信陽原狀黏土的巖土工程特性

馬全國(guó),易先達(dá),郎夢(mèng)婷,趙鑫鑫,李 穎,周葆春

(信陽師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院, 河南 信陽 464000)

0 引言

土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物,是碎散的、三相的和天然的[1],表現(xiàn)出壓硬性、剪脹性、摩擦性、應(yīng)力歷史與應(yīng)力路徑相關(guān)性、各向異性、結(jié)構(gòu)性等復(fù)雜的基本特性[2-4],這些基本特性關(guān)聯(lián)土力學(xué)與巖土工程中的強(qiáng)度、變形、滲流問題,而被概化為土的強(qiáng)度、變形與滲透等力學(xué)特性(亦可稱為土的工程特性)。

MITCHELL與SOGA[5]指出:土的工程特性取決于土的成分與環(huán)境.土的成分包括土的礦物組成、可交換陽離子種類與含量、粒徑分布與顆粒形狀、孔隙水成分等特征,決定了土的工程特性指標(biāo)可能的變動(dòng)范圍。環(huán)境因素包括含水率、密度、圍壓、溫度、顆粒粒組與孔隙的排列(土的結(jié)構(gòu)/組構(gòu))、水的供給等,決定了土的工程特性指標(biāo)的取值。即受土的成分、結(jié)構(gòu)、干濕松密等物理狀態(tài)、溫度濕度等大氣環(huán)境、自重與附加應(yīng)力等應(yīng)力狀態(tài)的共同作用,作為工程結(jié)構(gòu)賦存環(huán)境的原位土體表現(xiàn)出復(fù)雜的具有區(qū)域特征的工程特性,無論從工程還是科學(xué)角度,都需要針對(duì)性的系統(tǒng)研究。因而,對(duì)地域性土樣開展系統(tǒng)的土質(zhì)學(xué)(土的成分與結(jié)構(gòu))與土力學(xué)(強(qiáng)度、變形、滲透)測(cè)試,獲得其全面的物理、化學(xué)、礦物、力學(xué)特性與指標(biāo),無論是服務(wù)區(qū)域建設(shè),還是豐富土性認(rèn)知,都是有必要的。

為此,本文開展了取自信陽師范學(xué)院主校區(qū)的原狀黏土的天然含水率、風(fēng)干含水率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率、天然密度、土粒比重、顆粒分析、液塑限聯(lián)合測(cè)定、擊實(shí)、氮吸附BET比表面積、乙二醇乙醚吸附法比表面積、水分吸附A-BET內(nèi)外比表面積等物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試；易溶鹽、陽離子交換量、X射線衍射礦物成分等化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試,以及直剪、固結(jié)、滲透、自由膨脹率、無荷載膨脹率、收縮等力學(xué)特性測(cè)試。獲得系統(tǒng)全面的信陽原狀黏土的物理、化學(xué)、力學(xué)特性與指標(biāo),以期加深對(duì)其巖土工程特性的認(rèn)知,為信陽市區(qū)的巖土工程實(shí)踐提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)方案

信陽師范學(xué)院主校區(qū)位于河南省信陽市中心城區(qū)的西南部,試驗(yàn)土樣取自主校區(qū)綜合實(shí)驗(yàn)樓旁試坑,取土照片見圖1,取出的塊狀原狀土樣見圖2,取樣深度為3.1 m,土樣呈棕褐色,中等塑性,天然狀態(tài)堅(jiān)實(shí)。

圖1 試坑中取土Fig. 1 Sampling in the trial pit

圖2 塊狀原狀土樣Fig. 2 Undisturbed block sample

1.1 物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]進(jìn)行天然含水率、風(fēng)干含水率、天然密度、土粒比重、(篩析法與密度計(jì)法)顆粒分析、液塑限聯(lián)合測(cè)定、擊實(shí)等測(cè)試；依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率測(cè)試,以獲得其物理性質(zhì)指標(biāo)。

