無側限壓縮條件下黏性土磁各向異性研究

孫 茜，閻長虹，劉 羊

（1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2.南京理工大學紫金學院，江蘇 南京210046；3.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

軟土在我國沿海、沿江、沿湖等地區(qū)分布非常廣泛，它具有含水率高、孔隙比大、壓縮性強、滲透系數(shù)低、靈敏度高、強度低等特性。在基坑開挖或隧洞掘進時其周邊土體將發(fā)生應力卸載，引發(fā)應力場的突變，同時工程擾動會導致軟土結構破壞使其強度大大降低，從而在卸載臨空面附近發(fā)生大的側向變形，進而引發(fā)支護結構傾覆破壞，導致周邊地面沉陷[1-3]。地基變形監(jiān)測通常采用測斜儀，由于擾動的高含水軟土強度小，測斜管強度大，擾動土在發(fā)生變形時，無法帶動測斜管一起發(fā)生變形，常出現(xiàn)監(jiān)測變形量很小、而實際變形很大，或軟土流動變形影響范圍大導致監(jiān)測布置范圍常達不到實際變形范圍的現(xiàn)象，不能起到變形預警作用。針對工程施工卸荷作用軟土變形監(jiān)測難度大的問題，基于磁性礦物受荷載變形具有定向性特征，運用磁組構試驗研究受力作用下黏性土變形和磁性礦物定向性的關系，嘗試引入一種運用磁各向異性技術監(jiān)測軟土變形的新方法，實現(xiàn)有效監(jiān)測卸荷工程周圍軟土的變形的目標。

目前已有研究成果顯示巖土體受荷載后發(fā)生變形，使礦物顆粒具有一定的定向性，該定向性同時也體現(xiàn)在磁性礦物上，從而引起磁化率在各個方向的差異，即磁化率各向異性。磁化率各向異性可以快速、靈敏地指示巖土體的變形，被廣泛用于地質和古今環(huán)境變遷研究。Rathore[4]、Henry 等[5]、Cifelli 等[6]、張淑偉等[7]通過磁化率各向異性研究了構造變形。顧延生等[8]、霍斐斐等[9]、劉彩彩等[10]、艾可可等[11]對黃土、紅土、下蜀土等特殊土進行了磁性研究，通過磁化率各向異性研究土的成因，為地層劃分提供依據(jù)。謝興俊等[12]、唐銳枰等[13]利用磁化率各向異性研究了古氣候、古風向和古水文變化。

巖土體應變橢球的3個主軸和磁化率橢球的3個主軸方向一致且相互平行，二者的主軸長度存在一定的數(shù)量關系。Carmichael[14]通過大量試驗研究了巖石在單軸壓縮作用下磁化率的變化規(guī)律。研究結果表明，磁化率在平行于應力作用方向上減小，而在垂直于應力作用方向上略有增加；Sun 等[15]研究了實驗室壓實的磁鐵礦-黏土合成物和天然海洋沉積物的磁組構和微觀結構，發(fā)現(xiàn)磁顆粒附著于黏土顆粒，磁組構和黏土顆粒的定向方式一樣有規(guī)律發(fā)育；Borradaile 等[16]指出，磁化率各向異性是研究巖石結構的多功能工具，磁化率各向異性可以推斷巖石中主要礦物的方向分布，反映巖石有限應變的方向，記錄同期的結晶主應力方向等；Ruf 等[17]在研究糜棱巖帶時發(fā)現(xiàn)，磁化率各向異性能夠記錄弱磁化巖石中的有限應變，磁化率橢球與有限應變橢球的方向一致，并存在一定的數(shù)學關系。從上述研究成果來看，巖土體磁化率各向異性的研究主要集中在古氣候、古風向研究以及土壤地層劃分方面，關于磁化率各向異性與應變關系的研究，研究對象主要是構造地質作用下的巖石，黏性土幾乎沒有涉及。本文將原狀軟土制成不同含水率的黏性土重塑樣，研究不同側限、不同加卸載條件下試樣的磁化率各向異性特征，重點研究了無側限壓縮條件下軸向應力、土樣含水率對黏性土磁各向異性的影響規(guī)律，探討由黏性土磁各向異性推求其受力變形規(guī)律的可行性。

