黏粒對(duì)紅黏土微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響

李蜀江，陶 騫，王慶豐，羅力夫，王良玉，萬(wàn)明貴，劉秋林

（中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司，成都 610000）

紅黏土是一種特殊性土，作為建筑地基、建筑介質(zhì)等在工程建設(shè)中運(yùn)用的越來(lái)越多[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量工程都面臨著紅黏土特殊的物理特性問(wèn)題[2]。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)紅黏土的研究也越來(lái)越廣泛。在對(duì)紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)研究中，張慧穎等[3]利用X-熒光光譜儀、掃描電子顯微鏡對(duì)昆明紅黏土的微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成進(jìn)行了探討，研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致紅黏土有較高的液塑限是因?yàn)榧t黏土中的膠結(jié)物游離氧化鐵具有較強(qiáng)的水化能力。紅黏土中的單元粒團(tuán)導(dǎo)致土體具有高含水率。陳然等[4]為了研究滲透系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，對(duì)紅黏土真空飽和、恒溫干燥后進(jìn)行干濕循環(huán)，從微觀條件下觀察不同循環(huán)次數(shù)下孔隙的分布特點(diǎn)。在對(duì)紅黏土的力學(xué)及工程性質(zhì)的研究中，譚羅榮等[5]為了詳細(xì)解釋紅黏土在工程力學(xué)性質(zhì)中的不可逆性，提出了土體膠結(jié)結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)膠結(jié)離團(tuán)解釋了紅黏土的特殊工程性能。談云志等[6]以壓實(shí)紅黏土為研究對(duì)象，提出限制膨脹法，從微觀角度探究不同狀態(tài)對(duì)紅黏土膨脹力的影響機(jī)制。方薇等[7]通過(guò)三軸試驗(yàn)，固結(jié)試驗(yàn)及膨脹試驗(yàn)對(duì)武廣紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變、固結(jié)變形和脹縮變形進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)紅黏土具有超固結(jié)性、固而不密，固結(jié)反剖面特性，中等壓縮性，其膨脹性較小而收縮性較強(qiáng)等變形特性。黃翔等[8]對(duì)紅黏土進(jìn)行不排水三軸試驗(yàn)，討論剪切帶形成的條件。試驗(yàn)結(jié)果表明在三軸試驗(yàn)中，剪切帶分為單一型、次單一型、雙縫T 型和多縫型4 種。孟曉宇等[9]對(duì)江西新鄉(xiāng)紅黏土在不同物態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究在不同含水率和固結(jié)圍壓條件下，紅黏土破壞動(dòng)應(yīng)力-破壞振次關(guān)系、動(dòng)黏聚力和動(dòng)內(nèi)摩擦角、動(dòng)應(yīng)變-動(dòng)彈性模量關(guān)系以及阻尼比的變化規(guī)律。董金玉[10]、趙亞文[11-12]、蒲黍絛[13]、羅文俊等[14]均對(duì)紅黏土在不同含水率作用下進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，紅黏土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力均減小。給出了黏聚力和內(nèi)摩擦角的推薦范圍值。

黏粒是紅黏土的一種重要組成物質(zhì)，在紅黏土中含量較大。桂林紅黏土中黏粒的主要礦物成分為高嶺石，含量最高可達(dá)90%[15-16]。呂海波等[17]在桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)取土樣，通過(guò)凈水沉降試驗(yàn)測(cè)得黏粒含量為61.27%，韋復(fù)才[18]通過(guò)對(duì)紅黏土進(jìn)行基本土工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黏粒含量一般在50%以上，工程地質(zhì)性質(zhì)上桂林紅黏土具有弱膨脹性、弱崩解性等特點(diǎn)。王良玉等[19]對(duì)不同黏粒含量的紅黏土進(jìn)行裂隙試驗(yàn)，探究黏粒對(duì)裂隙的影響及發(fā)展規(guī)律。本文通過(guò)向黏粒含量低的紅黏土中摻入不同比例的黏粒，對(duì)不同黏粒摻量的紅黏土進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，探究黏粒在紅黏土中的微觀結(jié)構(gòu)及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化。

