高溫作用對(duì)黏土抗剪性能影響及其機(jī)理分析

駱星宇，淳野楊，周東* ，劉宗輝，杜靜，戴書(shū)劍

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004；3.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣西 南寧 530023；4.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰? 廣西 南寧 530007)

0 引言

溫度是影響土體工程性質(zhì)的重要因素。地?zé)崮茉吹拈_(kāi)發(fā)與利用[1]、放射性核廢料處理[2]、垃圾填埋場(chǎng)襯墊[3]和熱脫附技術(shù)修復(fù)污染土[4]等都在工程實(shí)施過(guò)程中會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生溫度場(chǎng)效應(yīng)，其內(nèi)部的濕度場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)也會(huì)因溫度場(chǎng)的變化而產(chǎn)生影響，由此帶來(lái)地基變形、沉降以及地層穩(wěn)定性和承載力下降等工程問(wèn)題，因此，溫度影響土體性能已然成為國(guó)際上廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

溫度對(duì)土體性能的影響早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)引起學(xué)者們的關(guān)注。傳統(tǒng)溫度效應(yīng)對(duì)土體性能的研究中溫度大多低于100 ℃[5-6]，而目前關(guān)于溫度高于100 ℃情況下對(duì)黏土抗剪性能的影響研究較少。Towhata等[7]對(duì)黏土進(jìn)行0～200 ℃的預(yù)處理并進(jìn)行重塑，發(fā)現(xiàn)黏土經(jīng)過(guò)此溫度范圍處理后其力學(xué)性能無(wú)明顯變化。Joshir等[8]探討?zhàn)ね?、高嶺土與伊利土混合物在300～700 ℃的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化，研究表明黏土中礦物成分脫羥基化后抗剪強(qiáng)度快速增大。張玉良等[9]著重從孔隙度、孔隙體積分維數(shù)和滲透率角度對(duì)經(jīng)過(guò)100～800 ℃焙燒后的黏土試樣進(jìn)行抗剪性能研究，發(fā)現(xiàn)其單軸抗壓強(qiáng)度和普氏系數(shù)在溫度范圍100～400 ℃時(shí)試樣基本維持不變，400 ～700 ℃時(shí)迅速增大。由此可知，高溫對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響是非常明顯且是不可忽略的。

有機(jī)質(zhì)、游離氧化鐵和黏土礦物是構(gòu)成土體的重要組成部分，還是影響土體物理力學(xué)性能的重要因素，并且決定了土體工程類(lèi)別與工程性質(zhì)。呂巖等[10]認(rèn)為有機(jī)質(zhì)具有疏松的海綿結(jié)構(gòu)及良好的膠結(jié)作用，從而增強(qiáng)土體黏聚力。劉莉等[11]認(rèn)為游離氧化鐵具有提高土粒之間黏聚力的能力，但對(duì)內(nèi)摩擦角無(wú)影響。強(qiáng)成倉(cāng)等[12]認(rèn)為黏土礦物為具有鋁硅酸鹽的礦物質(zhì)，是構(gòu)成土中黏粒的主要成分，對(duì)土體黏聚力與內(nèi)摩擦角具有較大影響。在高溫的影響下，土中的有機(jī)質(zhì)會(huì)降解[13]，游離氧化鐵[14]及黏土礦物[15]產(chǎn)生相變。此外，在高溫作用下土體顆粒級(jí)配產(chǎn)生改變，土粒間的相互作用也會(huì)隨之改變，這些因素勢(shì)必都會(huì)影響土體抗剪性能。

綜上所述，為了研究高溫作用后土體抗剪性能的變化情況及其機(jī)理，本文采用高溫處理后黏土的重塑樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度性能的試驗(yàn)研究，并從粒度分布變化、土體組成成分和微觀形貌等角度進(jìn)行機(jī)理分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用土取自南寧化工股份有限公司，該處土為河流沖積相黏土。試驗(yàn)用土基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用土基本物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of clay