1 試驗材料

1.1 土樣準備

試驗土樣為取自南京市江北新城區(qū)的第四系河流沖積相淤泥質粉質黏土，該層土呈千層餅狀，即淤泥質土夾薄層粉土，層理發(fā)育，含有機質，略有臭味，其物理力學指標如表1所示，用篩分和密度計聯(lián)合測定法測出黏土的粒徑分布如表2所示。

表1 軟土的物理力學性質指標Table1 Physical parameters of the soil

表2 粒徑分布Table2 Particle size distribution

本文將原狀軟土重塑后進行試驗，經(jīng)重塑后，土體的結構被破壞，強度較原狀土大大降低。通過配置不同含水率土樣進行試驗，發(fā)現(xiàn)當含水率高于28%時，土樣失去自穩(wěn)能力，更無法進行加載試驗，因此選取含水率區(qū)間為20% ～ 28%?？刂聘擅芏葹?.48 g/cm3，設計含水率分別為20%、24%、26%、28%。將土樣分層壓實，制成橫截面積30 cm2、高度3 cm的圓柱體試樣。

1.2 土樣礦物成分分析

X射線衍射（X-ray diffraction）是一種重要的多物相分析方法。結晶物質都有特定的化學組成和結構參數(shù)，將樣品和已知物相的衍射數(shù)據(jù)或圖譜進行一一比對，從而分析試樣的礦物成分。XRD 試驗在南京大學地球科學與工程學院X射線衍射實驗室進行。測試使用日本理學DMAX RAPID II型二維面探測器衍射儀，采用微區(qū)毛細管透射法進行測量。實驗參數(shù)如下：光源功率：50 kV 90 mA；激發(fā)靶材：Mo；光路系統(tǒng)：0.1 mm 準直管；測試方式：透射；樣品載具：Kapton管；直徑：0.5 mm；Omega角模式：0°固定；Phi角模式：6°/s 旋轉；計數(shù)時間：9 min；數(shù)據(jù)轉換：自動。運用Jade6.0 軟件分析，X射線衍射圖譜見圖1。

圖1 X射線衍射圖譜.Fig.1 XRD pattern of the soil sample

試驗測得數(shù)據(jù)（2θ、d、I/I1）與標準衍射數(shù)據(jù)比較，即可進行物相的定性鑒定。經(jīng)比對，樣品中主要礦物有石英、黏土礦物、云母、方解石、赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦、黑錳礦、軟錳礦、石鹽、α-鐵等。其中，黏土礦物主要有高嶺石、伊利石和蒙脫石。各物相的含量與衍射線強度成正比，而強度又與峰面積成正比，因此，利用各物相的峰面積與總的峰面積百分比即可大致?lián)Q算出樣品中每個物相的含量（圖2）。

圖2 試樣礦物成分及含量Fig.2 Content of mineral components in the sample

試樣礦物成分中，強磁性礦物有磁鐵礦、α-鐵；弱磁性礦物有赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦、黑錳礦、軟錳礦；無磁性礦物有石英、方解石、黏土礦物、云母、石鹽。從不同磁性強度礦物的含量上看，強磁性礦物約占礦物總量的8.05%，弱磁性礦物約占礦物總量的28.77%，無磁性礦物約占礦物總量的53.18%。由于土中磁性礦物（包括強磁性礦物和弱磁性礦物）含量超過30%，且磁化率試驗具有極高的靈敏度和精確度，因此對黏性土進行磁性研究是可行的。

2 試驗方法

2.1 無側限壓縮試驗

現(xiàn)有的土工試驗方法通常采用常規(guī)土工試驗、三軸試驗及蠕變試驗等，研究黏性土在固結排水條件下的垂直變形，水平位移則需要由排水體積變形和試樣垂直變形換算得到，無法直接測讀。本文采用在WG型三聯(lián)中壓固結儀基礎上改裝而成的無側限壓縮試驗裝置[18]，如圖3所示。試樣置于承載板上，試樣上部和加壓蓋相連，豎向荷載通過豎向加壓桿給試樣加載。采用百分表測量土體豎向及水平變形，豎向百分表置于加壓桿上，水平百分表用固定支架固定，表頭與試樣側向接觸。

圖3 無側限壓縮試驗裝置簡圖Fig.3 Sketch of the unconfined compression test device

含水率分別為20%、24%、26%和28%的試樣分別在軸向應力12.5，50，100 kPa 作用下變形穩(wěn)定，試驗方案見表3。將試樣的軸向應變與側向應變之比定義為應變比（L1/L3）。每級荷載作用下選取一系列含水率與變形穩(wěn)定后的應變比數(shù)據(jù)繪制成圖4[19]。當軸向應力保持一定時，隨著含水率的增加應變比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，表明軸向應變的增加速率小于側向應變。當含水率保持一定時，隨著軸向應力的增大，應變比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，意味著軸向應變的增加速率小于側向應變。

