吸附結合水對高液限土固結特性的影響*

李邦武， 吳夢麗， 劉闖,3， 張銳

(1.海南省交通工程建設局， 海南 ?？?570208；2.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；3.海南省交通運輸廳， 海南 ?？?570100)

高液限土是中國南方地區(qū)常見的路基填料，由于其細顆粒含量大、液塑限含水率高，在氣候濕潤多雨地區(qū)很難通過翻曬達到規(guī)范要求的干密度，其固結壓縮特性一直是工程施工中關注的重點。含水率是土體固結的重要影響因素，而吸附結合水是土中水的主要存在形式，故有必要研究吸附結合水對高液限土固結特性的影響。

土體是一個三相體，由土顆粒、孔隙氣與孔隙水組成。受土體礦物成分的影響，土顆粒表面一般帶有負電荷，這些負電荷會由結合水及晶層表面陽離子補償，形成雙電層結構。由于土顆粒表面電場較強，強結合水緊緊固定在土顆粒表層，溫度敏感性低，脫附溫度在200 ℃以上，在目前的工程應用中已被包含于干土質量中。隨著與土顆粒表面距離的增加，電場作用減弱，形成弱結合水。相較于強結合水，弱結合水對溫度的敏感性大得多。已有土質和土力學研究成果表明，靠近強結合水的部分弱結合水即吸附結合水在一定溫度范圍內(nèi)也具有近似固體的性質。Germaine J. T.等通過試驗發(fā)現(xiàn)溫度大于50 ℃時，結合水才有可能轉化為自由水，被壓縮排出。Zhang C.等對土中水進行研究，發(fā)現(xiàn)結合水的密度為1.15～1.872 g/cm3。張銳等對吸附結合水的密度進行進一步研究，確定其約為1.3 g/cm3。飽和土體的固結過程主要是孔隙水的排出，吸附結合水黏滯性大、密度大，與自由水特性不同，而以往固結研究中沒有考慮與研究土中吸附結合水，且已有工程實踐發(fā)現(xiàn)在采用高液限土進行路基填筑后，路基沉降量并不會出現(xiàn)理論計算的較大沉降量，能滿足安全要求。因此，研究土中吸附結合水特性，確定土中吸附結合水含量，分析吸附結合水的存在對高液限土固結特性的影響，對高液限土路基施工具有重要意義。該文依托海南省萬洋(萬寧—洋浦)高速公路工程，選取湖南高液限土、湖北高液限土與長沙砂性土開展對比研究，采用熱重分析法測試土樣的吸附結合水含量，根據(jù)不同土體吸附結合水含量與基本物理性質指標進行相關性分析，建立預估吸附結合水含量的方法，并進行一維固結試驗，分析吸附結合水對土體固結特性的影響。

1 試驗土樣

選取海南省萬洋高速公路10標高液限土(WY)、湖南株洲高液限土(ZZ)、湖北恩施低液限土(ES)、湖南長沙砂性土(CS)開展室內(nèi)試驗，分析造成不同土體吸附結合水含量差異的原因。土樣的基本物理特性見表1。由表1可知：WY、ZZ、ES均表現(xiàn)為界限含水率較高、細顆粒含量大、天然含水率高的特點；CS的界限含水率則較低，粗顆粒含量大。對試驗土樣根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》命名，WY為高液限粉土(ML)，ZZ為高液限黏土(CH)，ES為低液限黏土(ML)，CS為黏土質砂(SC)。

表1 試驗土樣的基本物理性質

比表面積可反映土體表面的吸附性能。由于氮氣吸附時無法深入到土體晶層內(nèi)部，乙二醇乙醚吸附法受土體組成成分的影響，采用亞甲基藍吸附法測試土樣的比表面積，測試結果見表1。土體的比表面積受細顆粒含量的影響，土體的細顆粒含量越高，比表面積越大。

2 吸附結合水含量測試與確定

目前關于吸附結合水含量的測試方法主要有等溫吸附法、熱重分析法、容量瓶法。其中：等溫吸附法應用較多，但其試驗條件要求嚴格，溫度與濕度難以控制恒定；熱重分析法容易獲得準確的吸附結合水含量數(shù)據(jù)，但儀器昂貴，難以廣泛應用于工程實踐；容量瓶法原理較簡單，但試驗時間較長。這里選擇熱重分析法對試驗土樣吸附結合水含量進行測試，以建立一種適用于工程實踐的高液限土吸附結合水含量預測方法。

