胡國(guó)長(zhǎng)，朱曉勇，薛建，劉瑾，江燦琿，陳志昊，王竑

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局， 江蘇 南京 210018； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211100)

0 引言

凹凸棒土是一種具有鏈層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物，分布于江蘇、甘肅等14個(gè)省份，我國(guó)已探明的礦產(chǎn)儲(chǔ)量約占全球總儲(chǔ)量的50%。凹凸棒土以其陽(yáng)離子交換性、吸附性、膠體性、催化性和大的比表面積等特殊的物理化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于石油、化工、建材、造紙、醫(yī)藥，鉆探等行業(yè)(芮源隆等，2011；向遠(yuǎn)清和陳大俊，2011；張群，2012；呂國(guó)誠(chéng)等，2019；孫瑩等，2020；曹悅等，2021)。

隨著凹凸棒土被越來(lái)越多的應(yīng)用于土壤中，其對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響逐漸受到重視。楊婷和吳軍虎(2017)的研究表明，隨著凹凸棒土含量的增加，土壤中黏粒和粉粒比例減小，砂粒比例增加，大于0.25 mm的團(tuán)聚體含量增加，持水量增加。隨著凹凸棒土含量的增大，土壤入滲速率和累積入滲量減小，使得土壤中的大孔隙減少，并具有一定的阻滲作用(吳軍虎和楊婷，2016)。楊蘇等(2020)的研究表明凹凸棒土復(fù)合粉砂質(zhì)土中大于0.25 mm團(tuán)聚體含量增加約5%，持水量增加約18%，同時(shí)提高土壤中的有機(jī)碳和全氮含量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。但過(guò)量凹凸棒土的摻入容易引起土壤板結(jié)，反而限制了植被生長(zhǎng)，凹凸棒土的摻入量應(yīng)控制在40～80 g/kg(劉左軍等，2010)。

綜上所述，目前關(guān)于凹凸棒土對(duì)黏性土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、水力參數(shù)、保水性等研究較多，缺少了凹凸棒土對(duì)黏性土土體力學(xué)性質(zhì)影響的研究，因此本文通過(guò)不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，探究基于凹凸棒土置換量及其養(yǎng)護(hù)齡期條件下黏性土強(qiáng)度特性的變化規(guī)律，通過(guò)掃描電鏡圖像分析凹凸棒土改良土體的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 黏性土

試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)見表1，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50007—2011)①對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行劃分，試驗(yàn)土樣為黏土。在制樣之前，將試驗(yàn)土樣敲碎，去除雜質(zhì)后放入烘箱，105 ℃烘干8小時(shí)以上。粉碎后密封備用。

表1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)

1.1.2 凹凸棒土

凹凸棒石又稱坡縷石，屬海泡石族，是一種具有鏈層狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物。分子式為(Al2Mg2)Si8O20(OH)2(H2O)·4H2O，其晶體結(jié)構(gòu)為纖維狀、棒狀或纖維狀集合體(圖1)，這種特殊的骨架式排列方式大大提高了它的比表面積，增加它的吸附性。本次試驗(yàn)中所用的凹凸棒土(圖2)取自江蘇省常州市某礦區(qū)，顆粒大小為800目，在制樣之前放入烘箱，105 ℃烘干8小時(shí)以上，取出密封備用。

圖1 凹凸棒土晶體結(jié)構(gòu)圖

圖2 凹凸棒土

1.2 試驗(yàn)方法

本次研究通過(guò)不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)探究養(yǎng)護(hù)齡期、凹凸棒土含量對(duì)黏性土強(qiáng)度特性的變化規(guī)律。試驗(yàn)選用南京智龍科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)TSZ-1型全自動(dòng)三軸儀(圖3)，以加載速率0.8 mm/min進(jìn)行試驗(yàn)。試樣采用標(biāo)準(zhǔn)三軸壓縮試驗(yàn)試樣(圖4)，高80 mm，直徑39.1 mm。根據(jù)黏性土物理性質(zhì)，設(shè)定所有試樣干密度為1.7 g/cm3，含水率為19%。制樣采用擊實(shí)制樣法，將定量黏性土和凹凸棒土的均勻混合物與定量水充分?jǐn)嚢韬?，用保鮮膜密封24小時(shí)均勻水分，開始制樣。制樣前將混合土均分為3份，分3次倒入模具，每層擊實(shí)至相同高度，刮毛試樣面后倒入下一份混合土，保證試樣高度達(dá)到80 mm，用千斤頂取出制好的試樣，包裹保鮮膜置于恒溫25 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)。