表3 不同含水率無側限壓縮試樣加載方案Table3 Loading scheme of soil samples with different moisture contents

圖4 不同軸向應力條件下應變比隨含水率的變化關系Fig.4 Correlation between the strain ratio and moisture content

2.2 有側限壓縮試驗

為了與無側限壓縮試驗進行對比，在WG型三聯(lián)中壓固結儀進行一系列有側限壓縮試驗。有側限壓縮試樣（C1～C6）的制樣方法均相同，含水率均為24.6%。其中，C1～C3為有側限加載試樣，C4～C6為有側限卸載試樣，加載方案見表4。施加1 kPa的預壓力后，分級施加固結壓力，壓力等級為25，50，100，200，400，800和1 600 kPa，施加每級壓力后24 h 再加下一級荷載。

2.3 磁化率各向異性試驗

對上述經(jīng)壓縮變形穩(wěn)定的黏性土樣進行磁化率各向異性（AMS）試驗。由于土樣在各個方向的磁化率均不同，因此對每個土樣都選取了4個不同方位的試樣，如圖5所示。

表4 有側限壓縮試樣加載方案Table4 Loading scheme of soil samples under confined compression conditions

圖5 磁各向異性試樣Fig.5 Sample of anisotropy of magnetic susceptibility (AMS)

在南京大學內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成試樣的磁化率測量，采用捷克斯洛伐克AGICO Inc 公司生產(chǎn)的KLY-3型Kappa-bridge 磁化率儀（圖6），靈敏度為2×10-8（SI）。測試前首先測量儀器背景值，若背景值標準誤差小于0.1×10-6，則保存背景值數(shù)據(jù)，若背景值不符合要求，用酒精對儀器進行擦拭直至滿足要求。調(diào)整試樣的測量方向，分別測量1，2，3 三個方向的磁化率（圖7），電腦自動輸出該土樣的磁化率統(tǒng)計參數(shù)。

圖6 磁化率各向異性試驗儀器Fig.6 AMS test instruments

圖7 磁化率各向異性測量方向Fig.7 Measuring directions of the specimen

3 試驗結果分析

3.1 土樣磁各向異性

磁化率張量橢球的方向特征用磁化率橢球赤平投影圖表征，與構造地質學中的赤平投影圖類似，磁化率的主方向可用偏角和傾角表示。在磁化率橢球赤平投影圖中，圓周上的角度代表主磁化率方向的偏角，點到圓心的距離代表主磁化率方向的傾角。圓周上的各點傾角為零，圓心位置處的傾角為90°。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Anisoft 軟件處理，可得到不同土樣在各種受力條件下的磁化率橢球赤平投影圖（圖8）。

由圖8(a)—(d)可以看出，無側限壓縮條件下，土樣的最小主磁化率K3（圖中正方形標記）較均勻地分布在磁化率橢球赤平投影圖圓心周圍，最大主磁化率K1和中間主磁化率K2（分別為圖中三角形標記和圓形標記）分布在赤平投影圖的四周。對比有側限條件下加載土樣與卸載土樣的磁化率橢球赤平投影圖（圖8e、f），可以發(fā)現(xiàn)加載土樣（C1、C2、C3）的最小主磁化率K3分散在圓心附近，K1、K2分布在赤平投影圖的四周，而卸載土樣（C4、C5、C6）剛好相反，最大主磁化率K1較均勻地分布在圓心周圍，K2、K3分布在赤平投影圖的四周。

土體受力變形后，土中磁性礦物定向排列，引起磁化率在不同方向的差異性。土樣經(jīng)豎向加載后，發(fā)生側向變形，土顆粒發(fā)生指向外側的側向移動，側向成為土中磁性礦物定向排列的優(yōu)選方向，即最大主磁化率方向。因此，土樣經(jīng)加載后，最大主磁化率方向傾角為零，最大主磁化率K1分布在赤平投影圖的四周。反之，土樣經(jīng)卸載后，土體同時發(fā)生豎向回彈變形和一定程度的指向內(nèi)側的側向變形，土體變形以豎向回彈變形為主，豎向成為土中磁性礦物定向的優(yōu)選方向，也就是最大主磁化率方向的優(yōu)選方向。因此，土樣經(jīng)卸載后，最大主磁化率方向傾角近似為90°，最大主磁化率K1分布在赤平投影圖的圓心附近。此結論與巖樣單軸壓縮試驗一致。

