石圳釗，劉發(fā)標(biāo)，王 勇*

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院，廣西 賀州 542800)

基坑在經(jīng)歷開挖過程后，地基土處于超固結(jié)狀態(tài)，土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，若處置不當(dāng)，會(huì)給建筑物帶來過量沉降或不均勻沉降等問題，造成嚴(yán)重的工程事故。因此，充分了解超固結(jié)作用下土體的固結(jié)特性，對(duì)控制建筑物的沉降有著重要意義[1-3]。

土體中的結(jié)合水是黏土顆粒與水溶液發(fā)生吸附作用的產(chǎn)物，物理和化學(xué)特性復(fù)雜，也是控制土顆粒形成黏性土稠度、塑性、膨脹、收縮等物理性質(zhì)及強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)的重要因素之一。吳謙等[4]結(jié)合等溫吸附和固結(jié)試驗(yàn)分析不同結(jié)合水含量下軟土的固結(jié)蠕變特性，當(dāng)固結(jié)壓力大于400 kPa，弱結(jié)合水開始排出，深入探討了軟土蠕變過程中結(jié)合水的內(nèi)在作用機(jī)制。李碩等[5]利用容量瓶和掃描電鏡試驗(yàn)，定量分析了固結(jié)蠕變過程中結(jié)合水和微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，蠕變過程由滲透結(jié)合水主導(dǎo)，存在荷載和結(jié)合水共同作用機(jī)制。肖樹芳等[6]采用掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)，運(yùn)用宏觀力學(xué)行為和微觀結(jié)構(gòu)定量分析方法，探究了結(jié)合水對(duì)軟土固結(jié)、蠕變的影響，結(jié)合水主要與固結(jié)過程的后面階段有關(guān)。師旭超等[7]通過新的固結(jié)滲透試驗(yàn)儀器，探究了軟黏土回彈變形中的吸水規(guī)律，卸荷后黏土土體的水量比固結(jié)沉降排出的水量小于10%。這些研究主要集中于固結(jié)蠕變的宏觀力學(xué)現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)變化的分析，土體的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起宏觀力學(xué)狀態(tài)的變化，土體的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)特性是相對(duì)應(yīng)的。

高嶺土在我國(guó)分布比較多，遇水膨脹和失水收縮給建筑、公路等工程帶來了嚴(yán)重的災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。本文以高嶺土為研究對(duì)象，通過宏觀、微觀試驗(yàn)相結(jié)合的方式探究超固結(jié)階段的固結(jié)特性，利用恒溫恒濕箱和核磁共振技術(shù)相結(jié)合的方法(以下稱臨界溫度法)，并通過核磁共振分析儀分析試驗(yàn)中結(jié)合水的變化，從結(jié)合水角度解釋超固結(jié)特性，研究高嶺土微觀結(jié)構(gòu)的演變與宏觀力學(xué)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)裝置

以重塑高嶺土為研究對(duì)象，基于核磁共振對(duì)氫流體敏感、高精確度、試樣無損的新型檢測(cè)技術(shù)[8]，將核磁共振試驗(yàn)和一維固結(jié)試驗(yàn)相結(jié)合。選用型號(hào)為MacroMR12-110H-I的核磁共振儀，使用直徑為110 mm的核磁線圈，磁體線圈溫度在28 ± 0.5 ℃區(qū)間，主磁場(chǎng)的強(qiáng)度是0.52 T，最多允許層數(shù)為32，回波個(gè)數(shù)為1 000 ms，前置放大器增益為1，脈搏90°為35 μs，脈搏180°為68 μs。固結(jié)儀為南京土壤廠生產(chǎn)的三聯(lián)中壓WG型單向壓縮儀。

固結(jié)試驗(yàn)裝置主要由固結(jié)滲透容器、加荷系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)3部分組成。自主研制的聚四氟乙烯材料的固結(jié)滲透容器示意圖如圖1所示，可在壓縮固結(jié)試驗(yàn)中放進(jìn)核磁共振分析儀測(cè)試土樣的結(jié)合水。固結(jié)滲透容器由環(huán)刀、受力件和固定器組成，確保試樣在核磁試驗(yàn)中保持應(yīng)力不變。加荷系統(tǒng)與傳統(tǒng)杠桿式高壓固結(jié)儀一樣。測(cè)量系統(tǒng)為上置的百分表，記錄試樣的垂直位移。

