信阳原状黏土的岩土工程特性

马全国,易先达,郎梦婷,赵鑫鑫,李 颖,周葆春

(信阳师范学院 建筑与土木工程学院, 河南 信阳 464000)

0 引言

土是岩石风化的产物,是碎散的、三相的和天然的[1],表现出压硬性、剪胀性、摩擦性、应力历史与应力路径相关性、各向异性、结构性等复杂的基本特性[2-4],这些基本特性关联土力学与岩土工程中的强度、变形、渗流问题,而被概化为土的强度、变形与渗透等力学特性(亦可称为土的工程特性)。

MITCHELL与SOGA[5]指出:土的工程特性取决于土的成分与环境.土的成分包括土的矿物组成、可交换阳离子种类与含量、粒径分布与颗粒形状、孔隙水成分等特征,决定了土的工程特性指标可能的变动范围。环境因素包括含水率、密度、围压、温度、颗粒粒组与孔隙的排列(土的结构/组构)、水的供给等,决定了土的工程特性指标的取值。即受土的成分、结构、干湿松密等物理状态、温度湿度等大气环境、自重与附加应力等应力状态的共同作用,作为工程结构赋存环境的原位土体表现出复杂的具有区域特征的工程特性,无论从工程还是科学角度,都需要针对性的系统研究。因而,对地域性土样开展系统的土质学(土的成分与结构)与土力学(强度、变形、渗透)测试,获得其全面的物理、化学、矿物、力学特性与指标,无论是服务区域建设,还是丰富土性认知,都是有必要的。

为此,本文开展了取自信阳师范学院主校区的原状黏土的天然含水率、风干含水率、标准吸湿含水率、天然密度、土粒比重、颗粒分析、液塑限联合测定、击实、氮吸附BET比表面积、乙二醇乙醚吸附法比表面积、水分吸附A-BET内外比表面积等物理性质指标测试；易溶盐、阳离子交换量、X射线衍射矿物成分等化学性质指标测试,以及直剪、固结、渗透、自由膨胀率、无荷载膨胀率、收缩等力学特性测试。获得系统全面的信阳原状黏土的物理、化学、力学特性与指标,以期加深对其岩土工程特性的认知,为信阳市区的岩土工程实践提供依据和参考。

1 试验方案

信阳师范学院主校区位于河南省信阳市中心城区的西南部,试验土样取自主校区综合实验楼旁试坑,取土照片见图1,取出的块状原状土样见图2,取样深度为3.1 m,土样呈棕褐色,中等塑性,天然状态坚实。

图1 试坑中取土Fig. 1 Sampling in the trial pit

图2 块状原状土样Fig. 2 Undisturbed block sample

1.1 物理性质指标测试

依据《土工试验方法标准》[6]进行天然含水率、风干含水率、天然密度、土粒比重、(筛析法与密度计法)颗粒分析、液塑限联合测定、击实等测试；依据《公路土工试验规程》[7]进行标准吸湿含水率测试,以获得其物理性质指标。

依据《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》[8]测定其氮吸附BET比表面积(SSA),采用乙二醇乙醚吸附法[9]测定EGME比表面积,采用Augmented BET (A-BET)方法[10]测定其水分吸附A-BET内外比表面积；以获得试样比表面积信息。

1.2 化学性质指标与矿物成分测试

依据《土工试验方法标准》[6]进行易溶盐、阳离子交换量试验,以获得其化学性质指标。

依据《土工试验方法标准》[6]进行X射线衍射试验以获得其矿物成分。

1.3 压缩变形特性测试

依据《土工试验方法标准》[6]与ASTM D2435/ D2435M-11(2020)[11]进行原状土样的标准固结试验以获得其压缩变形特性。压力等级依次为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200、4000、3200、1600、800、400、200、100、50、25、12.5 kPa；每级压力下稳定标准为24 h。

