不同颗粒粒径重塑与原状膨胀岩物理力学性质变化规律研究1)

江杰 魏 丽 潘 鑫 李 胜

∗(广西大学土木建筑工程学院，南宁530004 )

†(广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁530004)

∗∗(桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004)

室内土工试验研究土体性质通常采用重塑土样进行研究，为使重塑土与原状土具有相近的物理力学特性，通常制备干密度及含水率相同的重塑土样来进行代替[1-2]。土体物理力学特性与其骨架颗粒含量、排列特征、粒径级配及孔隙结构等因素有关，在制备重塑土样过程中，原状土试样经烘干、碾碎和重塑后，土骨架整体性和稳定性被破坏，结构强度改变，土样的物理力学特性也随之发生变化。

许多学者利用室内试验研究原状土样和重塑土样的物理力学性质，并发现了两者之间的明显差异：重塑土样的膨胀力和膨胀率高于原状土样[3]；相同外界条件下，原状土样的主应力差峰值明显比重塑土样高，并且原状土样在热作用时间的影响下，其主应力差峰值的变化更为显著[4]；天然土样经历重塑过程后土体结构发生改变，导致导热系数降低[5]。目前，重塑土样均以制备与原状土样相同的干密度和含水率为标准，然而土颗粒粒径和结构的不同也同样会造成重塑土样与原状土样之间的性质差异[6-8]，例如过2 mm筛后重塑土样的导热系数要比过10 mm 筛土样的导热系数大，随着粒径的减小重塑土样的导热系数增大[9-10]。

膨胀岩干密度大，在进行重塑过程中的击实试验时通常难以恢复其初始结构性，且重塑后的干密度状态较原状土样也有明显差别[11]。其次，膨胀岩颗粒细小，级配不良，各种粒径的土颗粒经碾碎后团聚在一起，团聚体的粒径发生很大改变，对土样性质影响巨大。因此，对膨胀岩的重塑土样与原状土样的物理力学特性进行研究是很有必要的。

本文以南宁地区膨胀岩为研究对象，通过对原状土样和颗粒粒径不同的重塑土样的膨胀力、抗剪强度以及热特性进行室内试验研究，分析各项物理力学指标与重塑膨胀岩颗粒粒径的关系，为今后相关室内试验提供参考。

1 膨胀特性试验

1.1 土样采集与制备

试验所用膨胀岩土样取自南宁某基坑工程的第三系胀缩性泥岩，在基坑底部钻孔进行原状土取样，待原状土取样完成，在同等深度处采集一定量的扰动土作为重塑土样的制备材料。通过室内试验，对原状土样的物理力学性质进行研究，所测得的结果如表1所示，其颗粒级配组成如表2所示。

表1 原状土样物理力学参数

表2 土样颗粒级配组成

将采集回来的原状土样整出水平面后，制备成ϕ61.8 mm×h20 mm、含水率16.4%、干密度1.9 g/cm3的土样。土样的密度误差控制在±0.01 g/cm3，含水率误差控制在±0.5%。

将采集到的扰动土样自然风干、碾碎、两次过筛，得到粒径范围A：0.25 mmd <0.5 mm；B：0.5 mmd <1 mm；C：1 mmd <2 mm；D：2 mmd <5 mm 的4 组土颗粒，含水率与原状样相同。由于传统的击样法和压样法难以使重塑样达到天然密度，本试验使用自主研发的专利设备“一种扰动土环刀压样器”制备重塑样。按照1.9 g/cm3的干密度分别制备4 组和原状样同尺寸的重塑环刀土样，重塑样密度及含水率的误差控制和原状样相同。

1.2 试验方法

对采集到的膨胀岩土样进行无荷膨胀率试验，测定无载荷有侧限条件下原状土样和重塑土样的膨胀率，采用体积平衡法测定原状样和重塑样的膨胀力。每种土样重复4 次平行试验，取其算数平均值以避免误差。

