原狀揚(yáng)州黏性土壓縮特性與孔徑分布

孫德安，汪 健，何家浩，徐永福

(1.上海大學(xué)土木工程系，上海 200444；2.上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240)

土體的宏觀力學(xué)特性與土體內(nèi)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。土體在外荷載作用下，內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而綜合反映在土體的變形和強(qiáng)度特性上。目前，研究土體微觀結(jié)構(gòu)的常用方法有掃描電子顯微鏡成像(SEM)和壓汞(MIP)試驗(yàn)等。施斌等[1]通過對我國四種典型黏性土(太平洋中部洋底軟泥、廣西寧明和安徽潘集膨脹土以及柳州龍船山紅黏土)進(jìn)行SEM掃描，并結(jié)合Videolab圖像系統(tǒng)，分析了我國典型黏土微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)演化及其分布規(guī)律。成玉祥[2]、張先偉[3]和Buttress[4]也采用SEM測試，對土體微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)行為進(jìn)行了研究。與SEM測試相比，壓汞試驗(yàn)可以準(zhǔn)確地定量描述土體在外部因素作用下內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。崔素麗等[5]通過壓汞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃土經(jīng)過水泥窯灰改性后，其強(qiáng)度等特性增強(qiáng)，是因?yàn)閳F(tuán)聚體間的孔隙消失，轉(zhuǎn)化成為團(tuán)聚體內(nèi)的孔隙，且總孔隙比降低，土體因此更加密實(shí)；談云志等[6]分析了不同干密度紅黏土試樣孔徑分布范圍的差異，總結(jié)出常規(guī)壓實(shí)作用下，土體某一較大孔徑的孔隙含量變化較大，而小孔徑的孔隙含量變化不大的結(jié)論；張云等[7]研究了太倉淺部淤泥質(zhì)土在固結(jié)過程中的孔隙結(jié)構(gòu)，查明土中孔隙主要為中孔隙和小孔隙，隨固結(jié)壓力增大，土中的中孔隙明顯減小，但當(dāng)固結(jié)壓力超過一定值后，土中以小孔隙為主，隨固結(jié)壓力增大，孔徑分布變化不明顯；Griffiths和Joshi[8-9]對壓縮過程中不同黏土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究，表明在壓縮過程中黏土的變形主要是最大孔隙的體積減少造成的，而在次固結(jié)時，黏土則是由于中孔隙向小孔隙轉(zhuǎn)移而發(fā)生變形；Ninjgarav等[10]發(fā)現(xiàn)釜山黏土在壓縮過程中，體積壓縮主要是大孔徑孔隙減少造成的。目前研究大多局限于單一深度土層(如文獻(xiàn)[11-13])，對于不同深度(同一剖面)的原狀樣及回彈樣的孔徑分布研究相對較少，而且針對初始孔隙比相近土層表現(xiàn)的不同壓縮特性，從孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究也較少。

基于上述研究不足，本文對薄壁取樣獲得的深度范圍在3～21 m的原狀揚(yáng)州黏性土進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)，分別研究了不同深度原狀揚(yáng)州黏性土壓縮特性和結(jié)構(gòu)性的差異與經(jīng)歷加卸載后內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化。本文的研究對于正確認(rèn)識揚(yáng)州地區(qū)黏性土的工程特性和微觀結(jié)構(gòu)，合理分析工程實(shí)踐中的變形與強(qiáng)度等問題具有參考意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土樣取自京滬高速公路揚(yáng)州地區(qū)922k—923k段，取土深度3～21 m，屬于典型的黏性土。為獲得高質(zhì)量擾動小的原狀土樣，采用薄壁取土器結(jié)合快速靜壓低速拔起的方法，并蠟封儲存在一定溫度和濕度的密閉容器中，在取樣、運(yùn)輸以及試驗(yàn)過程中最大限度避免土樣的擾動。

不同深度揚(yáng)州黏性土的基本物理參數(shù)指標(biāo)見表1。由表可知，土樣的塑性指數(shù)均大于10，故7種深度的土樣都為黏性土，其中12 m和15 m土樣的塑性指數(shù)大于17。圖1為顆粒級配累積曲線，由圖可知12 m和15 m深度土樣的黏粒含量較高，屬于黏土。所有土樣的比重在2.72～2.74之間，但不同深度土的初始含水率和孔隙比有較大差異，其中12 m和15 m土樣初始含水率高、初始孔隙比較大。表1的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力數(shù)值表示了前期固結(jié)壓力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之和。

表1 不同深度揚(yáng)州黏性土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 不同深度揚(yáng)州黏性土的顆粒級配累積曲線Fig.1 Grain size distribution curves of the Yangzhou clayey soils at different depths