圖3 TSZ-1型全自動(dòng)三軸儀

圖4 三軸壓縮試驗(yàn)試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究通過(guò)不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)分析了凹凸棒土改良黏土在不同養(yǎng)護(hù)齡期和凹凸棒土置換量條件下的強(qiáng)度特性、黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律。養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)定為：0 d、1 d、3 d、7 d、14 d；凹凸棒土置換量設(shè)定為：0.00%、2.00%、4.00%、6.00%、8.00%；三軸壓縮試驗(yàn)圍壓設(shè)定為：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。選取有效應(yīng)變范圍(0～15%)內(nèi)應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力作為該試樣在特定圍壓下的抗壓強(qiáng)度，參與摩爾圓的繪制與黏聚力和內(nèi)摩擦角的計(jì)算。各組試樣三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.1 不同凹凸棒土置換量條件下三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

為避免養(yǎng)護(hù)齡期過(guò)短影響凹凸棒土改良試樣的作用效果，以養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為例，分析其在試樣養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)時(shí)隨凹凸棒土置換量的變化規(guī)律。如圖5所示，在各圍壓下，隨凹凸棒土置換量的增加，試樣彈性階段的斜率和偏應(yīng)力水平整體上升，并且隨著圍壓的增加，試樣的偏應(yīng)力水平增加幅度逐漸增加。同時(shí)，試樣的峰值偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨凹凸棒土置換量的增加整體表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，在低圍壓下尤為明顯。以100 kPa 圍壓的試樣為例，隨凹凸棒土置換量的增加，其峰值偏應(yīng)力出現(xiàn)的應(yīng)變分別為：12.50%、10.75%、9.50%、8.50%、4.25%，表明隨著凹凸棒土的摻入導(dǎo)致試樣的脆性增加，使得破壞應(yīng)變提前。而隨著圍壓的增加，試樣均發(fā)生脆性—延性轉(zhuǎn)化，因此在高圍壓下，凹凸棒土對(duì)試樣峰值偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)應(yīng)變的影響相對(duì)較小。材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系，其斜率定義為彈性模量，彈性模量是物體彈性變形難易程度的表征。由于本文試樣在彈性階段中的偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線不符合直線關(guān)系，本文用割線模量作為彈性模量的近似值進(jìn)行分析。割線模量指的是試樣偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線中第一個(gè)達(dá)到峰值偏應(yīng)力50%的點(diǎn)和原點(diǎn)連線的斜率。養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的各試樣組彈性模量見表3。在各圍壓下，試樣的彈性模量隨著凹凸棒土置換量的增加而增加，當(dāng)圍壓為50 kPa時(shí)，隨凹凸棒土置換量的增加，試樣的彈性模量分別為21.78 MPa、24.57 MPa、33.50 MPa、33.01 MPa、38.52 MPa，相對(duì)于素土試樣分別提升了13%、48%、34%、50%，并且當(dāng)圍壓增加時(shí)，凹凸棒土置換量對(duì)試樣彈性模量的影響更為顯著；以圍壓為 200 kPa 的試樣為例，隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣的彈性模量分別為14.79 MPa、23.26 MPa、26.86 MPa、30.59 MPa、31.80 MPa，相對(duì)于素土試樣分別提升了57%、82%、107%、115%，可以看出改良試樣的彈性模量隨圍壓的增加而減小的幅度明顯降低。這表明凹凸棒土的摻入可以顯著提高試樣的抵抗彈性變形能力，并且減少圍壓對(duì)試樣彈性模量的影響。

表2 凹凸棒土改良試樣三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)

圖5 不同圍壓條件下養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)各試樣組偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa

表3 不同圍壓條件下養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)各組試樣的彈性模量

養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)各試樣組峰值偏應(yīng)力變化曲線如圖6所示。可以看出在各圍壓下，隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣的峰值偏應(yīng)力整體表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。同時(shí)，試樣的峰值偏應(yīng)力隨圍壓的增加上升幅度增大。前人的研究發(fā)現(xiàn)脆性材料相比于塑性材料在圍壓的影響下強(qiáng)度的提高更多，這也再次表明凹凸棒土的摻入提高了試樣的脆性。養(yǎng)護(hù)齡期為14 d各試樣組內(nèi)摩擦角和黏聚力變化曲線見圖7，隨著凹凸棒土摻量的增加，試樣的黏聚力分別為128.21 kPa、105.20 kPa、100.29 kPa、104.92 kPa、114.09 kPa，內(nèi)摩擦角分別為15.10°、24.99°、27.00°、27.87°、30.43°，表明凹凸棒土主要是通過(guò)提高試樣的內(nèi)摩擦角提升了土體的強(qiáng)度。這一規(guī)律與凹凸棒土的形態(tài)和結(jié)構(gòu)存在直接聯(lián)系，凹凸棒土的纖維狀顆粒使其具有較大的比表面積，表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附性，黏土顆粒附著于凹凸棒土的顆粒表面形成團(tuán)聚體，團(tuán)聚體—團(tuán)聚體的結(jié)合方式導(dǎo)致了更致密的咬合狀態(tài)，增加了土體破壞時(shí)的咬合摩擦力，從而提高了土體的內(nèi)摩擦角；另一方面，相對(duì)于黏土顆粒，凹凸棒土顆粒對(duì)水有更強(qiáng)的吸附性，土體中的水相對(duì)更多的吸附于凹凸棒土顆粒周圍，盡管素土試樣與改良試樣的含水率是一致的，但實(shí)際作用于黏土顆粒表面的水相對(duì)減少，導(dǎo)致試樣的黏聚力下降。

