盧志鵬,孔玉俠,2,王慧娟,湯洪文

(1.南京工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,江蘇 南京 210009; 2.南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所,江蘇 南京 210009)

昔格達地層成分復(fù)雜,由雜色的黏土巖及粉細砂巖組成,主要覆蓋于早第三系地質(zhì)類型之上,分布于我國西南山區(qū)河谷及山間寬谷地帶,是韻律互層的靜水河湖相沉積型土,在不同地區(qū),其物理力學(xué)性質(zhì)差異很大[1]。昔格達土具有似土非土、似巖非巖的外在特征,水穩(wěn)性較差,因而具有易滑、易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等工程地質(zhì)特點。何能方等[2]對攀枝花西側(cè)特有的昔格達黏土巖的結(jié)構(gòu)成因進行了分析,表明昔格達黏土巖在天然狀態(tài)下具有較強的結(jié)構(gòu)特性。郭偉杰等[3]研究含水率對壓縮性能的影響,發(fā)現(xiàn)在前期固結(jié)應(yīng)力作用下,含水率對壓縮系數(shù)的影響較大,且含水率越高,壓縮系數(shù)變化越大。在此基礎(chǔ)上,王立忠等[4]對昔格達土的壓縮性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)不同的加載速率對原狀土壓縮系數(shù)的影響較大。而陳曉平等[5]發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線一般分為3段:初始平緩段、陡降段、與重塑土平行段。羅慶姿等[6]取不同深度的海相原狀軟土進行一維壓縮試驗和蠕變試驗,在壓縮試驗中發(fā)現(xiàn)初始壓縮系數(shù)與土的天然含水率、孔隙比之間具有良好的線性關(guān)系。

土體微觀結(jié)構(gòu)研究始于20世紀中期,隨著電子科技的引入以及新的數(shù)學(xué)方法的出現(xiàn),使得微觀結(jié)構(gòu)的研究取得重大飛躍。國內(nèi)對土體微觀結(jié)構(gòu)的研究起步較晚,關(guān)于昔格達土微觀結(jié)構(gòu)的研究更少。Osipov等[7]認為天然黏土的微觀結(jié)構(gòu)主要有7種類型,分別為蜂窩狀、質(zhì)基狀、絮狀、層狀、疇狀、假球狀和海綿狀,這一觀點逐漸成為學(xué)術(shù)界的主流觀點。胡瑞林[8]最早在國內(nèi)提出了微觀結(jié)構(gòu)特征的分類問題,認為可分為孔隙的變化特征、土顆粒的聯(lián)結(jié)特征及顆粒排列特征。蔣明鏡等[9]基于三軸壓縮試驗,利用掃描電子顯微鏡(SEM)和定量分析技術(shù),討論結(jié)構(gòu)性黏土剪切帶的內(nèi)外微觀結(jié)構(gòu)特征。王寶軍等[10]利用圖像處理技術(shù)對黏土樣進行微觀結(jié)構(gòu)分析,建立了分形維數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。劉雪梅等[11]結(jié)合圖形處理技術(shù)和沙盒(sandbox)分形理論,研究黏土的微觀孔隙變化及其分形特征,探討二值化分割閾值對孔隙劃分的影響。張季如等[12]利用專業(yè)圖像分析軟件IPP,對黏土的孔隙分形維數(shù)進行測算,并利用IPP軟件的圖像采集、處理、尺寸測量、計數(shù)等功能,得出黏土的孔隙結(jié)構(gòu)具有明顯的分形特性,揭示了分形維數(shù)與黏土的力學(xué)參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系[13]。