1.3 试验结果与分析

膨胀岩原状土样和重塑土样的无荷膨胀率试验结果如表3及图1所示。(图中A，B，C，D分别代表4种不同粒径范围土颗粒的重塑样，下同)。

表3 膨胀岩原状和重塑土样膨胀率对比

图1 膨胀岩原状和重塑样膨胀曲线

由表3可知，4组重塑土样的无荷膨胀率较原状土样均有增加，其中粒径范围最小的A 组无荷膨胀率最大，较原状土样增加了67%。但无荷膨胀率的高低与重塑土样颗粒粒径大小并无明显关系。由图1 看出，A，B，D 三组重塑土样的膨胀量都超过了原状土样，在试验开始后的前240 min，4 组重塑土样的膨胀速度迅速升高，均大于原状土样，这是因为该时期为土样迅速膨胀阶段。

各土样膨胀力试验结果如表4所示。

表4 膨胀岩原状和重塑土样膨胀力对比

由表4 可知，粒径范围0.25 mmd <0.5 mm(A 组)和2 mmd <5 mm (D 组)重塑土样的膨胀力较原状土样大，最大为原状的2.06 倍；粒径范围0.5 mmd <1 mm (B 组)和1 mmd <2 mm(C 组)重塑土样的膨胀力较原状土样小，最小仅为原状的65.0%；且粒径范围最小的重塑土样(A 组)膨胀力最大，含水率上升幅度也最大，这是因为碾碎重新制备的重塑土丧失其内部粘结结构性，改变了孔隙分布特征，使得孔隙水更易流入土体孔隙中，从而含水率增大。

虽然粒径范围1 mmd<2 mm (C组)的重塑土样的无荷膨胀率和膨胀力最接近原状样，误差分别仅为1.2%和7.2%。但总体上分析，重塑土样的膨胀力和膨胀率高低与土体颗粒粒径大小并没有明显关联，这可能与土样重塑后的结构有关。

2 三轴试验

2.1 试验方法

所制备的原状样及重塑样为尺寸ϕ39.1 mm×h80 mm 的圆柱土样，土颗粒的准备过程、干密度与含水率要求与前面试验一致。在25◦C 水温条件下，采用TSZ-2 型全自动三轴仪对原状样和4 组重塑样进行三轴(U U)剪切试验，设定0.64 mm/s 的剪切速率，试验施加的围压分别为100，200，300，400 kPa，对每种土样重复进行平行试验4次。

2.2 试验结果与分析

原状膨胀岩和各组重塑膨胀岩土样的主应力差峰值(σ1–σ3)如图2所示。

由图2 可知，在相同围压条件下，重塑土样的主应力差峰值随土样颗粒粒径的增大而逐渐减小；在不同围压条件下，重塑土样的主应力差峰值随围压的增大而逐渐升高，且均小于原状土样。整理不同围压条件下各土样的应力–应变曲线，得到原状土样和各组重塑土样的抗剪强度指标，其对比结果如表5所示。

由表5 可知，重塑土样的抗剪强度指标(c和ϕ)随颗粒粒径的增大而逐渐降低，且均小于原状土样，其中粒径范围最大的D组重塑土样，其c，ϕ值降幅最大，分别为28.2%和23.0%。可见，重塑土样抗剪强度指标与土颗粒粒径大小存在一定的关联，结合试验结果，将这两者之间的关系拟合成曲线，如图3所示。

