不同固結(jié)條件下黏性土的磁組構(gòu)研究

柏明鑫， 劉立飛

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué)江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，南京 210098）

結(jié)構(gòu)性廣泛存在于天然土中，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)性土的研究可以掌握天然土體受荷過(guò)程中的變形破損過(guò)程，從而為考慮土體結(jié)構(gòu)性的結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、地基加固提供依據(jù). 土體的結(jié)構(gòu)性與土體的微觀結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，土體所表現(xiàn)出來(lái)的各種變形和強(qiáng)度特性是其系統(tǒng)內(nèi)部各種要素共同作用的結(jié)果［1］. 目前巖土工程領(lǐng)域的學(xué)者主要通過(guò)掃描電鏡、壓汞法、計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）、X光能譜分析技術(shù)（EDX）等來(lái)探求土的微觀結(jié)構(gòu)［2-7］. 本文欲采用研究巖石中磁性礦物定向分布排列的研究方法來(lái)研究土體微觀結(jié)構(gòu)中磁性礦物的分布規(guī)律，拓展研究土體微觀結(jié)構(gòu)的一條新的方法.

巖石中磁性礦物定向分布排列的特點(diǎn)稱為磁組構(gòu)，自從20世紀(jì)50年代Graham將磁組構(gòu)技術(shù)作為一種無(wú)損傷性測(cè)量巖石組構(gòu)方法以來(lái)，已被廣泛用于地質(zhì)和古今環(huán)境研究，磁組構(gòu)是巖石中磁性礦物定向分布排列的特點(diǎn)，巖石的磁性強(qiáng)度隨不同方向的變化而發(fā)生變化的性質(zhì)即磁化率的各向異性. 磁化率各向異性（Anisotropy of Magnetic Susceptibility，AMS）在幾何上可用三軸橢球體表示，橢球體反映了巖石中磁性礦物的定向排列方向，在大多數(shù)應(yīng)變狀態(tài)下，磁化率橢球的三個(gè)主軸方向與應(yīng)變橢球體基本軸之間具有很好的相關(guān)性. 當(dāng)巖石受到外部應(yīng)力作用時(shí)巖石內(nèi)部磁性顆粒形狀、分布將會(huì)產(chǎn)生某種變化，磁化率橢球的形狀和定向也會(huì)隨即發(fā)生變化. 一般加壓狀態(tài)下，最大磁化率主軸K1往四周擴(kuò)散，最小磁化率主軸K3集中在中心位置；在卸載狀態(tài)下，最大磁化率主軸K1集中在中心位置，最小磁化率主軸K3往四周擴(kuò)散. 通過(guò)分析巖石的磁化率橢球就可以分析應(yīng)力的作用方式和巖石的變形性質(zhì)［8-18］. 因此，希望借助研究巖石中磁性礦物定向分布排列的方法來(lái)探究土體內(nèi)部磁性礦物的分布規(guī)律，從而反映出土體前期所受應(yīng)力的作用方式.

1 巖土體中的磁性礦物

1.1 礦物按磁性分類

磁電選礦學(xué)中，按照比磁化系數(shù)的大小，可將礦物分為四類：強(qiáng)磁性礦物、中磁性礦物、弱磁性礦物和無(wú)磁性礦物. 比磁化系數(shù)（X）是礦物的體積磁化系數(shù)（X0）與密度（ρ）的比值，見(jiàn)公式（1）.

