孫 茜，閻長(zhǎng)虹，劉 羊

（1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京210046；3.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

軟土在我國(guó)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(qiáng)、滲透系數(shù)低、靈敏度高、強(qiáng)度低等特性。在基坑開挖或隧洞掘進(jìn)時(shí)其周邊土體將發(fā)生應(yīng)力卸載，引發(fā)應(yīng)力場(chǎng)的突變，同時(shí)工程擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軟土結(jié)構(gòu)破壞使其強(qiáng)度大大降低，從而在卸載臨空面附近發(fā)生大的側(cè)向變形，進(jìn)而引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆破壞，導(dǎo)致周邊地面沉陷[1-3]。地基變形監(jiān)測(cè)通常采用測(cè)斜儀，由于擾動(dòng)的高含水軟土強(qiáng)度小，測(cè)斜管強(qiáng)度大，擾動(dòng)土在發(fā)生變形時(shí)，無法帶動(dòng)測(cè)斜管一起發(fā)生變形，常出現(xiàn)監(jiān)測(cè)變形量很小、而實(shí)際變形很大，或軟土流動(dòng)變形影響范圍大導(dǎo)致監(jiān)測(cè)布置范圍常達(dá)不到實(shí)際變形范圍的現(xiàn)象，不能起到變形預(yù)警作用。針對(duì)工程施工卸荷作用軟土變形監(jiān)測(cè)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(yùn)用磁組構(gòu)試驗(yàn)研究受力作用下黏性土變形和磁性礦物定向性的關(guān)系，嘗試引入一種運(yùn)用磁各向異性技術(shù)監(jiān)測(cè)軟土變形的新方法，實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)卸荷工程周圍軟土的變形的目標(biāo)。

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(shí)也體現(xiàn)在磁性礦物上，從而引起磁化率在各個(gè)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(zhì)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(gòu)造變形。顧延生等[8]、霍斐斐等[9]、劉彩彩等[10]、艾可可等[11]對(duì)黃土、紅土、下蜀土等特殊土進(jìn)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(fēng)向和古水文變化。

巖土體應(yīng)變橢球的3個(gè)主軸和磁化率橢球的3個(gè)主軸方向一致且相互平行，二者的主軸長(zhǎng)度存在一定的數(shù)量關(guān)系。Carmichael[14]通過大量試驗(yàn)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(jié)果表明，磁化率在平行于應(yīng)力作用方向上減小，而在垂直于應(yīng)力作用方向上略有增加；Sun 等[15]研究了實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)的磁鐵礦-黏土合成物和天然海洋沉積物的磁組構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)磁顆粒附著于黏土顆粒，磁組構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)變的方向，記錄同期的結(jié)晶主應(yīng)力方向等；Ruf 等[17]在研究糜棱巖帶時(shí)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(yīng)變，磁化率橢球與有限應(yīng)變橢球的方向一致，并存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)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(fēng)向研究以及土壤地層劃分方面，關(guān)于磁化率各向異性與應(yīng)變關(guān)系的研究，研究對(duì)象主要是構(gòu)造地質(zhì)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(cè)限、不同加卸載條件下試樣的磁化率各向異性特征，重點(diǎn)研究了無側(cè)限壓縮條件下軸向應(yīng)力、土樣含水率對(duì)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(yàn)材料

1.1 土樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)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(zhì)粉質(zhì)黏土，該層土呈千層餅狀，即淤泥質(zhì)土夾薄層粉土，層理發(fā)育，含有機(jī)質(zhì)，略有臭味，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，用篩分和密度計(jì)聯(lián)合測(cè)定法測(cè)出黏土的粒徑分布如表2所示。

表1 軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)重塑后，土體的結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度較原狀土大大降低。通過配置不同含水率土樣進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率高于28%時(shí)，土樣失去自穩(wěn)能力，更無法進(jìn)行加載試驗(yàn)，因此選取含水率區(qū)間為20% ～ 28%?？刂聘擅芏葹?.48 g/cm3，設(shè)計(jì)含水率分別為20%、24%、26%、28%。將土樣分層壓實(shí)，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(jié)晶物質(zhì)都有特定的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)，將樣品和已知物相的衍射數(shù)據(jù)或圖譜進(jìn)行一一比對(duì)，從而分析試樣的礦物成分。XRD 試驗(yàn)在南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院X射線衍射實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。測(cè)試使用日本理學(xué)DMAX RAPID II型二維面探測(cè)器衍射儀，采用微區(qū)毛細(xì)管透射法進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)直管；測(cè)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(zhuǎn)；計(jì)數(shù)時(shí)間：9 min；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：自動(dòng)。運(yùn)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(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)（2θ、d、I/I1）與標(biāo)準(zhǔn)衍射數(shù)據(jù)比較，即可進(jìn)行物相的定性鑒定。經(jīng)比對(duì)，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(qiáng)度成正比，而強(qiáng)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(gè)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(qiáng)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(qiáng)度礦物的含量上看，強(qiáng)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(qiáng)磁性礦物和弱磁性礦物）含量超過30%，且磁化率試驗(yàn)具有極高的靈敏度和精確度，因此對(duì)黏性土進(jìn)行磁性研究是可行的。