將風(fēng)干土配制到天然含水率后采用高溫爐對(duì)其進(jìn)行105 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃加熱處理，待冷卻后用研磨棒碾碎并過(guò)孔徑為1 mm篩進(jìn)行保存。高溫爐由廣西大學(xué)與邦世達(dá)爐業(yè)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，設(shè)備具有控制升溫速率、加熱時(shí)間和氣壓條件等功能，其可控制溫度范圍為0～1 200 ℃，設(shè)備如圖1所示。加熱時(shí)間依據(jù)土顆粒在不同溫度下團(tuán)聚穩(wěn)定程度確定。圖2分別展示了在200 ℃、400 ℃、600 ℃下，加熱時(shí)間(t1，t2，t3，t4，t5，t6)分別為30,60,120,180,360,540 min的黏土粒度組成。由圖2可知，360 min后土的各類(lèi)土粒含量基本不變，說(shuō)明當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到360 min后土粒性能穩(wěn)定，因此，本文選取熱處理時(shí)間為360 min。經(jīng)過(guò)不同溫度處理的黏土如圖3所示。

圖1 高溫爐Fig.1 High temperature furnace

圖2 加熱時(shí)間影響?zhàn)ね林懈黝?lèi)土顆粒含量Fig.2 Content of all kinds of soil particles in clay affected by heating time

圖3 不同溫度處理黏土Fig.3 Clay treated at different temperatures

本文試驗(yàn)主要內(nèi)容有三軸剪切試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn)(XRD)、有機(jī)質(zhì)測(cè)試、游離氧化鐵測(cè)試(ICP)、粒度分析試驗(yàn)(PSD)、掃描電鏡(SEM)觀察。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

為了獲取各試樣的礦物成分，將加熱處理后的黏土用研缽研磨過(guò)孔徑為0.025 mm的篩，放入60 ℃烘箱內(nèi)9 h，待冷卻后進(jìn)行XRD物相測(cè)試，測(cè)量角度為3°～80°，步長(zhǎng)為0.5(°)/min，樣品中摻入ZnO作為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行礦物成分的定量分析[16]。采用激光粒度儀(Mastesizer 3000型)進(jìn)行各溫度處理后土體粒度分布測(cè)量，測(cè)量范圍為0～3 800 μm；有機(jī)質(zhì)含量確定方法采用重鉻酸鉀氧化法進(jìn)行測(cè)試[17]；游離氧化鐵含量采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(Optima 8000DV型)進(jìn)行測(cè)試；試樣微觀結(jié)構(gòu)分析采用日本日立公司掃描電子顯微鏡(S-3400N型)觀測(cè)，設(shè)備可放大倍數(shù)為100～10 000倍，加速電壓為0.3～30 kV。SEM樣品采用冷凍干燥法制作[18]。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Experimental schemes

為了解決分層擊實(shí)法對(duì)每層土樣的擊實(shí)功不同而造成每層土樣性質(zhì)不均的問(wèn)題，本文采用自制壓樣儀制作三軸試樣，儀器標(biāo)有刻度尺以控制每層試樣高度一致。三軸試樣尺寸(D×H)為38 mm×76 mm，含水率為20%，干密度為1.40 g/cm3,，試樣分4層壓實(shí)，每層19 mm，試樣制作完成后放入保濕缸中靜置24 h。制樣儀與重塑試樣如圖4、圖5所示。

圖4 自制壓樣儀Fig.4 Sample pressing instrument

圖5 重塑試樣效果圖Fig.5 Remold sample renderings

三軸試驗(yàn)儀器采用英國(guó)生產(chǎn)的GDS應(yīng)變控制式三軸儀，軸力傳感器最大量程為8 kN，精度為0.000 1 kN，壓力室承受最大壓力為2 MPa。本文采用不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)獲取抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)圍壓采用100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.38 mm/min，軸向應(yīng)變達(dá)到16%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，若軸向應(yīng)變達(dá)到15%偏應(yīng)力未出現(xiàn)峰值，則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度。

2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

高溫作用黏土重塑樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示。剪切初期，土體偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖杆僭龃?。?dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到一定值后，T1、T2、T3、T4試樣偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變呈非線性增長(zhǎng)的關(guān)系，曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而T5和T6試樣偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)龃蟪尸F(xiàn)出非線性減小的關(guān)系，曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

圖6 各溫度處理黏土重塑試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Relations between deviatoric stress and strain of samples remolded by clay heated at different temperature

通常采用Duncan-Chang模型來(lái)對(duì)應(yīng)變硬化型曲線進(jìn)行描述。該模型采用雙曲線擬合出試樣的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線，即

(1)

式中：σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力；a、b為試驗(yàn)參數(shù)。

對(duì)于常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)，通常認(rèn)為εa=ε1，ε1為軸向應(yīng)變，即

(2)

式(2)中可將ε1/(σ1-σ3)-ε1的關(guān)系視為一次線性關(guān)系，并由式(2)推導(dǎo)，可得公式

(3)