強(qiáng)磁性礦物在磁化場(chǎng)中呈現(xiàn)較強(qiáng)的磁性，比磁化系數(shù)X>3000×10-9m3/kg，主要有磁鐵礦、磁黃鐵礦、自然鐵、鐵鉑礦等；中磁性礦物在磁化場(chǎng)中呈現(xiàn)中等的磁性，600×10-9m3/kg

1.2 巖土體中的礦物

黏土中的礦物由原生礦物和次生礦物組成. 原生礦物主要有硅酸鹽類礦物和氧化物類礦物. 其中，硅酸鹽類礦物主要有云母類、輝石類、角閃石類等. 氧化物類礦物是一類礦物結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、水化程度不等的鐵、錳、鋁和硅的氧化物及其水合物，主要有石英、赤鐵礦、磁鐵礦等. 次生礦物主要包括黏土礦物和可溶鹽類. 黏土礦物大多是層狀硅酸鹽黏土礦物；層狀硅酸鹽礦物是由硅氧四面體以角頂相連，在二維空間無(wú)限延伸而形成層狀結(jié)構(gòu). 層狀硅酸鹽礦物主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石等. 可溶鹽類有石鹽、石膏等.

原生礦物中的硅酸鹽類礦物和次生礦物的比磁化系數(shù)很小，在磁電選礦學(xué)中歸類為無(wú)磁性礦物. 氧化物類礦物中的鐵、錳、鋁的氧化物及其水合物具有弱磁性，是進(jìn)行黏土磁性研究的依據(jù).

2 土樣制備

2.1 原狀土的物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自南京市江北新區(qū)中心位置南京明發(fā)財(cái)富中心施工場(chǎng)地，該土樣屬于第四系河流沖積相淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈千層餅狀，土樣呈現(xiàn)灰黑色，略有霉臭味，其間常夾薄層粉砂，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示.

表1 原狀土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical property index of in-situ soils

2.2 重塑土制樣方法

將從現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣掰成小塊，烘干粉碎后，制成含水率為17.6%的土樣，裝入保鮮袋，密封后放入保濕器中靜置24 h. 本文采用有側(cè)限和無(wú)側(cè)限壓縮兩種方式制得重塑土樣.

有側(cè)限壓縮制樣步驟如下：

1）取含水率為17.6%的土樣，采用擊樣法制樣，制成體積為90 cm3，干密度為1.63 g/cm3的環(huán)刀試樣. 環(huán)刀樣制備好后，將環(huán)刀樣放入真空飽和缸，對(duì)土樣進(jìn)行抽氣飽和.

2）隨后將環(huán)刀樣放入固結(jié)儀，按照25、50、100、200、400、800、1600 kPa 的順序?qū)ν翗舆M(jìn)行加載，每加一級(jí)荷載后，等待24 h再加下一級(jí)荷載. 分別制得最終固結(jié)壓力為200、400、800、1600 kPa的土樣.

3）最后一級(jí)荷載加載完24 h后，用定制的符合試驗(yàn)儀器的有機(jī)玻璃小圓盒取樣，取樣時(shí)要注意試驗(yàn)?zāi)康臑樘角蟠呕矢飨虍愋?，所以?duì)加載后的土樣選取4個(gè)不同的方位進(jìn)行取樣，要求將盒底的箭頭統(tǒng)一指向外側(cè).

無(wú)側(cè)限壓縮制樣步驟如下：

1）將含水率為17.6%的土樣配制成含水率為20%、24%、26%、28%的土樣，用保鮮袋裝好密封，隨后放入保濕器靜置24 h.

2）同樣采用擊樣法進(jìn)行制樣，控制試樣干密度為1.48 g/cm3，針對(duì)上述4 種不同含水率制成底面積為30 cm2、高為3 cm的環(huán)刀壓實(shí)試樣. 將壓實(shí)試樣從環(huán)刀內(nèi)取出，注意不要擾動(dòng)試樣.

3）在試樣底部放上兩塊大于試樣底面積的透水石，使試樣可以達(dá)到固結(jié)儀的試驗(yàn)高度，然后放上加壓蓋，使其剛好覆蓋在試樣上表面. 按照12.5、25、50、100 kPa的順序進(jìn)行加載，每加一級(jí)荷載后，等待10 min再加下一級(jí)荷載. 針對(duì)每一種含水率都分別制得最終固結(jié)壓力為12.5、25、50、100 kPa的土樣.