對比無側限壓縮土樣和有側限壓縮土樣的磁化率橢球赤平投影圖，總體上可以看出，無側限壓縮土樣的主磁化率點分布更集中，比有側限條件下土樣的磁各向異性更明顯。

3.2 磁各向異性與無側限變形的定量關系

磁化率各向異性度Pj反映顆粒排列的有序化程度。在無側限單軸壓縮條件下，平行于應力作用方向的磁化率隨著應力作用增加而減小，垂直于應力作用方向（試樣橫截面方向）的磁化率隨著應力作用增加而增加，從而導致磁化率各向異性的變化。無側限壓縮試樣磁各向異性基本參數(shù)見表5，從表中數(shù)據(jù)可以看出，相同含水率條件下，軸向應力越大，土樣顆粒定向性越高，磁化率各向異性度Pj越大；土顆粒呈面狀分布的程度越高，磁面理度F越大；磁線理度L無明顯規(guī)律。相同軸向應力水平下，試樣含水率越大，土體的側向變形越顯著，磁化率各向異性度Pj越大，磁面理度F越大，磁線理度L無明顯規(guī)律。無側限壓縮試樣的形狀參數(shù)T均滿足 1 ＞T＞0，說明以磁面理發(fā)育為主。

表5 無側限壓縮試樣磁各向異性基本參數(shù)Table5 Parameters of magnetic anisotropy for soil samples under unconfined compression

巖土體應變橢球的3個主軸與磁化率橢球的3個主軸互相平行，具有共軸關系，并且在長度上存在一定的數(shù)量關系[20]，可以用冪指數(shù)形式表示：

式中：Ki、Kj-相互垂直的主磁化率值；

Li、Lj-相互垂直的主應變軸長度；

α-冪指數(shù)。

影響冪指數(shù)α的因素很多，有巖土體類型、磁性礦物的成分等。由上式可知，結合主磁化率值之比K1/K3和應變比Li/Lj，可計算冪指數(shù)α（表6）。由表中數(shù)據(jù)可知，土體在無側限條件下，冪指數(shù)α和軸向應力、含水率存在一定的數(shù)量關系。軸向應力越大，α越大；含水率越高，α越大。

圖8 不同土樣在各種受力條件下的磁化率橢球赤平投影圖Fig.8 Stereoplots of AMS data for different soil samples under different confined compressions

表6 冪指數(shù)αTable6 Power exponent (α) values

4 結論

（1）通過礦物成分分析，發(fā)現(xiàn)黏性土中含有一定比例的強磁性礦物，如磁鐵礦、α-鐵等，弱磁性礦物，如赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦、黑錳礦、軟錳礦等，為黏性土開展磁性研究提供了理論依據(jù)。

（2）有側限壓縮試樣中的磁性礦物在壓力作用下向四周擴散，最大主磁化率K1分布在赤平投影圖的圓周處；卸載樣的主磁化率分布規(guī)律正好相反，由于土中磁性礦物向試樣中心積聚，最大主磁化率K1分布在磁化率橢球赤平投影圖橢球中心。加載樣的軸向應力越大，磁各向異性度越大。卸載樣的卸載壓力越大，磁各向異性度越大。相對于加載樣，卸載樣的磁各向異性度更強。加載樣以磁面理發(fā)育為主，軸向應力越大，磁面理度F越大，磁線理度L無明顯規(guī)律。卸載樣以磁線理發(fā)育為主，磁線理度L越大，磁面理度F無明顯規(guī)律。

（3）無側限壓縮條件下，軸向應力和土樣含水率是影響磁化率各向異性程度的重要因素，土體的主磁化率值之比和應變比存在一定的冪函數(shù)關系。相同含水率條件下，軸向應力越大，土樣側向變形明顯，磁化率各向異性度越大，磁面理度F越大，磁線理度L無明顯規(guī)律；而相同軸向應力條件下，土樣含水率越大，土體的側向變形越顯著，磁化率各向異性度越大，磁面理度F越大，磁線理度L無明顯規(guī)律。無側限壓縮試樣形狀參數(shù)T均滿足1 ＞T＞0，以磁面理發(fā)育為主。