依據(jù)《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》[8]測(cè)定其氮吸附BET比表面積(SSA),采用乙二醇乙醚吸附法[9]測(cè)定EGME比表面積,采用Augmented BET (A-BET)方法[10]測(cè)定其水分吸附A-BET內(nèi)外比表面積；以獲得試樣比表面積信息。

1.2 化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與礦物成分測(cè)試

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]進(jìn)行易溶鹽、陽離子交換量試驗(yàn),以獲得其化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)以獲得其礦物成分。

1.3 壓縮變形特性測(cè)試

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]與ASTM D2435/ D2435M-11(2020)[11]進(jìn)行原狀土樣的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)以獲得其壓縮變形特性。壓力等級(jí)依次為12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200、4000、3200、1600、800、400、200、100、50、25、12.5 kPa；每級(jí)壓力下穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24 h。

1.4 脹縮變形特性測(cè)試

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]與《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[12]進(jìn)行自由膨脹率、無荷載膨脹率、收縮試驗(yàn),以獲得其脹縮變形行為特征。

1.5 強(qiáng)度特性測(cè)試

固結(jié)試驗(yàn)完成后,進(jìn)行排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn),剪切速率設(shè)為0.02 mm/min。試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)試樣垂直位移dv、水平位移(剪切位移)dh與剪切力,直至dh達(dá)到10 mm時(shí)停機(jī),退回,再進(jìn)行第2次剪切。如此繼續(xù)反復(fù)進(jìn)行剪切至剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值為止。試驗(yàn)結(jié)束后,吸去剪切盒中積水,描述剪切面破壞情況,取剪切面附近土樣測(cè)定剪后含水率。

1.6 滲透行為測(cè)試

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]進(jìn)行原狀土樣的變水頭滲透試驗(yàn)以獲得其飽和滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 物理性質(zhì)指標(biāo)

采用比重瓶法[6]測(cè)得土粒比重為2.72。 將土樣浸泡,水洗過0.075 mm篩；篩上土用篩析法[6]、篩下土用密度計(jì)法[6]開展顆粒分析試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1與圖3?？梢娫撏翗哟至：?jī)H為0.5%,為細(xì)粒土；此外,粉粒含量高達(dá)57.0%,黏粒含量為42.4%。

表1 顆粒組成

圖3 顆粒大小分布曲線Fig. 3 Particle-size distribution

測(cè)得土樣天然含水率為23.2%,天然密度為1.93 g/cm3,根據(jù)土粒比重計(jì)算獲得天然狀態(tài)下的干密度、孔隙比與飽和度見表2。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]測(cè)得其風(fēng)干含水率為4.3%；依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]測(cè)得其標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率為4.8%；二者接近。

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法[6]測(cè)得液限為41.6%,塑限為18.8%,計(jì)算塑性指數(shù)為22.8、活性指數(shù)為0.8；由于液限在35%～ 50%之間,表明其為中等塑性[14]。土樣在塑性圖[15-16]中的位置見圖4,可見其為低液限黏土(CL)。計(jì)算天然狀態(tài)下液性指數(shù)為0.19,表明處于硬塑狀態(tài)。

表2 天然狀態(tài)下的基本物性指標(biāo)

圖4 塑性圖Fig.4 Plasticity chart

重型擊實(shí)試驗(yàn)[6]完成后的試樣照片見圖5,所獲擊實(shí)曲線見圖6,其最優(yōu)含水率為14.7%,最大干密度為1.88 g/cm3,天然狀態(tài)下其干密度為1.57 g/cm3,對(duì)應(yīng)壓實(shí)系數(shù)為0.84。