目前國內(nèi)外的學(xué)者對昔格達土的成因以及防災(zāi)減災(zāi)工程有較多的研究,Ahmed[14]研究了青藏高原的隆升與昔格達地層形成的關(guān)系。周平等[15]從力學(xué)變形本構(gòu)模型的角度對昔格達地層隧道圍巖變形機制進行了分析。成永剛等[16]主要進行了昔格達地層填方路堤滑坡原因的分析,并提出了防治措施。但是對昔格達土的結(jié)構(gòu)壓縮特性以及微觀結(jié)構(gòu)研究較少,缺乏將昔格達土的宏觀力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)特征相結(jié)合的比較研究。本文以攀枝花西側(cè)的兩處典型河湖相沉積型昔格達土為研究對象,根據(jù)原狀樣和重塑樣的室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果及其微觀結(jié)構(gòu),探討昔格達原狀土和重塑土的宏觀力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)表達。

1 試驗

1.1 樣品獲取

原狀樣取自河湖相天然沉積型昔格達土,采用兩側(cè)直徑72 mm、高度60 mm的鋼管薄壁取土器進行取樣。兩處原狀樣取土地點位于攀枝花西側(cè)的建筑工地(圖1),坐標分別為(N 26°31′24.0″,E 101°43′39.6″)和(N 26°30′52.9″,E 101°44′06.3″)。

圖1 采樣位置圖Fig.1 Sampling location map

使用高度2 cm、面積30 cm2的環(huán)刀對昔格達土進行制樣,并按照土工規(guī)范要求進行室內(nèi)土工試驗,結(jié)果如表1所示。

表1 土工試驗結(jié)果

昔格達巖土層在每一個地質(zhì)單元內(nèi)都存在空間粒度分布呈現(xiàn)為向上變細的韻律沉積特質(zhì),現(xiàn)將1#和2#昔格達土采用篩析法分析粒徑范圍為0.075～2 mm時的顆粒級配,取篩后的細粒土用密度計法測定其顆粒組成,圖2為不同位置處的昔格達土顆粒級配分布曲線。

圖2 兩處昔格達土顆粒級配曲線Fig.2 Grading curves of two sites of Xigeda soil

由圖2可知:粒徑為0.005～0.075 mm的昔格達土含量居多,而黏粒組(<0.005 mm)的土含量較少。黏土中的黏粒含量對昔格達土的流變特性、壓縮性能以及整體強度有著很大的影響。2#昔格達土的黏粒含量較1#昔格達土的多,由文獻[17]可知:當黏粒發(fā)生水化后,實際會增加土體中固相的體積,減少土體內(nèi)的自由水,使土體的黏度變大。

1.2 一維壓縮試驗方案

本試驗為側(cè)限壓縮試驗,試驗設(shè)備主要采用WG-1C系列單杠桿三聯(lián)固結(jié)儀,試樣高度(h)為2 cm、直徑(d)為6.18 cm。為了得到較為明顯的結(jié)構(gòu)特征,按照每24 h加載100 kPa,至最大1 200 kPa時為止。根據(jù)試樣高度變化量(Δh),計算孔隙比(e)在不同階段的變化規(guī)律,得到原狀樣和重塑樣的壓縮曲線。

1.3 SEM表征

首先，根據(jù)試樣的擾動和加載情況分別制備相應(yīng)的SEM樣品,選擇具有代表性的放大4 000倍圖像作為分析對象,在選擇圖像時應(yīng)注意圖像面積要保持基本一致；然后，利用IPP圖像處理軟件對土樣中土顆粒的周長、面積、軸長等微觀結(jié)構(gòu)特征進行定性描述;最后，利用軟件測得的特征數(shù)據(jù)，計算得出微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),進行定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 X線衍射

用X線衍射(XRD)分析方法對昔格達土礦物成分進行分析,結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3 X線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns

根據(jù)“三峰法”對X線衍射圖譜進行分析,由圖3(a)可知：1#昔格達土主要礦物成分為石英和方解石。由圖3(b)可知：2#昔格達土的主要礦物成分為石英、方解石和鈉長石,但2#昔格達土缺少了蒙脫石和高嶺石。由表2可知:昔格達土礦物成分中質(zhì)量分數(shù)最多的是石英,方解石次之。

表2 礦物成分的質(zhì)量分數(shù)(半定量)