1.4 胀缩变形特性测试

依据《土工试验方法标准》[6]与《膨胀土地区建筑技术规范》[12]进行自由膨胀率、无荷载膨胀率、收缩试验,以获得其胀缩变形行为特征。

1.5 强度特性测试

固结试验完成后,进行排水反复直接剪切试验,剪切速率设为0.02 mm/min。试验过程中监测试样垂直位移dv、水平位移(剪切位移)dh与剪切力,直至dh达到10 mm时停机,退回,再进行第2次剪切。如此继续反复进行剪切至剪应力达到稳定值为止。试验结束后,吸去剪切盒中积水,描述剪切面破坏情况,取剪切面附近土样测定剪后含水率。

1.6 渗透行为测试

依据《土工试验方法标准》[6]进行原状土样的变水头渗透试验以获得其饱和渗透系数。

2 试验结果及分析

2.1 物理性质指标

采用比重瓶法[6]测得土粒比重为2.72。 将土样浸泡,水洗过0.075 mm筛；筛上土用筛析法[6]、筛下土用密度计法[6]开展颗粒分析试验,试验结果见表1与图3。可见该土样粗粒含量仅为0.5%,为细粒土；此外,粉粒含量高达57.0%,黏粒含量为42.4%。

表1 颗粒组成

图3 颗粒大小分布曲线Fig. 3 Particle-size distribution

测得土样天然含水率为23.2%,天然密度为1.93 g/cm3,根据土粒比重计算获得天然状态下的干密度、孔隙比与饱和度见表2。

依据《土工试验方法标准》[6]测得其风干含水率为4.3%；依据《公路土工试验规程》[7]测得其标准吸湿含水率为4.8%；二者接近。

采用液塑限联合测定法[6]测得液限为41.6%,塑限为18.8%,计算塑性指数为22.8、活性指数为0.8；由于液限在35%～ 50%之间,表明其为中等塑性[14]。土样在塑性图[15-16]中的位置见图4,可见其为低液限黏土(CL)。计算天然状态下液性指数为0.19,表明处于硬塑状态。

表2 天然状态下的基本物性指标

图4 塑性图Fig.4 Plasticity chart

重型击实试验[6]完成后的试样照片见图5,所获击实曲线见图6,其最优含水率为14.7%,最大干密度为1.88 g/cm3,天然状态下其干密度为1.57 g/cm3,对应压实系数为0.84。

图5 重型击实试验完成后的试样Fig. 5 Proctor test specimens

图6 击实曲线Fig. 6 Compaction curve

依据《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》[8]测得氮吸附BET比表面积为33.8 m2/g；采用EGME法[9]测得比表面积为110.2 m2/g；采用A-BET法[10]测得外比表面积为73.1 m2/g,内比表面积为40.5 m2/g,总比表面积为113.6 m2/g；一般认为EGME法测得的比表面积为总比表面积[17],由以上数据可见:A-BET法测得的总比表面积(113.6 m2/g)与EGME法测得的(总)比表面积(110.2 m2/g)相当一致,印证了这一认知。

一般认为氮吸附测得的比表面积为外比表面积,由以上数据可见:氮吸附测得的比表面积(33.8 m2/g)与A-BET法测得外比表面积(73.1 m2/g)有一定的差别,这是值得进一步研究的地方。

2.2 化学性质指标与矿物成分

采用火焰光度法[6]测得Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量见表3,可见Ca2+含量最大。

表3 交换性阳离子含量

采用乙酸氨交换法[6]测得阳离子交换量(CEC)为206 mmol/kg。

采用X射线衍射矿物成分试验[6]获得矿物相对含量见表4,可见原生矿物占比69.7%,包括石英、斜长石和铁白云石；黏土矿物占比30.3%,包括伊利石、高岭石、绿泥石、伊/蒙混层,其中伊/蒙混层占比16.1%,伊利石占比10.1%。

