上覆壓力對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性的影響機制

王傳杰, 湯斌

(桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，桂林 541004)

廣東省湛江市廣泛分布著湛江組結(jié)構(gòu)性黏土，該黏土具有強觸變性的特點[1-2]，湛江地區(qū)的建(構(gòu))筑物往往以這種黏土作為地基，建(構(gòu))筑物對擾動后的地基施加的上覆壓力不同，會對地基造成不同程度的影響，隨著時間的增長，由于湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的強觸變性，導(dǎo)致湛江組結(jié)構(gòu)性黏土地基強度恢復(fù)程度不同。研究上覆壓力對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性的影響機制，有助于深入了解上覆壓力造成地基強度恢復(fù)程度不同的本質(zhì)原因。

已有研究表明，黏土的觸變性受到上覆壓力[3-4]、含水率[5-8]、孔隙比[5,9]、靈敏度[5,9-10]、pH[11]、擾動程度[12-13]、黏粒含量[9,14]等因素不同程度的影響，其中上覆壓力的影響尤為顯著。不少學(xué)者從微觀角度解釋不同因素對土體觸變性的影響?；艉７宓萚4]認(rèn)為觸變過程就是土體絮凝過程，土顆粒受到電荷作用相互吸引，沉淀形成絮凝體，再通過膠結(jié)作用形成蜂窩絮凝體。陳寶等[15]將觸變性與顆粒搭接方式聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)觸變強度恢復(fù)時間漫長的原因是土體顆粒趨向于垂直搭接，但同時又有許多力阻礙其搭接。徐永福等[16]在濕噴樁施工中發(fā)現(xiàn)，施工造成樁周圍土體強度降低，而停止施工后一段時間，樁周圍土體強度上升的觸變現(xiàn)象，通過后續(xù)試驗得出了土體觸變的影響機制，觸變是由于土體顆粒在水溶液中作用力的變化引起，外界破壞引起土體顆粒間作用力改變，土體強度下降，時間的增加，使土體顆粒在水溶液中逐漸平衡，土體顆粒間作用力也變得穩(wěn)定，因而土體強度逐漸恢復(fù)。張先偉等[17]研究發(fā)現(xiàn)，土顆粒的粒間力變化導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)向絮凝化方向發(fā)展，大、小孔隙逐步向中孔隙轉(zhuǎn)變，孔隙漸漸勻化，整個土體結(jié)構(gòu)開始變得穩(wěn)定，使得土體表現(xiàn)出觸變性現(xiàn)象，但是上覆壓力對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性的影響機制尚不清楚。

對擾動后的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土施加不同大小的上覆壓力，并在不同靜置齡期進(jìn)行直接剪切試驗和掃描電鏡試驗(scanning electron microscope，SEM)，探究土體的觸變強度比率隨上覆壓力變化規(guī)律以及土體的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，從宏微觀角度闡明上覆壓力對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性影響機制。有助于深入了解上覆壓力造成地基強度恢復(fù)程度不同的本質(zhì)原因，為具有觸變性的黏土地基穩(wěn)定性評價提供依據(jù)

1 試驗用土

在坐落于廣東省湛江市東海島北部的寶鋼湛江鋼鐵基地內(nèi)挖土取樣，在埋深2～3 m處取試驗所用的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土，該黏土呈灰色，質(zhì)地較為堅硬。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗，測得其含水率為41.2%，干密度為1.27 g/cm3，靈敏度為4.23。由側(cè)限壓縮試驗計算得到黏土的孔隙比e，建立黏土的孔隙比e和上覆壓力P的關(guān)系，得到該黏土的e-lgP曲線，并根據(jù)Casagrande法確定先期固結(jié)壓力Pc為300 kPa，以300 kPa的先期固結(jié)壓力為中位值，確定后續(xù)試驗所需施加的5種上覆壓力，分別為200、250、300、350、400 kPa。

2 上覆壓力對土體觸變性影響的宏觀試驗研究

2.1 試驗方法

2.1.1 試樣制備

將上述湛江組結(jié)構(gòu)性黏土風(fēng)干、碾碎、過2 mm的篩。取過篩后風(fēng)干土，配制成含水率為35%，干密度為1.25 g/cm3的擾動土樣，將土樣裝入密封袋中，待土樣充分浸潤后制備直徑61.8 mm，高度20 mm的30個試樣，分成5組，分別編號為A1～A6、A7～A12、A13～A18、A19～A24、A25～A30。