圖5 重型擊實(shí)試驗(yàn)完成后的試樣Fig. 5 Proctor test specimens

圖6 擊實(shí)曲線Fig. 6 Compaction curve

依據(jù)《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》[8]測(cè)得氮吸附BET比表面積為33.8 m2/g；采用EGME法[9]測(cè)得比表面積為110.2 m2/g；采用A-BET法[10]測(cè)得外比表面積為73.1 m2/g,內(nèi)比表面積為40.5 m2/g,總比表面積為113.6 m2/g；一般認(rèn)為EGME法測(cè)得的比表面積為總比表面積[17],由以上數(shù)據(jù)可見:A-BET法測(cè)得的總比表面積(113.6 m2/g)與EGME法測(cè)得的(總)比表面積(110.2 m2/g)相當(dāng)一致,印證了這一認(rèn)知。

一般認(rèn)為氮吸附測(cè)得的比表面積為外比表面積,由以上數(shù)據(jù)可見:氮吸附測(cè)得的比表面積(33.8 m2/g)與A-BET法測(cè)得外比表面積(73.1 m2/g)有一定的差別,這是值得進(jìn)一步研究的地方。

2.2 化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)與礦物成分

采用火焰光度法[6]測(cè)得Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量見表3,可見Ca2+含量最大。

表3 交換性陽離子含量

采用乙酸氨交換法[6]測(cè)得陽離子交換量(CEC)為206 mmol/kg。

采用X射線衍射礦物成分試驗(yàn)[6]獲得礦物相對(duì)含量見表4,可見原生礦物占比69.7%,包括石英、斜長(zhǎng)石和鐵白云石；黏土礦物占比30.3%,包括伊利石、高嶺石、綠泥石、伊/蒙混層,其中伊/蒙混層占比16.1%,伊利石占比10.1%。

表4 礦物成分占比

2.3 壓縮變形特性

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)[6, 11]獲得的原狀樣一維壓縮-卸荷試驗(yàn)結(jié)果見表5,相應(yīng)曲線見圖7,可見在400 ～ 500 kPa范圍內(nèi)曲線存在明顯拐點(diǎn),用Butterfield方法[18]獲得原狀樣先期固結(jié)壓力為454.1 kPa,超過了400 kPa[19],印證該土樣天然狀態(tài)堅(jiān)實(shí)。該土樣取土深度為3.1 m,相應(yīng)自重應(yīng)力為58.6 kPa,計(jì)算獲得超固結(jié)比為7.7(>4[5]),先期固結(jié)壓力與自重應(yīng)力之差為395.5 kPa(接近400 kPa[20]),可判斷為重超固結(jié)土(Heavily overconsolidated)。

表5 一維壓縮-卸荷試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7,獲得壓縮指數(shù)Cc為0.283,回彈指數(shù)Cs為0.038,Cs/Cc= 0.13。根據(jù)一維壓縮-卸荷試驗(yàn)結(jié)果(表5)獲得各級(jí)壓力下的壓縮系數(shù)av見表6,可見其在壓力100 ～ 200 kPa范圍內(nèi)的av為0.166,可判別為中等壓縮性土[1]。

圖7 一維壓縮-卸荷曲線Fig. 7 One-dimensional compression-unload line

采用時(shí)間平方根法確定各級(jí)壓力下的固結(jié)系數(shù)Cv,見表6。各級(jí)壓力下滲透系數(shù)k根據(jù)式(1)確定,

(1)

式中:k為滲透系數(shù)，cm/s；Cv為固結(jié)系數(shù)，cm2/s；γw為水的重度,取9.8×10-3N/cm3；av為壓縮系數(shù)，MPa-1；e0為初始孔隙比。由式(1)獲得的滲透系數(shù)見表6,可見滲透系數(shù)在10-10～10-7cm/s量級(jí)范圍,大體隨孔隙比降低而降低,該量級(jí)在黏土滲透系數(shù)的正常范圍內(nèi)[1]。

表6 各級(jí)壓力下的壓縮系數(shù)、固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)

