江杰 魏 麗 潘 鑫 李 勝

?(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧530004 )

?(廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧530004)

??(桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004)

室內(nèi)土工試驗(yàn)研究土體性質(zhì)通常采用重塑土樣進(jìn)行研究，為使重塑土與原狀土具有相近的物理力學(xué)特性，通常制備干密度及含水率相同的重塑土樣來(lái)進(jìn)行代替[1-2]。土體物理力學(xué)特性與其骨架顆粒含量、排列特征、粒徑級(jí)配及孔隙結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，在制備重塑土樣過(guò)程中，原狀土試樣經(jīng)烘干、碾碎和重塑后，土骨架整體性和穩(wěn)定性被破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度改變，土樣的物理力學(xué)特性也隨之發(fā)生變化。

許多學(xué)者利用室內(nèi)試驗(yàn)研究原狀土樣和重塑土樣的物理力學(xué)性質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)了兩者之間的明顯差異：重塑土樣的膨脹力和膨脹率高于原狀土樣[3]；相同外界條件下，原狀土樣的主應(yīng)力差峰值明顯比重塑土樣高，并且原狀土樣在熱作用時(shí)間的影響下，其主應(yīng)力差峰值的變化更為顯著[4]；天然土樣經(jīng)歷重塑過(guò)程后土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低[5]。目前，重塑土樣均以制備與原狀土樣相同的干密度和含水率為標(biāo)準(zhǔn)，然而土顆粒粒徑和結(jié)構(gòu)的不同也同樣會(huì)造成重塑土樣與原狀土樣之間的性質(zhì)差異[6-8]，例如過(guò)2 mm篩后重塑土樣的導(dǎo)熱系數(shù)要比過(guò)10 mm 篩土樣的導(dǎo)熱系數(shù)大，隨著粒徑的減小重塑土樣的導(dǎo)熱系數(shù)增大[9-10]。

膨脹巖干密度大，在進(jìn)行重塑過(guò)程中的擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)通常難以恢復(fù)其初始結(jié)構(gòu)性，且重塑后的干密度狀態(tài)較原狀土樣也有明顯差別[11]。其次，膨脹巖顆粒細(xì)小，級(jí)配不良，各種粒徑的土顆粒經(jīng)碾碎后團(tuán)聚在一起，團(tuán)聚體的粒徑發(fā)生很大改變，對(duì)土樣性質(zhì)影響巨大。因此，對(duì)膨脹巖的重塑土樣與原狀土樣的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究是很有必要的。

本文以南寧地區(qū)膨脹巖為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)原狀土樣和顆粒粒徑不同的重塑土樣的膨脹力、抗剪強(qiáng)度以及熱特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)與重塑膨脹巖顆粒粒徑的關(guān)系，為今后相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)提供參考。

1 膨脹特性試驗(yàn)

1.1 土樣采集與制備

試驗(yàn)所用膨脹巖土樣取自南寧某基坑工程的第三系脹縮性泥巖，在基坑底部鉆孔進(jìn)行原狀土取樣，待原狀土取樣完成，在同等深度處采集一定量的擾動(dòng)土作為重塑土樣的制備材料。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)原狀土樣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，所測(cè)得的結(jié)果如表1所示，其顆粒級(jí)配組成如表2所示。

表1 原狀土樣物理力學(xué)參數(shù)

表2 土樣顆粒級(jí)配組成

將采集回來(lái)的原狀土樣整出水平面后，制備成?61.8 mm×h20 mm、含水率16.4%、干密度1.9 g/cm3的土樣。土樣的密度誤差控制在±0.01 g/cm3，含水率誤差控制在±0.5%。

將采集到的擾動(dòng)土樣自然風(fēng)干、碾碎、兩次過(guò)篩，得到粒徑范圍A：0.25 mmd <0.5 mm；B：0.5 mmd <1 mm；C：1 mmd <2 mm；D：2 mmd <5 mm 的4 組土顆粒，含水率與原狀樣相同。由于傳統(tǒng)的擊樣法和壓樣法難以使重塑樣達(dá)到天然密度，本試驗(yàn)使用自主研發(fā)的專利設(shè)備“一種擾動(dòng)土環(huán)刀壓樣器”制備重塑樣。按照1.9 g/cm3的干密度分別制備4 組和原狀樣同尺寸的重塑環(huán)刀土樣，重塑樣密度及含水率的誤差控制和原狀樣相同。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)采集到的膨脹巖土樣進(jìn)行無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，測(cè)定無(wú)載荷有側(cè)限條件下原狀土樣和重塑土樣的膨脹率，采用體積平衡法測(cè)定原狀樣和重塑樣的膨脹力。每種土樣重復(fù)4 次平行試驗(yàn)，取其算數(shù)平均值以避免誤差。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

