循環(huán)荷載作用下NaCl溶液對(duì)黏土動(dòng)力特性影響及微觀機(jī)理分析

莊心善 潘睿捷 夏順磊

摘 要：針對(duì)黏土易與水結(jié)合，孔隙溶液環(huán)境變化對(duì)黏土動(dòng)力特性有較大影響的問題，使用GDS真/動(dòng)三軸儀對(duì)黏土試樣進(jìn)行模擬交通循環(huán)荷載下的分級(jí)加載試驗(yàn)，研究不同濃度NaCl孔隙溶液、振動(dòng)頻率對(duì)土體應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系和動(dòng)彈性模量的影響，分析骨干曲線及彈性模量的發(fā)展規(guī)律，并結(jié)合電鏡掃描，分析NaCl溶液濃度和振動(dòng)頻率改變前后試樣的孔隙分布規(guī)律，得到微觀孔徑與動(dòng)力特性的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著NaCl溶液濃度和振動(dòng)頻率的升高，應(yīng)力 應(yīng)變曲線和動(dòng)彈性模量曲線呈上移趨勢(shì)；阻尼比 動(dòng)應(yīng)變曲線隨振動(dòng)頻率的增加而上升，隨NaCl溶液濃度的增加而下降；NaCl溶液濃度升高，水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠體增多，微填充作用可有效減少小孔隙，振動(dòng)頻率增加則使得片狀顆粒間距被壓縮，層狀結(jié)構(gòu)減少，土體更加密實(shí)，有效減少大孔隙。研究得出的含NaCl溶液黏土受孔隙溶液濃度與振動(dòng)頻率變化的影響規(guī)律，可為研究其他環(huán)境下黏土的強(qiáng)度變化提供參考。

關(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ)工程；黏土；孔隙溶液；循環(huán)動(dòng)荷載；分級(jí)加載；土動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)：TU443?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??DOI：10.7535/hbkd.2023yx04009

Influence of NaCl solution on dynamic characteristics of clay under cyclic loading and microscopic mechanism analysis

ZHUANG Xinshan，PAN Ruijie，XIA Shunlei

（School of Civil， Architecture and Environment， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068， China）

Abstract： Aiming at the problem that the change of the pore solution environment has a great influence on the dynamic characteristics of clay， graded loading tests were performed on clay samples under simulated traffic cyclic loads by using a GDS true/dynamic triaxial apparatus. The effects of different concentrations of NaCl pore solution and vibration frequency on the stress strain relationship and dynamic elastic modulus of the soil were studied， and the development rules of the backbone curve and elastic modulus were analyzed. Combined with electron microscope scanning， the pore distribution law of samples before and after changing the NaCl solution concentration and vibration frequency was analyzed to obtain the relationship between micro pore size and dynamic characteristics. The results show that with the increase of NaCl solution concentration and vibration frequency， the stress strain curve and dynamic elastic modulus curve show an upward trend; the damping ratio dynamic strain curve rises with the increase of vibration frequency and decreases with the increase of NaCl solution concentration; at higher NaCl solution concentration， the increase of colloid produced by the hydration reaction can effectively reduce small pores; increasing vibration frequency compresses the distance between flaky particles， reduces the layered structure and makes the soil more compact， effectively reducing large pores. The influence of pore solution and vibration frequency on clay with NaCl solution is obtained， which provides some reference for intensity change of clay under other environment.

Keywords： foundation engineering; clay; pore solution; cyclic dynamic loads; stepwise loading; geodynamic properties

黏土廣泛分布于世界各地，其顆粒周圍有一層水分子膜，在潮濕時(shí)具有良好的可塑性，但在干燥或燒制時(shí)會(huì)變硬，脆性增加，且失去可塑性[1 2]。隨著中國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，公路鐵路遍布全國各地，也面臨來自環(huán)境和交通工具的各種考驗(yàn)。在一些特殊情況下，溶液會(huì)滲透進(jìn)入土壤孔隙，例如氯鹽融雪劑、垃圾處理場(chǎng)和工地堆放的易分解廢棄物等[3]。氯化鈉溶液是孔隙溶液中較為常見的一種，其中帶正電的離子易與黏土顆粒表面帶負(fù)電的離子結(jié)合，使黏土孔隙的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而在宏觀上影響?zhàn)ね恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)，若忽略孔隙溶液的影響，在對(duì)土體性質(zhì)進(jìn)行評(píng)估時(shí)可能出現(xiàn)誤差，從而導(dǎo)致安全隱患[4 5]。