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1壓縮試驗(yàn)

采用杠桿比為1∶12的GJZ單杠桿式三聯(lián)中壓固結(jié)儀進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試樣直徑d為61.8 mm，高h(yuǎn)為20.0 mm。讓試樣在不同荷載(荷載等級為1，3，6，12.5，25，50，100，200，400，800，1 600 kPa)下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，采用慢速固結(jié)加載的方法[14]，每級加載時間為24 h。待加載至1 600 kPa后按與加載路徑相同的荷載等級卸載至3 kPa。

將制備好的原狀環(huán)刀試樣裝入中壓固結(jié)儀中，按壓縮試驗(yàn)設(shè)置的加載路徑分級加載。經(jīng)過最大固結(jié)壓力1 600 kPa回彈至3 kPa時，待土樣變形穩(wěn)定后，將固結(jié)儀容器中的水吸干并卸載，及時將試樣從固結(jié)儀中取出。選取原狀樣與回彈樣具有代表性的中間部分土樣，采用真空冷凍升華干燥法進(jìn)行制樣(具體方法見文獻(xiàn)[15-16])，以備壓汞試驗(yàn)時使用。

1.2.2壓汞試驗(yàn)

采用Micromeritics AutoPore IV壓汞試驗(yàn)儀(壓力范圍：低壓4～207 kPa，高壓207～413 700 kPa)對制備好的試樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。壓汞試驗(yàn)是基于汞對多孔固體具有非浸潤性的原理。汞須通過外界壓力才能進(jìn)入到土體孔隙中，且施加壓力越大，水銀所能填充的孔隙直徑越小。假設(shè)土體中的孔隙為圓柱形孔，為了克服水銀與土體孔隙之間的表面張力，外加壓力P(d)與孔隙直徑d之間有著一一對應(yīng)的關(guān)系，即滿足Washburn方程[17]：

(1)

式中：P(d)——外加壓力/Pa；

d——試樣孔隙直徑/m；

TS——汞的表面張力，取0.485 N/m；

θ——汞對材料的浸潤角，取130°。

根據(jù)壓縮試驗(yàn)中孔隙比與固結(jié)壓力的關(guān)系可得到不同深度揚(yáng)州原狀黏性土的壓縮曲線，由壓汞試驗(yàn)測得壓力與進(jìn)汞量間的關(guān)系，可獲得原狀樣與回彈至3 kPa試樣孔徑在0.005～300 μm的分布情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為不同深度原狀揚(yáng)州黏性土的壓縮曲線。從圖中可以看出12，15，18 m的壓縮曲線呈現(xiàn)明顯的階段式變化，即當(dāng)壓力達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前，土體天然沉積過程中形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將抵御土體變形的發(fā)展，壓縮曲線較為平緩；當(dāng)固結(jié)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被破壞，孔隙比迅速減小，壓縮曲線呈陡降型，說明12，15，18 m土樣結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)。從圖2還可以看出，不同深度揚(yáng)州黏性土的壓縮性呈較大差異，其中12，15，18 m相對其它深度的土樣，孔隙比減小更多，體積壓縮更明顯，壓縮性更高；而且初始孔隙比相近但深度不同的土樣(3 m和21 m，9 m和18 m)的壓縮性也表現(xiàn)不同。由于不同深度土樣的孔徑分布不同引起壓縮性不同，將在壓汞試驗(yàn)結(jié)果分析中具體討論其原因。

圖2 不同深度揚(yáng)州黏性土的壓縮曲線Fig.2 Compression curves of the Yangzhou clayey soils at different depths

2.2 壓汞試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1原狀揚(yáng)州黏性土的孔徑分布

圖3為不同深度原狀揚(yáng)州黏性土的壓汞試驗(yàn)結(jié)果。從圖3(a)可以看出各層原狀揚(yáng)州黏性土的孔徑分布為典型的單峰結(jié)構(gòu)，而且3，6，9，21 m土樣的孔徑分布較12，15，18 m土樣的更為集中，分布范圍更窄。3，6，9，21 m土樣孔徑集中分布范圍在1～5 μm，而12，15，18 m土樣孔徑集中分布范圍在0.2～5 μm。12，15，18 m土樣由于孔徑小的孔隙較多，所以在圖3(b)中其累計進(jìn)汞量明顯高于其它深度土樣。

圖3 不同深度揚(yáng)州黏性土原狀樣壓汞試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 MIP results of the undisturbed Yangzhou clayey soils at different depths

