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《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行物理力學(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行觀察，SEM圖像放大倍數(shù)為2 000倍，選擇多個位置進行拍攝，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。可以看出，在相同靜置齡期時，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，土顆粒團聚化程度加強，小于300 kPa時，團聚化加強速率較慢，大于300 kPa時，團聚化加強速率較快。

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。