2.1 吸附結合水含量測試

熱重分析法通過熱重分析儀自帶的熱天平實時記錄試驗土樣的質量隨溫度升高的變化情況，繪制TG(溫度-質量)曲線。TG曲線上的階梯可反映試樣質量在該段溫度區(qū)間的變化，對應的溫度即為階梯溫度，可作為試驗樣品隨溫度變化發(fā)生反應的定性依據(jù)。但由于TG曲線沒有明顯的分級階段，對TG曲線進行微分獲得DTG曲線，用來記錄質量隨溫度失去的速度，確定最大反應速度，有效劃分自由水與結合水。

采用STA 449 F5 Jupiter同步熱分析儀進行試驗，其天平稱量可精確至0.1 μg。試驗土樣為粉末狀，試樣的含水率略低于土樣的液限含水率，放置于濕度為1 %的環(huán)境中，保持溫度為20 ℃，密封保存，每隔24 h進行質量稱量，直至試樣質量不發(fā)生變化，保證土樣達到吸附結合水飽和狀態(tài)后進行測試。4種土樣的熱重分析結果見圖1。

圖1 試驗土樣熱重分析結果

根據(jù)下式計算4種土樣的吸附結合水含量：

(1)

式中：wg為土體的吸附結合水含量，以干土的質量百分比表示；MT為試樣初始質量；θF為自由水完全脫去溫度時TG曲線對應的縱坐標；θB為結合水完全脫去溫度時TG曲線對應的縱坐標；M0為升溫結束后土樣穩(wěn)定的質量。

從圖1中DTG曲線可看出：土中自由水從25 ℃開始脫附，脫附溫度為25～90 ℃；吸附結合水的脫附溫度為100～115 ℃，脫附溫度相對較高，一般工程實踐中難以達到。

按式(1)計算4種試驗土樣的吸附結合水含量，結合土體的基本物理特性指標，4種土樣的結合水含量隨細粒含量的減少而減少，隨比表面積的增大而增大。Jayadeva M. S.等的研究也表明土的固結壓縮指數(shù)與顆粒比表面積有關。說明土體吸附結合水的能力受土顆粒粒徑大小與比表面積的影響。

2.2 吸附結合水含量確定

由于目前沒有統(tǒng)一的確定土體中吸附結合水含量的標準，為方便獲得高液限土中吸附結合水含量，根據(jù)各土樣的物理特性，建立吸附結合水與一般土性指標的關系，確定吸附結合水含量的預估方法。對已有土樣及文獻[11]中土樣進行分析，發(fā)現(xiàn)吸附結合水含量與土體的塑限成正相關(見圖2)。

圖2 吸附結合水含量與塑限的相關性分析

從圖2可看出：吸附結合水含量隨土體塑限wp的增加而增加，成線性相關，約為塑限的0.849 6倍，相關系數(shù)為0.989 1，相關性較高。在缺少試驗條件時可按下式預估吸附結合水含量：

wg=0.849 6wp

(2)

3 高液限土固結特性研究

3.1 飽和土體一維固結試驗

對4種土樣開展飽和一維固結試驗，設定土樣的初始孔隙比為0.81。將試樣按塑限含水率配置后，置于陰暗處密封存儲24 h，之后置于真空飽和器中飽和48 h，取出，安放到固結儀上，保持固結儀水平。固結儀的底座內(nèi)裝滿水，水位高度始終沒過試樣，以減少試驗過程中水分蒸發(fā)損失。進行飽和固結試驗，按照50 kPa→100 kPa→200 kPa→300 kPa→400 kPa進行加載，每級荷載持續(xù)24 h，記錄土體在不同荷載下的壓縮量。

3.2 固結試驗結果與分析

壓縮指數(shù)可表示土體的固結特性，對土體的工程應用有一定指導意義。對一維飽和固結試驗數(shù)據(jù)進行整理，按式(3)進行計算，獲得土體的常規(guī)固結壓縮指數(shù)。

(3)

