飽和軟粘土微觀特性對固結壓縮影響分析

張東奎

軟土具有結構疏松、含水量高、孔隙比大等特性,在荷載的作用下容易產生較大的變形。軟土結構性主要來源于骨架顆粒的成分、形態、排列方式、孔隙特征、膠結物種類以及膠結程度[1-4]。土的結構性早期就為人們所重視[5-8],隨著技術條件不斷成熟,土的結構性再次掀起了熱潮。沈珠江院士認為土的結構性是影響土力學特性諸要素,被認為是“21世紀土力學的核心問題”[9]。

軟粘土骨架,孔隙結構在隨著其所受的應力的改變而發生變化,造成粘土孔隙度和滲透率的變化,進而對軟粘土的壓縮特性和滲流形態產生影響。本文主要探討飽和軟粘土的微觀特性對其固結壓縮過程的影響。

1 粘土礦物的失水收縮特性

在粘土的固結壓縮過程中,軟粘土自身結構變得更為致密,以減小其變形性。在這個過程中,粘土礦物的收縮特性對軟粘土變形起到重要作用。到目前為止,關于粘性土收縮的實質,礦物成分和起始含水量—密度的作用等問題仍存在爭論。由于相比于高嶺粘土,蒙脫粘土的失水收縮特性對地面沉降的影響顯著。事實上,隨著地層有效應力增加,蒙脫石層間水可能發生脫水作用并改變地層的孔隙度和滲透性,因此探討蒙脫石的失水收縮特性十分有必要。

蒙脫石是由兩個四面體片夾一個八面體片構成的 2∶1型層狀硅酸鹽礦物,具有二維網格狀延伸的硅—氧四面體骨架,其特殊的層間域、特殊的成巖轉變特征,在指示環境演變信息方面有著特殊的專屬性。蒙脫石成巖轉變過程中,地面沉降的信息會對蒙脫石的失水作用所反映的層間區域縮小、含水量降低、體積收縮產生響應,從而使蒙脫石成為地面沉降演變的信息載體,這對地面研究具有重要的指示意義[10]。地層中蒙脫石的底面間距值有 ～10～12～15.5～18.5,其中～10的蒙脫石層間區域幾乎完全不含水分子,且層間區域的空間大小幾乎等于 0;～15.層間區域的含水量為20wt%;～18.5則為25wt%。事實上,蒙脫石的層間水化狀態及層間失水作用與 2∶1層間的組成(層間電荷及大小)、層間陽離子(種類、電荷及水化能)和外在的環境條件(溫度、水溶液的鹽濃度、水壓力、有效應力、相對濕度)等有關。

楊獻忠等[10,11]以蒙脫石結構特征為基礎,以蒙脫石層間水膨脹壓,層間含水量及底面間距與化學熱力學固溶體理論為依據,以地下水超采造成有效應力增大,致使蒙脫石礦物發生失水作用為事實,提出“層間水失水固溶體理論計算地面沉降”,建立了地面沉降量與成巖過程中蒙脫石失水作用相關因子間的數學模型。需要指出的是,Liu等[12](2001年)曾討論了地面超載和抽水沉降引起地層蒙脫石失水對中國臺灣云林地區地面沉降的影響,指出,雖然這種影響在地面沉降總量中比例較小,但更需引起重視。

蒙脫粘土的失水收縮曲線可以分為三個階段(如圖 1所示): 1)隨著含水量的減少,體積急劇縮小階段,直至含水量為 21%～22%,其體積都是縮小,粘土的體積收縮與孔隙水喪失和表面張力的壓縮有關,這個階段后期,形成穩定的粘土結構,能基本上抵抗住壓縮力;2)當含水量介于10%～22%之間時,隨著含水量的減少,粘土的體積基本不發生變化,反而略有增加,這個階段內粘土顆粒表面張力產生的壓縮力不斷衰減,而顆粒之間的彈性作用力增大,兩種效應近乎抵消;3)當含水量低于 10%時,隨著進一步失水,粘土體積發生第二次收縮,這與層間水從蒙脫石的層間擠出有關,并且粘土體積變化與荷載大小無關。

2 軟粘土微觀變形機制

軟粘土一般具有較高的孔隙率,孔隙的種類、大小和形狀不同等直接決定了土體的壓縮性,滲透固結特性。隨著固結壓縮過程的發展,軟粘土的體積與孔隙逐漸縮小,同時孔隙水被排出,主要體現在:1)孔隙水被排出,孔隙度減小;2)由原生絮凝團被壓破,同時會使得片狀質點趨于平行排列,即軟粘土的原有的微觀結構遭到強烈破壞。由上面的分析可知,軟粘土的變形從微觀機制上來說,是粘土顆粒骨架的變形和粘土顆粒周圍結合水喪失而導致的以孔隙變化為主的微結構變形破壞現象,主要包括粘土顆粒的脆性破壞,顆粒間的相對位移,顆粒的不可恢復變形,膠結度的破壞等。李傳亮等曾在分析巖石變形中提出可雙重介質的有效應力模型。按該模型理論,我們可將軟粘土的變形分為本體變形和錯位變形兩種。本體變形指因粘土顆粒本身及附著于其周圍強結合水和部分弱結合水構成的骨架體的變形而導致軟土微結構的整體變形,即骨架體的空間尺度的變化,如圖 2a)所示,記為 εs1;錯位變形指骨架體位置之間的相對變化產生的變形,即孔隙結構的變化,如圖 2b)所示,記為εs2。總變形量 ε=εs1+εs2。

軟粘土的變形是內外因素影響的共同結果。軟粘土的變形的內在因素主要有骨架體的類型、骨架體之間的接觸關系、膠結類型。外在影響因素主要為受力狀態、孔隙中的流體的類型和性質。1)在外力加載逐漸加大或由于孔隙水逐漸排出導致的孔隙壓力降低,而增加了骨架體之間的作用力,從而使得變形程度變大;2)軟粘土的含水量越大,變形越易發生。

隨著固結壓縮變形的發展,顆粒周圍結合水不斷喪失,從而導致粘土的稠度狀態也發生變化,從流動狀態→可塑狀態→半固態(以至固態)。根據粘土壓實中孔隙度的變化,可以將壓實過程分為四個階段:1)孔隙度(90%～75%),主要表現為自由水的排出和顆粒的機械重排列,同時可能部分的結合水亦被排出;2)孔隙度(75%～35%),主要表現為結合水的排出,并且顆粒發生變形;3)孔隙度(35%～10%),主要表現為顆粒的機械變形,同時伴隨部分重結晶作業;4)孔隙度(＜10%),主要機理是在高壓下的重結晶作用,孔隙體積的減小進展緩慢,并且與巨大的壓力增量相伴生。Hamilton指出:從粘土向頁巖的過渡可能發生在孔隙度大約 35%時,因為顆粒之間的化學變化和膠結作用賦予了此時粘土結構的一種剛性。

3 結語

工程地質學和巖土工程界通常所探討的粘土固結問題僅是粘土壓實過程中第一階段前期部分,即以機械壓實為主的階段。在軟粘土中粘土礦物的特性控制著其物理力學性質,粘土中的蒙脫礦物的失水收縮特征對宏觀地面沉降的計算產生重要影響,若忽略其影響將會導致計算結果偏小。同時,軟粘土的性質與其微結構及微結構的穩定性有著密切的關系。根據微觀結構模型分析,軟粘土的變形可以分成土顆粒骨架變形和結構變形兩種,顆粒間的連接剛度和微結構的受力狀態對微結構的穩定性起著控制性影響。

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