2.2 一維壓縮參數(shù)

2.2.1 壓縮曲線

試驗中共有48個土樣,其中8個為原狀樣,其余為重塑樣。重塑樣的含水率(w)為5%、10%、15%、20%?？紫侗?e)與lgp(p為固結(jié)壓力)的壓縮曲線如圖4所示。

由圖4可知:1#原狀樣表現(xiàn)出了明顯的結(jié)構(gòu)特征,曲線前緩后陡,在500 kPa處出現(xiàn)拐點。重塑樣在高固結(jié)壓力處趨于重合,高含水率(w)的重塑樣曲線一直在含水率較低的曲線上方。1#原狀樣與重塑樣在高固結(jié)壓力下呈現(xiàn)出重合趨勢，2#原狀樣曲線沒有明顯的拐點,重塑樣和原狀樣曲線在高固結(jié)壓力下也沒有表現(xiàn)出重合趨勢。

圖4 昔格達土e-lg p曲線Fig.4 e-lg p curves of Xigeda soil

2.2.2 壓縮系數(shù)

圖5為昔格達土原狀樣和重塑樣的p-壓縮系數(shù)(av)曲線,av均隨著固結(jié)壓力的增大而逐漸降低,2#昔格達土表現(xiàn)得更為明顯。利用100～200 MPa范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)(av1-2)來評價土的壓縮性能。1#原狀樣的av1-2為0.100,而2#原狀樣的壓縮系數(shù)為0.166,因此1#昔格達原狀土壓縮性能要低于2#昔格達原狀土壓縮性能。

由圖5(a)和5(b)可知:高含水率、高孔隙比的1#重塑樣的壓縮系數(shù)開始時較大,然后在固結(jié)壓力作用下不同含水率的重塑樣壓縮系數(shù)均迅速變小并趨于一致。而圖5(d)中的2#昔格達土壓縮系數(shù)卻并未表現(xiàn)出趨同性。在相同固結(jié)壓力下,隨著含水率的增大,壓縮系數(shù)隨之增大,含水率能夠顯著影響昔格達土的壓縮特性。由圖5(c)可知:2#昔格達土由于取土深度相對較淺,受到的先期固結(jié)壓力小,密實度小,所以孔隙比較大,因此在壓縮初期壓縮系數(shù)下降較快,具有高壓縮性。

圖5 昔格達土p-av曲線Fig.5 p-av curves of Xigeda soil

圖6 昔格達土重塑樣的av-w曲線Fig.6 av-w curves of remolding Xigeda soils

圖6為昔格達土重塑樣的av-w曲線。由圖6可知:在相同的壓力段下,昔格達土的壓縮系數(shù)隨著含水率的增大而增大,在0≤p≤100 kPa范圍內(nèi)的變化尤為明顯;當p≥600 kPa后,壓縮系數(shù)不再隨著含水率的變化發(fā)生明顯變化。

2.2.3 綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)

土的結(jié)構(gòu)性強弱往往不是由單一參數(shù)如壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)等決定,而是由多個參數(shù)共同作用的結(jié)果。因此，謝定義等[18]根據(jù)土力學(xué)的辦法,首次提出了一個全面反映土體結(jié)構(gòu)性強弱的指標,即綜合結(jié)構(gòu)勢:在某一豎向壓力下以昔格達原狀、重塑和飽和土的孔隙比為變量的結(jié)構(gòu)參數(shù),如式(1)和(2)所示。

m1=es/ey

(1)

m2=ey/er

(2)

式中:ey、es、er分別為昔格達原狀、重塑和飽和土的孔隙比。

m1越大表示結(jié)構(gòu)可變性越強，m2越小表示結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性越強。將m1和m2結(jié)合起來,將綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)(mp)定義為

(3)