CHAKRABORTTY等[6]對(duì)不同級(jí)配砂土施加循環(huán)動(dòng)荷載，得出孔隙環(huán)境對(duì)砂土剪切模量及阻尼比影響顯著。HUSSAIN等[7]和CHEN等[8]采用MIP和SEM探究三軸壓縮試驗(yàn)前后飽和重塑黃土的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和宏觀強(qiáng)度的相關(guān)性作出了評(píng)價(jià)。梁維云等[3]采用一維壓縮試驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)，研究在不同NaCl溶液濃度下重塑天然膨脹土的壓縮性和微觀孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明水化反應(yīng)中鹽溶液使孔隙比減少，宏觀上表現(xiàn)為滲透性降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮性降低。前人通過改變黏土孔隙溶液環(huán)境，再將黏土循環(huán)加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與微觀現(xiàn)象結(jié)合，證明了孔隙溶液環(huán)境變化對(duì)黏土的工程性質(zhì)有著不容忽視的影響，但需要開展進(jìn)一步研究。

SALEH等[9]通過循環(huán)荷載下的三軸試驗(yàn)分析了圍壓、加載頻率對(duì)海洋黏土動(dòng)力特性的影響。XIAO等[10]通過控制振次、含水量、固結(jié)比研究了不飽和黃土動(dòng)力特性，結(jié)果表明動(dòng)彈性模量隨含水量的增加而減少，隨固結(jié)比的增大而增大。 莊心善等[11]采用GDS真/動(dòng)三軸儀研究了孔隙溶液濃度變化下膨脹土的動(dòng)力特性，得到隨NaCl溶液濃度升高，累積變形和阻尼比均減小。張勇等[12]對(duì)飽和軟黏土進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究振次和動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)土體動(dòng)力特性的影響，建立了含幅值、振次、圍壓等影響因素的動(dòng)骨干曲線模型，得到動(dòng)荷載循環(huán)下剛度軟化規(guī)律。由已有研究可知，振動(dòng)頻率對(duì)黏土本構(gòu)關(guān)系及動(dòng)彈性模量的發(fā)展規(guī)律有較大影響，進(jìn)而影響?zhàn)ね恋墓こ绦再|(zhì)。然而以上研究多從宏觀角度分析土體的工程特性，基于微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行宏觀現(xiàn)象的研究較少。

鑒于此，本文擬進(jìn)行黏土動(dòng)力循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)，探討NaCl溶液與振動(dòng)頻率對(duì)黏土動(dòng)力特性的影響，結(jié)合電鏡掃描從微觀角度對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行分析，以期為實(shí)際工程土體評(píng)估提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為英國GDS公司生產(chǎn)的動(dòng)靜態(tài)真三軸儀，最大頻率為5 Hz，最大軸向力為10 kN，最大圍壓為2 MPa，如圖1所示。本次試驗(yàn)選用該儀器動(dòng)力加載模塊，使用GDSLSAB軟件對(duì)高度為100 mm、直徑為50 mm的圓柱試樣精準(zhǔn)施加圍壓、反壓、軸向壓力及動(dòng)荷載，測(cè)量系統(tǒng)可精準(zhǔn)測(cè)得隨時(shí)間變化的孔隙水壓力、軸向壓力、圍壓、體積應(yīng)變等數(shù)據(jù)，位移傳感器測(cè)量精度為0.000 1 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黏土取自于安徽某公路工程，顏色呈淡黃色，主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物組成，含鹽量為0，其基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。試驗(yàn)用NaCl晶體產(chǎn)自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，符合GB/T 1266—2006標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算并稱取一定摩爾質(zhì)量的NaCl晶體后配置在相應(yīng)體積的容量瓶?jī)?nèi)，流程嚴(yán)格遵守溶液配置標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 試驗(yàn)方案

試樣按最優(yōu)含水率19.7%制作，直徑為50 mm，高度為100 mm，分5層，每層搗實(shí)27次，每一層搗實(shí)后進(jìn)行刮毛處理。在試驗(yàn)前，對(duì)摻入不同濃度NaCl溶液的土樣進(jìn)行12 h抽真空后，再注入與土樣孔隙中濃度相同的NaCl溶液，浸泡12 h進(jìn)行飽和處理。開始試驗(yàn)時(shí)，將處理