表4 矿物成分占比

2.3 压缩变形特性

依据标准固结试验[6, 11]获得的原状样一维压缩-卸荷试验结果见表5,相应曲线见图7,可见在400 ～ 500 kPa范围内曲线存在明显拐点,用Butterfield方法[18]获得原状样先期固结压力为454.1 kPa,超过了400 kPa[19],印证该土样天然状态坚实。该土样取土深度为3.1 m,相应自重应力为58.6 kPa,计算获得超固结比为7.7(>4[5]),先期固结压力与自重应力之差为395.5 kPa(接近400 kPa[20]),可判断为重超固结土(Heavily overconsolidated)。

表5 一维压缩-卸荷试验结果

根据图7,获得压缩指数Cc为0.283,回弹指数Cs为0.038,Cs/Cc= 0.13。根据一维压缩-卸荷试验结果(表5)获得各级压力下的压缩系数av见表6,可见其在压力100 ～ 200 kPa范围内的av为0.166,可判别为中等压缩性土[1]。

图7 一维压缩-卸荷曲线Fig. 7 One-dimensional compression-unload line

采用时间平方根法确定各级压力下的固结系数Cv,见表6。各级压力下渗透系数k根据式(1)确定,

(1)

式中:k为渗透系数，cm/s；Cv为固结系数，cm2/s；γw为水的重度,取9.8×10-3N/cm3；av为压缩系数，MPa-1；e0为初始孔隙比。由式(1)获得的渗透系数见表6,可见渗透系数在10-10～10-7cm/s量级范围,大体随孔隙比降低而降低,该量级在黏土渗透系数的正常范围内[1]。

表6 各级压力下的压缩系数、固结系数与渗透系数

2.4 胀缩变形特性

根据《膨胀土地区建筑技术规范》[12]测得自由膨胀率为40%,前述CEC为206 mmol/kg,根据规范[12]判别膨胀潜势为弱。

依据《土工试验方法标准》[6]与《膨胀土地区建筑技术规范》[12]进行无荷载膨胀率试验获得其膨胀含水率为26.6%,相对其天然含水率(23.2%)而言,吸湿量不大；获得其体膨胀率为0.2%,表明:虽然土样膨胀潜势为弱,但其原状样吸湿膨胀量微小,推测是由于该样为重超固结土,具有较强结构性,抑制了吸湿膨胀量。

依据《土工试验方法标准》[6]与《膨胀土地区建筑技术规范》[12]进行收缩试验,获得其体缩率为3.4%,收缩系数为0.12,表明原状样的收缩变形较小；根据收缩曲线获得该原状样缩限为11.9%。

2.5 排水抗剪强度

排水反复直接剪切试验结果见图8,根据试样初始高度、试验过程中高度变化、干土质量、土粒比重,可获得试验过程中每个状态下的孔隙比(假定试验过程中试样直径不变)。

图8 信阳黏土原状样τ-dv-dh关系Fig. 8 τ-dv-dh relationship of undisturbed specimens

表7 原状样峰值强度与残余强度

图9 信阳黏土原状样峰值强度Fig. 9 Peak shear strength of undisturbed Xinyang clay

由于采用Mohr-Coulomb抗剪强度直线拟合原状样峰值强度效果不理想,图9中抗剪强度线呈现一定的非线性特征,因此采用式(2)表达的改进的Lade幂函数[22]形式拟合该非线性关系,

(2)

将6.5 ～ 800 kPa范围内残余强度-有效法向应力关系绘制在图10中,采用过坐标原点的Mohr-Coulomb抗剪强度直线拟合原状样残余强度(图10中点线),得到残余有效内摩擦角φ′= 23.7°,R2=1.00,RMSE=7.0 kPa,可见取得了很好的拟合效果。另一方面,从图10可见残余强度线稍具非线性,采用式(2)拟合该关系,由于为残余强度,c′取0；拟合结果为:a=0.51,b=0.92,R2=1.00,RMSE=4.5 kPa；从RMSE降至4.5 kPa而言,幂函数形式抗剪强度公式拟合效果更好。

图10 信阳黏土原状样残余强度Fig. 10 Residual shear strength of undisturbed Xinyang clay

将信阳黏土残余有效内摩擦角(23.7°)与黏粒含量(CF=29.1%)及活性指数(A=0.8)关系绘入MITCHELL等[5]给出的残余内摩擦角对用CF与A表征的土成分的依赖性关系中(图11)。