式中：Ei為初始切線模量；(σ1-σ3)ult為極限偏差應(yīng)力。

應(yīng)變軟化型曲線不適用于Duncan-Chang模型。因此，沈珠江[19]提出駝峰型3次曲線擬合q-ε1關(guān)系的軟化模型，具體方程式為

(4)

式中，a、b、d為試驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)式(4)推導(dǎo)可得

(5)

式中qr為殘余強(qiáng)度。本文以σ3=100 kPa狀態(tài)下各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為例，以式(2)、(4)函數(shù)形式分別對(duì)不同溫度處理后黏土的重塑樣在100 kPa圍壓下剪切的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析整理。為了探討溫度變化對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，本文僅探討式(2)、(4)可推導(dǎo)出的共同結(jié)果Ei。100 kPa圍壓狀態(tài)下各式樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型擬合曲線如圖7所示，Duncan-Chang模型與軟化模型擬合參數(shù)見(jiàn)表3。

(a) σ3=100 kPa時(shí)T1、T2、T3、T4試樣ε1/(σ1-σ3)-ε1擬合關(guān)系

(b)σ3=100 kPa時(shí)T5、T6試樣(σ1-σ3)-ε1擬合關(guān)系

表3 Duncan-Chang模型與軟化模型擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of Duncan-Chang model and softening model

從圖7和表3可以看出，Duncan-Chang模型與軟化模型能有效的擬合高溫作用黏土后的重塑試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，擬合出的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.91以上。試樣的初始切線模量代表應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線初始斜率。當(dāng)溫度低于200 ℃時(shí)，試樣的初始彈性模量無(wú)明顯變化。當(dāng)溫度高于200 ℃后，隨著加熱溫度升高，試樣的初始彈性模量逐漸增大。

2.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

高溫作用黏土后重塑試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表4。由表4可知，105 ℃與200 ℃試樣抗剪強(qiáng)度無(wú)明顯變化。土體經(jīng)過(guò)高于200 ℃的溫度處理后，在同一圍壓狀態(tài)下，各溫度處理試樣抗剪強(qiáng)度隨溫度升高而增大。

為了說(shuō)明高溫處理后黏土重塑樣黏聚力和內(nèi)摩擦角與溫度之間的關(guān)系，本文采用η表示抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化幅度，具體公式為

(6)

式中：ki和ki-1分別代表溫度區(qū)間為T(mén)i、Ti-1處理試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；kn、km分別代表在整個(gè)溫度范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最大值和最小值。若h>0，則表明土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度變大而增大，反之減小；用ηc和ηφ分別代表土體黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化幅度。

表4 高溫作用黏土后重塑試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.4 Shear strength indexes of the remolded samples after high temperature treatment on clay

圖8 各溫度區(qū)間試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化幅度 Fig.8 Variation range of shear strength index of samples at various temperature ranges

圖8為各溫度區(qū)間試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化幅度，圖中t1、t2、t3、t4和t5分別代表105～600 ℃由低到高各相鄰溫度區(qū)間。由圖8可知，當(dāng)溫度由105 ℃升高至400 ℃時(shí)，ηc<0。當(dāng)加熱溫度高于400 ℃后，ηc>0，其中400～500 ℃區(qū)間黏聚力增幅達(dá)到60.94%，為整個(gè)溫度區(qū)間黏聚力增幅最大的區(qū)間。500～600 ℃區(qū)間，黏聚力繼續(xù)增大，但增長(zhǎng)幅度明顯下降。在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)ηφ>0，內(nèi)摩擦角根據(jù)增幅變化規(guī)律可分為2個(gè)階段：當(dāng)溫度低于500 ℃時(shí)，隨著溫度升高其內(nèi)摩擦角增幅增大；當(dāng)溫度高于500 ℃后，內(nèi)摩擦角增幅隨溫度升高而減小。因此，溫度為500 ℃時(shí)內(nèi)摩擦角增幅最大，幅值達(dá)到43.64%，表明溫度由400 ℃升高至500 ℃時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受到溫度的影響最為明顯。

3 機(jī)理試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高溫作用后土中成分變化

圖9所示為各試樣成分含量與加熱溫度關(guān)系。由圖9(a)和圖9(b)可知，在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)土中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小0.52%，其中在200～300 ℃區(qū)間土中有機(jī)質(zhì)減小由0.79%降至0.40%，占整個(gè)溫度區(qū)間有機(jī)質(zhì)含量變化總值的75%，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)在200～300 ℃間產(chǎn)生明顯的降解現(xiàn)象。在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)土中游離氧化鐵含量減小0.85%，在105～300 ℃區(qū)間，土中的游離氧化鐵僅下降0.04%，而在300～600 ℃之間游離氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)降幅達(dá)到0.81%，說(shuō)明游離氧化鐵在300 ℃后產(chǎn)生了明顯的化學(xué)反應(yīng)。