1 試驗(yàn)

1.1 基本物理指標(biāo)

本次試驗(yàn)用土取自桂林市某工地，對(duì)所取原狀土進(jìn)行一系列的土工基礎(chǔ)試驗(yàn)，基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基本物理指標(biāo)

1.2 制備黏粒

對(duì)所取土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，測(cè)得土體的顆粒級(jí)配，本次試驗(yàn)用土的顆粒組成見(jiàn)表2。

表2 顆粒組成%

d≤0.005 mm 的顆粒被稱之為黏粒[20]，因此本次試驗(yàn)用土的黏粒含量為42.3%，然后利用凈水沉降的原理使用自制黏粒提取裝置制備黏粒[19]，然后以5%的梯度向低黏粒含量的土中摻入黏粒，然后進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)和固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。制備的黏粒如圖1 所示。

圖1 紅黏土黏粒

1.3 試驗(yàn)方案

三軸剪切試驗(yàn)：土樣干密度為1.4 g/cm3，含水率為35%，將黏粒按0%、5%、10%、15%的比例摻入土樣，制備體積為96.01 mm3的三軸試樣，對(duì)其進(jìn)行不同圍壓下的固結(jié)不排水剪，分析黏粒對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。

掃描電鏡試驗(yàn)（SEM）：對(duì)黏粒進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)觀察其微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)加入黏粒后的紅黏土進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)觀察，通過(guò)觀察分析黏粒在紅黏土結(jié)構(gòu)中的形態(tài)。對(duì)進(jìn)行完三軸試驗(yàn)的紅黏土試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，觀察土樣中土體結(jié)構(gòu)的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 三軸剪切試驗(yàn)

對(duì)不同黏粒摻量的紅黏土進(jìn)行固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

通過(guò)觀察圖2 可以看出，黏粒摻量為0%的紅黏土剪切峰值為83.6～548.5 kPa，黏粒摻量為5%的紅黏土剪切峰值為101.8～569.2 kPa，黏粒摻量為10%的紅黏土剪切峰值為165.3～507.1 kPa，黏粒摻量15%的紅黏土剪切峰值為124.8～558.8 kPa；無(wú)論黏粒摻量為多少，在100 kPa 低圍壓時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線先升高，后期基本保持水平發(fā)展，土體發(fā)生塑性變形，達(dá)到硬化狀態(tài)。在200、300、400 kPa 高圍壓階段，紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在拐點(diǎn)之前發(fā)生彈性變形，之后應(yīng)力-應(yīng)變曲線一直處于上升狀態(tài)，土體達(dá)到強(qiáng)塑性狀態(tài)。

圖2 不同黏粒摻量應(yīng)力-應(yīng)變曲線

黏粒含量對(duì)土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在影響，黏粒含量增大時(shí)，紅黏土的偏應(yīng)力隨著圍壓的增大會(huì)先增大后降低，但部分曲線的拐點(diǎn)產(chǎn)生的較晚，這是由于在配土過(guò)程中，黏粒在土體中分布不均勻造成的，而有的曲線在后期發(fā)生突變也是由于黏粒分布不均勻的情況而對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。黏粒摻量的不同，對(duì)土體的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2.2 黏粒對(duì)紅黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

通過(guò)繪制有效應(yīng)力摩爾圓，得到土樣的有效應(yīng)力指標(biāo)，通過(guò)所得黏聚力與內(nèi)摩擦角繪制相應(yīng)的曲線，如圖3 所示。