膨脹巖原狀土樣和重塑土樣的無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如表3及圖1所示。(圖中A，B，C，D分別代表4種不同粒徑范圍土顆粒的重塑樣，下同)。

表3 膨脹巖原狀和重塑土樣膨脹率對(duì)比

圖1 膨脹巖原狀和重塑樣膨脹曲線

由表3可知，4組重塑土樣的無(wú)荷膨脹率較原狀土樣均有增加，其中粒徑范圍最小的A 組無(wú)荷膨脹率最大，較原狀土樣增加了67%。但無(wú)荷膨脹率的高低與重塑土樣顆粒粒徑大小并無(wú)明顯關(guān)系。由圖1 看出，A，B，D 三組重塑土樣的膨脹量都超過(guò)了原狀土樣，在試驗(yàn)開(kāi)始后的前240 min，4 組重塑土樣的膨脹速度迅速升高，均大于原狀土樣，這是因?yàn)樵摃r(shí)期為土樣迅速膨脹階段。

各土樣膨脹力試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 膨脹巖原狀和重塑土樣膨脹力對(duì)比

由表4 可知，粒徑范圍0.25 mmd <0.5 mm(A 組)和2 mmd <5 mm (D 組)重塑土樣的膨脹力較原狀土樣大，最大為原狀的2.06 倍；粒徑范圍0.5 mmd <1 mm (B 組)和1 mmd <2 mm(C 組)重塑土樣的膨脹力較原狀土樣小，最小僅為原狀的65.0%；且粒徑范圍最小的重塑土樣(A 組)膨脹力最大，含水率上升幅度也最大，這是因?yàn)槟胨橹匦轮苽涞闹厮芡羻适鋬?nèi)部粘結(jié)結(jié)構(gòu)性，改變了孔隙分布特征，使得孔隙水更易流入土體孔隙中，從而含水率增大。

雖然粒徑范圍1 mmd<2 mm (C組)的重塑土樣的無(wú)荷膨脹率和膨脹力最接近原狀樣，誤差分別僅為1.2%和7.2%。但總體上分析，重塑土樣的膨脹力和膨脹率高低與土體顆粒粒徑大小并沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)，這可能與土樣重塑后的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 三軸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

所制備的原狀樣及重塑樣為尺寸?39.1 mm×h80 mm 的圓柱土樣，土顆粒的準(zhǔn)備過(guò)程、干密度與含水率要求與前面試驗(yàn)一致。在25?C 水溫條件下，采用TSZ-2 型全自動(dòng)三軸儀對(duì)原狀樣和4 組重塑樣進(jìn)行三軸(U U)剪切試驗(yàn)，設(shè)定0.64 mm/s 的剪切速率，試驗(yàn)施加的圍壓分別為100，200，300，400 kPa，對(duì)每種土樣重復(fù)進(jìn)行平行試驗(yàn)4次。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

原狀膨脹巖和各組重塑膨脹巖土樣的主應(yīng)力差峰值(σ1–σ3)如圖2所示。

由圖2 可知，在相同圍壓條件下，重塑土樣的主應(yīng)力差峰值隨土樣顆粒粒徑的增大而逐漸減小；在不同圍壓條件下，重塑土樣的主應(yīng)力差峰值隨圍壓的增大而逐漸升高，且均小于原狀土樣。整理不同圍壓條件下各土樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，得到原狀土樣和各組重塑土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其對(duì)比結(jié)果如表5所示。

由表5 可知，重塑土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c和?)隨顆粒粒徑的增大而逐漸降低，且均小于原狀土樣，其中粒徑范圍最大的D組重塑土樣，其c，?值降幅最大，分別為28.2%和23.0%?？梢?jiàn)，重塑土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與土顆粒粒徑大小存在一定的關(guān)聯(lián)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，將這兩者之間的關(guān)系擬合成曲線，如圖3所示。

圖2 膨脹巖原狀和重塑土樣主應(yīng)力差峰值的對(duì)比

表5 膨脹巖原狀和重塑土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

從圖3 可以看出，重塑土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c和?)會(huì)隨土樣平均粒徑的大小而發(fā)生改變，且它們之間的關(guān)系(c與d，?與d)顯示出拋物線變化，可用式(1) 進(jìn)行擬合。

式中，A，B，C，D，E，F(xiàn)為由試驗(yàn)確定的系數(shù)。

總的來(lái)看，重塑土樣的主應(yīng)力差峰值(σ1–σ3)、黏聚力c和內(nèi)摩擦角?均比原狀土樣低，且隨顆粒粒徑的減小而增大，這是因?yàn)橥令w粒粒徑組成和排列特征是影響膨脹巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的重要因素。原狀樣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，土顆粒排列緊密，易聚集大團(tuán)聚體，小孔隙所占比例也更高，因而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值較高；而重塑土樣雖然保持與原狀土樣相同的含水率和總孔隙度，但經(jīng)碾碎重塑后，顆粒被分散并重新排列，大團(tuán)聚體難以聚集，小孔隙所占比例較少，顆粒之間的粘結(jié)力也減弱。同樣，重塑土樣顆粒粒徑越小，小孔隙所占比例就越高，顆粒間固體接觸面積就越大，土體結(jié)構(gòu)性更穩(wěn)定，從而抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值也越高。因此，最好選擇顆粒粒徑較小的重塑土樣代替原狀土樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