(a) 有機(jī)質(zhì)

(b) 游離氧化鐵

(c) 高嶺石

(d) 非晶態(tài)物質(zhì)

高溫作用對(duì)黏土礦物成分的影響如圖10所示。結(jié)合圖中對(duì)各溫度處理后的黏土礦物成分進(jìn)行分析，土中的主要礦物成分有高嶺石、石英和絹云母。由圖10可知，高嶺石所對(duì)應(yīng)的衍射峰在500 ℃時(shí)消失，而其余礦物成分含量均未產(chǎn)生較大變化。從圖9(c)、(d)可知，當(dāng)溫度低于400 ℃時(shí)，高嶺石的含量無(wú)明顯變化，而當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃后，其含量為0，原因是高嶺石在400～600 ℃區(qū)間產(chǎn)生脫羥反應(yīng)(-OH)，生成無(wú)結(jié)晶狀的硅鋁化合物[12,15]，即

圖10 高溫作用對(duì)黏土礦物成分的影響Fig.10 Effect of high temperature on mineral composition of clay

溫度由105 ℃升高至400 ℃時(shí)，土中非晶態(tài)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由18.96%增大至23.89%。而溫度由400 ℃升高至500 ℃時(shí)，非晶態(tài)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升13.32%，占整個(gè)溫度區(qū)間非晶態(tài)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升幅度的70.89%，這是主要是由高嶺石產(chǎn)生相變所導(dǎo)致。溫度由500 ℃升高至600 ℃時(shí)，土中非晶態(tài)物質(zhì)含量無(wú)明顯變化。

3.2 高溫作用土體粒度分布變化

高溫作用黏土后粒度變化圖如圖11所示，圖11(a)給出了各溫度作用黏土后的粒度分布曲線。根據(jù)各溫度處理黏土粒度分布曲線計(jì)算各試樣土粒體積平均粒徑，具體計(jì)算公式為

(7)

式中：MVD為土樣體積平均粒徑；di為某一土粒直徑；xi為粒徑是di的土粒所占體積分?jǐn)?shù)。

(a) 黏土粒度分布曲線

(b) 黏土體積平均粒徑與溫度的關(guān)系

圖11(b)為各溫度處理黏土土粒體積平均粒徑與溫度之間的關(guān)系。由圖11(b)可知，土體經(jīng)過(guò)105 ℃與200 ℃處理后其土粒體積平均粒徑無(wú)明顯變化。當(dāng)溫度由200 ℃升高至600 ℃時(shí)，土粒體積平均粒徑隨溫度升高由68.77μm線性增長(zhǎng)至224.28μm。結(jié)合上節(jié)，分溫度區(qū)間分析粒度分布變化原因：當(dāng)溫度由200 ℃升高至300 ℃，有機(jī)質(zhì)降解導(dǎo)致細(xì)小土粒膠結(jié)形成大顆粒團(tuán)聚體。當(dāng)溫度由300 ℃升高至400 ℃，游離氧化鐵在高溫作用下形成針鐵礦或赤鐵礦[14]，由于赤鐵礦或針鐵礦具有強(qiáng)大的吸附作用從而包被在黏粒表面形成不規(guī)則形狀的砂粒[20, 21]，但在XRD分析中并沒(méi)有檢索到這類(lèi)物質(zhì)，有可能是游離氧化鐵在轉(zhuǎn)變過(guò)程中生成與赤鐵礦和針鐵礦類(lèi)似物質(zhì)，并且結(jié)晶程度不高，以至于在進(jìn)行XRD衍射試驗(yàn)時(shí)未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)物質(zhì)。當(dāng)溫度由400 ℃升高至500 ℃，高嶺石產(chǎn)生脫羥反應(yīng)生成硅鋁化合物引起土粒相互團(tuán)聚。當(dāng)溫度由500 ℃升高至600 ℃時(shí)，土粒尺寸進(jìn)一步增大，這是由于當(dāng)溫度達(dá)到573 ℃時(shí)，常溫狀態(tài)下α-石英回轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英[22]，α-石英是由2個(gè)互呈150°夾角的Si-O四面體連接而成，而β-石英是由2個(gè)Si-O四面體相互連接成180°夾角而成，說(shuō)明石英在發(fā)生相變反應(yīng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生膨脹從而引起土顆粒尺寸增大。

