蒙脫石含量對粉質黏土填料壓實和強度的影響

樂紅志 羅強 周鑫 劉宏揚 吳鵬

（1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

含有較多黏粒的粉質黏土填筑的路基易發生失穩滑移、崩塌等病害。在黏粒含有的幾種黏土礦物中，蒙脫石對粉質黏土的工程性質影響最為顯著。隨著蒙脫石含量的提高，土體壓實性顯著變差，強度明顯下降。

邵梧敏等［1］對我國十余省市的膨脹土進行礦物組成分析，發現在強膨脹土中以蒙脫石為主要黏土礦物的占絕大多數，膨脹性黏土礦物含量是影響膨脹土工程性質的重要因素。周暉等［2］對由單一礦物組成的細顆粒黏土、多種礦物混合形成的人工細顆粒黏土、天然軟土進行了快剪試驗，發現黏土中某種細顆粒黏土礦物含量越高，混合土試樣的強度特性越接近該黏土礦物，若某種細顆粒黏土礦物含量超過一定限值，混合土試樣的強度特性則由該細顆粒黏土礦物決定。金銀富等［3］采用多種黏土礦物，按不同質量比例混合制備重塑土樣，進行了室內一維標準壓縮試驗，發現蒙脫石、伊利石、高嶺石混合土樣的壓縮指數、回彈指數隨蒙脫石含量的增加而增大，且蒙脫石的作用占主導地位。趙高文等［4］測定添加蒙脫石黏性土土樣的分散性，隨鈉基蒙脫石的增加土樣分散性增強、水穩性下降，隨鈣基蒙脫石的增加土樣分散性下降、水穩性增強。綜上所述，許多學者主要聚焦于不同種類礦物對黏性土的影響，或者是蒙脫石對黏性土分散性等的影響。而蒙脫石含量對粉質黏土壓實特性以及強度特性的影響規律目前研究很少。

本文將一種不含蒙脫石的低液限粉質黏土作為基土，開展不同含水率、垂直壓力、壓實系數下的直剪試驗，研究粉質黏土抗剪強度隨蒙脫石含量的變化規律。運用一種以凸面形態構成接觸面的微觀模型，分析蒙脫石黏粒對粉質黏土抗剪強度影響的微觀機理。采用偏相關分析方法對影響抗剪強度的4 個因素（蒙脫石含量、垂直壓力、含水率、壓實系數）逐一進行評價。

1 試驗土樣和方案

1.1 試驗土樣制備

為排除因土體微觀結構不同引起的土性差異，試驗過程中保持土樣的粗顆粒組、細顆粒組比例分別為8%，92%。配制的基土、蒙脫石的礦物成分見表1，基土的主要礦物成分為石英、長石、閃石，不含蒙脫石。基土、蒙脫石的物理性質指標見表2，基土中粒徑0.075～0.005 mm 粉粒高達77.1%。采用液限、塑限聯合測定法測得基土塑性指數為9.3，接近粉質黏土塑性指數的下限。用蒙脫石黏粒等量置換基土中的部分細顆粒，制備蒙脫石含量M分別為0，10%，20%，30%，40%，50%的試驗土樣，見表3。試驗所用蒙脫石黏粒中蒙脫石成分高達90%，塑性指數為55.7，粒徑小于0.005 mm黏粒占70.5%。

表1 基土與蒙脫石礦物成分 %

表2 基土與蒙脫石物理性質指標

表3 試驗土樣制備方案

1.2 試驗方案

1）界限含水率試驗。制備如表3 所列6 種蒙脫石含量的試樣，依次測定試樣的液限、塑限。

2）擊實試驗。針對蒙脫石含量0，10%，20%，30%的粉質黏土試樣，在試樣塑限附近選擇依次相差2%的含水率，各配制至少5 個不同含水率的試樣。密封靜置過夜，利用電動擊實儀進行重型Z1擊實試驗。

3）直剪試驗。采用壓樣法制備直徑61.8 mm、高20 mm的試樣，以0.01mm∕min的速率在電動直剪儀上剪切。每次剪切前，將試樣在對應的垂直壓力下固結12 h，試樣固結變形不大于0.01 mm∕h 時認為固結達到穩定。飽和試樣在固結之前采用真空飽和方式12 h后再進行固結、剪切。蒙脫石含量0，10%，20%，30%的粉質黏土試樣采用壓實系數0.92，0.96，最優含水率wopt和飽和含水率wsat并控制垂直壓力P為100，300 kPa進行了8組共32個試樣的剪切試驗。

2 蒙脫石含量對液限、塑限的影響

測定蒙脫石含量0，10%，20%，30%，40%，50%粉質黏土試樣的塑限wP、液限wL，試驗結果見圖1，圖中wL10為10 mm 液 限，wL17為17 mm 液 限。可 知，wL10和wL17均隨蒙脫石含量的增加而增大。wP也隨蒙脫石含量增加不斷增大，但是相對wL而言增加平緩。利用wL10計算的塑性指數IP10與wL10之間呈線性正相關性，Ip10= 0.55wL10-5.77，相關系數為0.978。這一結果與文獻［5-6］的試驗結果一致。

