張 駿，郭 楊，陳小川，樂騰勝，高 坤，柯宅邦，奚邦祿

(1. 安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031； 2. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

硬黏土是第四紀(jì)的沉積物，一般為晚更新世及其以前沉積的黏性土，我國主要分布在河南中部、安徽中北部、湖北中北部等地區(qū)，其顏色多為黃褐色、紅褐色，稠度狀態(tài)為硬塑至堅(jiān)硬，含鐵錳結(jié)核，因含有較多的親水性礦物如蒙脫石、伊利石，而具有一定的膨脹性。在降水和地表水的共同影響下，硬黏土的低滲透性、非飽和性和膨脹性都會給工程建設(shè)帶來不利影響[1-2]。特別是硬黏土復(fù)雜的水理特性，經(jīng)歷干濕循環(huán)和持續(xù)浸泡作用后，其物理力學(xué)性質(zhì)均會發(fā)生較大改變，是目前的研究熱點(diǎn)。

針對硬黏土復(fù)雜的水理特性，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。陳留鳳等[3]針對硬黏土特性，設(shè)置多組干濕循環(huán)試驗(yàn)，以研究其土水特征演變規(guī)律；黃少平等[4]設(shè)置多組三軸壓縮試驗(yàn)，建立干濕循環(huán)與持續(xù)浸泡作用下重塑硬黏土強(qiáng)度劣化模型；汪時機(jī)等[5]利用CT 掃描和圖像處理技術(shù)對合肥膨脹性黏土的裂隙發(fā)育和演化過程進(jìn)行定量分析，并采用壓力板儀進(jìn)行土水特征曲線的干濕循環(huán)效應(yīng)試驗(yàn)；方瑾瑾等[6]利用非飽和土真三軸儀對不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹性黏土開展脫濕-吸濕試驗(yàn)、常吸力等向固結(jié)試驗(yàn)和常吸力真三軸剪切試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)對膨脹性黏土土-水特征曲線、脹縮特性、壓縮特性和強(qiáng)度特性的影響規(guī)律；張坤勇等[7]設(shè)計(jì)完全軟化強(qiáng)度試驗(yàn)，研究膨脹性黏土的完全軟化強(qiáng)度指標(biāo)在不同含水率、剪切速率下的變化規(guī)律，并與干濕循環(huán)作用下膨脹性黏土的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對比分析。上述研究工作為硬黏土的水理性質(zhì)研究奠定了基礎(chǔ)，但目前多集中于干濕循環(huán)作用下硬黏土的土水特征和強(qiáng)度特性變化規(guī)律研究，鮮有研究硬黏土在持續(xù)浸泡下的物理力學(xué)特性。對于岸坡硬黏土，相較于干濕循環(huán)作用，持續(xù)浸泡作用下的強(qiáng)度劣化更符合工程實(shí)際。因此，本文以引江濟(jì)淮合肥段岸坡硬黏土為研究對象，設(shè)計(jì)持續(xù)浸泡試驗(yàn)，結(jié)合三軸壓縮試驗(yàn)、礦物成分分析試驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和浸泡液離子含量試驗(yàn)，研究持續(xù)浸泡下硬黏土的強(qiáng)度劣化機(jī)制。

1 研究方案

本試驗(yàn)所用土樣為引江濟(jì)淮工程合肥段某施工現(xiàn)場的岸坡硬黏土。結(jié)合工程勘察資料，工程場地土層分布為耕土（層厚1.2 m，稍濕，稍密）、黏土（層厚9.8 m，硬塑）、中粗砂（層厚約10 m，未揭穿，濕，松散）。試驗(yàn)取土深度為5.0 m，位于黏土層，根據(jù)工程勘察資料，黏土層土體性質(zhì)均勻一致。土樣呈褐黃色，硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，局部含直徑0.5~3.0 mm 的球狀鐵錳結(jié)核，部分夾有厚度2~10 cm 的水平層狀淋濾鐵錳質(zhì)浸染。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)獲取土樣的基本物理性質(zhì)如下：天然含水率21.6%、天然密度2.01 g/cm3、塑限27.1%、液限50.9%、孔隙比0.70、自由膨脹率57%、最優(yōu)含水率20.8%、最大干密度1.71 g/cm3、飽和含水率25.3%。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[8]，利用削土工具將土樣切削為直徑39.1 mm、高80 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣（圖1）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig. 1 Standard samples