2.2 不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

以50 kPa圍壓下的試樣為例，各試樣的偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線見圖8，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，試樣的偏應(yīng)力水平整體呈上升趨勢(shì)，并且隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣偏應(yīng)力水平上升的幅度逐漸增加，這表明凹凸棒土對(duì)試樣的作用效果受到養(yǎng)護(hù)齡期因素的影響顯著。改良試樣彈性階段的斜率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7～14 d時(shí)，增加的趨勢(shì)相對(duì)減少。同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試樣的峰值偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變整體表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，相對(duì)于素土，在改良試樣中應(yīng)變的減小幅度增加，以凹凸棒土置換量為4%的試樣為例，其峰值偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分別為：15.00%、12.50%、8.75%、5.50%、4.75%，素土試樣的破壞應(yīng)變?yōu)椋?5.00%、14.00%、10.50%、14.00%、8.25%，這表明改良試樣隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加破壞應(yīng)變提前，脆性增加。通過(guò)彈性模量分析養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試樣抵抗彈性變形能力的影響，圍壓為50 kPa條件下各試樣組彈性模量見表4，其變化曲線見圖9。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，各試樣的彈性模量均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，并且隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣的彈性模量受養(yǎng)護(hù)齡期的影響更加顯著。例如：當(dāng)凹凸棒土置換量為8%時(shí)，試樣彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加分別為9.11 MPa、11.92 MPa、23.28 MPa、27.37 MPa、38.52 MPa，素土試樣的彈性模量分別為6.74 MPa、8.04 MPa、16.84 MPa、17.38 MPa、21.78 MPa。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)各養(yǎng)護(hù)齡期下試樣的彈性模量并不總是與凹凸棒土置換量呈正相關(guān)，在養(yǎng)護(hù)齡期0～7 d時(shí)試樣彈性模量出現(xiàn)峰值點(diǎn)，并且隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的凹凸棒土置換量逐漸增加，這表明隨著凹凸棒土置換量的增加，凹凸棒土充分發(fā)揮其作用效果所需要的養(yǎng)護(hù)齡期逐漸增加。

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)各試樣組峰值偏應(yīng)力變化曲線

圖7 養(yǎng)護(hù)齡期為14 d各試樣組內(nèi)摩擦角和黏聚力變化曲線

圖8 圍壓為50 kPa下不同凹凸棒土置換量試樣組偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線a—0%置換量；b—2%置換量；c—4%置換量；d—6%置換量；e—8%置換量

表4 圍壓為50 kPa下各試樣組偏應(yīng)力—應(yīng)變曲線彈性模量

圖9 圍壓為50 kPa下各試樣組彈性模量變化曲線

各試樣組峰值偏應(yīng)力變化曲線見圖10，在各圍壓下，試樣的峰值偏應(yīng)力均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，隨著凹凸棒土置換量的增加，試樣峰值偏應(yīng)力上升幅度逐漸增加，試樣峰值偏應(yīng)力的增長(zhǎng)主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)前期(0～7 d)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為0 d時(shí)，試樣的峰值偏應(yīng)力隨凹凸棒土置換量的增加分別為 330.21 kPa、313.82 kPa、322.98 kPa、312.32 kPa、290.15 kPa，表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，相對(duì)于素土試樣，凹凸棒土的摻入反而減小試樣的強(qiáng)度。各組試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線如圖11所示，試樣內(nèi)摩擦角均隨著養(yǎng)護(hù)齡期和凹凸棒土置換量的增加呈上升的趨勢(shì)，而改良試樣中黏聚力隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加出現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。

這一變化規(guī)律主要是由基質(zhì)吸力造成的表觀黏聚力引起的，表觀黏聚力又稱不穩(wěn)定黏聚力，三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的黏聚力為有效黏聚力和表觀黏聚力之和。Fredlund et al.(1978)提出了以正應(yīng)力與基質(zhì)吸力作為變量的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，其表達(dá)式為：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中τf為抗剪強(qiáng)度，c′為有效黏聚力，σ為正應(yīng)力，ua為孔隙氣壓力，φ'為有效內(nèi)摩擦角，uw為孔隙水壓力，tanφb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力(ua-uw)增加的速率。