2.4 脹縮變形特性

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[12]測(cè)得自由膨脹率為40%,前述CEC為206 mmol/kg,根據(jù)規(guī)范[12]判別膨脹潛勢(shì)為弱。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]與《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[12]進(jìn)行無荷載膨脹率試驗(yàn)獲得其膨脹含水率為26.6%,相對(duì)其天然含水率(23.2%)而言,吸濕量不大；獲得其體膨脹率為0.2%,表明:雖然土樣膨脹潛勢(shì)為弱,但其原狀樣吸濕膨脹量微小,推測(cè)是由于該樣為重超固結(jié)土,具有較強(qiáng)結(jié)構(gòu)性,抑制了吸濕膨脹量。

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]與《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[12]進(jìn)行收縮試驗(yàn),獲得其體縮率為3.4%,收縮系數(shù)為0.12,表明原狀樣的收縮變形較??；根據(jù)收縮曲線獲得該原狀樣縮限為11.9%。

2.5 排水抗剪強(qiáng)度

排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見圖8,根據(jù)試樣初始高度、試驗(yàn)過程中高度變化、干土質(zhì)量、土粒比重,可獲得試驗(yàn)過程中每個(gè)狀態(tài)下的孔隙比(假定試驗(yàn)過程中試樣直徑不變)。

圖8 信陽黏土原狀樣τ-dv-dh關(guān)系Fig. 8 τ-dv-dh relationship of undisturbed specimens

表7 原狀樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度

圖9 信陽黏土原狀樣峰值強(qiáng)度Fig. 9 Peak shear strength of undisturbed Xinyang clay

由于采用Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度直線擬合原狀樣峰值強(qiáng)度效果不理想,圖9中抗剪強(qiáng)度線呈現(xiàn)一定的非線性特征,因此采用式(2)表達(dá)的改進(jìn)的Lade冪函數(shù)[22]形式擬合該非線性關(guān)系,

(2)

將6.5 ～ 800 kPa范圍內(nèi)殘余強(qiáng)度-有效法向應(yīng)力關(guān)系繪制在圖10中,采用過坐標(biāo)原點(diǎn)的Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度直線擬合原狀樣殘余強(qiáng)度(圖10中點(diǎn)線),得到殘余有效內(nèi)摩擦角φ′= 23.7°,R2=1.00,RMSE=7.0 kPa,可見取得了很好的擬合效果。另一方面,從圖10可見殘余強(qiáng)度線稍具非線性,采用式(2)擬合該關(guān)系,由于為殘余強(qiáng)度,c′取0；擬合結(jié)果為:a=0.51,b=0.92,R2=1.00,RMSE=4.5 kPa；從RMSE降至4.5 kPa而言,冪函數(shù)形式抗剪強(qiáng)度公式擬合效果更好。

圖10 信陽黏土原狀樣殘余強(qiáng)度Fig. 10 Residual shear strength of undisturbed Xinyang clay

將信陽黏土殘余有效內(nèi)摩擦角(23.7°)與黏粒含量(CF=29.1%)及活性指數(shù)(A=0.8)關(guān)系繪入MITCHELL等[5]給出的殘余內(nèi)摩擦角對(duì)用CF與A表征的土成分的依賴性關(guān)系中(圖11)。

由圖11可見,信陽黏土殘余內(nèi)摩擦角落在MITCHELL等[5]給出的殘余內(nèi)摩擦角(φr)對(duì)用黏粒含量CF與活性指數(shù)A表征的土成分的依賴關(guān)系范圍內(nèi),位于滾動(dòng)剪切(Rolling shear)機(jī)制與滑動(dòng)剪切(Sliding shear)機(jī)制之間的過渡區(qū)域。

2.6 飽和滲透系數(shù)

采用2個(gè)原狀土樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表8,可見飽和滲透系數(shù)平行測(cè)定結(jié)果差別不大,均在10-7cm/s量級(jí),取其均值5.97×10-7cm/s作為飽和滲透系數(shù)。

表8給出的滲透系數(shù),比表6給出的基于固結(jié)試驗(yàn)的相應(yīng)孔隙比范圍的滲透系數(shù)(5.48×10-8、4.00×10-8cm/s)大一個(gè)量級(jí),這是值得進(jìn)一步研究的地方。

表8 飽和滲透系數(shù)

