納米CaCO3影響下重塑軟黏土動力特性及微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

摘 要：為研究循環(huán)荷載下納米CaCO3重塑軟黏土的動力特性與微觀形態(tài)，進行GDS動三軸、NMR試驗，分析其動應(yīng)力-動應(yīng)變、動彈性模量、阻尼比及微觀孔隙變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著納米CaCO3摻量增加、圍壓增大，軟黏土的動應(yīng)變逐漸減小，動彈性模量逐漸增大；固結(jié)應(yīng)力比增大使納米CaCO3重塑軟黏土動應(yīng)變先減小后增大，動彈性模量先增加后減小；圍壓和固結(jié)應(yīng)力比的提高均可有效降低軟黏土的阻尼比；軟黏土滯回耗能與動應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系；納米CaCO3重塑軟黏土T2分布曲線主峰峰值及峰面積相比于素軟黏土顯著降低，孔隙比減小使土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。所進行的納米CaCO3重塑軟黏土動力特性研究，可為實際工程提供參考。

關(guān)鍵詞：地面工程；重塑軟黏土；納米CaCO3；循環(huán)荷載；固結(jié)應(yīng)力比；動彈性模量；阻尼比

中圖分類號：TU443

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2024yx05009

Dynamic characteristics and microscopic pores structure of remolded

soft clay under influence of nano-CaCO3

ZHUANG Xinshan， ZHANG Zihan

（School of Civil Engineering and Architecture， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068， China）

Abstract：

To study the dynamic characteristics and microstructure of nano-CaCO3 remolded soft clay under cyclic loading， GDS dynamic triaxial and NMR tests were conducted to analyze its dynamic stress-strain， dynamic elastic modulus， damping ratio， and micro pore changes. The results show that as the content of nano-CaCO3 increases and the confining pressure increases， the dynamic strain of the remolded soft clay gradually decreases and the dynamic elastic modulus gradually increases; The increase in consolidation stress ratio leads to a decrease and then an increase in dynamic strain of nano-CaCO3 remolded soft clay， and an increase and then a decrease in dynamic elastic modulus; The increase in confining pressure and consolidation stress ratio can effectively reduce the damping ratio of the soft clay; There is a significant nonlinear relationsh_{75fe5dfc2c87f03ee73851f73614f4e5af42c3690f53d282868b24d35da306da}ip between the hysteresis energy dissipation of soft clay and the dynamic strain curve; The main peak and peak area of the T2 distribution curve of nano-CaCO3 soft clay are significantly reduced compared to plain soft clay， and the decrease in pore ratio makes the soil structure more stable. The obtained dynamic characteristics of remolded soft clay based on nano-CaCO3 provides some reference for practical engineering.

Keywords：ground engineering; remolded soft clay; nano-CaCO3; cyclic load; consolidation stress ratio; dynamic elastic modulus; damping ratio

軟黏土是具有低強度、滲透性差、壓縮性低、孔隙小等特點的黏性土，在中國分布廣泛。近年來，中國道路建設(shè)發(fā)展迅速，而建設(shè)過程中由于軟黏土有承載力差、抗剪強度低、各層之間力學(xué)性質(zhì)相差較大等缺點[1-2]，在動荷載作用下，道路可能發(fā)生大幅度沉降，造成嚴(yán)重損失。改良軟黏土的方案有很多，CaO是改良軟黏土最常用的添加劑之一，具有成本低、效果好等優(yōu)點[3]，但也存在施工難度大、CaO消耗量大和危害環(huán)境等缺陷[4-7]。因納米CaCO3具有價格低、污染小等特點[8-9]并能顯著影響土體的微觀化學(xué)性能和物理結(jié)構(gòu)[10]，改善路基土的力學(xué)性能[11-14]，越來越多地被應(yīng)用到巖土工程領(lǐng)域。