4）試樣側(cè)邊出現(xiàn)較大豎向裂隙即終止試驗(yàn)，用定制的符合試驗(yàn)儀器的有機(jī)玻璃小圓盒取中間完好試樣，取樣時(shí)要注意試驗(yàn)?zāi)康臑樘角蟠呕矢飨虍愋裕詫?duì)加載后的土樣選取4個(gè)不同的方位進(jìn)行取樣，要求將盒底的箭頭統(tǒng)一指向外側(cè).

3 磁組構(gòu)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

1）將取出的試樣按照磁組構(gòu)試驗(yàn)要求標(biāo)注出K1、K2、K3方向.

2）試樣標(biāo)注之后，將試樣放入磁組構(gòu)試驗(yàn)儀器的架子上，如圖1所示. 按K1、K2、K3方向依次改變?cè)嚇拥臏y(cè)量方向，分別測(cè)量豎直圓柱面的兩個(gè)相互垂直的面以及一個(gè)圓柱體的橫截面. 測(cè)量完一個(gè)方向會(huì)在電腦上自動(dòng)輸出該方向的磁化率參數(shù)，在測(cè)量完K1、K2、K3后測(cè)量體積磁化率，最后按照軟件要求保存測(cè)量數(shù)據(jù).

圖1 AMS試驗(yàn)儀器Fig.1 AMS test apparatus

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 無(wú)側(cè)限樣試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)Anisoft 軟件處理無(wú)側(cè)限樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得到含水率28%、26%、24%、20%的不同固結(jié)壓力下的磁化率橢球，如圖2所示.

圖2 無(wú)側(cè)限樣的磁化率橢球示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnetization ellipsoid of the no lateral limit sample

通過(guò)觀察各土樣的磁化率橢球發(fā)現(xiàn)最大磁化率主軸K1（圖中藍(lán)色正方形）分散在橢球四周，最小磁化率主軸K3（圖中粉色圓形）集中在橢球的中心，這是由于在加載過(guò)程中，土中磁性礦物向四周擴(kuò)散的緣故.

分析經(jīng)軟件所得出的數(shù)據(jù)如磁化率各向異性度（Pj）、磁面理度（F）、磁線理度（L）、磁化率數(shù)量橢球的形狀因子（T）等參數(shù)，通過(guò)對(duì)比這些參數(shù)的不同，找出它們之間所含的規(guī)律性. 將所得不同含水率下的不同軸向應(yīng)力土樣的Pj繪制在圖3 中，從圖中可以看出相同含水率下，隨著軸向應(yīng)力的增加，磁化率各向異性度增加. 在相同軸向應(yīng)力下，隨著含水率的增加，磁化率各向異性度增加. 通過(guò)這一現(xiàn)象也就可以說(shuō)明固結(jié)壓力的大小、含水率的大小會(huì)影響?zhàn)ば酝羶?nèi)部磁性礦物分布的方式，固結(jié)壓力越大，含水率越大，土體內(nèi)部磁性礦物向四周擴(kuò)散的程度將會(huì)越大.

從軟件處理的數(shù)據(jù)中分析磁化率數(shù)量橢球的形狀因子T，它反映了土樣的發(fā)育情況，可以用磁面理度F和磁線理度L的數(shù)值進(jìn)行佐證，將數(shù)據(jù)繪制在圖4中. 可以看出磁化率數(shù)量橢球的形狀因子T在0到1內(nèi)，該粉質(zhì)黏土以磁面理發(fā)育為主，所以該土樣測(cè)出的磁面理度F較磁線理度L大，符合磁面理發(fā)育為主的特征；磁線理度L基本變化幅度不大，磁線理度并不占主導(dǎo)地位；同時(shí)隨著豎向壓力的增大，磁面理度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，因?yàn)殡S壓力的增大，土樣呈現(xiàn)出壓扁狀越明顯.