圖1 固結(jié)滲透容器示意圖

1.2 土樣基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)土使用商業(yè)高嶺土，顏色為灰白色。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)得其基本物性質(zhì)指標(biāo)和相對(duì)礦物含量分別如表1和表2所示。

表1 高嶺土土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 高嶺土的礦物相對(duì)含量 單位：%

1.3 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將土樣碾碎并過2 mm篩，放置烘箱中烘8 h，充分烘干土樣的水分。待土樣冷卻之后，按最優(yōu)含水率配置成相應(yīng)的土樣，放于密封袋中靜置48 h，使水分充分遷移，再次測(cè)得實(shí)際的含水率為17.58 %。利用靜壓法制備干密度為1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3的3組試樣，將3組不同干密度的試樣分別命名為A1、B2、C3。將制備好的試樣裝進(jìn)疊式飽和器后放入真空器內(nèi)，抽真空超過6 h后往桶里注入蒸餾水，然后將試樣浸泡48 h，確保試樣能夠充分飽和。

3組試樣進(jìn)行0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、200 kPa、100 kPa、0 kPa壓力下的一維固結(jié)回彈試驗(yàn)，每級(jí)壓力下百分表讀數(shù)1 h內(nèi)不超過0.01 mm時(shí)為固結(jié)完成，記錄下豎向位移并施加下一級(jí)壓力。待壓縮階段和回彈階段結(jié)束之后對(duì)試樣增加0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的壓力，進(jìn)行超固結(jié)階段試驗(yàn)。超固結(jié)階段的每一級(jí)固結(jié)壓力完成后將整個(gè)固結(jié)滲透容器進(jìn)行核磁共振掃描，再把固結(jié)滲透容器放回到加荷系統(tǒng)中，在原來的基礎(chǔ)上增加下一級(jí)荷載壓力，如此重復(fù)，直至最后一級(jí)荷載加載完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超固結(jié)階段不同壓力下的試驗(yàn)結(jié)果

在固結(jié)試驗(yàn)中，孔隙比是一個(gè)非常重要的參數(shù)，反映的是土體中孔隙體積與總體積的比值，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式(1)，孔隙比的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，不同干密度的試樣隨著固結(jié)壓力的增大，孔隙比減少且減少量比較少，說明試樣經(jīng)過壓縮之后，土中孔隙含量比較低，土體的超固結(jié)變形量少。

(1)

式中：e0為初始孔隙比；ei為某荷載再壓縮固結(jié)壓力下的孔隙比；d0為試樣初始高度，mm；Δdi為某荷載再壓縮固結(jié)壓力下試樣高度的變形量，mm。

孔隙率是評(píng)價(jià)土體孔隙水分遷移和滲透的重要參數(shù)，一般由孔隙比轉(zhuǎn)換獲得。通過圖2中e的變化獲得試驗(yàn)過程中孔隙率隨固結(jié)壓力變化的曲線圖，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。轉(zhuǎn)換公式為

(2)

式中：n為孔隙率；ei為某荷載再壓縮固結(jié)壓力下的孔隙比。

從圖3的變化曲線可以看出，隨著干密度的增大，在0～400 kPa壓力下試樣孔隙率的變化量越來越少，說明土體中孔隙的含量與初始的干密度有關(guān)，土體中可被壓縮的體積很少。

通過獲得試驗(yàn)孔隙比的變化曲線可知道土樣的孔隙體積變化情況，而要表示土體的壓縮行為則需要固結(jié)系數(shù)。固結(jié)系數(shù)表示的是土體在某應(yīng)力水平下，土體的壓縮量與土體初始體積之比，它與土體的水分狀況和應(yīng)力大小有關(guān)，因此，采用時(shí)間對(duì)數(shù)法計(jì)算得到的高嶺土試樣超固結(jié)過程受到不同壓力下的固結(jié)系數(shù)如圖4所示?？梢詫⒊探Y(jié)階段的固結(jié)系數(shù)曲線表現(xiàn)為2個(gè)階段：第1個(gè)階段，當(dāng)固結(jié)壓力小于前期固結(jié)壓力時(shí)，試樣的固結(jié)系數(shù)變化比較大；第2個(gè)階段，當(dāng)固結(jié)壓力大于前期固結(jié)壓力時(shí)，固結(jié)系數(shù)變形明顯較小。第1個(gè)階段相對(duì)小壓力只能使顆粒與顆粒的距離更加貼近，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了重組，導(dǎo)致固結(jié)系數(shù)變化量增大。而第2階段的固結(jié)壓力比前期固結(jié)壓力要大，該階段的固結(jié)系數(shù)變化量相對(duì)于第1階段還要小，說明此時(shí)土體孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