納米CaCO3是一種顆粒尺寸在0.01～0.1 μm的超細固體粉末材料，可與水發(fā)生水化反應(yīng)，增強土體間的作用力。目前，已有眾多學(xué)者應(yīng)用納米CaCO3對土體進行改良研究[15-19]。WANG等[20]對滲入納米CaO的土體進行了力學(xué)性能和加固機理分析，在不同的固化間隔下對改良土體進行了無側(cè)限抗壓試驗，試驗結(jié)果表明，改良土體的強度最初有所增加，但在添加更多的石灰納米顆粒后，強度開始呈下降趨勢。TANZADEH等[21]通過對納米CaCO3改良土體進行微觀成分分析，證實可以通過添加少量的納米CaCO3來取代CaO，并擁有更好的力學(xué)性能。王沖等[22]通過對摻入納米CaCO3的水泥基材料進行靜力學(xué)性能試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入1.5%納米CaCO3時，對改良材料的強度提高最明顯；鄧友生等[23]對納米CaCO3提高再生混凝土的抗壓性能進行了靜力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)摻入適量納米CaCO3可以有效提高再生混凝土的抗壓強度。陳學(xué)軍等[24]通過納米CaCO3對重塑黏土作用的機理進行分析，得出隨著摻量增加，黏土礦物吸附的Ca2+增加，與帶負電的黏土礦物產(chǎn)生吸附作用并形成鈣質(zhì)膠結(jié)，使得顆粒間黏聚力增強以及內(nèi)摩擦角增大。綜上所述，納米CaCO3改良土的研究基本停留在靜力學(xué)階段，而實際道路建設(shè)中，土體主要承受動荷載作用，因此，進一步研究納米CaCO3對軟黏土的動力性能的影響具有重要的工程意義。

本文運用真/動三軸儀進行了一系列動三軸試驗，研究重塑軟黏土動應(yīng)力-應(yīng)變骨干曲線、動彈性模量、阻尼比變化規(guī)律，以評估納米CaCO3重塑軟黏土的動力性能，并通過核磁共振（NMR），進一步解釋摻入納米CaCO3對土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響。試驗結(jié)果可為納米CaCO3重塑軟黏土為不同摻量、圍壓和固結(jié)應(yīng)力比下的彈性模量和阻尼比模型提供理論參考。

1 土樣制備與試驗方案

1.1 試驗儀器和土樣制備

試驗儀器為英國GDS（GDSTTA）電機式動靜態(tài)真/動三軸儀，如圖1所示，分為三維應(yīng)力加載模塊及動力加載模塊，可分別進行土體的真三軸及動力三軸試驗。本次試驗選用動力加載模塊，最大圍壓、軸向荷載、振動頻率分別為2 MPa、20 kN、5 Hz，采用0.000 01 mm高精度傳感器實時精確測定軸向應(yīng)變，對試樣施加軸向荷載。核磁共振（NMR）采用共振頻率為12 MHz，采樣線圈尺寸為25.4 mm。

試驗土樣取自安徽合肥某公路施工現(xiàn)場的軟黏土，如圖2 a）所示，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。納米CaCO3由杭州恒格納米科技有限公司生產(chǎn)，呈白色粉末狀，粒徑小于等于20 nm，如圖2 b）所示，表2為其具體技術(shù)指標(biāo)。將軟黏土放入105 ℃干燥箱中脫水24 h，冷卻破碎后過2 mm篩，保存在透明密封袋中待用。按最佳含水量20%將水、軟黏土和納米CaCO3顆?；旌蠑嚢杈鶆虿簩嵵瞥芍睆?0 mm，高度100 mm的重塑土樣。用剩余土料制成直徑為15 mm，高度為20 mm的圓柱試樣進行飽和與固結(jié)后用于NMR試驗。