2.1.2 試驗方案

將試樣置入應(yīng)變控制式直剪儀中，按表1的施加方案施加上覆壓力。

表1 上覆壓力的施加方案

所有試樣上覆壓力施加完成后，保持上覆壓力施加狀態(tài)至不同靜置齡期0、7、14、28、63、91 d[以試樣初始固結(jié)穩(wěn)定后的時刻作為靜置齡期(0 d)]，按表2的試驗方案對其進(jìn)行直接剪切試驗，測得試樣抗剪強度值。

表2 直接剪切試驗方案

2.2 試驗結(jié)果及分析

按照表2進(jìn)行試驗，得到不同上覆壓力作用下試樣在不同靜置齡期的抗剪強度值(單位：kPa)，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，隨著上覆壓力的增大，土體抗剪強度增大；在相同上覆壓力作用下，土體抗剪強度隨著靜置齡期的增長也逐漸增大。

用觸變強度比率AT來判斷觸變性強弱，觸變強度比率AT越大，則觸變性越強。定義觸變強度比率AT為

(1)

式(1)中：AT為觸變強度比率；Qu,P,T為靜置齡期為T、上覆壓力為P的抗剪強度值，kPa；Qu,P,0為靜置齡期為0 d、上覆壓力為P的抗剪強度值，kPa。

根據(jù)式(1)、表3，計算不同靜置齡期的試樣在不同上覆壓力作用下觸變強度比率AT，結(jié)果如表4所示。

表3 不同上覆壓力作用下試樣在不同靜置齡期的抗剪強度值

根據(jù)表4，建立土體觸變強度比率與上覆壓力的關(guān)系，土體觸變強度比率與靜置齡期的關(guān)系，如圖1、圖2所示。

表4 不同上覆壓力作用下試樣在不同靜置齡期的觸變強度比率

由圖1可知，隨著上覆壓力的增大，土體觸變強度比率減小，在200～300 kPa上覆壓力范圍內(nèi)減小速率較慢，在300～400 kPa上覆壓力范圍內(nèi)減小速率較快。這說明隨著上覆壓力的增大，土體的觸變性逐漸變?nèi)?，?dāng)上覆壓力小于300 kPa時，土體觸變性減弱速率較慢，當(dāng)上覆壓力大于300 kPa時，土體觸變性減弱速率較快。

由圖2可知，在相同上覆壓力作用下，土體的觸變強度比率隨著靜置齡期的增長而逐漸增大，增大的速率表現(xiàn)為觸變前期(0～28 d)最快，觸變中期(28～63 d)較慢，觸變后期(63～91 d)最慢。這說明在相同上覆壓力作用下，隨著靜置齡期增長，土體的觸變性不斷增強，但增強速率逐漸減慢。

使用Origin 2018軟件對圖1、圖2中觸變強度比率與上覆壓力、靜置齡期的關(guān)系進(jìn)行擬合，并將擬合結(jié)果匯如表5、表6所示。

圖1 觸變強度比率隨上覆壓力變化關(guān)系

圖2 觸變強度比率隨靜置齡期變化關(guān)系

表5 觸變強度比率與上覆壓力關(guān)系擬合結(jié)果

表6 觸變強度比率與靜置齡期關(guān)系擬合結(jié)果

由表5可知，土樣的觸變強度比率與上覆壓力擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2均接近于1，表明擬合效果良好。湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的觸變強度比率與上覆壓力的關(guān)系符合一次函數(shù)關(guān)系式：AT=a+bP，其中a、b為擬合參數(shù)，a反映土體本身的物理力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)上覆壓力變化時，土體的密實度等物理力學(xué)性質(zhì)可能發(fā)生變化，物理力學(xué)性質(zhì)越好，a越大，定義a為土體物理力學(xué)性質(zhì)影響系數(shù)；b反映上覆壓力對土體觸變強度比率的影響程度，上覆壓力影響作用越強，b值越大，定義b為土體上覆壓力影響系數(shù)。

由表6可知，土樣的觸變強度比率與靜置齡期擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2均接近于1，表明擬合效果良好。湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的觸變強度比率與靜置齡期的關(guān)系符合乘冪函數(shù)關(guān)系式：AT=cTd，其中c、d為擬合參數(shù)，c反映土體本身的物理力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)靜置齡期變化時，土體的孔隙比等物理力學(xué)性質(zhì)可能發(fā)生變化，物理力學(xué)性質(zhì)越好，c越大，定義c為土體物理力學(xué)性質(zhì)影響系數(shù)；d反映靜置齡期對土體觸變強度比率的影響程度，靜置齡期影響作用越強，d值越大，定義d為土體靜置齡期影響系數(shù)。

