結合水對高嶺土超固結特性的影響

石圳釗，劉發標，王 勇*

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

基坑在經歷開挖過程后，地基土處于超固結狀態，土的力學性質發生了變化，若處置不當，會給建筑物帶來過量沉降或不均勻沉降等問題，造成嚴重的工程事故。因此，充分了解超固結作用下土體的固結特性，對控制建筑物的沉降有著重要意義[1-3]。

土體中的結合水是黏土顆粒與水溶液發生吸附作用的產物，物理和化學特性復雜，也是控制土顆粒形成黏性土稠度、塑性、膨脹、收縮等物理性質及強度、變形等力學性質的重要因素之一。吳謙等[4]結合等溫吸附和固結試驗分析不同結合水含量下軟土的固結蠕變特性，當固結壓力大于400 kPa，弱結合水開始排出，深入探討了軟土蠕變過程中結合水的內在作用機制。李碩等[5]利用容量瓶和掃描電鏡試驗，定量分析了固結蠕變過程中結合水和微觀結構的變化規律，蠕變過程由滲透結合水主導，存在荷載和結合水共同作用機制。肖樹芳等[6]采用掃描電鏡和壓汞試驗，運用宏觀力學行為和微觀結構定量分析方法，探究了結合水對軟土固結、蠕變的影響，結合水主要與固結過程的后面階段有關。師旭超等[7]通過新的固結滲透試驗儀器，探究了軟黏土回彈變形中的吸水規律，卸荷后黏土土體的水量比固結沉降排出的水量小于10%。這些研究主要集中于固結蠕變的宏觀力學現象和微觀結構變化的分析，土體的微觀結構狀態發生變化時，會引起宏觀力學狀態的變化，土體的內部微觀結構和宏觀力學特性是相對應的。

高嶺土在我國分布比較多，遇水膨脹和失水收縮給建筑、公路等工程帶來了嚴重的災害和經濟損失。本文以高嶺土為研究對象，通過宏觀、微觀試驗相結合的方式探究超固結階段的固結特性，利用恒溫恒濕箱和核磁共振技術相結合的方法(以下稱臨界溫度法)，并通過核磁共振分析儀分析試驗中結合水的變化，從結合水角度解釋超固結特性，研究高嶺土微觀結構的演變與宏觀力學的關系。

1 試驗裝置及試驗內容

1.1 試驗裝置

以重塑高嶺土為研究對象，基于核磁共振對氫流體敏感、高精確度、試樣無損的新型檢測技術[8]，將核磁共振試驗和一維固結試驗相結合。選用型號為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 ℃區間，主磁場的強度是0.52 T，最多允許層數為32，回波個數為1 000 ms，前置放大器增益為1，脈搏90°為35 μs，脈搏180°為68 μs。固結儀為南京土壤廠生產的三聯中壓WG型單向壓縮儀。

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

圖1 固結滲透容器示意圖

1.2 土樣基本物理性質

試驗土使用商業高嶺土，顏色為灰白色。根據《土工試驗方法標準》測得其基本物性質指標和相對礦物含量分別如表1和表2所示。

表1 高嶺土土樣的物理性質指標

表2 高嶺土的礦物相對含量 單位：%

1.3 試樣制備及試驗設計

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，按最優含水率配置成相應的土樣，放于密封袋中靜置48 h，使水分充分遷移，再次測得實際的含水率為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疊式飽和器后放入真空器內，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組試樣進行0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、200 kPa、100 kPa、0 kPa壓力下的一維固結回彈試驗，每級壓力下百分表讀數1 h內不超過0.01 mm時為固結完成，記錄下豎向位移并施加下一級壓力。待壓縮階段和回彈階段結束之后對試樣增加0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的壓力，進行超固結階段試驗。超固結階段的每一級固結壓力完成后將整個固結滲透容器進行核磁共振掃描，再把固結滲透容器放回到加荷系統中，在原來的基礎上增加下一級荷載壓力，如此重復，直至最后一級荷載加載完成。

2 試驗結果及分析

2.1 超固結階段不同壓力下的試驗結果

在固結試驗中，孔隙比是一個非常重要的參數，反映的是土體中孔隙體積與總體積的比值，根據室內試驗的經驗公式(1)，孔隙比的計算結果如圖2所示。由圖2可知，不同干密度的試樣隨著固結壓力的增大，孔隙比減少且減少量比較少，說明試樣經過壓縮之后，土中孔隙含量比較低，土體的超固結變形量少。

(1)