土的聯(lián)結(jié)特性越強、排列特性越弱,在加荷、擾動和浸水的情況下,土的孔隙比越小,即mp越大。

圖7為不同含水率下1#昔格達土的綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)曲線。由圖7可知:當固結(jié)壓力大于1#昔格達土的結(jié)構(gòu)強度,并在一個較小的范圍內(nèi)時,綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)處于極不穩(wěn)定狀態(tài),在100～500 kPa范圍內(nèi)即產(chǎn)生較大變形;而當固結(jié)壓力進一步增大至800 kPa以上時,土體處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，再難被壓縮。

圖7 不同含水率下1#昔格達土綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)曲線Fig.7 Composite structural parameter curves of the 1# Xigeda soil under different water contents

2.3 微觀結(jié)構(gòu)定性分析

采用液氮真空冷凍升華干燥法制備樣品,昔格達土原狀樣以及重塑樣的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖8所示。

由圖8(a)和8(b)可知：未壓縮1#原狀樣的基本單元體呈開放式絮凝片狀結(jié)構(gòu),顆粒分布有一定方向性,土體中扁平的黏土礦物組成聚合體；未壓縮2#原狀樣孔隙相對較小,且片狀黏粒相互凝聚交疊、大小均勻、排列相對緊密,構(gòu)成黏粒聚合體。圖8(c)為未壓縮1#重塑樣,也是片狀結(jié)構(gòu),但出現(xiàn)明顯的黏土集粒,孔隙相對較小,呈點狀、線狀和鑲嵌狀接觸。圖8(d)為未壓縮2#重塑樣,相對于原狀樣更加致密,黏粒附著在團聚顆粒上,土顆粒間的鏈接被打斷,聚粒型顆粒遭到破壞,轉(zhuǎn)變成許多小型黏粒團或單個黏粒,這些黏?；蝠ちF形狀規(guī)整、大小比較均勻、排列相對緊密。壓縮前的原狀樣呈絮凝狀,并伴有較大的孔隙；壓縮后的土樣孔隙相對較少,孔隙尺寸分布相對趨于集中(圖8(e)和8(f))。由此可知，昔格達半成巖具有較強膠結(jié)結(jié)構(gòu)特征。

圖8 昔格達土SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM photographs of Xigeda soil

2.4 微觀結(jié)構(gòu)定量分析

2.4.1 顆粒定量指標

土的微觀結(jié)構(gòu)由土顆粒以及土中孔隙相互組合而成,通過IPP軟件對1#、2#昔格達原狀土SEM照片中的顆粒進行定量化分析,結(jié)果列于表3。因為選取的SEM照片倍數(shù)相同,所以觀測面積基本一致。由表3可以看出: 1#昔格達土的顆粒平均面積約為2#昔格達土的1/2,平均周長約為2#昔格達土的0.43倍,平均長軸長度和平均短軸長度均比2#昔格達土略短,但是兩者的顆粒相對面積卻相差無幾，要解釋這一現(xiàn)象需要充分考慮兩種昔格達土的礦物成分和顆粒級配,雖然2#昔格達土的黏粒含量較1#的略高,但是2#昔格達土較1#昔格達土缺少蒙脫石和高嶺石等黏土礦物,且2#昔格達土石英、鈉長石等原生礦物含量超過80%。

表3 昔格達原狀土顆粒定量指標

2.4.2 圓形度、形狀系數(shù)與定向概率熵

施斌[19]在對黏土結(jié)構(gòu)的研究中定義了土體結(jié)構(gòu)單元體排列的定向概率熵(Hm),以反映土體微觀結(jié)構(gòu)單元體排列的有序性,Hm越小表明單元體排列方向越一致,有序性越高,反之則越低。圓形度(R)是用來描述顆粒形狀和圓形的接近程度的,該值越接近于1,表示顆粒的形態(tài)越接近于圓形。形狀系數(shù)(F)為顆粒等面積圓周長與顆粒實際周長的比值,取值范圍為0～1,越接近1,表明顆粒形狀越規(guī)則。兩種昔格達原狀土的圓形度、形狀系數(shù)和定向概率熵如表4所示。