2.2 確定自由水和結(jié)合水的弛豫時(shí)間T2c

為了獲取核磁共振試驗(yàn)中結(jié)合水和自由水的分界點(diǎn)，需要確定他們的臨界弛豫時(shí)間T2，即T2c截止點(diǎn)。通過確定自由水和結(jié)合水的T2c截止點(diǎn)，可以定量地分析超固結(jié)階段自由水和結(jié)合水的含量。確定弛豫時(shí)間T2c截止點(diǎn)的方法有很多種，例如：Liang等[9]和Zhang等[10]通過“飽和-離心方法”確定T2c截止點(diǎn)；何攀等[11]利用結(jié)合水和自由水的可融點(diǎn)確定T2c截止點(diǎn)；Yuan等[12]利用黏土熱動(dòng)力臨界溫度檢測(cè)和驗(yàn)證獲得T2c截止點(diǎn)。本文基于臨界溫度法[12]對(duì)高嶺土的T2c截止點(diǎn)進(jìn)行估算，在25～70 ℃范圍內(nèi)脫去的水分子以游離的自由水為主，高嶺土自由水脫附的特征溫度為55 ℃左右[13-14]。鑒于此，為了獲得自由水和結(jié)合水的弛豫時(shí)間T2c截止點(diǎn)，將試樣分別在飽和狀態(tài)和55 ℃溫度下烘后進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)。首先，將飽和狀態(tài)進(jìn)行核磁共振測(cè)量，獲得飽和狀態(tài)的T2c時(shí)間分布曲線，其次將飽和試樣放進(jìn)設(shè)置溫度為55 ℃的烘箱中進(jìn)行烘至質(zhì)量穩(wěn)定，再將穩(wěn)定后的試樣進(jìn)行核磁共振測(cè)量，獲得55 ℃烘后的T2時(shí)間分布曲線，T2c截止點(diǎn)的計(jì)算方法如圖5所示。由于溫度對(duì)核磁共振測(cè)試結(jié)果影響很大，在溫度55 ℃烘干后把土樣置于盛有氯化鈣干燥劑的容器中冷卻至常溫。然后將峰值面積T2時(shí)間分布曲線轉(zhuǎn)換成累積T2曲線。在累積T2曲線中，縱坐標(biāo)表示不同時(shí)刻氫離子的信號(hào)幅值。由于信號(hào)幅值是一個(gè)無量綱的變量，累積信號(hào)曲線被格式化為總孔隙度[15-17]。通過獲得飽和狀態(tài)和55 ℃烘干后的累積T2曲線，對(duì)飽和狀態(tài)的累積T2曲線進(jìn)行垂直投影以及55 ℃烘干后的累積T2曲線進(jìn)行水平投影，兩條投影在T2軸上的交點(diǎn)就是T2c截止點(diǎn)。計(jì)算得到自由水和結(jié)合水的T2c截止點(diǎn)為3.37 ms。飽和狀態(tài)土樣和55 ℃烘后的T2曲線分布如圖5所示。

2.3 超固結(jié)階段的T2曲線

由核磁共振試驗(yàn)得到超固結(jié)階段不同干密度、不同固結(jié)壓力下試樣孔隙水變化規(guī)律如圖6所示，核磁共振技術(shù)獲得T2曲線的特性參數(shù)如表3所示?；诤舜殴舱裨囼?yàn)獲得的T2c截止點(diǎn)為3.37 ms，是高嶺土結(jié)合水和自由水的閾值。通過核磁共振獲得的T2曲線進(jìn)行劃分，求得自由水和結(jié)合水的變化曲線。自由水隨壓力的變化曲線如圖7所示，結(jié)合水隨壓力的變化曲線如圖8所示。

(a)A1的T2曲線 (b)B2的T2曲線

(c)C3的T2曲線

對(duì)于圖7自由水的變化情況，試樣在進(jìn)行試驗(yàn)過程中保持飽和狀態(tài)，認(rèn)為沒有氣體存在，且土樣的顆粒體積大小在一維固結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中保持不變，孔隙水不能被壓縮，被壓縮過程只有水被排出。由于自由水沒有范德華力作用，被擠壓排出的水是自由水。隨著壓力的增大核磁信號(hào)強(qiáng)度減少，其實(shí)是土體顆粒中自由水含量減少，因此，自由水含量隨著壓力的增加而不斷減少。