圖3 黏粒對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響

由圖3（a）可知，不同比例的黏粒對(duì)紅黏土的黏聚力影響明顯，黏粒摻量對(duì)黏聚力c 值得改變很大，黏聚力隨著紅黏土黏粒摻量的增加不斷逐級(jí)遞增。添加少量黏粒時(shí)，黏聚力變化的幅度比較小；隨著黏粒的不斷添加，黏聚力會(huì)不斷上升。這是由于黏粒都是由次生礦物和倍伴氧化物組成，紅黏土中總是存在著不同厚度的結(jié)合水膜，當(dāng)加入黏粒后，倍伴氧化物會(huì)與結(jié)合水膜發(fā)生反應(yīng)，使土體的連結(jié)更加緊密，所以土體的黏聚力會(huì)增加。

由圖3（b）可知，黏粒對(duì)紅黏土的內(nèi)摩擦角影響也很明顯，與天然紅黏土相比，黏粒摻量對(duì)紅黏土內(nèi)摩擦角A 的改變也很大，內(nèi)摩擦角隨著黏粒摻量的增加逐級(jí)遞減。內(nèi)摩擦角由18～22°降低到15～16°。內(nèi)摩擦角的變化與土粒的粗糙度有關(guān)，隨著黏粒的增加，黏粒會(huì)將土體的孔隙填充，使得土顆粒表面粗糙度減小，從而使內(nèi)摩擦角減小。

2.3 黏粒微觀結(jié)構(gòu)

在本次試驗(yàn)中，黏粒是極為重要的一部分，黏粒在紅黏土中起到的作用至關(guān)重要，為了探究黏粒在紅黏土中的分布形態(tài)，因此對(duì)所制取的黏粒進(jìn)行了掃描電鏡試驗(yàn)，通過(guò)觀察黏粒的微觀結(jié)構(gòu)，從微觀角度來(lái)分析黏粒對(duì)紅黏土物理力學(xué)特性的影響。黏粒的微觀結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 黏粒微觀結(jié)構(gòu)圖

觀察圖4，黏粒放大200 倍，此時(shí)的黏粒就像是很多細(xì)小的粉末顆粒平鋪在一起，圖中凹下的部分為導(dǎo)電膠，沒(méi)有黏粒分布，從200 倍的SEM 圖像中可以大概看出孔隙，黏粒都是致密的堆積在一起。放大倍數(shù)為1000 倍，此時(shí)可以看到黏粒中的小固體顆粒，黏粒的分布都是由大小不一的顆粒緊密均勻地堆積在一起，致密松軟。當(dāng)放大倍數(shù)為5000 倍時(shí)，黏粒中也存在很多的孔隙，并且可以看出晶體的存在，這是黏粒中的礦物，這些礦物咬合堆積在一起。當(dāng)放大倍數(shù)為10000倍時(shí)，黏粒的表面附著一層層“毛絨”物，通過(guò)這些“毛絨”物可以將土體顆粒緊密的連接起來(lái)，從而使土體的孔隙減小，使土體的強(qiáng)度增加。

2.4 不同黏粒摻量紅黏土微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)不同黏粒摻量的紅黏土進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，觀察其微觀結(jié)構(gòu)，分析黏粒在紅黏土中的作用。

圖5 是黏粒摻量為0%的紅黏土SEM 圖像，通過(guò)放大倍數(shù)為200 倍和1000 倍的圖像可以看出，顆粒形狀大小不一且復(fù)雜多樣化，有的顆粒極大而有的顆粒則像粉末一樣極其細(xì)小。通過(guò)放大倍數(shù)為5000 倍和10000 倍的圖像可以看出，粒間孔隙比較多且大，孔隙缺少黏粒的填充，顆粒表面存在細(xì)小的晶體，這是紅黏土中本身就含有的礦物物質(zhì)，而且通過(guò)圖像可以看出顆粒間的連接力弱，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，但靈敏度高，土體的壓縮性較好。