3 上覆壓力對土體觸變性影響的微觀試驗研究

取處于觸變前、中、后期靜置齡期分別為7、28、63 d的試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)掃描電鏡試驗，探究在不同上覆壓力(200、250、300、350、400 kPa)作用下，靜置齡期分別為7、28、63 d的試樣微觀結(jié)構(gòu)。

3.1 試驗方法

3.1.1 試樣制備

利用與前述宏觀試驗相同的試樣制備方法制備出15個試樣，分成5組，分別編號為B1～B3、B4～B6、B7～B9、B10～B12、B13～B15。

3.1.2 試驗方案

采用與宏觀試驗中同樣的上覆壓力施加方法，如表7所示。

表7 上覆壓力的施加方案

上覆壓力施加完成后，按照表8的試驗方案對試樣進(jìn)行SEM掃描電鏡試驗。SEM掃描電鏡試驗前用冷凍干燥法處理試樣，以保持試樣微觀結(jié)構(gòu)完整，并對其進(jìn)行“噴金”處理，使得到的SEM圖像盡可能清晰。SEM掃描電鏡試驗所用儀器型號為蔡司GeminiSEM 300場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

表8 SEM掃描電鏡試驗方案

3.2 試驗結(jié)果及分析

按照表8進(jìn)行SEM掃描電鏡試驗。試驗時，對在不同上覆壓力作用下不同靜置齡期的試樣的水平觀測面進(jìn)行觀察，SEM圖像放大倍數(shù)為2 000倍，選擇多個位置進(jìn)行拍攝，并為每一組試驗選取一個清晰且具有代表性的SEM圖像。不同上覆壓力作用下不同靜置齡期的試樣水平觀測面的SEM圖像如圖3所示。

3.2.1 SEM圖像定性分析

先分析相同靜置齡期試樣的微觀結(jié)構(gòu)隨上覆壓力的演變規(guī)律。從圖3可以看出，上覆壓力為200 kPa時，土顆粒多為單片狀和碎屑狀，分布較為松散，定向程度較弱，團(tuán)聚體非常少；隨著上覆壓力的增大，單片狀和碎屑狀的土顆粒數(shù)量不斷減少，分布越來越集中，定向程度增強，團(tuán)聚體數(shù)量逐漸增多，當(dāng)上覆壓力為400 kPa時，呈單片狀和碎屑狀土顆粒較少，分布較為集中，定向程度較高，團(tuán)聚體數(shù)量較多。

再分析相同上覆壓力作用下試樣微觀結(jié)構(gòu)隨靜置齡期的演變規(guī)律。從圖3中可以看出，隨著靜置齡期的增長，呈單片狀和碎屑狀的土顆粒數(shù)量在不斷減少，分布變得集中，定向程度在不斷增強，出現(xiàn)越來越多的團(tuán)聚體。

總體來看，上覆壓力較大時相比于上覆壓力較小時，隨著靜置齡期的增長，呈單片狀和碎屑狀的土顆粒數(shù)量減少速率變慢，分布集中速率和定向程度增強速率變慢，團(tuán)聚體增加速率也變慢。

根據(jù)圖3建立不同靜置齡期時，試樣團(tuán)聚體數(shù)量隨上覆壓力變化的關(guān)系，如圖4所示?？梢钥闯?，上覆壓力為400 kPa，在7 d→28 d→63 d時團(tuán)聚體數(shù)量變化為12→14→16，而上覆壓力為200 kPa，在7 d→28 d→63 d時團(tuán)聚體數(shù)量變化為2→5→8，可見上覆壓力400 kPa相比于上覆壓力200 kPa，團(tuán)聚體增加速率較慢，從土顆粒排列定向性也可看出類似變化。所以隨著上覆壓力的增大以及靜置齡期的增長，土顆粒往團(tuán)聚化發(fā)展和排列定向性增強的速率變慢，變化趨勢逐漸變得不明顯。