為了控制變量及排除外部因素的干擾，選取純水作為浸泡液。持續(xù)浸泡7 組共28 個試樣，分別浸泡10、20、30、60、90、180 d，并以未浸泡組為初始對照組，每組設(shè)置4 個相同試樣。為了保持試樣完整性，將所有試樣編號后置于飽和器中持續(xù)浸泡。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[8]，采用抽氣飽和法，在真空飽和缸內(nèi)抽氣2 h 飽和后，保持真空度為100 kPa，開始進(jìn)行持續(xù)浸泡試驗(yàn)。

將完成預(yù)定浸泡時長的試樣用橡膠膜包裹后，采用GDS 土三軸儀，分別進(jìn)行圍壓100、200、300 kPa 的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)（CU），固結(jié)完成后，開始剪切試驗(yàn)，加載速率0.4 mm/min，當(dāng)試樣完全破壞或者軸應(yīng)變達(dá)到15%時，試驗(yàn)停止。

將剩下的7 個試樣只進(jìn)行持續(xù)浸泡試驗(yàn)，浸泡完成后在常溫下自然風(fēng)干48 h[9]，各取具有代表性的新鮮面作為掃描面進(jìn)行切片制樣，利用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測試，并將各組風(fēng)干后的塊狀土樣碾磨至粉末狀過0.075 mm 篩，利用X 射線衍射分析儀進(jìn)行礦物成分分析試驗(yàn)。

將各組達(dá)到持續(xù)浸泡時長后的浸泡液利用離子色譜儀進(jìn)行浸泡液離子質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 持續(xù)浸泡下硬黏土強(qiáng)度與變形特征

對經(jīng)歷不同持續(xù)浸泡時長后的試樣開展三軸壓縮試驗(yàn)，基于試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制硬黏土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（圖2），并進(jìn)行對比分析。由圖2 可知，同一圍壓下，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，產(chǎn)生相同軸向應(yīng)變時的偏應(yīng)力明顯減小，且曲線趨于平穩(wěn)階段出現(xiàn)越晚。由此可知，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，硬黏土的強(qiáng)度呈不斷劣化趨勢。與初始對照組相比，持續(xù)浸泡時長在30 d 內(nèi)時，強(qiáng)度折減較大，30 d 后，強(qiáng)度折減不明顯。

圖2 不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves under different confining pressures

圖2 還表明硬黏土屬于彈塑性材料，基于摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則建立強(qiáng)度包絡(luò)線，繪制應(yīng)力莫爾圓，獲取不同持續(xù)浸泡時長下的硬黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，硬黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈持續(xù)降低趨勢。黏聚力和內(nèi)摩擦角的持續(xù)降低顯示硬黏土強(qiáng)度的劣化，為了表征持續(xù)浸泡下硬黏土的劣化機(jī)制，引入劣化系數(shù)ξn和δn，ξn表示不同持續(xù)浸泡時長下的黏聚力與初始對照組的比值，δn表示不同持續(xù)浸泡時長下的內(nèi)摩擦角與初始對照組的比值，對所得結(jié)果進(jìn)行曲線擬合（圖3）。

表1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab. 1 Shear strength parameters

圖3 劣化系數(shù)ξn、δn 隨浸泡時長變化關(guān)系Fig. 3 Variation of deterioration coefficients ξn and δn with soaking time t