圖3還表示了初始孔隙比相近的土樣(3 m和21 m，9 m和18 m)的孔徑分布。由圖可知，盡管兩組土樣各自的孔徑分布峰值大小相差不大，但各組兩土樣的孔徑集中分布范圍卻有細(xì)微差別。從圖可知，3 m與21 m土樣以及9 m與18 m土樣在大于7 μm范圍孔徑分布基本相同，這對應(yīng)圖2中固結(jié)壓力小于200 kPa時每組土樣的壓縮性各自相同。在孔徑小于7 μm范圍內(nèi)3 m與21 m土樣的差別不大，而9 m與18 m土樣的差別明顯；這就可解釋圖2中在固結(jié)壓力大于200 kPa時，3 m與21 m土樣壓縮性差別較小，而9 m與18 m土樣的壓縮性差別明顯。

目前對于黏土孔徑的劃分界限研究成果較多[18-20]，但仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖3的壓汞試驗(yàn)結(jié)果，為方便分析，本文將揚(yáng)州原狀黏性土的孔徑劃分界限定為0.1，1.0，10.0 μm，即孔徑d≥10.0 μm為大孔隙；1.0≤d<10.0 μm為中孔隙；0.1≤d<1.0 μm為小孔隙；d<0.1 μm為微孔隙。按此劃分標(biāo)準(zhǔn)，表2給出了原狀揚(yáng)州黏性土各孔徑組的體積含量。可以看出，3，6，9，21 m土樣的孔隙主要集中分布在中孔隙，而12，15，18 m土樣還有部分小孔隙，小孔隙占的比例相對較大。

綜合以上，從孔徑分布的角度可解釋12，15，18 m深度的原狀揚(yáng)州黏性土較其它4個深度土樣的壓縮性更大，也可解釋初始孔隙比相近的土樣(3 m和21 m，9 m和18 m)壓縮性的不同。

2.2.2壓縮回彈后原狀揚(yáng)州黏性土的孔徑分布

圖4 受1 600 kPa固結(jié)壓力后卸載至3 kPa的揚(yáng)州黏性土原狀樣壓汞試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 MIP results of the undisturbed Yangzhou clayey soils undergoing 1 600 kPa consolidation stress to 3 kPa

圖4為原狀揚(yáng)州黏性土經(jīng)過最大固結(jié)壓力1 600 kPa后回彈至3 kPa試樣的壓汞試驗(yàn)結(jié)果。從圖4(a)可以看出，經(jīng)歷一個加卸載后，孔徑分布密度曲線的峰值較原狀土樣的明顯減小。比較圖3(b)與圖4(b)可知，累計進(jìn)汞量較原狀土樣的也明顯減小，說明經(jīng)過加卸載后原狀揚(yáng)州黏性土的孔隙體積減小，孔徑也相應(yīng)減小。

圖5為原狀樣與回彈樣的孔徑分布密度對比圖(以6 m和15 m深度為例)，其中回彈樣為經(jīng)過最大固結(jié)壓力1 600 kPa后回彈至3 kPa的試樣。經(jīng)過加卸載后，各層原狀揚(yáng)州黏性土孔徑分布密度曲線的峰值均明顯減小，雖然孔徑分布范圍大小基本不變，但都向小孔徑孔隙方向移動。表2同時給出了原狀揚(yáng)州黏性土受1 600 kPa固結(jié)壓力后回彈至3 kPa試樣各孔徑組的占比，對比可以看出經(jīng)歷一個加卸載后，各深度土樣的中孔隙占比均減小，孔徑分布都向小孔徑孔隙方向移動，且大孔隙占比變化都不大，而12，15，18 m累計孔隙體積減小量更大，使得這三層土樣的中孔隙占比減小更明顯。

3 結(jié)論

(1)取土深度3～21 m的揚(yáng)州原狀黏性土的孔徑分布均為單峰結(jié)構(gòu)，孔徑大小主要分布在0.2～5 μm，其壓縮特性與孔徑分布密切相關(guān)，孔徑分布越集中，土的壓縮性越小。

(2)12，15，18 m深度土樣的孔徑分布范圍相對其他深度的更廣，小孔隙占比更高，具有更大的壓縮性和更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。初始孔隙比相近的不同深度的土樣因孔徑分布不同其壓縮性也不同。經(jīng)歷一個加卸載后，各深度土樣的中孔隙占比均減小，孔徑分布都向小孔徑孔隙方向移動，且大孔隙占比變化都不大，而12，15，18 m累計孔隙體積減小量更多，使得這三層土樣的中孔隙占比減小更明顯。

圖5 揚(yáng)州黏性土原狀樣及回彈樣孔徑分布密度對比Fig.5 Comparison of the pore-size distributions of the undisturbed and rebounded Yangzhou clayey soils

表2 揚(yáng)州黏性土原狀樣及其受1 600 kPa固結(jié)壓力后并回彈至3 kPa的孔徑分布