好的土樣脫模后裝入橡皮膜，置于GDS動(dòng)靜態(tài)真三軸儀中反壓飽和，在飽和度大于0.98后，以線性加載方式逐步施加200 kPa圍壓進(jìn)行排水固結(jié)。本試驗(yàn)?zāi)M交通荷載下車速20～80 km/h，對(duì)應(yīng)頻率1～5 Hz，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，最終選用1，1.5和2? Hz作為加載頻率。為模擬融雪劑和垃圾填埋場(chǎng)，選用0，0.05，0.1和0.15 mol/L的孔隙溶液濃度。采用固結(jié)不排水循環(huán)剪切試驗(yàn)，加載波形選用正弦波。初始動(dòng)應(yīng)力幅值為10 kPa，分20個(gè)振級(jí)，每級(jí)遞增10 kPa，加載到200 kPa時(shí)終止，每個(gè)振級(jí)循環(huán)振動(dòng)10次，分級(jí)加載示意圖如圖2所示。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確有效，提取動(dòng)應(yīng)力幅值在60～150 kPa范圍內(nèi)的十級(jí)數(shù)據(jù)用于分析，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到6%時(shí)視作破壞，終止試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。

2 結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變特征分析

2.1.1 濃度影響

為分析不同濃度、不同振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系的影響，選取每級(jí)荷載循環(huán)的第4～7次滯回圈頂點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變平均值繪制動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系骨干曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在εd<1%時(shí)，動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變曲線較為陡峭，趨近于線性關(guān)系；當(dāng)εd＞1%時(shí)，相同動(dòng)應(yīng)力幅值變化下應(yīng)變的變化速率加快，使得整個(gè)動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變曲線趨近于對(duì)數(shù)函數(shù)形態(tài)。

在相同頻率下，動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變曲線隨NaCl溶液濃度增加呈整體上移趨勢(shì)。黏土礦物主要是由鋁片和硅片組成的晶胞堆疊而成[13]，晶胞間的負(fù)電荷易與電場(chǎng)范圍內(nèi)水分子和NaCl溶液中的陽離子形成雙電層，靜電力較強(qiáng)的表面易形成固定層，靜電力較弱的固定層外形成擴(kuò)散層，極性水分子與水化離子被吸引的同時(shí)具有一定活動(dòng)性，形成擴(kuò)散層[14 16]。雙電層示意圖如圖4所示。

雙電層的厚度與NaCl溶液濃度相關(guān)，NaCl溶液濃度越高，其中的陽離子越容易與帶負(fù)電的黏土顆粒相結(jié)合以平衡電性，減少靜電引力強(qiáng)度，結(jié)合水膜厚度減少，黏土顆粒間距變小[17 19]，宏觀表現(xiàn)為土體更加密實(shí)，動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變曲線隨孔隙溶液濃度的增加呈現(xiàn)出整體上移的趨勢(shì)。

2.1.2 頻率影響

如圖5所示，不同頻率對(duì)黏土動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變曲線影響較為顯著，在各濃度下均呈現(xiàn)出相同應(yīng)力下低頻動(dòng)應(yīng)變大于高頻動(dòng)應(yīng)變。這是因?yàn)椋h(huán)荷載作用下黏土的體積變化主要由孔隙體積變化而引起，

隨著振動(dòng)頻率的升高，動(dòng)荷載作用在土體表面的時(shí)間縮短，土體受到的動(dòng)能減小，土中孔隙水壓力來不及上升和擴(kuò)散，在一定程度上遏制了土體發(fā)生形變，孔隙體積壓縮量降低。

2.2 動(dòng)彈性模量 動(dòng)應(yīng)力特征分析

動(dòng)彈性模量表示土體抵抗彈性形變的能力，與土體的剛度呈正相關(guān)。各級(jí)動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變滯回圈頂點(diǎn)連線的斜率為動(dòng)彈性模量，其公式為

式中：Ed為動(dòng)彈性模量；εd為動(dòng)應(yīng)變；σd為動(dòng)應(yīng)力。

選取每級(jí)荷載循環(huán)的第4～7次動(dòng)彈性模量平均值及對(duì)應(yīng)動(dòng)應(yīng)力，繪制Ed σd關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，在頻率不變條件下，動(dòng)彈性模量隨NaCl孔隙溶液濃度增大而增大；在濃度不變條件下，振動(dòng)頻率越大，動(dòng)彈性模量越大?？紫度芤簼舛壬仙罢駝?dòng)頻率增加均對(duì)土體剛度有提高作用。