由图11可见,信阳黏土残余内摩擦角落在MITCHELL等[5]给出的残余内摩擦角(φr)对用黏粒含量CF与活性指数A表征的土成分的依赖关系范围内,位于滚动剪切(Rolling shear)机制与滑动剪切(Sliding shear)机制之间的过渡区域。

2.6 饱和渗透系数

采用2个原状土样进行变水头渗透试验,试验结果见表8,可见饱和渗透系数平行测定结果差别不大,均在10-7cm/s量级,取其均值5.97×10-7cm/s作为饱和渗透系数。

表8给出的渗透系数,比表6给出的基于固结试验的相应孔隙比范围的渗透系数(5.48×10-8、4.00×10-8cm/s)大一个量级,这是值得进一步研究的地方。

表8 饱和渗透系数

3 结论

本文获得的信阳师范学院主校区原状黏土岩土工程特性总结如下:

(1)土样粗粒含量0.5%,粉粒含量57.0%,黏粒含量42.4%,为细粒土。风干含水率4.3%,液限41.6%,塑限18.8%,塑性指数22.8,活性指数0.8,为低液限黏土。天然状态下液性指数0.19,处于硬塑状态。最优含水率14.7%,最大干密度1.88 g/cm3。氮吸附BET比表面积33.8 m2/g,EGME比表面积110.2 m2/g,A-BET法总比表面积113.6 m2/g。

(2)阳离子交换量206 mmol/kg。原生矿物包括石英、斜长石和铁白云石,占比69.7%；黏土矿物包括伊利石、高岭石、绿泥石、伊/蒙混层,占比30.3%,其中伊/蒙混层占比16.1%,伊利石占比10.1%。

(3)先期固结压力454.1 kPa,超固结比7.7,为重超固结土。压缩指数0.283,回弹指数0.038,Cs/Cc= 0.13,压力100 ～ 200 kPa范围内压缩系数0.166,为中等压缩性土。

(4)自由膨胀率40%,膨胀潜势为弱。膨胀含水率26.6%,体膨胀率0.2%。体缩率3.4%,收缩系数0.12,缩限11.9%。总体而言胀缩变形较小。

(5)垂直压力6.5 ～ 800 kPa范围内原状样峰值抗剪强度呈现一定非线性,采用Mohr-Coulomb抗剪强度直线拟合获得有效黏聚力33.6 kPa、有效内摩擦角25.5°,决定系数0.98,均方根误差15.4 kPa；与低应力下峰值强度对比表明拟合获得的有效黏聚力(33.6 kPa)偏高。

(6)建议采用幂函数拟合原状样峰值抗剪强度；一方面,决定系数达到1.00,均方根误差降至6.7 kPa,表明拟合效果更好；另一方面,0 kPa下抗剪强度(有效黏聚力)8.7 kPa,相对Mohr- Coulomb抗剪强度直线给出的过大的有效黏聚力更具合理性。

(7)采用过坐标原点的Mohr-Coulomb抗剪强度直线拟合垂直压力6.5 ～ 800 kPa范围内原状样残余强度,取得了很好的拟合效果:残余有效内摩擦角23.7°,决定系数1.00,均方根误差7.0 kPa。其残余强度有效内摩擦角落在Mitchell等给出的残余内摩擦角对用黏粒含量与活性指数表征的土成分的依赖关系范围内,位于滚动剪切机制与滑动剪切机制之间的过渡区域。

(8)基于固结试验,采用时间平方根法获得垂直压力12.5 ～ 4000 kPa范围内的固结系数,并获得相应渗透系数,在10-10～ 10-7cm/s量级范围,大体随孔隙比降低而降低。采用变水头渗透试验获得原状样渗透系数5.97×10-7cm/s,比基于固结试验的相应孔隙比范围的渗透系数大一个量级,值得进一步研究。

致谢:感谢信阳师范学院基建处彭建勋副教授在取样工作中给予的帮助。