擬合曲線可得硬黏土不同持續(xù)浸泡時長下的劣化關(guān)系式：

由上述分析可知：隨著持續(xù)浸泡時長的增加，ξn和δn值均呈指數(shù)減小的趨勢；持續(xù)浸泡時長30 d 內(nèi)，下降速率較大，劣化作用較強(qiáng)，30 d 后趨于平緩，劣化作用減弱。

2.2 持續(xù)浸泡下硬黏土礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)特征

對經(jīng)歷不同持續(xù)浸泡時長的試樣進(jìn)行X 射線衍射分析試驗(yàn)（XRD），試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。通過對硬黏土的礦物成分進(jìn)行半定量分析，獲得組成土體主要礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中初始對照組（0 d）的主要礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：蒙脫石26.6%、伊利石12.1%、高嶺石5.7%、石英21.9%、長石16.1%、方解石7.6%。

圖4 XRD 分析圖譜Fig. 4 X-ray diffraction analysis pattern

硬黏土的礦物成分主要有石英、長石、方解石及黏土類礦物（蒙脫石、伊利石和高嶺石）。其中黏土類礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)44.4%，黏土類礦物中又以蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，伊利石次之，高嶺石最小。

通過對不同持續(xù)浸泡時長的試樣進(jìn)行礦物成分半定量分析可知，石英、長石、黏土類等難溶礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎沒有變化，方解石這類可溶礦物隨持續(xù)浸泡時長增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢如圖5 所示。由圖5 可知，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)降低趨勢，30 d 內(nèi)下降速度較快，30 d 后下降速度減緩，且逐漸趨于平穩(wěn)。方解石在水中發(fā)生溶蝕作用后主要產(chǎn)生Ca2+，而方解石作為硬黏土的礦物成分之一，在水中溶蝕后，會在礦物顆粒間形成空隙，使土體強(qiáng)度劣化。

圖5 方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢Fig. 5 Trend of mass fraction of calcite

為了進(jìn)一步分析硬黏土持續(xù)浸泡后的強(qiáng)度劣化機(jī)制，本文利用掃描電鏡獲得了不同浸泡時長下的試樣表面微孔隙特征，再利用Image Pro Plus（IPP）軟件分析試樣內(nèi)部孔隙的疏密及大小隨持續(xù)浸泡時長的變化規(guī)律[10-12]。圖6 為1 000 倍下試樣微觀結(jié)構(gòu)圖及經(jīng)IPP 軟件處理后的二值化圖。

圖6 SEM 與二值化圖Fig. 6 Scanning electron microscopy and binarization figure

由圖6 可知，初始對照組的試樣表面整體較為光滑且結(jié)構(gòu)較緊密，僅分布有少量的微孔隙和裂隙（圖6 (a)）；持續(xù)浸泡10 d 后，試樣表面開始變得粗糙，且形成了眾多微孔隙，結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生破壞（圖6 (b)）；持續(xù)浸泡20 d 后，試樣表面開始出現(xiàn)較大的孔隙，寬8~10 μm（圖6 (c)）；持續(xù)浸泡30 d 后，試樣表面大孔隙數(shù)量進(jìn)一步增加，孔隙寬10~15 μm，同時開始出現(xiàn)散落分布的片/粒狀集合體（圖6 (d)）；持續(xù)浸泡60 d 后，試樣表面大孔隙寬度增加不再明顯，試樣表面開始變得光滑，出現(xiàn)一定程度的軟化現(xiàn)象（圖6 (e)）；持續(xù)浸泡90 d、180 d 后，試樣表面無明顯變化（圖6 (f)、(g)）。

此外，采用IPP 軟件對兩組試樣表面孔隙率進(jìn)行半定量計(jì)算，獲取二維可視孔隙率，變化趨勢如圖7 所示。

圖7 二維孔隙率變化趨勢Fig. 7 Two dimensional porosity trend

由圖7 可知，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，試樣表面二維可視孔隙率呈對數(shù)增加趨勢，30 d 內(nèi)增加速度較快，30 d 后增速減緩并趨于平穩(wěn)。