圖4 無(wú)側(cè)限樣的T、F、L值Fig.4 T，F(xiàn) and L values of the no lateral limit samples

3.2.2 有側(cè)限樣試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)Anisoft 軟件處理有側(cè)限樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同固結(jié)壓力下的磁化率橢球如圖5. 通過(guò)觀察各土樣的磁化率橢球可以得出同樣的結(jié)論，即最大磁化率主軸K1（圖中藍(lán)色正方形）分散在橢球四周，最小磁化率主軸K3（圖中粉色圓形）集中在橢球的中心，這是由于在加載過(guò)程中，土中磁性礦物向四周擴(kuò)散的緣故.

圖5 有側(cè)限樣的磁化率橢球示意圖Fig.5 Schematic diagram of magnetization ellipsoid of the lateral limit sample

分析經(jīng)軟件所得出的數(shù)據(jù)，如磁化率各向異性度（Pj）、磁面理度（F）、磁線理度（L）等參數(shù)，通過(guò)對(duì)比這些參數(shù)的不同，找出它們之間所含的規(guī)律性. 將所得不同軸向應(yīng)力的土樣的Pj繪制在圖6 中，可以得到：隨著軸向應(yīng)力的增加，磁化率各向異性度增加. 通過(guò)這一現(xiàn)象同樣也就可以說(shuō)明固結(jié)壓力的大小會(huì)影響?zhàn)ば酝羶?nèi)部磁性礦物分布的方式，固結(jié)壓力越大，土體內(nèi)部磁性礦物向四周擴(kuò)散的程度將會(huì)越大.

圖6 有側(cè)限樣的Pj值Fig.6 Pj values of the lateral limit sample

從軟件處理的數(shù)據(jù)中分析磁化率數(shù)量橢球的形狀因子（T），它反映了土樣的發(fā)育情況，可以用磁面理度（F）和磁線理度（L）的數(shù)值進(jìn)行佐證，將數(shù)據(jù)繪制在圖7 中. 從圖中數(shù)據(jù)可以看出有側(cè)限加載樣與無(wú)側(cè)限加載樣相同，T在0到1內(nèi)，都是以磁面理發(fā)育為主，可以得出該粉質(zhì)黏土在加載狀態(tài)下以磁面理發(fā)育為主，猜想在卸載狀態(tài)下可能以磁線理發(fā)育為主. 其中磁面理度和磁線理度數(shù)值變化都不太明顯，雖然磁面理度要大于磁線理度，但是相比于無(wú)側(cè)限土樣而言，數(shù)值變化要小很多，其原因是土樣在有側(cè)限狀態(tài)下受壓變形不是太明顯.

圖7 有側(cè)限樣的T、F、L值Fig.7 T，F(xiàn) and L values of the lateral limit samples

為驗(yàn)證上述猜想，又做了三組卸載樣，按與有側(cè)限加載樣同樣的方式加載到1600 kPa，然后分別卸載到200、400、800 kPa制得三組試樣. 對(duì)這三組試樣進(jìn)行磁組構(gòu)試驗(yàn)，用Anisoft軟件對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到卸載樣的磁化率橢球如圖8，從圖中看出，卸載樣的磁化率橢球最大磁化率主軸K1（圖中藍(lán)色正方形）集中在橢球的中心，最小磁化率主軸K3（圖中粉色圓形）分布在橢球的四周，這與加載樣截然相反，主要是因?yàn)樾遁d的緣故.