圖5 黏粒摻量0%

圖6 、7、8 分別為黏粒摻量為5%、10%和15%的重塑紅黏土在不同放大倍數(shù)下的SEM 圖像。通過(guò)放大倍數(shù)為200 倍的圖像均可看出摻入黏粒后的重塑紅黏土中顆粒分布不均勻，大小不一且復(fù)雜。放大倍數(shù)為1000倍的圖像可以看出，在局部黏粒填充了紅黏土的孔隙，黏粒摻量越高，土樣看起來(lái)越細(xì)密，土樣看起來(lái)像是被吸附在一起，這是由于黏粒的作用，將大大小小的紅黏土顆粒連接起來(lái)。觀察放大倍數(shù)為5000 倍和10000倍的圖像可以看出，隨著黏粒摻量的增加，土樣的孔隙越來(lái)越小，這是因?yàn)轲ちＬ畛淞送馏w的孔隙，形成了聚集體，在放大倍數(shù)為10000 倍的圖像中可以看出，這些團(tuán)聚體以面-面接觸、邊-面接觸、邊-邊接觸的形式連接，孔隙也在不斷的減小。

圖6 黏粒摻量5%

2.5 不同黏粒摻量紅黏土剪切試驗(yàn)微觀結(jié)構(gòu)分析

本節(jié)通過(guò)微觀角度分析壓縮后的土樣結(jié)構(gòu)變化，本節(jié)選取的土樣均為300 kPa 圍壓試驗(yàn)后的不同黏粒摻量的SEM 圖像，在掃描電鏡試驗(yàn)中土樣必須為干土，所以試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)土樣進(jìn)行干燥處理，然后進(jìn)行掃描試驗(yàn)，探究剪切后土樣的結(jié)構(gòu)變化情況。本節(jié)選取放大倍數(shù)為200 倍和10000 倍的圖像進(jìn)行對(duì)比分析，分析低放大倍數(shù)與高放大倍數(shù)之間土樣的微觀結(jié)構(gòu)，如圖9、10 所示。

圖7 黏粒摻量10%

圖8 黏粒摻量15%

圖9 黏粒摻量0%

圖10 黏粒摻量5%

圖9、10 為剪切后不同黏粒摻量試樣干燥后的SEM圖像，由低放大倍數(shù)的圖像可以看出，剪切后的試樣更為緊密，顆粒全都緊密地黏結(jié)在一起，土樣表面有飽滿的凹凸感與顆粒感；而通過(guò)高放大倍數(shù)的圖像可以看出，壓縮前的團(tuán)聚體膠結(jié)連接被破壞形成了更大的團(tuán)聚體，顆粒與團(tuán)聚物之間以面-面連接的形式存在，黏粒摻量的不同，團(tuán)聚體的大小也不同，黏粒摻量多的團(tuán)聚體大，這是因?yàn)轲ち５脑龆啵馏w顆粒之間的連結(jié)力增強(qiáng)。這些團(tuán)聚物之間存在著大大小小的孔隙，這些孔隙是水分的散失所留下的，并且很少可以觀察到單獨(dú)的片狀顆粒，顆粒基本都是以團(tuán)聚體的形式存在，每個(gè)團(tuán)聚體之間存在著不同大小的孔隙。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同黏粒摻量的紅黏土進(jìn)行三軸試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，黏粒對(duì)紅黏土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有明顯的影響，黏聚力隨黏粒的增多而增大，內(nèi)摩擦角反之。通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的分析，摻入黏粒后，土體的顆粒分布不均，大小不一且復(fù)雜化。黏粒會(huì)填充紅黏土的孔隙，黏粒摻量越高，土樣看起來(lái)越細(xì)密，黏粒會(huì)將顆粒緊密連結(jié)，而在剪切后，土體顆粒更加緊密，形成大小不一的團(tuán)聚體，使得土體的孔隙不斷減小。

桂林地區(qū)紅黏土廣泛分布，通過(guò)以上試驗(yàn)得出黏粒對(duì)桂林紅黏土的影響，對(duì)工程性質(zhì)的研究具有一定的實(shí)際意義，為紅黏土這類特殊土的治理提供一定的幫助。