表4 昔格達原狀土的圓形度、形狀系數(shù)和定向概率熵

由表4可知:1#昔格達土的定向概率熵比2#昔格達土的定向概率熵略小,形狀系數(shù)卻比2#昔格達土的形狀系數(shù)大,這表明1#昔格達土較2#昔格達土方向性更一致,形狀更加規(guī)則,這與1#昔格達土受到了更大的先期固結(jié)壓力有關(guān)。1#與2#昔格達土圓形度相差不大,這表明1#和2#昔格達土均為扁平狀顆粒,與SEM照片觀測結(jié)果一致。

2.4.3 表面分形維數(shù)

自分形理論被提出后,研究人員試圖利用分形工具來探索無規(guī)則現(xiàn)象所隱含的規(guī)律和物理機制。表面分形維數(shù)(Dr)是反映顆?；蛘呖紫兜呐帕蟹植济芏群托螒B(tài)復(fù)雜性的指標,該值越大表明土體中顆粒或孔隙的排列越分散,集團化程度越低,數(shù)值范圍一般為1～2[20],常用于對無規(guī)則形狀的微觀物體進行定量描述。

通過IPP軟件計算出不同固結(jié)壓力下的顆粒表面分形維數(shù),進而得到的1#昔格達原狀土在不同固結(jié)壓力下的Dr分布概率直方圖,如圖9所示。

由圖9可知:所得Dr范圍約為1.05～1.40。Dr在應(yīng)用中一般將所有顆粒的分形維數(shù)取平均值。表面分形維數(shù)的頻率正態(tài)分布曲線的峰頂所在位置為期望值,反映了樣本眾數(shù)。所以本文利用期望值作為評價指標,能較為全面地反映樣品的整體不規(guī)則程度。圖10為不同固結(jié)壓力下1#原狀樣土體的表面分形維數(shù)正態(tài)分布擬合曲線。由圖10可以看出:不同固結(jié)壓力下的顆粒表面分形維數(shù)期望值略有不同,且有向更小表面分形維數(shù)移動的趨勢;且隨著固結(jié)壓力的增大,樣品表面分形維數(shù)眾數(shù)所占比例越來越大,表明顆粒在固結(jié)壓力的擠壓下,形狀和長軸方向趨于一致。

為了更直觀地分析昔格達土顆粒表面分形維數(shù)隨固結(jié)壓力變化的規(guī)律,本文對表面分形維數(shù)與固結(jié)壓力之間的關(guān)系進行了分析(圖11)。由圖11可知：在到達先期固結(jié)壓力之前,土體隨著固結(jié)壓力的增大而持續(xù)壓實,故而表面分形維數(shù)不斷減小;500 kPa時，試樣結(jié)構(gòu)崩潰,土樣內(nèi)部發(fā)生崩塌,孔隙變大,表面分形維數(shù)短暫上升;而隨著固結(jié)壓力的進一步加大,土樣繼續(xù)被壓縮,表面分形維數(shù)恢復(fù)下降趨勢。圖12為1#昔格達土固結(jié)壓力與表面分形維數(shù)的關(guān)系。由圖12可以看出:表面分形維數(shù)和固結(jié)壓力線性負相關(guān),且重塑土比原狀土的表面分形維數(shù)下降速率更快。

圖9 不同固結(jié)壓力下1#昔格達原狀土的表面分形維數(shù)分布概率直方圖Fig.9 Histogram of distributed probability of surface fractal dimensions of 1# Xigeda original soil under different consolidation pressures

圖10 不同固結(jié)壓力下1#昔格達原狀土的表面分形維數(shù)正態(tài)分布擬合曲線Fig.10 Fitting curves of normal distribution of surface fractal dimension of 1# Xigeda original soil under different pressures

圖11 1#昔格達原狀土固結(jié)壓力和表面分形維數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between consolidation pressure and surface fractal dimension of 1# Xigeda original soil

圖12 1#昔格達土固結(jié)壓力與表面分形維數(shù)的關(guān)系Fig.12 Relationship between consolidation pressure and surface fractal dimension of 1# Xigeda soil