1.2 試驗方案

進行 GDS動三軸試驗前，先將試樣放入真空桶中抽真空飽和，再放入GDS真/動三軸儀中對土樣固結(jié)，隨后進行循環(huán)加載試驗，采用正弦波加載，振動頻率選為1 Hz[25]，動應(yīng)力幅值分10級逐級遞增施加，固定每級振動次數(shù)為10次。試驗考慮了納米CaCO3摻量、圍壓、固結(jié)應(yīng)力比3個影響因素，納米CaCO3摻量選取0%、0.10%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%[26]，圍壓選取100、150、200 kPa[27]，實際工程中土體常處于非等向固結(jié)狀態(tài)，因此固結(jié)應(yīng)力比選取1.00、1.25、1.50[28]。試樣軸向應(yīng)變達到8%時，視為破壞終止試驗。試驗方案如表3所示。

2 動力特性分析

2.1 動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線

2.1.1 納米CaCO3摻量的影響

圖3為圍壓σ3=100 kPa、固結(jié)應(yīng)力比kc=1時，不同納米CaCO3摻量下重塑軟黏土動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可知，該曲線隨納米CaCO3摻量增加逐漸向上移動，這是由于黏土中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量較高，主要成分為游離氧化鐵[9]，納米CaCO3的pH值為10.0，大于黏土中氧化鐵膠體的pH值，摻入納米CaCO3后使土體中Fe2O3含量減少，形成鈣質(zhì)膠結(jié)物，以薄膜形式存在，作為結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)處的骨架支撐點。隨著摻量增加，Ca2+離子增加并與土體內(nèi)部負離子形成鈣質(zhì)膠結(jié)物增大了土顆粒間的相互作用力，使得重塑軟黏土抗變形能力增強。由于納米CaCO3摻量在小于等于0.50%時，每條曲線的上移幅度明顯高于摻量大于0.50%后每條曲線的上移幅度，故后續(xù)試驗納米CaCO3摻量均選取了0.50%。

2.1.2 固結(jié)應(yīng)力比的影響

圖4為納米CaCO3摻量μ=0.50%時，不同固結(jié)應(yīng)力比下軟黏土動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)固結(jié)應(yīng)力比kc在1.00～1.25之間時，動應(yīng)變隨固結(jié)應(yīng)力比的增大而減小，而固結(jié)應(yīng)力比在1.25～1.50之間存在某一定值，一旦超過該值后，動應(yīng)變隨固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大。可以理解為當(dāng)固結(jié)應(yīng)力比較小時，土顆粒在靜偏應(yīng)力作用下被壓得緊密，土顆粒間不容易產(chǎn)生相對滑移，土體內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，隨著固結(jié)應(yīng)力比增大到1.25～1.50之間某一值時，土體能承受的最大應(yīng)力小于土體所承受的靜偏應(yīng)力，此時會在出現(xiàn)較小動應(yīng)變時內(nèi)部出現(xiàn)相對滑移，土體失穩(wěn)，故在高固結(jié)應(yīng)力比下土體抵抗變形能力下降。

2.1.3 圍壓的影響

圖5為納米CaCO3摻量μ=0.50%時，不同圍壓下軟黏土動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可知，動應(yīng)變較小時，曲線較為陡峭，隨著動應(yīng)變增大，曲線逐漸趨于平緩。這是由于重塑軟黏土中膠結(jié)物質(zhì)具有良好的減震效果：在應(yīng)變較小的加載初期，膠結(jié)體減震效果顯著，使動荷載傳遞效率變高，能耗減小，曲線較為陡峭；而隨著動應(yīng)變的增大，土體產(chǎn)生短暫的“瞬時”功，膠結(jié)物質(zhì)被破壞，荷載傳遞效果較差，曲線逐漸趨于平緩。軟黏土動應(yīng)變隨著圍壓的增大不斷減小，可以理解為高圍壓下土體被壓得更加密實，土體內(nèi)部孔隙比減小，土顆粒間相互作用力增大，土體抗荷載破壞能力增強。

2.2 動彈性模量的變化規(guī)律

動彈性模量為動應(yīng)力差值與動應(yīng)變差值的比值，即：

Ed=σdmax-σdminεdmax-εdmin 。（1）

式中：σdmax、σdmin和εdmax、εdmin分別為一個滯回圈中最大與最小動應(yīng)力和動應(yīng)變。動彈性模量取每級動力加載中第4—8次動彈性模量的平均值。