4 討論

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變化討論

105 ℃與200 ℃處理土體的主要粒度組成部分是粉粒。相對(duì)于砂粒來(lái)說(shuō)，粉粒的可塑性較強(qiáng)，有利于土中的砂粒在土體破壞過(guò)程中產(chǎn)生滑移，土顆粒并沒(méi)有出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，因此，土體應(yīng)力應(yīng)-變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型。隨著溫度升高，砂粒占據(jù)粒度組成的主要部分。土中的含砂量對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和初始切線模量影響很大[23]。當(dāng)砂粒占土中粒度組成主要部分時(shí)，顆粒之間的接觸形式主要為砂粒與砂粒接觸，則土?？梢苿?dòng)性減弱，試樣剪切達(dá)到峰值強(qiáng)度后砂粒破碎，應(yīng)變-應(yīng)變曲線便呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象。高溫作用下黏土中親水性礦物成分脫羥基化，土粒中原子序列重新排布，使其顆粒強(qiáng)度更大[8]，因此，隨著溫度升高試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

4.2 黏聚力變化討論

黏聚力主要由土粒間的結(jié)合水間離子吸引力、土粒的膠結(jié)連接或毛細(xì)水連接組成。有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)是具有親水性的膠體，從而能增強(qiáng)土粒之間的黏結(jié)作用。據(jù)有關(guān)資料顯示[24]，土中1%含量的有機(jī)質(zhì)相當(dāng)于1.5%其他礦物成分形成的黏粒，但是在高溫環(huán)境下，土中有機(jī)質(zhì)降解并會(huì)轉(zhuǎn)化“腐殖化”產(chǎn)生斥水性物質(zhì)，因此，在200～300 ℃區(qū)間，有機(jī)質(zhì)降解幅度最大，導(dǎo)致黏粒和粉粒含量減少，土粒間結(jié)合水連接強(qiáng)度減弱，土體黏聚力減小。

游離氧化鐵主要分布在細(xì)粒土的表面，以包膜和“橋”的形式存在。土中的鐵離子容易在pH為4～9的環(huán)境下發(fā)生氫氧化鐵沉淀反應(yīng)[如式(10)、(11)]，當(dāng)土壤pH值在7.1以下時(shí)，游離氧化鐵是以帶有正電荷的Fe(OH)2+形式存在[如式(12)]，由于土粒表面帶有負(fù)電荷，則土粒以Fe(OH)2+作為介質(zhì)相互吸引，使土體黏聚力增強(qiáng)。當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃后，游離氧化鐵脫水結(jié)晶化，土粒之間相互吸引的能力減弱，導(dǎo)致土體黏聚力減小。

Fe2++H2O+O2→2Fe(OH)3

Fe3++H2O→Fe(OH)3

高嶺石作為親水性礦物具有一定的黏結(jié)能力，其機(jī)理主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：一方面高嶺石具有高比表面積，在土粒表面形成厚結(jié)合水膜，使土粒間產(chǎn)生黏結(jié)力；另一方面是高嶺石土粒之間存在雙電子層重疊形成“公共擴(kuò)散層”，層中的陽(yáng)離子對(duì)臨近的陰離子產(chǎn)生靜電力致使土粒間產(chǎn)生黏結(jié)力。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃后，土中高嶺石脫去羥基導(dǎo)致結(jié)合水膜變薄，土體黏聚力應(yīng)產(chǎn)生降低趨勢(shì)，但是試驗(yàn)結(jié)果與該理論相矛盾。土粒相對(duì)錯(cuò)動(dòng)示意圖如圖12所示，分析認(rèn)為這是由于土粒間產(chǎn)生離子吸引力與土粒之間相互咬合形成的表觀黏聚力產(chǎn)生了“競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制”[25]。由于高嶺石產(chǎn)生相變后土粒的結(jié)合水膜更薄，使顆粒咬合形成的表觀黏聚力占主導(dǎo)地位[26]。因此，溫度達(dá)到500 ℃時(shí)土體形成表觀黏聚力導(dǎo)致由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則所計(jì)算獲得的黏聚力大幅增長(zhǎng)。