2.4.4 豐度

豐度(C)是指顆粒的短軸與長軸長度之比,反映了顆粒在二維平面內(nèi)的特征,數(shù)值范圍為0～1。當豐度趨近于0時,說明顆粒趨向于長條形;當豐度趨近于1時,說明顆粒趨近于正方形。

表5為1#重塑樣在不同固結(jié)壓力下各分度范圍的頻率分布。由表5可知:顆粒豐度主要集中范圍為0.4～0.8,這與SEM照片上顆粒的片狀結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。當固結(jié)壓力為0 kPa、0≤C<0.2時對應(yīng)的頻率為5.82%，而1 000 kPa、0≤C<0.2時對應(yīng)的頻率為7.00%；同時1 000 kPa、0.2≤C<0.4時對應(yīng)的頻率與500 kPa、0.2≤C<0.4時對應(yīng)的頻率相比增長了2.04倍,這說明固結(jié)壓力的增大使顆粒形狀趨向于長條形。

2.4.5 定向性特征

圖13為1#昔格達土Hm和av1-2關(guān)系曲線。由圖13可以看出:昔格達土的Hm與av1-2間呈線性相關(guān)。1#原狀樣的Hm與av1-2關(guān)系曲線呈明顯的三段式,在低壓條件下，原狀土顆粒由于受到先期固結(jié)壓力作用,顆粒定向性更高、排列更有規(guī)律、壓縮性較高,定向概率熵較小、下降快;但隨著固結(jié)壓力的增大,1#原狀樣的結(jié)構(gòu)性開始發(fā)揮作用,顆粒在固結(jié)壓力作用下轉(zhuǎn)向所需的能量比無序狀態(tài)下的重塑樣所需能量更多,所以原狀樣的壓縮能力減弱,定向概率熵下降的速率減??；當施加的固結(jié)壓力足夠大時,原狀樣結(jié)構(gòu)被破壞,重新變得易于壓縮,定向概率熵的下降速率又增大。1#重塑樣的曲線斜率則一直保持穩(wěn)定。

表5 1#重塑樣顆粒豐度值分析結(jié)果

圖13 1#昔格達土定向概率熵與壓縮系數(shù)的關(guān)系Fig.13 Relationship between directional probability entropy and compressibility of 1# Xigeda soil

3 結(jié)論

1)基于顆粒篩分試驗,比較兩處不同地點的昔格達土樣品,發(fā)現(xiàn)兩者的黏粒含量都很高,且2#昔格達土的黏粒含量比1#昔格達土的多。通過XRD試驗發(fā)現(xiàn)兩種昔格達土礦物成分存在差別,2#昔格達土與1#昔格達土相比缺少礦物蒙脫石和高嶺石。

2)1#昔格達土的壓縮曲線屬于典型的先緩后陡型,加載至500 kPa后結(jié)構(gòu)破壞;2#昔格達土沒有明顯的結(jié)構(gòu)屈服點,且高壓處原狀土和重塑土曲線沒有表現(xiàn)出重合趨勢。

3)結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著固結(jié)壓力的變化呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。在100～500 kPa這一很小范圍內(nèi)，綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)處于一個極不穩(wěn)定的狀態(tài),產(chǎn)生較大變形；而當固結(jié)壓力大于800 kPa時,則土體進入穩(wěn)定狀態(tài)。

4)昔格達半成巖呈開放式的絮凝結(jié)構(gòu),骨架松散,顆粒定向度較高,片狀黏土礦物組成聚集體,具有較強的膠結(jié)結(jié)構(gòu)特征。

5)試樣的表面分形維數(shù)與加壓條件直接相關(guān),試樣結(jié)構(gòu)破壞后,表面分形維數(shù)與固結(jié)壓力呈負線性相關(guān)關(guān)系。原狀土的定向概率熵與壓縮系數(shù)曲線呈現(xiàn)明顯的三段式結(jié)構(gòu)。