2.2.1 納米CaCO3摻量的影響

不同摻量納米CaCO3重塑軟黏土的動彈性模量-動應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可知，摻入納米CaCO3后軟黏土的動彈性模量-動應(yīng)變曲線相較于素軟黏土有明顯的上移。隨著納米CaCO3摻量的增加，重塑軟黏土的動彈性模量從17.8%逐漸增大到25.6%。

2.2.2 固結(jié)應(yīng)力比的影響

圖7為相同圍壓、不同固結(jié)應(yīng)力比時納米CaCO3重塑軟黏土動彈性模量-動應(yīng)變幅值變化曲線。由圖可知，在1.00<kc<1.25時，曲線隨著固結(jié)應(yīng)力比的增加逐漸上移，但在固結(jié)應(yīng)力比為1.25～1.50時，存在某一定值，當(dāng)kc超過定值時，納米CaCO3重塑軟黏土動彈性模量反而減小。這是由于當(dāng)固結(jié)應(yīng)力比較小時，土體所受靜偏應(yīng)力使得土體更加密實，土顆粒間較難發(fā)生相對滑移；而隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大，土體所受靜偏應(yīng)力超過承載極限，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，土顆粒間出現(xiàn)相對滑移，孔隙比增大，動彈性模量減小，土體抵抗變形能力降低。這與動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線變化規(guī)律一致。

2.2.3 圍壓的影響

圖8為不同圍壓、相同固結(jié)應(yīng)力比時納米CaCO3重塑軟黏土動彈性模量-動應(yīng)變曲線。由圖可知，曲線隨著圍壓的增大而上移。這是由于土體間孔隙減少，土顆粒之間的相互作用增強，更難發(fā)生相對滑移，在相同條件下，動彈性模量隨圍壓增大而增大，土體抵抗變形的能力增強。

由圖6、圖7和圖8可知，在試驗的不同條件下重塑軟黏土的動彈性模量-動應(yīng)變曲線均先陡峭下降后趨于平緩，變形較小時，以彈性形變?yōu)橹?，動彈性模量最大，隨著動應(yīng)變的增大，土體產(chǎn)生塑性形變，使動彈性模量逐漸減小并趨于某一定值。

2.3 動模量比衰減模型

圖9為重塑軟黏土動模量比與動應(yīng)變衰減關(guān)系曲線。由圖可知，在相同條件下，Ed/Ed0隨著圍壓增大而增大，而隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大先增大后減小。

眾多學(xué)者對不同土體已經(jīng)建立了相應(yīng)的動模量比衰減模型，其中Davidenkov模型[29]考慮了圍壓的影響，即：

EdEd0=11+（aεd）b ，（2）

式中：a、b為擬合參數(shù)。

經(jīng)過曲線擬合，可得：a=0.473 4，b=0.819 7，R2=0.966 7。將其代入式（2）可得納米CaCO3重塑軟黏土動模量衰減模型：

EdEd0=11+（0.473 4εd）0.819 7。（3）

式（3）可以較好地描述納米CaCO3重塑軟黏土的衰減規(guī)律。

2.4 阻尼比變化規(guī)律

土的阻尼比反映了土體在動荷載作用下耗散能量的性質(zhì)，是衡量土體動力性能的重要參數(shù)，可用1個周期內(nèi)所損耗的能量ΔW（約為1個滯回圈與坐標(biāo)軸圍成的面積，如圖10所示）與該周期所儲存的總能量W（圖10中三角形OAB的面積）的比值表示[30]。即：

λ=14πΔWW=14πS橢圓S△OAB 。（4）

研究發(fā)現(xiàn)滯回曲線面積越大，則1個周期內(nèi)損耗能量ΔW越多，其震動耗能能力越強[31]。圖11為不同圍壓下?lián)p耗能量與動應(yīng)變的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯煌瑖鷫合?，ΔW隨動應(yīng)變增加不斷增大，即隨動應(yīng)變逐漸增加，導(dǎo)致土體消耗能量逐漸變大。同一動應(yīng)變下，損耗能量-動應(yīng)變曲線隨著圍壓的增加而下移，表明隨著圍壓增大，重塑軟黏土的滯回耗能能力增強。