圖4 不同靜置齡期試樣團(tuán)聚體數(shù)量與上覆壓力的關(guān)系

3.2.2 SEM圖像定量分析

使用概率熵Hm來分析土體微觀結(jié)構(gòu)定向性變化情況[18]。概率熵的取值范圍為0～1，其值越接近于1，則表明土體微觀結(jié)構(gòu)排列混亂，定向性差，其值越接近于0，則表明土體微觀結(jié)構(gòu)排列整齊，定向性好。概率熵Hm的計算公式為

(2)

式(2)中：Hm為土體的概率熵；Pi為某一土體結(jié)構(gòu)單元體在某一方位區(qū)間上出現(xiàn)的概率；n為在方位區(qū)間[0°，180°]中等分的方位區(qū)數(shù)。

使用顆粒分布分維數(shù)Dkl來分析土體微觀結(jié)構(gòu)中土顆粒分布變化情況。顆粒分布分維數(shù)的取值越小，則表明土體微觀結(jié)構(gòu)中土顆粒分布集中，團(tuán)聚化程度強。顆粒分布分維數(shù)Dkl的計算公式為

(3)

式(3)中：Dkl為土體的顆粒分布分維數(shù)；c為分割土體結(jié)構(gòu)單元體圖像的正方形邊長；N(c)為分割后圖像中單個網(wǎng)格所包含的土顆粒數(shù)量；K為lnc-lnN(c)曲線的斜率。

利用顆粒(孔隙)及裂隙圖像識別與分析系統(tǒng)[particles(pores)and cracks analysis system，PCAS]對圖3中的SEM圖像進(jìn)行二值化處理，利用式(2)、式(3)計算得到不同上覆壓力不同靜置齡期試樣的概率熵、顆粒分布分維數(shù)，通過這兩個微觀定量參數(shù)來反映出湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的土體微觀結(jié)構(gòu)定向性和土顆粒分布變化情況，具體數(shù)值如表9所示。

(1)土體微觀結(jié)構(gòu)定向性變化情況。根據(jù)表9建立不同靜置齡期試樣概率熵與上覆壓力的關(guān)系，如圖5所示。

表9 不同上覆壓力不同靜置齡期試樣的概率熵、顆粒分布分維數(shù)

從圖5可以看出，在相同靜置齡期時，隨著上覆壓力的增大，土體的概率熵下降，上覆壓力小于300 kPa時，下降的速率較小，上覆壓力大于300 kPa時，下降的速率較大。這說明隨著上覆壓力的增大，土顆粒的排列定向性加強，小于300 kPa時，土顆粒排列定向性加強較慢，大于300 kPa時，土顆粒排列定向性加強較快。

圖5 不同靜置齡期試樣概率熵與上覆壓力的關(guān)系

相同上覆壓力作用下，土體的概率熵隨著靜置齡期增長而下降；隨著上覆壓力的升高，土體的概率熵隨著靜置齡期增長而下降的幅度減小，特別是當(dāng)上覆壓力大于300 kPa時，該現(xiàn)象更明顯，如在7 d→28 d→63 d，上覆壓力為200 kPa時，土體的概率熵下降的幅度為0.006 8、0.004 5，而在上覆壓力為400 kPa時，土體的概率熵下降的幅度為0.001 2、0.000 5，這明顯小于200 kPa時下降的幅度。這說明在相同上覆壓力作用下，土顆粒排列隨著靜置齡期的增長越來越有定向性；在越高的上覆壓力作用下，特別是大于300 kPa時，土顆粒排列定向性增長速率隨著靜置齡期增長變慢。

(2)土體微觀結(jié)構(gòu)分布變化情況。根據(jù)表9建立不同靜置齡期試樣顆粒分布分維數(shù)與上覆壓力的關(guān)系，如圖6所示?？梢钥闯觯谙嗤o置齡期時，隨著上覆壓力的增長，土體顆粒分布分維數(shù)下降，上覆壓力小于300 kPa時，下降的速率較小，上覆壓力大于300 kPa時，下降的速率較大。這說明隨著上覆壓力的增大，土顆粒團(tuán)聚化程度加強，小于300 kPa時，團(tuán)聚化加強速率較慢，大于300 kPa時，團(tuán)聚化加強速率較快。