圖1 wL，wP與蒙脫石含量的關系

3 蒙脫石含量對壓實特性影響

利用圖1結果經計算可知，M＝30%時IP10＝21.2，此時已經超過了粉質黏土塑性指數上限。因此，后續試驗不再包括40%，50%兩種情況。對蒙脫石含量0，10%，20%，30%的試樣進行擊實試驗，最優含水率wopt、最大干密度ρdmax及孔隙比e隨蒙脫石含量變化曲線見圖2。

圖2 wopt、ρdmax、e與蒙脫石含量的關系

由圖2可知，M≤10%時試樣wopt和ρdmax基本保持不變。這是由于蒙脫石含量較低時，試樣性質主要由優勢含量的粉粒控制，蒙脫石影響不顯著；M>10%后，蒙脫石含量對試樣壓實特性有明顯影響。隨著蒙脫石含量M的增大，wopt不斷增大，ρdmax逐漸減小。關于黏性土的擊實已有豐富的實踐經驗，許多學者認為黏性土的wopt約為其wP，李文平等［7］對黏性土吸附結合水量進行了定量分析，發現吸附強結合水量wf＝0.885wp，由此可知，黏性土wopt隨吸附強結合水量增多而變大。蒙脫石常帶有強烈負電且比表面積遠大于石英、長石，故吸附強結合水量大，因此試樣的wopt隨蒙脫石含量提高而增大。由圖2可知，試樣e隨蒙脫石含量增加而加速增大，因此試樣的ρdmax隨蒙脫石含量增加而降低。

4 蒙脫石含量對抗剪強度的影響

4.1 抗剪強度隨蒙脫石含量變化規律

蒙脫石含量0，10%，20%，30%粉質黏土試樣的直剪試驗結果見圖3。

圖3 抗剪強度變化曲線

由圖3 可知：垂直壓力300 kPa 時，無論壓實系數采用0.92還是0.96，試樣抗剪強度都隨蒙脫石含量的增大而減小。經過飽和處理后，抗剪強度隨蒙脫石含量增大表現出良好的線性衰減關系。垂直壓力100 kPa 時，對于不同壓實系數和含水率的試樣，蒙脫石含量對抗剪強度影響呈小幅衰減趨勢。蒙脫石含量增加對粉質黏土抗剪強度的衰減效應受垂直壓力影響較大，表現出隨垂直壓力增大，強度衰減效應較明顯。

4.2 蒙脫石含量對摩擦角及黏聚力影響

根據圖3 試驗結果，可得4 種蒙脫石含量下粉質黏土的摩擦角與黏聚力變化曲線見圖4。可知，試樣摩擦角隨蒙脫石含量的增大而減小。且試樣經過飽和處理后，摩擦角隨蒙脫石含量提高表現出明顯的線性衰減關系。2 種壓實系數的試樣在最優含水率狀態下，黏聚力與蒙脫石含量間關系尚不明顯，但經過飽和處理后，試樣黏聚力隨蒙脫石含量提高呈線性增大趨勢。

圖4 抗剪強度參數變化曲線

4.3 粉質黏土強度特性分析

粉質黏土抗剪強度與各種宏觀物理狀態參數密切相關，但是宏觀物理性質改變究其根本是由微觀性狀決定的。細粒土強度主要受土顆粒表面性質、結合水膜性質、黏聚作用共同影響。

4.3.1 粒間摩擦作用

采用凸面接觸微觀模型分析粒間摩擦作用形成的抗剪強度，認為顆粒間以凸起形態形成接觸面，接觸面上附著結合水膜，黏土顆粒間接觸模式見圖5。

圖5 土體顆粒間接觸模式

圖5 中δ為顆粒直接接觸面積百分比，A為總接觸面積，N，T依次為顆粒間法向作用力、切向作用力。顆粒接觸形成的摩擦強度τ、摩擦系數μ計算式為

式中：τm為顆粒間直接接觸強度；τc為吸附結合水膜接觸強度；φu為顆粒間純滑動摩擦時的內摩擦角；σ 為法向接觸應力。

由式（1）可知，摩擦強度τ主要由粒間直接接觸強度和結合水膜接觸強度共同形成，當σ恒定時，顆粒間接觸面性質和結合水膜特性決定了τ大小。蒙脫石、石英與長石等礦物物理力學特性見表4，其中蒙脫石質地光滑，顆粒間摩擦效應小于石英長石，因而形成的直接接觸強度τm較小。蒙脫石粒徑小且離子交換容量大，形成結合水膜厚度大，雖然試樣剪切過程中顆粒重新排列會使得接觸面積略微增大，但δ較石英、長石等非黏土礦物小。由此可知，蒙脫石含量的增加會導致試驗試樣摩擦強度減小。