2.3 動(dòng)彈性模量 動(dòng)應(yīng)變特性分析

選取每級(jí)荷載循環(huán)的第4～7次動(dòng)彈性模量平均值及對(duì)應(yīng)動(dòng)應(yīng)變，繪制不同孔隙溶液濃度、不同頻率Ed εd關(guān)系曲線如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，動(dòng)彈性模量 動(dòng)應(yīng)變曲線呈近似冪函數(shù)形態(tài)，當(dāng)εd＜1%時(shí)，試樣處于彈性變形階段，曲線較陡，動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變的增加迅速減少；當(dāng)1%＜εd＜3%時(shí)，試樣進(jìn)入彈塑性變形階段，曲線陡峭程度降低；當(dāng)εd＞3%時(shí)，試樣進(jìn)入塑性發(fā)展階段，動(dòng)應(yīng)變以塑性形變?yōu)橹?，?dòng)彈性模量減少緩慢。

動(dòng)彈性模量隨孔隙溶液濃度和頻率的增加而增大，表現(xiàn)為Ed εd曲線整體上移。根據(jù)雙電層理論，孔隙溶液濃度的增加會(huì)使得顆粒結(jié)合水膜變薄，減少顆粒間距，土顆粒間相對(duì)作用力變強(qiáng)，更難產(chǎn)生位移，土體剛度提高。而振動(dòng)頻率的增加使土體在受到外力發(fā)生形變時(shí)迅速達(dá)到某一形變，不能充分回彈，因此在相同動(dòng)彈性模量下，動(dòng)應(yīng)變隨頻率的增加而增加。

2.4 阻尼比變化規(guī)律分析

土的阻尼比 λ 反映了土體在循環(huán)動(dòng)荷載作用下能量損耗的情況，可用土體在1個(gè)周期內(nèi)損耗的能量ΔW與該循環(huán)中所儲(chǔ)存總能量W的比值表示：

圖9為阻尼比 動(dòng)應(yīng)力關(guān)系隨振動(dòng)頻率和孔隙溶液濃度變化曲線。由圖9可知，在頻率較低條件下，當(dāng)σd＜110 kPa時(shí)，阻尼比隨動(dòng)應(yīng)力增大而增大，當(dāng)σd＞110 kPa時(shí)，阻尼比隨動(dòng)應(yīng)力增大而減小；而在頻率較高條件下，阻尼比隨動(dòng)應(yīng)力的變化規(guī)律轉(zhuǎn)折點(diǎn)變?yōu)棣襠=120 kPa。這是因?yàn)殡S著動(dòng)應(yīng)力增大，土體密實(shí)度不斷增加，當(dāng)達(dá)到較大的密實(shí)度時(shí)，土體變形速率迅速降低，使阻尼比達(dá)到最大值后逐漸減??；隨頻率增大，動(dòng)荷載作用在土體上的時(shí)間縮短，使土體達(dá)到較大密實(shí)度所需的動(dòng)荷載降低。

3 電鏡掃描及分析

孔隙溶液環(huán)境的變化導(dǎo)致黏土顆粒與鈉離子結(jié)合改變微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響?zhàn)ね恋牧W(xué)特性。為了研究黏土在不同孔隙溶液濃度和不同振動(dòng)頻率影響下的結(jié)構(gòu)特征，從各組試樣中心處取約1 g黏土，模擬夏季工況，將黏土置于50 ℃恒溫烘箱中72 h，取出冷卻，再采用電鏡掃描將烘干的黏土試樣放大800倍、3 000倍和10 000倍進(jìn)行觀察，如圖10—圖12所示。

由圖10 a）可觀察到，黏土在放大800倍下呈現(xiàn)出完整的片狀，其中均勻分布著大小不一的條形和三角形孔隙，由于放大倍數(shù)較低，僅能觀察到黏土表面形態(tài)，不能清晰準(zhǔn)確地觀察到顆粒的結(jié)構(gòu)和中小孔隙分布規(guī)律。在放大3 000倍下黏土的顆粒表面的層狀結(jié)構(gòu)可以較好地展現(xiàn)出來，由圖10 b）可觀察到片狀的黏土顆粒堆疊，向各方向卷曲，呈層狀分布，高亮部分為顆粒表面形成的羽翼狀膠體，陰影區(qū)域?yàn)榭紫逗屯令w粒間聯(lián)結(jié)部分。在放大10 000倍下的中小孔隙結(jié)構(gòu)如圖10 c）所示，在該放大倍率下難以完整地觀察到黏土顆粒和鹽的結(jié)構(gòu)，但可以較好地展示孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文主要研究加入NaCl孔隙溶液后的黏土顆粒結(jié)構(gòu)和孔隙分布情況，因此在研究孔隙發(fā)展規(guī)律時(shí)使用3 000倍放大下的電鏡掃描結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖11展示了素土在放大3 000倍下不同振動(dòng)頻率下的電鏡掃描圖像。為了對(duì)比不同孔隙溶液濃度、振動(dòng)頻率對(duì)孔隙發(fā)展規(guī)律的影響，本文結(jié)合文獻(xiàn)[20 21]按孔徑大小將土中孔隙分為大孔隙（r≥10 μm）、中孔隙（0.1 μm≤r<10 μm）和小孔隙（r<0.1 μm）。圖11 a）中，當(dāng)黏土孔隙不含NaCl溶液時(shí)，土顆粒表面片狀結(jié)構(gòu)明顯且不定向排列，大量條形、三角形孔隙不均勻遍布其中；圖11 b）中，隨著振動(dòng)頻率增加到1.5 Hz，中小孔隙變化不顯著，但大孔隙明顯縮小并轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌紫逗托】紫叮瑢訝罱Y(jié)構(gòu)依然明顯；圖11 c）中，當(dāng)振動(dòng)頻率增加到2 Hz時(shí)，加載速率變快，土顆粒被快速壓實(shí)，面 面接觸區(qū)域高亮膠體增多，三角形孔隙被擠壓成條形，條形孔隙體積減小顯著，黏土顆粒間緊密貼合，層狀結(jié)構(gòu)不再明顯。