式中：Cc為土體的常規(guī)壓縮指數(shù)；e為土體的孔隙比；p為上覆荷載。

不同于自由水，吸附結合水的黏滯性大，不易流動。Zhang Y.等將吸附結合水視為固體，作為黏土顆粒的一部分，通過將微觀吸附結合水固化的等效原則將黏性土等效成粗粒土，并引入?yún)?shù)“等效孔隙比”，得出了黏性土滲流系數(shù)等效計算方法。據(jù)此，考慮將吸附結合水視為固相對土體的工程指標進行計算，土體的三相組成見圖3。但將吸附結合水歸為固相的一部分后，土體的固相體積增大、液相體積變小，將直接影響土體的孔隙比計算，需對孔隙比進行修正。

圖3 土體三相示意圖

修正孔隙比e′為：

Jayadeva M. S.等從微觀入手對土體的壓縮指數(shù)進行分析，推導出土體的壓縮指數(shù)計算公式如下：

式中:Cct為土體的理論壓縮指數(shù)；γw為水的單位重量；S為土壤顆粒的比表面積；n為孔隙液離子的濃度；ε為介電常數(shù)(78.54 F/m)；ν為陽離子的化合價；T為開爾文常數(shù)(298 K)。

根據(jù)土樣的基本物理特性，對固結試驗數(shù)據(jù)進行整理，獲得土體的常規(guī)壓縮指數(shù)、修正壓縮指數(shù)與理論壓縮指數(shù)(見圖4)。從圖4可看出：常規(guī)壓縮指數(shù)與理論壓縮指數(shù)相差較大，而修正土體壓縮指數(shù)與理論壓縮指數(shù)較接近，說明未考慮吸附結合水時，土體的壓縮指數(shù)高于理論壓縮指數(shù)，即土體的壓縮特性高于理論壓縮特性；將吸附結合水考慮為固相的一部分后，修正壓縮指數(shù)與土體的理論壓縮指數(shù)接近，更能如實反映土體的固結特性，將吸附結合水考慮為固相的一部分可行。

圖4 壓縮指數(shù)計算結果

4 工程應用

壓縮指數(shù)是土體沉降計算的重要參數(shù)。根據(jù)吸附結合水與塑限的關系，對海南萬洋高速公路9標、11標的兩個路堤進行吸附結合水含量預估。兩路堤均為全填路段，坡度1∶1.5，高8 m，填筑土料來自試驗段相鄰的挖方路段。路堤填筑施工前，在挖方路段地表以下2 m處采集天然土樣進行基本土性試驗，結果如下：9標路堤土體的比重為2.73，塑限含水率為34.2 %，最大干密度為1.62 g/cm3，壓縮系數(shù)為0.58；11標土體比重為2.70，塑限含水率為37.5%，最大干密度為1.47 g/cm3，壓縮系數(shù)為0.58。根據(jù)預估的土體吸附結合水含量，采用分層總和法對路基沉降量進行預測，分別利用常規(guī)孔隙比與修正孔隙比進行計算。路堤施工時內(nèi)部埋設沉降管，方便對比實時路基沉降量監(jiān)測結果。路堤沉降量計算結果與實測結果見表2。

表2 路堤的沉降量cm

從表2可看出：考慮吸附結合水含量后，沉降量計算結果與實測結果更接近；而常規(guī)沉降量計算結果高于實測結果，基于此進行設計，容易造成填料浪費。考慮吸附結合水含量對路基工程設計與施工具有一定參考意義。

5 結論

(1) 不同土體的吸附結合水含量不同，土體的細顆粒含量越高，比表面積越大，吸附結合水的能力越強，表面吸附結合水含量越高。

(2) 自由水的脫附溫度為25～90 ℃；吸附結合水不同于自由水，其密度大，100～115 ℃才能脫附，在南方濕潤氣候地區(qū)進行路基施工時難以排出。

(3) 吸附結合水含量與土體的塑限成正相關，約為土體塑限的0.849 6倍，工程實踐中可根據(jù)土體的塑限預估其吸附結合水含量。

(4) 吸附結合水對土體的固結特性有一定影響，相較于常規(guī)壓縮指數(shù)，考慮吸附結合水含量的壓縮指數(shù)更接近土體的理論壓縮指數(shù)。高液限土細粒含量大，吸附結合水含量高，工程施工設計時應考慮將其歸為固相的一部分對土體固結指標進行修正。