图2 膨胀岩原状和重塑土样主应力差峰值的对比

表5 膨胀岩原状和重塑土样抗剪强度指标对比

从图3 可以看出，重塑土样抗剪强度指标(c和ϕ)会随土样平均粒径的大小而发生改变，且它们之间的关系(c与d，ϕ与d)显示出抛物线变化，可用式(1) 进行拟合。

式中，A，B，C，D，E，F为由试验确定的系数。

总的来看，重塑土样的主应力差峰值(σ1–σ3)、黏聚力c和内摩擦角ϕ均比原状土样低，且随颗粒粒径的减小而增大，这是因为土颗粒粒径组成和排列特征是影响膨胀岩抗剪强度指标的重要因素。原状样结构稳定性好，土颗粒排列紧密，易聚集大团聚体，小孔隙所占比例也更高，因而抗剪强度指标值较高；而重塑土样虽然保持与原状土样相同的含水率和总孔隙度，但经碾碎重塑后，颗粒被分散并重新排列，大团聚体难以聚集，小孔隙所占比例较少，颗粒之间的粘结力也减弱。同样，重塑土样颗粒粒径越小，小孔隙所占比例就越高，颗粒间固体接触面积就越大，土体结构性更稳定，从而抗剪强度指标值也越高。因此，最好选择颗粒粒径较小的重塑土样代替原状土样进行三轴试验。

图3 不同粒径范围重塑膨胀岩的抗剪强度指标

3 热物理试验

3.1 试验方法及过程

试验土样尺寸及制样过程与三轴试验一致。在温度25◦C、湿度90%的环境下平衡24 h，选择KD2 Pro 热特性分析仪利用非稳态方法对各土样的导热系数、导温系数和容积热容进行测量。仪器匹配SH-1 型双针探头，长30 mm，直径1.3 mm，间距6 mm，一根探针内有热源，可提供热能，另一探针内有传感器，用以监测温度变化。将双针探头垂直插入土样后启动热特性分析仪，热源探针开始对土体加热，同时传感器探针记录温度随时间变化的监测数据，对数据整理计算得到各项热物理指标。每次测量完成后等待30 min，待土样温度稳定后再开始下一步测量，为减小误差，对每组土样重复测量4次。

3.2 试验结果与分析

保持原状样和4 组重塑土样的干密度和含水率相同，根据试验数据计算得到各物理指标值如图4所示。

图4 膨胀岩原状样和重塑样热物理指标对比

由图4 可知，4 组重塑土样热物理指标值随颗粒粒径的增大而降低，且均小于原状土样的热物理指标值。随着土颗粒粒径的增大，重塑样的导热系数较原状样下降9.28%∼17.84%，容积热容下降2.71%∼8.12%，导温系数下降6.85%∼10.67%。

膨胀岩原状土样与重塑土样导热系数表现出的明显差异与这两者不同的结构性有关。原状土样在历史沉积中保持了其天然结构的稳定性，比重塑土样拥有更多的大团聚体，小孔隙所占的比例也比较高，使得土体内部的固体接触面积增加，从而土的导热系数增大。同样，颗粒粒径较小的重塑土样，土颗粒间的较大胶结作用易于团聚体的形成，固体接触面积的增加有利于热量传递，从而导热系数也越大。

膨胀岩原状土样与重塑土样的容积热容差异不大，考虑测量产生的误差，视为不变。这是因为土体的热容量是与其固体、气体和液体三相比例有关[9]，原状土样与重塑土样具有相同的含水率和干密度，故两者的容积热容也相同。土体导温系数是导热系数与单位容积热容的比值，当导热系数增大而容积热容不变时，导温系数也随之增加。综上所述，用颗粒粒径较小的重塑土样代替原状土样进行热相关试验，可较好表征土体的热特性。

4 机理分析

4.1 原状与重塑膨胀岩孔隙特征对比

采用Auto Pore 9500 型全自动压汞仪对冷冻干燥后的土样进行压汞试验，该试验将不浸润的液态汞压入到被测材料的毛细孔内，接触面会产生克服固体表面的张力，当外压力一直加大到克服张力大小时，汞就会侵入孔隙，被侵入的孔径大小即为所用外压力的函数，从而可获得土中孔隙分布的特征参数。根据其他学者对土体孔径大小分类的研究[12-14]，膨胀岩孔径按孔隙大小分为四类，分类标准如表6所示。