對(duì)于圖8結(jié)合水的變化情況，當(dāng)壓力小于前期固結(jié)壓力時(shí)，結(jié)合水的含量是先減少后增加，說明壓力小于前期固結(jié)壓力時(shí)，由于結(jié)合水的范德華力比自由水的大，且此時(shí)土體顆粒的固結(jié)系數(shù)變化量大，土體顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而影響了結(jié)合水的遷移和水膜的厚度，說明此時(shí)也有一部分結(jié)合水轉(zhuǎn)化成自由水排出；當(dāng)壓力大于前期固結(jié)壓力時(shí)，土顆?？紫侗粔旱酶用軐?shí)，更多的自由水被排出，結(jié)合水含量增多，結(jié)合水和土顆粒間存在范德華力作用，最終使土體顆粒的固結(jié)系數(shù)變化量小。

圖7 自由水隨固結(jié)壓力的變化曲線 圖8 結(jié)合水隨固結(jié)壓力的變化曲線

2.4 超固結(jié)階段試樣孔隙率和核磁信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比

核磁共振試驗(yàn)測(cè)試得的孔隙水分布面積如表3所示，將表3與固結(jié)試驗(yàn)獲得的孔隙率變化情況(如圖3所示)結(jié)合起來，得到核磁共振信號(hào)與孔隙率關(guān)系曲線圖如圖9所示。圖中虛線數(shù)據(jù)點(diǎn)表示核磁信號(hào)的總信號(hào)強(qiáng)度隨著壓力增加的變化情況，實(shí)線數(shù)據(jù)點(diǎn)表示孔隙率隨壓力增大的變化情況。超固結(jié)過程中孔隙率變化規(guī)律認(rèn)為是線性的，核磁共振的總信號(hào)也是呈線性規(guī)律變化，且兩者的變化基本吻合，說明通過核磁共振試驗(yàn)獲得的孔隙水變化能夠解釋固結(jié)試驗(yàn)壓縮過程的情況。

表3 不同干密度在不同壓力下T2曲線特性參數(shù)

2.5 超固結(jié)階段固結(jié)系數(shù)與結(jié)合水含量的關(guān)系

自由水在土顆粒表面處于游離的狀態(tài)，而結(jié)合水會(huì)與土顆粒表面通過氫鍵互相結(jié)合，具有較高的粘滯性，且結(jié)合水的范德華力比自由水的大，在一定壓力下不易被排出，說明孔隙變小時(shí)，孔隙中大部分自由水排出，留下吸附在顆粒表面的結(jié)合水，結(jié)合水對(duì)土顆粒壓縮有一定的影響。以初始干密度為1.50 g/cm3的試樣為例，固結(jié)系數(shù)和結(jié)合水含量隨超固結(jié)壓力的變化曲線如圖10所示。由圖可知，在0～200 kPa內(nèi)，結(jié)合水含量變化比較大，超固結(jié)系數(shù)的變化量比較大，在200～400 kPa內(nèi)，結(jié)合水含量變化比較小，超固結(jié)系數(shù)的變化量也比較小。隨著固結(jié)壓力的不斷增加，土中的孔隙含量不斷減少，小孔隙的含量迅速增加，這使得試樣中絕大部分的孔隙為結(jié)合水所占據(jù)，又隨著顆粒表面之間的接觸面變大，結(jié)合水的粘滯性增大，增強(qiáng)了顆粒表面結(jié)合水的黏聚，形成了以結(jié)合水為主。結(jié)合水主要吸附于土顆粒的表面，水分子與土顆粒結(jié)合，可將結(jié)合水與土顆粒視為整體，固結(jié)系數(shù)增加比較緩慢，固結(jié)變形為結(jié)合水在壓力作用下的行為所控制，說明結(jié)合水對(duì)超固結(jié)系數(shù)有一定的影響。