圖12 土粒相對(duì)錯(cuò)動(dòng)示意圖Fig.12 Diagram of relative dislocation of particles

4.3 內(nèi)摩擦角變化討論

土體內(nèi)摩擦角主要由土粒表面的粗糙程度和顆粒之間咬合程度決定。土粒表面越粗糙，土體越致密，則內(nèi)摩擦角就越大。通過(guò)前文機(jī)理分析試驗(yàn)可將內(nèi)摩擦角增大原因分為以下2點(diǎn)：①高溫處理后土壤中有機(jī)質(zhì)降解、游離氧化鐵結(jié)晶化和高嶺石產(chǎn)生相變均會(huì)導(dǎo)致土粒形狀發(fā)生不規(guī)則變化，土粒產(chǎn)生“砂化”現(xiàn)象，則土粒之間摩擦系數(shù)變大；②土中親水性物質(zhì)脫水后，土粒表面結(jié)合水膜變薄，顆粒之間的潤(rùn)滑效應(yīng)減弱，因此，越高溫度處理的黏土重塑試樣的內(nèi)摩擦角越大。

4.4 高溫作用黏土重塑樣微觀結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

各溫度處理黏土后重塑樣微觀結(jié)構(gòu)如圖13所示。本文是在獲取大量SEM圖像基礎(chǔ)上，選取整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)最具有代表性的樣本進(jìn)行描述，放大倍數(shù)為2 000倍。由圖13可知，105 ℃處理黏土重塑樣土粒之間連接方式以面-面連接為主，土體形成了明顯的絮凝結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，試樣中粗顆粒被細(xì)顆粒包裹，形成尺寸更大的土粒，土粒表面更為粗糙，連接處出現(xiàn)膠結(jié)物質(zhì)，粒間主要以邊-邊和邊-面形式連接，土體中還存在較多孔隙。當(dāng)溫度升高至500 ℃和600 ℃時(shí)，試樣中出現(xiàn)了更大的團(tuán)聚體，土粒之間結(jié)合更為緊密。綜上所述，隨著溫度升高，土粒砂化的程度加劇，在500～600 ℃區(qū)間土的孔隙面積大幅減小即土粒之間結(jié)合更為緊密。SEM圖像所展現(xiàn)出的現(xiàn)象從微觀角度印證了不同溫度作用黏土后重塑試樣的抗剪性能變化趨勢(shì)。

(a) 試樣T1，105 ℃

(b) 試樣T4，400 ℃

(c) 試樣T5，500 ℃

(d) 試樣T6，600 ℃

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高溫作用后的南寧市河流沖積相黏土重塑試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，并結(jié)合高溫作用后土體成分變化(礦物成分、有機(jī)質(zhì)和游離氧化鐵)、粒度分布變化以及微觀機(jī)制進(jìn)行分析，獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

① 隨著溫度升高，試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也由應(yīng)變硬化型(105～400 ℃)逐漸過(guò)渡為應(yīng)變軟化型(500 ℃和600 ℃)。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線趨勢(shì)的改變與含砂量相關(guān)。Duncan-Chang模型與軟化模型能分別較好的模擬105～400 ℃和500～600 ℃處理黏土重塑試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，且土體初始切線模量隨溫度的升高而增大。

② 在105～200 ℃區(qū)間，土體黏聚力無(wú)明顯變化。在200～400 ℃區(qū)間，由于土中親水性物質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、游離氧化鐵與高嶺石)產(chǎn)生相變，導(dǎo)致c值變化幅度ηc<0。當(dāng)加熱溫度達(dá)到500 ℃后，土粒由于團(tuán)聚且其咬合作用增強(qiáng)導(dǎo)致摩擦占據(jù)主導(dǎo)地位形成表觀黏聚力，因此，c值變化幅度ηc>0。

③ 內(nèi)摩擦角φ在整個(gè)溫度區(qū)變化幅度ηφ>0，總體增大17.07°，其中當(dāng)溫度由400 ℃升高至500 ℃內(nèi)摩擦角增幅最大，這是由土體成分中產(chǎn)生的一系列反應(yīng)引起土粒表面的粗糙程度與顆粒之間的咬合程度變化所決定的。

④ 通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)105 ℃與200 ℃土體中具有明顯的絮凝結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，土粒砂化程度加劇，顆粒表面更為粗糙，其連接方式由面-面形式過(guò)渡到邊-邊與邊-面形式，并且連接處產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃后，試樣中孔隙減少，土體更為致密。微觀試驗(yàn)印證了高溫作用對(duì)土體抗剪性能產(chǎn)生的影響并做出合理解釋。