表6 膨胀岩孔径分类标准

压汞试验测得的结果如图5所示。由图可知，原状样和各组重塑样进汞增量与孔径之间变化规律基本一致，呈正态分布关系，孔径分布均高度集中在0.01µmd <0.1µm 范围内。整理试验结果，得到膨胀岩各土样的孔径分布规律，如表7所示。

图5 膨胀岩原状和重塑土样进汞增量与孔径关系图

表7 膨胀岩各土样孔径分布统计表

由表7 可知，各土样孔径分布均以小孔隙为主，占比达到74%以上，其他孔隙类占比都较小。其中，中孔隙分布无明显规律显现，所占比例为2.77%∼20.15%；其次是占比3.30%∼4.01%的微孔隙；大孔隙占比最小，范围在2.63%∼3.20%。

对膨胀岩原状样和重塑样的孔径分布进行对比分析可知：原状样的小孔隙占比明显大于各组重塑样，所占比例达到90.73%；而中孔隙占比与重塑样相比小很多，仅为2.77%。4组重塑土样中，颗粒粒径最小的A 组孔径分布规律与原状样最为相似，微小孔隙和大孔隙占比与原状样最接近。随着重塑土样中颗粒粒径的减小，微小孔隙所占比例逐渐增大，同时大孔隙所占比例逐渐减小。综上所述，分析其原因，这是由于原状样的抗剪强度指标和导热系数比重塑样大，并且随着土颗粒粒径的减小，重塑样的抗剪强度指标和导热系数逐渐增大，与上述试验分析结果一致。

4.2 原状与重塑膨胀岩微观结构对比

采用S-3400N 型扫描电子显微镜对冷冻干燥后的膨胀岩土样进行分析，放大倍率5000倍的扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)图像如图6所示。

图6 各土样SEM 图像

由图6可知，在所有的膨胀岩土样中，较少出现单体颗粒，多以面面相聚或边面相聚的形式聚集在一起。其中，原状土样的微观结构主要为球形颗粒，夹杂着片状颗粒和少量杆状颗粒。重塑土样的结构形状各不相同，粒径范围0.25 mmd<0.5 mm的A 组土样结构形状与原状土样最为相似，但颗粒相互团聚在一起，彼此并不独立；粒径范围0.5 mmd <1 mm 的B 组土样结构形状主要为片状和杆状，其中杆状颗粒最为明显；粒径范围1 mmd <2 mm 的C 组结构形状主要为片状颗粒；粒径范围2 mmd<5 mm的D组土样明显可见絮凝状结构。通过观察原状土样和重塑土样的微观结构可以发现，它们之间的结构有很大差异，各组重塑土样的结构也各不相同，结构的差异性是导致原状土样与重塑土样膨胀率与膨胀力不同的主要原因。

5 结语

本文比较了膨胀岩原状样和重塑样的物理力学性质，并分析其产生差异的原因。结果表明：

(1)重塑后不同粒径范围膨胀岩土样的无荷膨胀率较原状样明显升高，但膨胀力与原状样差异较大，有升高，也有降低；主应力差峰值(σ1–σ3)、黏聚力c、内摩擦角ϕ和导热系数、导温系数、容积热容较原状样均有降低。

(2)压汞试验结果表明，粒径范围较小的重塑土样，其微小孔隙所占比例比较大，从而粘结力增加，土颗粒间固体接触面积也加大，因此抗剪强度指标和热物理指标就增大。电镜扫描土样微观结构显示，原状土样和重塑土样的结构形态差异很大，且粒径范围不同的重塑土样，其结构形态也不尽相同。

(3)室内试验制备重塑样以代替原状样时，应选择粒径范围合适的土颗粒进行重塑：进行无载荷膨胀率和膨胀力试验应选择粒径范围1 mmd<2 mm的土颗粒；进行三轴试验和热物理指标测试应尽量选择粒径较小的土颗粒。