為了驗(yàn)證上述XRD 的試驗(yàn)結(jié)果，即方解石含量隨持續(xù)浸泡時長增加呈指數(shù)降低的趨勢，設(shè)置浸泡液離子質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)分析試驗(yàn)，利用離子色譜儀測試不同浸泡時長浸泡液中的離子質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 浸泡液離子質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)Tab. 2 Ion mass volume concentration of soaking solution

由表2 可知，主要測得4 種離子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+，其中Na+、K+、Mg2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)極微，可忽略不計(jì)，Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)較高。根據(jù)礦物溶解性可知，石英、長石、黏土類礦物均為難溶于水的礦物，而方解石發(fā)生溶蝕作用可產(chǎn)生Ca2+，故可假設(shè)所測得Ca2+全部來自于方解石的溶蝕作用，對Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)隨持續(xù)浸泡時長增加的變化趨勢進(jìn)行擬合（圖8）。

圖8 Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)變化趨勢Fig. 8 Trend in calcium ion mass volume concentration

由圖8 可知，隨著持續(xù)浸泡時長增加，浸泡液中Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)呈對數(shù)增加的趨勢，且30 d 內(nèi)增加速度較快，30 d 后增加速度減緩，且趨于平穩(wěn)。試驗(yàn)結(jié)果與上述礦物含量分析試驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)，持續(xù)浸泡會導(dǎo)致硬黏土中的方解石產(chǎn)生溶蝕作用，導(dǎo)致土體強(qiáng)度劣化。

3 硬黏土強(qiáng)度劣化機(jī)制分析

試驗(yàn)所用硬黏土的自由膨脹率為57%，根據(jù)規(guī)范[13]，屬于中等偏弱膨脹土，在浸泡過程中觀察到飽和器截面處的土樣發(fā)生了一定程度的膨脹變形。同時，通過X 射線衍射分析試驗(yàn)可知，硬黏土的礦物組成中黏土類礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)44.4%，其中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)26.6%，伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)12.1%。這兩種礦物具有很強(qiáng)的親水性，遇水后會發(fā)生水化膨脹，導(dǎo)致體積增大。蒙脫石親水性強(qiáng)，其膨脹性主要表現(xiàn)為礦物晶層發(fā)生滲透性膨脹，即“粒內(nèi)膨脹”作用；蒙脫石吸水膨脹后體積增加較大，會增至原來的10 倍。伊利石同樣具有很強(qiáng)的親水性，其膨脹性主要表現(xiàn)為水分不易進(jìn)入礦物晶格內(nèi)，只造成礦物顆粒外表面的水化膨脹，即“粒間膨脹”，導(dǎo)致晶層間的連接力變?nèi)?。伊利石吸水膨脹后體積增加較小，僅增加至原來體積的1.5 倍左右[14-16]。

由掃描電鏡試驗(yàn)可知，初始對照組試樣表面分布許多微孔隙，當(dāng)試樣浸泡在水中時，水分通過土體表面微孔隙進(jìn)入土體內(nèi)部。上述兩種親水性黏土礦物在遇水后會產(chǎn)生較大的體積膨脹，尤其是質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的蒙脫石，土體在兩種膨脹應(yīng)力作用下孔隙會進(jìn)一步擴(kuò)大，礦物顆粒間的黏結(jié)力也會減弱，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度發(fā)生劣化。由于兩種黏土礦物遇水后的膨脹體積有限，這也就解釋了持續(xù)浸泡時長小于30 d，土體表面微孔隙尺寸不斷擴(kuò)大，而30 d 后孔隙大小幾乎不變的原因，即黏土礦物膨脹體積在30 d 后達(dá)到峰值。故持續(xù)浸泡30 d 后偏應(yīng)力相差不大，強(qiáng)度劣化不明顯。