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

孔隙率是評價土體孔隙水分遷移和滲透的重要參數，一般由孔隙比轉換獲得。通過圖2中e的變化獲得試驗過程中孔隙率隨固結壓力變化的曲線圖，計算結果如圖3所示。轉換公式為

(2)

式中：n為孔隙率；ei為某荷載再壓縮固結壓力下的孔隙比。

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，土體中可被壓縮的體積很少。

通過獲得試驗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系數。固結系數表示的是土體在某應力水平下，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力大小有關，因此，采用時間對數法計算得到的高嶺土試樣超固結過程受到不同壓力下的固結系數如圖4所示。可以將超固結階段的固結系數曲線表現為2個階段：第1個階段，當固結壓力小于前期固結壓力時，試樣的固結系數變化比較大；第2個階段，當固結壓力大于前期固結壓力時，固結系數變形明顯較小。第1個階段相對小壓力只能使顆粒與顆粒的距離更加貼近，孔隙結構發生了重組，導致固結系數變化量增大。而第2階段的固結壓力比前期固結壓力要大，該階段的固結系數變化量相對于第1階段還要小，說明此時土體孔隙結構趨于穩定。

2.2 確定自由水和結合水的弛豫時間T2c

為了獲取核磁共振試驗中結合水和自由水的分界點，需要確定他們的臨界弛豫時間T2，即T2c截止點。通過確定自由水和結合水的T2c截止點，可以定量地分析超固結階段自由水和結合水的含量。確定弛豫時間T2c截止點的方法有很多種，例如：Liang等[9]和Zhang等[10]通過“飽和-離心方法”確定T2c截止點；何攀等[11]利用結合水和自由水的可融點確定T2c截止點；Yuan等[12]利用黏土熱動力臨界溫度檢測和驗證獲得T2c截止點。本文基于臨界溫度法[12]對高嶺土的T2c截止點進行估算，在25～70 ℃范圍內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合水的弛豫時間T2c截止點，將試樣分別在飽和狀態和55 ℃溫度下烘后進行核磁共振試驗。首先，將飽和狀態進行核磁共振測量，獲得飽和狀態的T2c時間分布曲線，其次將飽和試樣放進設置溫度為55 ℃的烘箱中進行烘至質量穩定，再將穩定后的試樣進行核磁共振測量，獲得55 ℃烘后的T2時間分布曲線，T2c截止點的計算方法如圖5所示。由于溫度對核磁共振測試結果影響很大，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時間分布曲線轉換成累積T2曲線。在累積T2曲線中，縱坐標表示不同時刻氫離子的信號幅值。由于信號幅值是一個無量綱的變量，累積信號曲線被格式化為總孔隙度[15-17]。通過獲得飽和狀態和55 ℃烘干后的累積T2曲線，對飽和狀態的累積T2曲線進行垂直投影以及55 ℃烘干后的累積T2曲線進行水平投影，兩條投影在T2軸上的交點就是T2c截止點。計算得到自由水和結合水的T2c截止點為3.37 ms。飽和狀態土樣和55 ℃烘后的T2曲線分布如圖5所示。

2.3 超固結階段的T2曲線

由核磁共振試驗得到超固結階段不同干密度、不同固結壓力下試樣孔隙水變化規律如圖6所示，核磁共振技術獲得T2曲線的特性參數如表3所示。基于核磁共振試驗獲得的T2c截止點為3.37 ms，是高嶺土結合水和自由水的閾值。通過核磁共振獲得的T2曲線進行劃分，求得自由水和結合水的變化曲線。自由水隨壓力的變化曲線如圖7所示，結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

對于圖7自由水的變化情況，試樣在進行試驗過程中保持飽和狀態，認為沒有氣體存在，且土樣的顆粒體積大小在一維固結實驗過程中保持不變，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強度減少，其實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。

對于圖8結合水的變化情況，當壓力小于前期固結壓力時，結合水的含量是先減少后增加，說明壓力小于前期固結壓力時，由于結合水的范德華力比自由水的大，且此時土體顆粒的固結系數變化量大，土體顆粒內部結構不穩定而影響了結合水的遷移和水膜的厚度，說明此時也有一部分結合水轉化成自由水排出；當壓力大于前期固結壓力時，土顆粒孔隙被壓得更加密實，更多的自由水被排出，結合水含量增多，結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系數變化量小。