圖6 不同靜置齡期試樣顆粒分布分維數(shù)與上覆壓力關(guān)系

相同上覆壓力作用下，土體的顆粒分布分維數(shù)隨著靜置齡期增長而下降；隨著上覆壓力的升高，土體的顆粒分布分維數(shù)隨著靜置齡期增長而下降幅度減小，特別是當(dāng)上覆壓力大于300 kPa時，該現(xiàn)象更為明顯，但在上覆壓力400 kPa時卻發(fā)現(xiàn)28 d的顆粒分布分維數(shù)小于63 d，數(shù)據(jù)存在一些異常，這可能是由于人為拍攝SEM圖像時存在誤差引起，導(dǎo)致SEM圖像存在一些差異。圖中在7 d→28 d→63 d，上覆壓力為200 kPa時顆粒分布分維數(shù)下降的差值為0.007 6、0.006 9，而在上覆壓力為400 kPa時，土體的顆粒分布分維數(shù)下降的差值為0.005 2、-0.000 7，這明顯小于200 kPa時下降的幅度。這說明在相同上覆壓力作用下，土顆粒往團(tuán)聚化發(fā)展隨著靜置齡期的增長而加強；在越高的上覆壓力作用下，特別是大于300 kPa時，土顆粒往團(tuán)聚化發(fā)展速率隨著靜置齡期的增長而下降。

4 影響機制解釋

從本質(zhì)上說，上覆壓力對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性影響的宏觀表現(xiàn)會體現(xiàn)在其土體微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)上，因而可以從土體微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律對土體觸變性變化規(guī)律進(jìn)行解釋，從而得出上覆壓力對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土觸變性的影響機制。在相同的上覆壓力作用下，擾動后的土體其概率熵和顆粒分布分維數(shù)均隨著靜置齡期增長而下降，這表明土顆粒排列定向性、團(tuán)聚化發(fā)展逐漸加強，宏觀上表現(xiàn)出土體抗剪強度和觸變強度比率增大，土體觸變性變強。

隨著上覆壓力的增大，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)均下降，特別是大于300 kPa時，下降的速率越大，這表明土顆粒往團(tuán)聚化發(fā)展、排列定向性加強，宏觀上表現(xiàn)出土體抗剪強度增大，且上覆壓力大于300 kPa時，土體抗剪強度增大更為明顯。但隨著上覆壓力的升高，特別是大于300 kPa時，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)隨著靜置齡期的增長而下降的幅度減小，這表明土顆粒排列定向性增長和往團(tuán)聚化發(fā)展速率變慢，宏觀上表現(xiàn)出土體的抗剪強度增大及觸變強度比率減小，土體觸變性減弱，且上覆壓力大于300 kPa時，土體觸變性減弱越為明顯。

5 結(jié)論

(1)隨著上覆壓力的增大，土體抗剪強度增大，而土體觸變強度比率減小，小于300 kPa上覆壓力時，減小速率較慢，大于300 kPa上覆壓力時，減小速率較快，土體觸變強度比率與上覆壓力呈一次函數(shù)關(guān)系；在相同上覆壓力作用下，土體靜置齡期越長其抗剪強度和觸變強度比率增大，增大速率表現(xiàn)觸變前期快，觸變中后期慢，土體觸變強度比率與上覆壓力呈乘冪函數(shù)關(guān)系。

(2)隨著上覆壓力的增大，土體的概率熵、顆粒分布分維數(shù)均下降，小于300 kPa上覆壓力時，下降的速率較小，大于300 kPa上覆壓力時，下降的速率較大；相同上覆壓力作用下，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)均隨著靜置齡期增長而下降；隨著上覆壓力的升高，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)隨著靜置齡期增長而下降的幅度減小，且上覆壓力大于300 kPa時，該現(xiàn)象更為明顯。

(3)在相同上覆壓力作用下，隨著靜置齡期的增長，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)均下降，這表明土顆粒往團(tuán)聚化發(fā)展、排列定向性逐漸加強，宏觀上表現(xiàn)出土體抗剪強度和觸變強度比率增大。隨著上覆壓力的增大，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)均下降，特別是大于300 kPa時，下降的速率越大，這表明土顆粒往團(tuán)聚化發(fā)展、排列定向性加強，宏觀上表現(xiàn)出土體抗剪強度增大，且上覆壓力大于300 kPa時增大更為明顯。但隨著上覆壓力的升高，特別是大于300 kPa時，土體的概率熵和顆粒分布分維數(shù)隨靜置齡期的增長而下降的幅度減小，這表明土顆粒往團(tuán)聚化和排列定向性增長速率變慢，宏觀上表現(xiàn)出土體抗剪強度增大及觸變強度比率減小，且上覆壓力大于300 kPa時現(xiàn)象更為明顯。