由X 射線衍射分析試驗(yàn)可知，硬黏土的礦物組分中還含有方解石，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)7.6%。方解石作為碎屑礦物通常在巖土體內(nèi)部充當(dāng)粗顆粒的“骨架”[17-19]。由上文試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著持續(xù)浸泡時長增加，試樣內(nèi)方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)減小趨勢，且30 d 內(nèi)減小速度較快，30 d 后減小速度放緩，逐漸趨于平穩(wěn)。結(jié)合上述分析可知，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，土體表面微孔隙率增加，孔隙尺寸增大，水分通過孔隙進(jìn)入土體內(nèi)部與充當(dāng)“骨架”的方解石發(fā)生溶蝕反應(yīng)，在土體內(nèi)部產(chǎn)生微型孔洞。一方面溶蝕會形成微型孔洞，另一方面親水性黏土礦物膨脹會造成孔隙增大，進(jìn)一步導(dǎo)致水分與方解石的接觸面積增大，從而促進(jìn)了方解石溶蝕反應(yīng)的進(jìn)行。最后通過浸泡液離子質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)測試，測得浸泡液中存在微量的Ca2+，Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)隨浸泡時長增加，呈對數(shù)增大趨勢，且30 d 內(nèi)增速較快，30 d 后增速放緩，逐漸趨于平穩(wěn)。試驗(yàn)結(jié)果與孔隙變化趨勢相對應(yīng)。

綜上所述，持續(xù)浸泡后硬黏土強(qiáng)度劣化主要原因是由親水性黏土礦物吸水膨脹導(dǎo)致土體內(nèi)部微孔隙尺寸變大，黏結(jié)力減弱；次要原因是由土體內(nèi)部充當(dāng)“骨架”作用的碎屑礦物方解石遇水后發(fā)生溶蝕。溶蝕和膨脹造成的孔隙擴(kuò)大，會進(jìn)一步增大水分與親水性黏土礦物和方解石的接觸面積，導(dǎo)致孔隙繼續(xù)擴(kuò)大，強(qiáng)度也進(jìn)一步劣化。

4 結(jié) 語

（1）持續(xù)浸泡下硬黏土強(qiáng)度會發(fā)生劣化，隨著持續(xù)浸泡時長的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈持續(xù)降低趨勢，且持續(xù)浸泡時長在30 d 內(nèi)時，劣化作用較強(qiáng)，30 d 后趨于平緩，劣化作用減弱。

（2）硬黏土中黏土類礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)44.4%，其中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，伊利石次之，高嶺石最小。隨持續(xù)浸泡時長的增加，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)降低趨勢，且30 d 內(nèi)降低速度較快，30 d 后降低速度減緩，逐漸趨于平穩(wěn)。隨著持續(xù)浸泡時長的增加，試樣表面微孔隙數(shù)量增多，尺寸增大，試樣表面二維可視孔隙率呈對數(shù)增加趨勢，30 d 內(nèi)增速較快，30 d 后增速減緩，且逐漸趨于平穩(wěn)。

（3）離子浸泡液中Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)較高；隨著持續(xù)浸泡時長增加，浸泡液中Ca2+質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)呈對數(shù)增加趨勢，30 d 內(nèi)增速較快，30 d 后增速減緩，且逐漸趨于平穩(wěn)。

（4）持續(xù)浸泡后硬黏土強(qiáng)度劣化是由親水性黏土礦物吸水膨脹和土體內(nèi)部充當(dāng)“骨架”的碎屑礦物方解石遇水溶蝕共同導(dǎo)致的。膨脹和溶蝕會導(dǎo)致孔隙進(jìn)一步增大，水分與親水性黏土礦物、方解石接觸面積也增大。兩種因素相互協(xié)同促進(jìn)，導(dǎo)致硬黏土內(nèi)部微孔隙數(shù)量增多，尺寸增大，造成土體骨架破壞使強(qiáng)度劣化。