圖7 自由水隨固結壓力的變化曲線 圖8 結合水隨固結壓力的變化曲線

2.4 超固結階段試樣孔隙率和核磁信號強度對比

核磁共振試驗測試得的孔隙水分布面積如表3所示，將表3與固結試驗獲得的孔隙率變化情況(如圖3所示)結合起來，得到核磁共振信號與孔隙率關系曲線圖如圖9所示。圖中虛線數據點表示核磁信號的總信號強度隨著壓力增加的變化情況，實線數據點表示孔隙率隨壓力增大的變化情況。超固結過程中孔隙率變化規律認為是線性的，核磁共振的總信號也是呈線性規律變化，且兩者的變化基本吻合，說明通過核磁共振試驗獲得的孔隙水變化能夠解釋固結試驗壓縮過程的情況。

表3 不同干密度在不同壓力下T2曲線特性參數

2.5 超固結階段固結系數與結合水含量的關系

自由水在土顆粒表面處于游離的狀態，而結合水會與土顆粒表面通過氫鍵互相結合，具有較高的粘滯性，且結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，孔隙中大部分自由水排出，留下吸附在顆粒表面的結合水，結合水對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，固結系數和結合水含量隨超固結壓力的變化曲線如圖10所示。由圖可知，在0～200 kPa內，結合水含量變化比較大，超固結系數的變化量比較大，在200～400 kPa內，結合水含量變化比較小，超固結系數的變化量也比較小。隨著固結壓力的不斷增加，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合水所占據，又隨著顆粒表面之間的接觸面變大，結合水的粘滯性增大，增強了顆粒表面結合水的黏聚，形成了以結合水為主。結合水主要吸附于土顆粒的表面，水分子與土顆粒結合，可將結合水與土顆粒視為整體，固結系數增加比較緩慢，固結變形為結合水在壓力作用下的行為所控制，說明結合水對超固結系數有一定的影響。

圖9 核磁共振信號與孔隙率關系曲線圖 圖10 固結系數和結合水含量隨超固結壓力的變化曲線

3 討 論

3.1 超固結中結合水的作用機制

在0～200 kPa階段，顆粒間隙和顆粒內的孔隙含量比較多，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，土體顆粒相對密實，小孔隙含量變多，由于結合水占據大部分小孔隙，孔隙中自由水含量越來越少，結合水含量越來越多，結合水占主導作用[18-19]，導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合水含量的增加而減小。綜合結合水變化量和固結系數的變化趨勢來看(如圖10所示)，當壓力沒有到達200 kPa時候，結合水含量是不斷變化的，且變化量比較大，固結系數的增量比較大，當壓力超過200 kPa的時候，由于孔隙結構發生了重組，孔直徑變小，土體顆粒間的接觸面更加近，結合水含量雖然不斷減少，但是由于結合水與土顆粒之間的組成關系，導致后期變形階段中，固結系數不斷增加但變化比較小，固結完成的時間越來越快。當固結壓力超過200 kPa的情況下，結合水影響固結變形的能力才顯現出來。因此，結合水是影響超固結變形特性的主要因素。

3.2 結合水對高嶺土超固結特性的機理

結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，在一定的荷載作用下，部分結合水吸附在土顆粒的范德華力比較弱，使得這部分結合水發生運動，轉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，形成新的孔隙結構，土顆粒更加密實。結合水的存在增加了高嶺土的吸附力和聚結力，有利于粒子之間的相互吸附和聚結，從而促進高嶺土的固結過程。這也很好地反映了地基開挖回填過程中，都會經過3～5次的碾壓，以提高填土的均勻性和密實度。結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果，隨著超固結壓力的增大，更多的孔隙被壓縮，土顆粒孔隙以間粒及粒內小孔隙為主，顆粒之間的距離極小，以至孔隙水越來越多以結合水形式存在，結合水所起的主導作用也越來越大，影響著超固結階段固結系數的變化情況，以及超固結階段完成固結的時間。

4 結 語

核磁共振技術測試的結果表明：自由水和結合水的T2c截止點為3.37 ms；隨著固結壓力的增大，自由水被排出，也有一部分結合水轉化成自由水被排出，但是結合水的含量呈不斷增多的趨勢，因此結合水與土顆粒之間的粘滯性增大，土顆粒結構更加穩定。200 kPa壓力是土樣的前期固結壓力，當p=200 kPa時土體中的結合水出現明顯改變；當p<200 kPa時，結合水的含量由于孔隙結構重新調整的原因不斷變化，沒有形成一個穩定的結構，固結系數近似呈線性變化；當p>200 kPa時，吸附在顆粒表面的結合水含量增多，顆粒與顆粒之間的粘結力更強，孔隙結構趨于穩定，結合水與土體顆粒形成一個整體抵抗外部壓力，固結系數增大且變化量微小，說明結合水的含量對固結系數有比較大的影響。