由于圖11顯示損耗能ΔW與動應(yīng)變εd類似于冪函數(shù)關(guān)系，經(jīng)對ΔW進行冪函數(shù)擬合后得到ΔW與εd擬合關(guān)系式為

ΔW=α（εd）β+c ，（5）

式中：ΔW為1個循環(huán)周期所損耗的能量；α，β為擬合參數(shù)。由表4可知，R2均大于0.99。

2.4.1 納米CaCO3摻量的影響

圖12為不同納米CaCO3摻量下λ-εd關(guān)系曲線。由圖可知，不同摻量下的土體阻尼比均隨動應(yīng)變的增加先減小后增大，而未摻入納米CaCO3的素軟黏土阻尼比隨動應(yīng)變的增加逐漸增大，這是由于軟黏土摻入納米CaCO3后孔隙間出現(xiàn)膠結(jié)物，使得土顆粒間作用力增大，土體結(jié)構(gòu)更加密實。動應(yīng)變較低時，原本骨架中存在的孔隙減少、顆粒間的間距縮短，使得土顆粒在循環(huán)荷載下不易發(fā)生錯動，增加了動荷載傳遞能量的效率，能量損耗減小，導(dǎo)致阻尼比出現(xiàn)先減小的階段；隨著動應(yīng)變逐漸增大，土體產(chǎn)生塑性變形后，試樣結(jié)構(gòu)被破壞，能量損耗增加，使得阻尼比不斷增大。

在相同動應(yīng)變下的重塑軟黏土阻尼比隨納米CaCO3摻量的增加而減小，說明隨著納米CaCO3摻量的增加，土顆粒間的作用力不斷增大，損耗能量降低，阻尼比不斷減小，說明納米CaCO3可以有效降低軟黏土的阻尼比。

2.4.2 固結(jié)應(yīng)力比的影響

圖13為不同固結(jié)應(yīng)力比下納米CaCO3重塑軟黏土λ-εd曲線。由圖可知，阻尼比與動應(yīng)變無明顯線性關(guān)系，隨著動應(yīng)變的增大，不同固結(jié)應(yīng)力比土樣的阻尼比先減小后逐漸增大。這是由于重塑軟黏土后，試樣結(jié)構(gòu)更加密實，土顆粒間相互作用力增大。在循環(huán)荷載下，固結(jié)應(yīng)力并非越來越大。在固結(jié)應(yīng)力比增大初期，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越密實，損耗能量降低從而阻尼比減小；而當(dāng)固結(jié)應(yīng)力比超過某一值時，土體失穩(wěn)，使荷載作用在土體上的影響變大，損耗能量增加，故阻尼比增大。

2.4.3 圍壓的影響

圖14為不同圍壓下納米CaCO3重塑軟黏土λ-εd的關(guān)系曲線。從圖可以看出，不同圍壓下重塑軟黏土的阻尼比隨圍壓增大逐漸減小，這是由于循環(huán)荷載過程中隨著圍壓的增大，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)被壓縮得緊密，土體內(nèi)部孔隙比減小，土顆粒間相互作用力增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，使土體顆粒在循環(huán)荷載下較難發(fā)生相對滑移，能量傳遞效率增強，能量損耗變少，阻尼比減小。

3 核磁共振（NMR）試驗

為進一步研究納米CaCO3重塑軟黏土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，利用核磁共振（NMR）試驗對試樣孔隙結(jié)構(gòu)進行分析。試驗中孔隙水弛豫時間T2對應(yīng)了不同孔徑的孔隙，信號強度反映了該孔徑孔隙所對應(yīng)的數(shù)量。