2 試驗(yàn)方法

2.1 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)

現(xiàn)有的土工試驗(yàn)方法通常采用常規(guī)土工試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)及蠕變?cè)囼?yàn)等，研究黏性土在固結(jié)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(cè)讀。本文采用在WG型三聯(lián)中壓固結(jié)儀基礎(chǔ)上改裝而成的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)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(cè)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(cè)向接觸。

圖3 無側(cè)限壓縮試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)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(yīng)力12.5，50，100 kPa 作用下變形穩(wěn)定，試驗(yàn)方案見表3。將試樣的軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變之比定義為應(yīng)變比（L1/L3）。每級(jí)荷載作用下選取一系列含水率與變形穩(wěn)定后的應(yīng)變比數(shù)據(jù)繪制成圖4[19]。當(dāng)軸向應(yīng)力保持一定時(shí)，隨著含水率的增加應(yīng)變比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，表明軸向應(yīng)變的增加速率小于側(cè)向應(yīng)變。當(dāng)含水率保持一定時(shí)，隨著軸向應(yīng)力的增大，應(yīng)變比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，意味著軸向應(yīng)變的增加速率小于側(cè)向應(yīng)變。

表3 不同含水率無側(cè)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(yīng)力條件下應(yīng)變比隨含水率的變化關(guān)系Fig.4 Correlation between the strain ratio and moisture content

2.2 有側(cè)限壓縮試驗(yàn)

為了與無側(cè)限壓縮試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，在WG型三聯(lián)中壓固結(jié)儀進(jìn)行一系列有側(cè)限壓縮試驗(yàn)。有側(cè)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(cè)限加載試樣，C4～C6為有側(cè)限卸載試樣，加載方案見表4。施加1 kPa的預(yù)壓力后，分級(jí)施加固結(jié)壓力，壓力等級(jí)為25，50，100，200，400，800和1 600 kPa，施加每級(jí)壓力后24 h 再加下一級(jí)荷載。

2.3 磁化率各向異性試驗(yàn)

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

表4 有側(cè)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(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成試樣的磁化率測(cè)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(cè)試前首先測(cè)量?jī)x器背景值，若背景值標(biāo)準(zhǔn)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(duì)儀器進(jìn)行擦拭直至滿足要求。調(diào)整試樣的測(cè)量方向，分別測(cè)量1，2，3 三個(gè)方向的磁化率（圖7），電腦自動(dòng)輸出該土樣的磁化率統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

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

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

3 試驗(yàn)結(jié)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(gòu)造地質(zhì)學(xué)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(diǎn)到圓心的距離代表主磁化率方向的傾角。圓周上的各點(diǎn)傾角為零，圓心位置處的傾角為90°。試驗(yàn)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(cè)限壓縮條件下，土樣的最小主磁化率K3（圖中正方形標(biāo)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(biāo)記和圓形標(biāo)記）分布在赤平投影圖的四周。對(duì)比有側(cè)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(cè)向變形，土顆粒發(fā)生指向外側(cè)的側(cè)向移動(dòng)，側(cè)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(shí)發(fā)生豎向回彈變形和一定程度的指向內(nèi)側(cè)的側(cè)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(jié)論與巖樣單軸壓縮試驗(yàn)一致。

對(duì)比無側(cè)限壓縮土樣和有側(cè)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(cè)限壓縮土樣的主磁化率點(diǎn)分布更集中，比有側(cè)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(cè)限變形的定量關(guān)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(cè)限單軸壓縮條件下，平行于應(yīng)力作用方向的磁化率隨著應(yīng)力作用增加而減小，垂直于應(yīng)力作用方向（試樣橫截面方向）的磁化率隨著應(yīng)力作用增加而增加，從而導(dǎo)致磁化率各向異性的變化。無側(cè)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(yīng)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(yīng)力水平下，試樣含水率越大，土體的側(cè)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(cè)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(cè)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(yīng)變橢球的3個(gè)主軸與磁化率橢球的3個(gè)主軸互相平行，具有共軸關(guān)系，并且在長(zhǎng)度上存在一定的數(shù)量關(guān)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(yīng)變軸長(zhǎng)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(jié)合主磁化率值之比K1/K3和應(yīng)變比Li/Lj，可計(jì)算冪指數(shù)α（表6）。由表中數(shù)據(jù)可知，土體在無側(cè)限條件下，冪指數(shù)α和軸向應(yīng)力、含水率存在一定的數(shù)量關(guān)系。軸向應(yīng)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(jié)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(qiáng)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(cè)限壓縮試樣中的磁性礦物在壓力作用下向四周擴(kuò)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(yīng)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(duì)于加載樣，卸載樣的磁各向異性度更強(qiáng)。加載樣以磁面理發(fā)育為主，軸向應(yīng)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(cè)限壓縮條件下，軸向應(yīng)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(yīng)變比存在一定的冪函數(shù)關(guān)系。相同含水率條件下，軸向應(yīng)力越大，土樣側(cè)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(yīng)力條件下，土樣含水率越大，土體的側(cè)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(cè)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。