圖9 核磁共振信號(hào)與孔隙率關(guān)系曲線圖 圖10 固結(jié)系數(shù)和結(jié)合水含量隨超固結(jié)壓力的變化曲線

3 討 論

3.1 超固結(jié)中結(jié)合水的作用機(jī)制

在0～200 kPa階段，顆粒間隙和顆粒內(nèi)的孔隙含量比較多，這些孔隙往往比較大，易于被壓縮，自由水分布在大孔隙中且粘聚力基本為0；在200～400 kPa階段，土體顆粒相對(duì)密實(shí)，小孔隙含量變多，由于結(jié)合水占據(jù)大部分小孔隙，孔隙中自由水含量越來越少，結(jié)合水含量越來越多，結(jié)合水占主導(dǎo)作用[18-19]，導(dǎo)致高嶺土的比表面積增大，粒徑增大，使孔隙度降低，滲透性減小，高嶺土的滲透性隨著結(jié)合水含量的增加而減小。綜合結(jié)合水變化量和固結(jié)系數(shù)的變化趨勢(shì)來看(如圖10所示)，當(dāng)壓力沒有到達(dá)200 kPa時(shí)候，結(jié)合水含量是不斷變化的，且變化量比較大，固結(jié)系數(shù)的增量比較大，當(dāng)壓力超過200 kPa的時(shí)候，由于孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了重組，孔直徑變小，土體顆粒間的接觸面更加近，結(jié)合水含量雖然不斷減少，但是由于結(jié)合水與土顆粒之間的組成關(guān)系，導(dǎo)致后期變形階段中，固結(jié)系數(shù)不斷增加但變化比較小，固結(jié)完成的時(shí)間越來越快。當(dāng)固結(jié)壓力超過200 kPa的情況下，結(jié)合水影響固結(jié)變形的能力才顯現(xiàn)出來。因此，結(jié)合水是影響超固結(jié)變形特性的主要因素。

3.2 結(jié)合水對(duì)高嶺土超固結(jié)特性的機(jī)理

結(jié)合水主要是滲透吸附作用與范德華力相互作用而形成的水化膜，粘聚力比較強(qiáng)，在一定的荷載作用下，部分結(jié)合水吸附在土顆粒的范德華力比較弱，使得這部分結(jié)合水發(fā)生運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化成為自由水被排出(如圖8所示)，也使得土顆粒表面剩下的結(jié)合水更容易吸引較小的顆粒，填充了比較大的孔隙和一部分小孔隙，形成新的孔隙結(jié)構(gòu)，土顆粒更加密實(shí)。結(jié)合水的存在增加了高嶺土的吸附力和聚結(jié)力，有利于粒子之間的相互吸附和聚結(jié)，從而促進(jìn)高嶺土的固結(jié)過程。這也很好地反映了地基開挖回填過程中，都會(huì)經(jīng)過3～5次的碾壓，以提高填土的均勻性和密實(shí)度。結(jié)合水含量的變化是土顆粒和自由水排出兩者相互作用的結(jié)果，隨著超固結(jié)壓力的增大，更多的孔隙被壓縮，土顆?？紫兑蚤g粒及粒內(nèi)小孔隙為主，顆粒之間的距離極小，以至孔隙水越來越多以結(jié)合水形式存在，結(jié)合水所起的主導(dǎo)作用也越來越大，影響著超固結(jié)階段固結(jié)系數(shù)的變化情況，以及超固結(jié)階段完成固結(jié)的時(shí)間。

4 結(jié) 語

核磁共振技術(shù)測(cè)試的結(jié)果表明：自由水和結(jié)合水的T2c截止點(diǎn)為3.37 ms；隨著固結(jié)壓力的增大，自由水被排出，也有一部分結(jié)合水轉(zhuǎn)化成自由水被排出，但是結(jié)合水的含量呈不斷增多的趨勢(shì)，因此結(jié)合水與土顆粒之間的粘滯性增大，土顆粒結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。200 kPa壓力是土樣的前期固結(jié)壓力，當(dāng)p=200 kPa時(shí)土體中的結(jié)合水出現(xiàn)明顯改變；當(dāng)p<200 kPa時(shí)，結(jié)合水的含量由于孔隙結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的原因不斷變化，沒有形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，固結(jié)系數(shù)近似呈線性變化；當(dāng)p>200 kPa時(shí)，吸附在顆粒表面的結(jié)合水含量增多，顆粒與顆粒之間的粘結(jié)力更強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，結(jié)合水與土體顆粒形成一個(gè)整體抵抗外部壓力，固結(jié)系數(shù)增大且變化量微小，說明結(jié)合水的含量對(duì)固結(jié)系數(shù)有比較大的影響。