圖15為不同摻量重塑軟黏土在σ3=100 kPa，kc=1.00下的T2曲線，主要呈雙峰結(jié)構(gòu)，有不明顯第3個峰出現(xiàn)，從左到右依次對應(yīng)著微孔、中孔和大孔[32]。由圖可以看出，土樣主要以孔隙直徑為0.1～1 nm的微孔[33]為主，中孔隙比例極少，而在納米CaCO3重塑軟黏土中大孔隙幾乎不存在。NMR曲線所圍區(qū)域?qū)?yīng)的峰面積反映了孔隙體積，對比不同納米CaCO3摻量下重塑土T2曲線可知，信號強度峰值隨納米CaCO3摻量增大而下移，主峰與橫坐標(biāo)圍成面積減小，說明摻入納米CaCO3顆粒對重塑軟黏土的微孔孔隙填充，孔隙率減小，對土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有明顯的提升。

圖16為納米CaCO3摻入前、后軟黏土T2分布曲線。對比發(fā)現(xiàn)，在相同固結(jié)應(yīng)力比與圍壓下軟黏土摻入納米CaCO3后峰值較素軟黏土有明顯降低，曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積顯著減小。重塑軟黏土的孔隙率小于素軟黏土的孔隙率。摻入納米CaCO3能提升重塑軟黏土穩(wěn)定性且在不同環(huán)境下納米CaCO3均能填充軟黏土的微孔孔徑。信號強度峰值隨著固結(jié)應(yīng)力比增大先減小后增強，曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積先減小后增大，孔隙率先減小后增大；隨著圍壓的增大，孔隙率不斷減小。這與動三軸試驗分析結(jié)果一致，從微觀角度解釋了應(yīng)力-應(yīng)變曲線及阻尼比隨固結(jié)應(yīng)力比與圍壓變化的原因。

4 結(jié) 語

1）在納米CaCO3摻量小于1.00%時，隨著納米CaCO3摻量增加，重塑軟黏土的動應(yīng)變不斷減小。摻入納米CaCO3能夠抑制土體動應(yīng)變，可以有效改善軟黏土的動力性能。

2）相同圍壓下，納米CaCO3重塑軟黏土動應(yīng)變隨固結(jié)應(yīng)力比增大先減小后增加；相同固結(jié)應(yīng)力比下，圍壓處于較高水平下產(chǎn)生的動應(yīng)變相對于低圍壓下的動應(yīng)變較小。

3）相同圍壓下，摻入0.50%納米CaCO3重塑軟黏土的εdmax較素軟黏土提高了25.6%。重塑軟黏土的動彈性模量隨納米CaCO3摻量、圍壓的增加均逐漸增大，而隨固結(jié)應(yīng)力比增大先增大后減小。動彈性模量-動應(yīng)變曲線隨動應(yīng)變增大逐漸下降后趨于穩(wěn)定。

4）隨著動應(yīng)變增大，納米CaCO3重塑軟黏土阻尼比先減小后逐漸增大，增大圍壓可降低阻尼比，增大固結(jié)應(yīng)力比使阻尼比先減小后增加。

5）隨著納米CaCO3摻量、固結(jié)應(yīng)力比、圍壓的增加，重塑軟黏土孔隙比均逐漸減小，表明納米CaCO3可有效填充軟黏土內(nèi)部孔隙，增強其動力性能。

6）納米CaCO3可以提高軟黏土的抗變形能力，提升其動力性能，在實際工程中可摻入0.50%的納米CaCO3以提高軟黏土的承載能力。

在試驗設(shè)計階段，考慮到經(jīng)濟原因，納米CaCO3的摻量較小，從而得出了摻量增加對軟黏土的各項動力特性均有提升作用的結(jié)論。但隨著摻量繼續(xù)增加，軟黏土動力性能是否持續(xù)提升、是否存在最佳摻量還有待進一步研究，且試驗土樣為重塑土，與實際工程土體存在區(qū)別，在今后實驗中擬考慮增大摻量或?qū)⒓{米CaCO3摻入軟土路基，對其動力性能進行研究，并根據(jù)實際情況給出工程意見。

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