圖3 不同粒徑范圍重塑膨脹巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3 熱物理試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

試驗(yàn)土樣尺寸及制樣過(guò)程與三軸試驗(yàn)一致。在溫度25?C、濕度90%的環(huán)境下平衡24 h，選擇KD2 Pro 熱特性分析儀利用非穩(wěn)態(tài)方法對(duì)各土樣的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和容積熱容進(jìn)行測(cè)量。儀器匹配SH-1 型雙針探頭，長(zhǎng)30 mm，直徑1.3 mm，間距6 mm，一根探針內(nèi)有熱源，可提供熱能，另一探針內(nèi)有傳感器，用以監(jiān)測(cè)溫度變化。將雙針探頭垂直插入土樣后啟動(dòng)熱特性分析儀，熱源探針開(kāi)始對(duì)土體加熱，同時(shí)傳感器探針記錄溫度隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)整理計(jì)算得到各項(xiàng)熱物理指標(biāo)。每次測(cè)量完成后等待30 min，待土樣溫度穩(wěn)定后再開(kāi)始下一步測(cè)量，為減小誤差，對(duì)每組土樣重復(fù)測(cè)量4次。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

保持原狀樣和4 組重塑土樣的干密度和含水率相同，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到各物理指標(biāo)值如圖4所示。

圖4 膨脹巖原狀樣和重塑樣熱物理指標(biāo)對(duì)比

由圖4 可知，4 組重塑土樣熱物理指標(biāo)值隨顆粒粒徑的增大而降低，且均小于原狀土樣的熱物理指標(biāo)值。隨著土顆粒粒徑的增大，重塑樣的導(dǎo)熱系數(shù)較原狀樣下降9.28%～17.84%，容積熱容下降2.71%～8.12%，導(dǎo)溫系數(shù)下降6.85%～10.67%。

膨脹巖原狀土樣與重塑土樣導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)出的明顯差異與這兩者不同的結(jié)構(gòu)性有關(guān)。原狀土樣在歷史沉積中保持了其天然結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，比重塑土樣擁有更多的大團(tuán)聚體，小孔隙所占的比例也比較高，使得土體內(nèi)部的固體接觸面積增加，從而土的導(dǎo)熱系數(shù)增大。同樣，顆粒粒徑較小的重塑土樣，土顆粒間的較大膠結(jié)作用易于團(tuán)聚體的形成，固體接觸面積的增加有利于熱量傳遞，從而導(dǎo)熱系數(shù)也越大。

膨脹巖原狀土樣與重塑土樣的容積熱容差異不大，考慮測(cè)量產(chǎn)生的誤差，視為不變。這是因?yàn)橥馏w的熱容量是與其固體、氣體和液體三相比例有關(guān)[9]，原狀土樣與重塑土樣具有相同的含水率和干密度，故兩者的容積熱容也相同。土體導(dǎo)溫系數(shù)是導(dǎo)熱系數(shù)與單位容積熱容的比值，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增大而容積熱容不變時(shí)，導(dǎo)溫系數(shù)也隨之增加。綜上所述，用顆粒粒徑較小的重塑土樣代替原狀土樣進(jìn)行熱相關(guān)試驗(yàn)，可較好表征土體的熱特性。

4 機(jī)理分析

4.1 原狀與重塑膨脹巖孔隙特征對(duì)比

采用Auto Pore 9500 型全自動(dòng)壓汞儀對(duì)冷凍干燥后的土樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，該試驗(yàn)將不浸潤(rùn)的液態(tài)汞壓入到被測(cè)材料的毛細(xì)孔內(nèi)，接觸面會(huì)產(chǎn)生克服固體表面的張力，當(dāng)外壓力一直加大到克服張力大小時(shí)，汞就會(huì)侵入孔隙，被侵入的孔徑大小即為所用外壓力的函數(shù)，從而可獲得土中孔隙分布的特征參數(shù)。根據(jù)其他學(xué)者對(duì)土體孔徑大小分類的研究[12-14]，膨脹巖孔徑按孔隙大小分為四類，分類標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 膨脹巖孔徑分類標(biāo)準(zhǔn)