表4 礦物顆粒物理力學特性

4.3.2 粒間黏聚作用

除了粒間摩擦形成的抗剪強度以外，吸附及咬合作用形成的黏聚力c也是抗剪強度重要組成部分。蒙脫石離子交換容量大導致雙電層厚度較大，顆粒間雙電層重疊形成很厚的公共結合水膜，通過陽離子使相鄰兩顆粒相向吸引形成強烈吸附作用，宏觀上表現為較大黏聚力。對于基土，其主要礦物石英、長石屬于非黏土礦物，比表面積與離子交換容量小，形成吸附結合水膜厚度小，黏聚力主要來源于顆粒幾何堆積形成的咬合作用，或在顆粒間接觸壓力下形成的摩擦強度（假黏聚力），其值較蒙脫石小。

綜上所述，土的抗剪強度τf由粒間摩擦強度τ和黏聚力c組成，即τf=τ+c，其中，摩擦強度τ隨蒙脫石含量提高而降低，黏聚力c則相反。因此，在試樣承受的垂直壓力較小時，蒙脫石含量對抗剪強度τf影響尚不明顯；隨著垂直壓力逐漸增大，摩擦強度τ在抗剪強τf中發揮重要影響，蒙脫石含量增大導致的抗剪強度衰減效應較顯著。

4.4 影響因素偏相關分析

當試驗影響因素較多時，采用簡單相關系數衡量單個因素的重要程度操作簡便，但其受其他因素的影響，反映的往往是表面的非本質聯系。偏相關系數［8-9］是在扣除其他因素影響條件下，衡量單個因素與目標值（抗剪強度）之間凈相關關系的指標，偏相關系數絕對值越大相關程度就越高。直剪試驗數據見表5。

表5 直剪試驗數據

偏相關分析方法如下：

1）計算簡單相關系數。計算偏相關系數時將τf簡記為f，抗剪強度τf與4 個影響因素之間的簡單相關系數rfi（零階偏相關系數）計算公式為式中：i依次取p，w，M，K；σf和σi分別為τf與i的標準方差；Cov(f，i)為τf與i協方差。

2）計算1，2，3階偏相關系數。計算偏相關系數時控制因素個數即為偏相關系數階數，且任意n階（n≥1）偏相關系數都可以使用3 個（n-1）階偏相關系數計算得到。將3個對應簡單相關系數代入式（3）可得τf與4個影響因素i之間1階偏相關系數rfi，j，計算式為

式中：rij，rfj分別為i與j，f與j之間的簡單相關系數。

同理，將3 個對應的1 階、2 階偏相關系數代入式（4）可得4 個影響因素的2 階、3 階偏相關系數rfi，jk和rfi，jkh，計算式見式（5）、式（6），式中i，j，k，h分別取4 個影響因素p，w，M，K的組合。

根據式（6）計算得到4 個影響因素對應的3 階偏相 關 系 數，從 大 到 小 依 次 為：rfp，wCK= 0.948，rfw，pCK=-0.881，rfC，pwK= -0.034，rfK，pwC= 0.019。

3）偏相關系數顯著性檢驗。偏相關系數的顯著性檢驗采用t檢驗方法，統計量ti服從t分布，其計算式見式（7），其中樣本數量n=32，可控制變量數s=3，自由度n-s-2=27。

根據ti可得各影響因素對應的顯著性水平α，值越小可靠性越高。各影響因素的偏相關系數、顯著性水平、自由度見表6。可知，垂直壓力、壓實系數與抗剪強度之間為正相關，含水率、蒙脫石含量表現出負相關性。各因素對抗剪強度影響的重要程度依次為垂直壓力、含水率、蒙脫石含量壓實系數。

表6 試樣抗剪強度偏相關分析

5 結論

1）蒙脫石含量對粉質黏土物性指標及壓實參數有顯著影響，其變化趨勢呈非線性。試驗表明，隨蒙脫石含量提高，粉質黏土的液塑限顯著增大，且塑性指數與液限間存在良好線性關系；同時，其最大干密度相應減小、最優含水率增大，蒙脫石含量超過10%后變化愈加顯著。

2）粉質黏土中蒙脫石含量增加，相同條件下土體抗剪強度逐漸衰減，高垂直壓力下的衰減效應更為明顯。試樣飽和處理后，內摩擦角、黏聚力隨蒙脫石含量提高分別呈現良好的線性減小、增大趨勢；最優含水率狀態下，內摩擦角大體上隨蒙脫石含量增加而減小，黏聚力隨蒙脫石含量變化規律不顯著。基于凸面接觸微觀模型分析表明，較多的蒙脫石將產生粒間摩擦減小和黏聚作用提高的效應，其中粒間摩擦作用將隨接觸應力增大而趨于顯著，導致抗剪強度衰減更加明顯。

3）基于偏相關分析方法，開展的影響粉質黏土抗剪強度多因素敏感性分析表明，抗剪強度與蒙脫石含量、含水率呈負相關性，與垂直壓力、壓實系數呈正相關性。垂直壓力影響最為顯著，其次為含水率和蒙脫石含量，壓實系數相對較弱。