，rfj分別為i與j，f與j之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。

同理，將3 個(gè)對(duì)應(yīng)的1 階、2 階偏相關(guān)系數(shù)代入式（4）可得4 個(gè)影響因素的2 階、3 階偏相關(guān)系數(shù)rfi，jk和rfi，jkh，計(jì)算式見式（5）、式（6），式中i，j，k，h分別取4 個(gè)影響因素p，w，M，K的組合。

根據(jù)式（6）計(jì)算得到4 個(gè)影響因素對(duì)應(yīng)的3 階偏相 關(guān) 系 數(shù)，從 大 到 小 依 次 為：rfp，wCK= 0.948，rfw，pCK=-0.881，rfC，pwK= -0.034，rfK，pwC= 0.019。

3）偏相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)方法，統(tǒng)計(jì)量ti服從t分布，其計(jì)算式見式（7），其中樣本數(shù)量n=32，可控制變量數(shù)s=3，自由度n-s-2=27。

根據(jù)ti可得各影響因素對(duì)應(yīng)的顯著性水平α，值越小可靠性越高。各影響因素的偏相關(guān)系數(shù)、顯著性水平、自由度見表6?？芍怪眽毫?、壓實(shí)系數(shù)與抗剪強(qiáng)度之間為正相關(guān)，含水率、蒙脫石含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。各因素對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的重要程度依次為垂直壓力、含水率、蒙脫石含量壓實(shí)系數(shù)。

表6 試樣抗剪強(qiáng)度偏相關(guān)分析

5 結(jié)論

1）蒙脫石含量對(duì)粉質(zhì)黏土物性指標(biāo)及壓實(shí)參數(shù)有顯著影響，其變化趨勢(shì)呈非線性。試驗(yàn)表明，隨蒙脫石含量提高，粉質(zhì)黏土的液塑限顯著增大，且塑性指數(shù)與液限間存在良好線性關(guān)系；同時(shí)，其最大干密度相應(yīng)減小、最優(yōu)含水率增大，蒙脫石含量超過10%后變化愈加顯著。

2）粉質(zhì)黏土中蒙脫石含量增加，相同條件下土體抗剪強(qiáng)度逐漸衰減，高垂直壓力下的衰減效應(yīng)更為明顯。試樣飽和處理后，內(nèi)摩擦角、黏聚力隨蒙脫石含量提高分別呈現(xiàn)良好的線性減小、增大趨勢(shì)；最優(yōu)含水率狀態(tài)下，內(nèi)摩擦角大體上隨蒙脫石含量增加而減小，黏聚力隨蒙脫石含量變化規(guī)律不顯著?；谕姑娼佑|微觀模型分析表明，較多的蒙脫石將產(chǎn)生粒間摩擦減小和黏聚作用提高的效應(yīng)，其中粒間摩擦作用將隨接觸應(yīng)力增大而趨于顯著，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度衰減更加明顯。

3）基于偏相關(guān)分析方法，開展的影響粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度多因素敏感性分析表明，抗剪強(qiáng)度與蒙脫石含量、含水率呈負(fù)相關(guān)性，與垂直壓力、壓實(shí)系數(shù)呈正相關(guān)性。垂直壓力影響最為顯著，其次為含水率和蒙脫石含量，壓實(shí)系數(shù)相對(duì)較弱。