圖8 卸載樣的磁化率橢球示意圖Fig.8 Schematic diagram of magnetization ellipsoid of the unloaded sample

從軟件處理的數(shù)據(jù)中分析磁化率數(shù)量橢球的形狀因子T，它反映了土樣的發(fā)育情況，可以用磁面理度F和磁線理度L的數(shù)值進(jìn)行佐證，將數(shù)據(jù)繪制在圖9中. 從圖中看出，磁化率數(shù)量橢球的形狀因子T在-1到0內(nèi)，該粉質(zhì)黏土以磁線理發(fā)育為主，所以該土樣測(cè)出的磁線理度L較磁面理度F大，符合磁線理發(fā)育為主的特征，磁面理度F變化幅度不大，磁面理并不占主導(dǎo)地位.從以上分析可以看出有側(cè)限加載樣與有側(cè)限卸載樣的區(qū)別，最大磁化率主軸位置不同，卸載樣是以磁線理發(fā)育為主，而加載樣是以磁面理發(fā)育為主，可以通過(guò)這種方法判別土樣是正常固結(jié)土還是超固結(jié)土.

圖9 卸載樣的T、F、L值Fig.9 T，F(xiàn) and L values of the unloaded samples

3.2.3 無(wú)側(cè)限樣與有側(cè)限樣的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將無(wú)側(cè)限樣的磁組構(gòu)試驗(yàn)所得磁化率各向異性度與有側(cè)限樣的磁組構(gòu)試驗(yàn)所得磁化率各向異性度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比分析圖3和圖6發(fā)現(xiàn)，盡管有側(cè)限樣的軸向應(yīng)力大于無(wú)側(cè)限樣的軸向壓力，無(wú)側(cè)限樣的磁化率各向異性度仍大于有側(cè)限樣的磁化率各向異性度. 用有側(cè)限樣在軸向壓力1600 kPa下的Pj與無(wú)側(cè)限樣含水率為20%在軸向壓力12.5 kPa下的Pj作比較，無(wú)側(cè)限樣的磁化率各向異性度仍然遠(yuǎn)大于有側(cè)限樣的，可以說(shuō)明，試樣在無(wú)側(cè)限下加壓土內(nèi)部的磁性礦物可以更好地向四周擴(kuò)散，而在有側(cè)限下加壓土體變形受到約束，影響其內(nèi)部的磁性礦物向外擴(kuò)散，從而影響其磁化率各向異性度. 從磁化率橢球的圖形來(lái)看，無(wú)側(cè)限樣的磁化率橢球圖形較有側(cè)限樣的磁化率橢球圖形更有規(guī)律性，在加載狀態(tài)下最大磁化率主軸K1分布在橢圓的四周，最小磁化率主軸K3分布在橢圓的中心部分，究其原因還是因?yàn)橥林械拇判缘V物在無(wú)側(cè)限狀態(tài)下加載，土內(nèi)部的磁性礦物可以無(wú)限向四周擴(kuò)散，因此所得圖形更加符合規(guī)律性.

4 結(jié)論

1）當(dāng)黏性土在加載狀態(tài)下時(shí)，土中磁性礦物將會(huì)向四周擴(kuò)散，隨著軸向壓力和含水率的增大，土體內(nèi)部磁性礦物向四周擴(kuò)散程度越大，磁化率各向異性度越大.

2）黏性土在卸載后取樣所得試驗(yàn)結(jié)果與加載情況完全相反，從磁化率橢球形狀來(lái)看，加載情況下土樣的最大磁化率主軸K1分布在橢圓的四周，以磁面理發(fā)育為主；卸載情況下土樣的最大磁化率主軸K1在橢圓中心，以磁線理發(fā)育為主. 可以通過(guò)磁組構(gòu)試驗(yàn)來(lái)判別土樣是正常固結(jié)土還是超固結(jié)土.

3）黏性土在有側(cè)限和無(wú)側(cè)限兩種方式下加載，對(duì)比兩種方式下所得的磁化率各向異性度和磁化率橢球圖形，我們可以發(fā)現(xiàn)無(wú)側(cè)限樣的磁化率各向異性度要遠(yuǎn)大于有側(cè)限樣的磁化率各向異性度，并且所得的磁化率橢球圖形分布規(guī)律較好，因?yàn)橥翗釉谟袀?cè)限狀態(tài)下受壓變形不是太明顯，影響土體內(nèi)部的磁性礦物向外擴(kuò)散.