壓汞試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果如圖5所示。由圖可知，原狀樣和各組重塑樣進(jìn)汞增量與孔徑之間變化規(guī)律基本一致，呈正態(tài)分布關(guān)系，孔徑分布均高度集中在0.01μmd <0.1μm 范圍內(nèi)。整理試驗(yàn)結(jié)果，得到膨脹巖各土樣的孔徑分布規(guī)律，如表7所示。

圖5 膨脹巖原狀和重塑土樣進(jìn)汞增量與孔徑關(guān)系圖

表7 膨脹巖各土樣孔徑分布統(tǒng)計(jì)表

由表7 可知，各土樣孔徑分布均以小孔隙為主，占比達(dá)到74%以上，其他孔隙類占比都較小。其中，中孔隙分布無(wú)明顯規(guī)律顯現(xiàn)，所占比例為2.77%～20.15%；其次是占比3.30%～4.01%的微孔隙；大孔隙占比最小，范圍在2.63%～3.20%。

對(duì)膨脹巖原狀樣和重塑樣的孔徑分布進(jìn)行對(duì)比分析可知：原狀樣的小孔隙占比明顯大于各組重塑樣，所占比例達(dá)到90.73%；而中孔隙占比與重塑樣相比小很多，僅為2.77%。4組重塑土樣中，顆粒粒徑最小的A 組孔徑分布規(guī)律與原狀樣最為相似，微小孔隙和大孔隙占比與原狀樣最接近。隨著重塑土樣中顆粒粒徑的減小，微小孔隙所占比例逐漸增大，同時(shí)大孔隙所占比例逐漸減小。綜上所述，分析其原因，這是由于原狀樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和導(dǎo)熱系數(shù)比重塑樣大，并且隨著土顆粒粒徑的減小，重塑樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，與上述試驗(yàn)分析結(jié)果一致。

4.2 原狀與重塑膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比

采用S-3400N 型掃描電子顯微鏡對(duì)冷凍干燥后的膨脹巖土樣進(jìn)行分析，放大倍率5000倍的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)圖像如圖6所示。

圖6 各土樣SEM 圖像

由圖6可知，在所有的膨脹巖土樣中，較少出現(xiàn)單體顆粒，多以面面相聚或邊面相聚的形式聚集在一起。其中，原狀土樣的微觀結(jié)構(gòu)主要為球形顆粒，夾雜著片狀顆粒和少量桿狀顆粒。重塑土樣的結(jié)構(gòu)形狀各不相同，粒徑范圍0.25 mmd<0.5 mm的A 組土樣結(jié)構(gòu)形狀與原狀土樣最為相似，但顆粒相互團(tuán)聚在一起，彼此并不獨(dú)立；粒徑范圍0.5 mmd <1 mm 的B 組土樣結(jié)構(gòu)形狀主要為片狀和桿狀，其中桿狀顆粒最為明顯；粒徑范圍1 mmd <2 mm 的C 組結(jié)構(gòu)形狀主要為片狀顆粒；粒徑范圍2 mmd<5 mm的D組土樣明顯可見(jiàn)絮凝狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察原狀土樣和重塑土樣的微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，它們之間的結(jié)構(gòu)有很大差異，各組重塑土樣的結(jié)構(gòu)也各不相同，結(jié)構(gòu)的差異性是導(dǎo)致原狀土樣與重塑土樣膨脹率與膨脹力不同的主要原因。

5 結(jié)語(yǔ)

本文比較了膨脹巖原狀樣和重塑樣的物理力學(xué)性質(zhì)，并分析其產(chǎn)生差異的原因。結(jié)果表明：

(1)重塑后不同粒徑范圍膨脹巖土樣的無(wú)荷膨脹率較原狀樣明顯升高，但膨脹力與原狀樣差異較大，有升高，也有降低；主應(yīng)力差峰值(σ1–σ3)、黏聚力c、內(nèi)摩擦角?和導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、容積熱容較原狀樣均有降低。

(2)壓汞試驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑范圍較小的重塑土樣，其微小孔隙所占比例比較大，從而粘結(jié)力增加，土顆粒間固體接觸面積也加大，因此抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和熱物理指標(biāo)就增大。電鏡掃描土樣微觀結(jié)構(gòu)顯示，原狀土樣和重塑土樣的結(jié)構(gòu)形態(tài)差異很大，且粒徑范圍不同的重塑土樣，其結(jié)構(gòu)形態(tài)也不盡相同。

(3)室內(nèi)試驗(yàn)制備重塑樣以代替原狀樣時(shí)，應(yīng)選擇粒徑范圍合適的土顆粒進(jìn)行重塑：進(jìn)行無(wú)載荷膨脹率和膨脹力試驗(yàn)應(yīng)選擇粒徑范圍1 mmd<2 mm的土顆粒；進(jìn)行三軸試驗(yàn)和熱物理指標(biāo)測(cè)試應(yīng)盡量選擇粒徑較小的土顆粒。