由于在非飽和土中同時(shí)充填著水和空氣，形成的水—?dú)夥纸缑婢哂斜砻鎻埩?，孔隙氣壓力大于孔隙水壓力，這一分界面承受的壓力差值稱為基質(zhì)吸力。林鴻州等(2007)研究了非飽和黏性土重塑試樣的土—水特征曲線和黏聚力—基質(zhì)吸力關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)黏性土的基質(zhì)吸力隨土體飽和度減小而增加，黏性土的黏聚力隨基質(zhì)吸力的增加先增加后減小，內(nèi)摩擦角隨基質(zhì)吸力的增加而增加。凹凸棒土顆粒對(duì)水的吸附性導(dǎo)致試樣黏土中的實(shí)際含水率減小，基質(zhì)吸力增大，而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，凹凸棒土顆粒對(duì)水的吸附程度逐漸增加，進(jìn)一步降低了素土中的實(shí)際含水率，基質(zhì)吸力繼續(xù)增加，使得改良試樣的黏聚力表現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。

3 機(jī)理分析

素土試樣SEM圖像見圖12。在放大倍率 350×下(圖12a)，素土試樣顆粒分明，黏土顆粒尺寸較平均，顆粒之間彼此膠結(jié)在一起，許多小孔隙均分布其中，存在少量大孔隙，整體結(jié)構(gòu)較為疏松。在放大倍率2300×下(圖12b)，黏土顆粒通過(guò)黏粒形成的膠結(jié)整體較為均勻，其間穿插許多孔隙。從圖13發(fā)現(xiàn)，凹凸棒土改良試樣中團(tuán)聚體大小不一，有不少團(tuán)聚體具有片狀、長(zhǎng)條狀的形態(tài)，這可能與凹凸棒土鏈片層狀的晶體結(jié)構(gòu)存在著一定聯(lián)系。團(tuán)聚體的形成主要是由凹凸棒土的吸附性決定的。凹凸棒土的吸附性按成因不同主要分為三類：物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附，其中由于凹凸棒土的比表面積較大，以物理吸附最為明顯。凹凸棒土顆粒相互交織形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)充當(dāng)團(tuán)聚體的骨骼，其吸附著周圍的土顆粒和水，增加了團(tuán)聚體的整體性。相較于素土試樣中土顆?！令w粒之間的均勻膠結(jié)，改良試樣中團(tuán)聚體—團(tuán)聚體之間的膠結(jié)具有更高的滑動(dòng)摩擦力和咬合摩擦力，使得凹凸棒土改良試樣的內(nèi)摩擦角顯著提高。

圖10 不同圍壓條件下各試樣組峰值偏應(yīng)力變化曲線a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa

圖11 不同凹凸棒土置換量和養(yǎng)護(hù)齡期條件下試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)a—黏聚力；b—內(nèi)摩擦角

圖12 素土試樣SEM圖像a—放大倍率350×；b—放大倍率2300×

圖13 6%凹凸棒土置換量試樣SEM圖像a—放大倍率430×；b—放大倍率2200×

4 結(jié)論

本次研究通過(guò)不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)評(píng)價(jià)了凹凸棒土在不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下改良黏性土的強(qiáng)度特性表現(xiàn)，并通過(guò)試樣改良前后的掃描電鏡圖像分析了凹凸棒土在改良土體中的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí)，凹凸棒土的摻入減小試樣的破壞應(yīng)變，提高了試樣的脆性；隨著凹凸棒土摻量的增加，試樣的峰值偏應(yīng)力和內(nèi)摩擦角顯著提升，內(nèi)摩擦角最高達(dá)到了30.43°，黏聚力降低，這表明凹凸棒土主要通過(guò)增加土體的內(nèi)摩擦角提高土體強(qiáng)度。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改良試樣的內(nèi)摩擦角顯著提升，這主要是由于凹凸棒土的摻入增加土體內(nèi)的團(tuán)聚體含量，而在團(tuán)聚體穩(wěn)定過(guò)程中，土顆粒間的咬合摩擦力和滑動(dòng)摩擦力逐漸提高，增加了試樣的內(nèi)摩擦角。

(3)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改良試樣的黏聚力表現(xiàn)為先增后降的趨勢(shì)，這主要是由于凹凸棒土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中對(duì)水的吸附程度逐漸增加，導(dǎo)致試樣中實(shí)際作用于黏土顆粒的水分減少，導(dǎo)致基質(zhì)吸力逐漸增加，引起的表觀黏聚力導(dǎo)致的。

注 釋

① 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.