3 結(jié)論

本文獲得的信陽師范學(xué)院主校區(qū)原狀黏土巖土工程特性總結(jié)如下:

(1)土樣粗粒含量0.5%,粉粒含量57.0%,黏粒含量42.4%,為細(xì)粒土。風(fēng)干含水率4.3%,液限41.6%,塑限18.8%,塑性指數(shù)22.8,活性指數(shù)0.8,為低液限黏土。天然狀態(tài)下液性指數(shù)0.19,處于硬塑狀態(tài)。最優(yōu)含水率14.7%,最大干密度1.88 g/cm3。氮吸附BET比表面積33.8 m2/g,EGME比表面積110.2 m2/g,A-BET法總比表面積113.6 m2/g。

(2)陽離子交換量206 mmol/kg。原生礦物包括石英、斜長(zhǎng)石和鐵白云石,占比69.7%；黏土礦物包括伊利石、高嶺石、綠泥石、伊/蒙混層,占比30.3%,其中伊/蒙混層占比16.1%,伊利石占比10.1%。

(3)先期固結(jié)壓力454.1 kPa,超固結(jié)比7.7,為重超固結(jié)土。壓縮指數(shù)0.283,回彈指數(shù)0.038,Cs/Cc= 0.13,壓力100 ～ 200 kPa范圍內(nèi)壓縮系數(shù)0.166,為中等壓縮性土。

(4)自由膨脹率40%,膨脹潛勢(shì)為弱。膨脹含水率26.6%,體膨脹率0.2%。體縮率3.4%,收縮系數(shù)0.12,縮限11.9%。總體而言脹縮變形較小。

(5)垂直壓力6.5 ～ 800 kPa范圍內(nèi)原狀樣峰值抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)一定非線性,采用Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度直線擬合獲得有效黏聚力33.6 kPa、有效內(nèi)摩擦角25.5°,決定系數(shù)0.98,均方根誤差15.4 kPa；與低應(yīng)力下峰值強(qiáng)度對(duì)比表明擬合獲得的有效黏聚力(33.6 kPa)偏高。

(6)建議采用冪函數(shù)擬合原狀樣峰值抗剪強(qiáng)度；一方面,決定系數(shù)達(dá)到1.00,均方根誤差降至6.7 kPa,表明擬合效果更好；另一方面,0 kPa下抗剪強(qiáng)度(有效黏聚力)8.7 kPa,相對(duì)Mohr- Coulomb抗剪強(qiáng)度直線給出的過大的有效黏聚力更具合理性。

(7)采用過坐標(biāo)原點(diǎn)的Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度直線擬合垂直壓力6.5 ～ 800 kPa范圍內(nèi)原狀樣殘余強(qiáng)度,取得了很好的擬合效果:殘余有效內(nèi)摩擦角23.7°,決定系數(shù)1.00,均方根誤差7.0 kPa。其殘余強(qiáng)度有效內(nèi)摩擦角落在Mitchell等給出的殘余內(nèi)摩擦角對(duì)用黏粒含量與活性指數(shù)表征的土成分的依賴關(guān)系范圍內(nèi),位于滾動(dòng)剪切機(jī)制與滑動(dòng)剪切機(jī)制之間的過渡區(qū)域。

(8)基于固結(jié)試驗(yàn),采用時(shí)間平方根法獲得垂直壓力12.5 ～ 4000 kPa范圍內(nèi)的固結(jié)系數(shù),并獲得相應(yīng)滲透系數(shù),在10-10～ 10-7cm/s量級(jí)范圍,大體隨孔隙比降低而降低。采用變水頭滲透試驗(yàn)獲得原狀樣滲透系數(shù)5.97×10-7cm/s,比基于固結(jié)試驗(yàn)的相應(yīng)孔隙比范圍的滲透系數(shù)大一個(gè)量級(jí),值得進(jìn)一步研究。

致謝:感謝信陽師范學(xué)院基建處彭建勛副教授在取樣工作中給予的幫助。