圖12表示在2 Hz頻率下不同濃度孔隙溶液對(duì)試樣孔隙變化的影響。在2 Hz振動(dòng)頻率下黏土顆粒表面顆粒被壓縮，大孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹行】紫?。圖12 a）中，土顆粒表面的黏性礦物緊密聚集在一起，條形孔隙被土顆粒擠壓，數(shù)量減少，圓形中孔隙依然存在且均勻遍布其中。圖12 b）中，黏土加入0.05 mol/L的NaCl溶液后，表面無序排列的片狀顆粒相互堆疊貼合，層狀結(jié)構(gòu)減少，NaCl顆粒起到微填充作用，條形中孔隙消失，圓形孔隙數(shù)量減少。圖12 c）中，隨著NaCl溶液濃度提高到0.1 mol/L，水化反應(yīng)產(chǎn)生的絮狀膠體增多，均勻分布在各孔隙中鏈接土顆粒，導(dǎo)致中小孔隙數(shù)量減少，顆粒間黏聚力增強(qiáng)，不定向?qū)訝钆帕袦p少。圖12 d）中，將NaCl溶液濃度增加到0.15 mol/L，顆粒表面羽翼狀膠體增多，土顆粒被膠結(jié)，各種形狀中孔隙幾乎消失，轉(zhuǎn)變?yōu)? 000倍放大下不易觀察到的小孔隙，土顆粒表面更平整光滑，土體的密實(shí)度增大，強(qiáng)度提高。

4 結(jié) 論

1）NaCl溶液中鈉離子易與黏土顆粒結(jié)合平衡電性，導(dǎo)致黏土顆粒擴(kuò)散層變薄，顆粒間距縮小，密實(shí)度提高。提高振動(dòng)頻率使黏土試樣更快達(dá)到某一變形，孔隙水壓力來不及擴(kuò)散。因此試樣黏土隨NaCl溶液濃度上升和頻率增加，在達(dá)到相同應(yīng)變時(shí)所需應(yīng)力增加，消耗的能量相應(yīng)增大。

2）相較于NaCl溶液濃度，頻率對(duì)黏土的動(dòng)彈性模量影響更大。在動(dòng)應(yīng)變較小的彈性變形階段，黏土動(dòng)彈性模量迅速降低，在塑性變形至破壞的過程中動(dòng)彈性模量降低速率減緩。

3）通過電鏡掃描，從微觀層面觀察到黏土在不同孔隙溶液環(huán)境和振動(dòng)頻率下的孔隙分布特點(diǎn)和孔徑變化規(guī)律，證明了黏土宏觀動(dòng)力學(xué)特性變化規(guī)律，為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。

在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)階段，為了模擬黏土道路融雪化冰及垃圾填埋場(chǎng)等環(huán)境，選用較低濃度的NaCl溶液研究本構(gòu)關(guān)系及動(dòng)彈性模量的發(fā)展規(guī)律，得出在以上環(huán)境中NaCl濃度的升高對(duì)黏土的強(qiáng)度有提高作用。但在海水等NaCl較高濃度環(huán)境下黏土是否呈現(xiàn)相同趨勢(shì)還有待驗(yàn)證，在今后的研究中擬考慮更高濃度NaCl溶液下黏土應(yīng)用場(chǎng)景，并根據(jù)實(shí)際情況給出工程施工建議。

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