不同养护龄期下凹凸棒土改良黏性土三轴压缩试验研究

胡国长，朱晓勇，薛建，刘瑾，江灿珲，陈志昊，王竑

(1.江苏省地质矿产勘查局， 江苏 南京 210018； 2.河海大学地球科学与工程学院， 江苏 南京 211100)

0 引言

凹凸棒土是一种具有链层状结构的黏土矿物，分布于江苏、甘肃等14个省份，我国已探明的矿产储量约占全球总储量的50%。凹凸棒土以其阳离子交换性、吸附性、胶体性、催化性和大的比表面积等特殊的物理化学性能，广泛应用于石油、化工、建材、造纸、医药，钻探等行业(芮源隆等，2011；向远清和陈大俊，2011；张群，2012；吕国诚等，2019；孙莹等，2020；曹悦等，2021)。

随着凹凸棒土被越来越多的应用于土壤中，其对土壤物理性质的影响逐渐受到重视。杨婷和吴军虎(2017)的研究表明，随着凹凸棒土含量的增加，土壤中黏粒和粉粒比例减小，砂粒比例增加，大于0.25 mm的团聚体含量增加，持水量增加。随着凹凸棒土含量的增大，土壤入渗速率和累积入渗量减小，使得土壤中的大孔隙减少，并具有一定的阻渗作用(吴军虎和杨婷，2016)。杨苏等(2020)的研究表明凹凸棒土复合粉砂质土中大于0.25 mm团聚体含量增加约5%，持水量增加约18%，同时提高土壤中的有机碳和全氮含量，促进植物生长。但过量凹凸棒土的掺入容易引起土壤板结，反而限制了植被生长，凹凸棒土的掺入量应控制在40～80 g/kg(刘左军等，2010)。

综上所述，目前关于凹凸棒土对黏性土团粒结构、水力参数、保水性等研究较多，缺少了凹凸棒土对黏性土土体力学性质影响的研究，因此本文通过不固结不排水三轴压缩试验，探究基于凹凸棒土置换量及其养护龄期条件下黏性土强度特性的变化规律，通过扫描电镜图像分析凹凸棒土改良土体的作用机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 黏性土

试验土样的物理性质见表1，结合室内试验结果，根据《建筑地基基础设计规范》(GB/T 50007—2011)①对试验土样进行划分，试验土样为黏土。在制样之前，将试验土样敲碎，去除杂质后放入烘箱，105 ℃烘干8小时以上。粉碎后密封备用。

表1 试验土样的物理性质

1.1.2 凹凸棒土

凹凸棒石又称坡缕石，属海泡石族，是一种具有链层状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物。分子式为(Al2Mg2)Si8O20(OH)2(H2O)·4H2O，其晶体结构为纤维状、棒状或纤维状集合体(图1)，这种特殊的骨架式排列方式大大提高了它的比表面积，增加它的吸附性。本次试验中所用的凹凸棒土(图2)取自江苏省常州市某矿区，颗粒大小为800目，在制样之前放入烘箱，105 ℃烘干8小时以上，取出密封备用。

图1 凹凸棒土晶体结构图

图2 凹凸棒土

1.2 试验方法

本次研究通过不固结不排水三轴压缩试验探究养护龄期、凹凸棒土含量对黏性土强度特性的变化规律。试验选用南京智龙科技开发有限公司生产TSZ-1型全自动三轴仪(图3)，以加载速率0.8 mm/min进行试验。试样采用标准三轴压缩试验试样(图4)，高80 mm，直径39.1 mm。根据黏性土物理性质，设定所有试样干密度为1.7 g/cm3，含水率为19%。制样采用击实制样法，将定量黏性土和凹凸棒土的均匀混合物与定量水充分搅拌后，用保鲜膜密封24小时均匀水分，开始制样。制样前将混合土均分为3份，分3次倒入模具，每层击实至相同高度，刮毛试样面后倒入下一份混合土，保证试样高度达到80 mm，用千斤顶取出制好的试样，包裹保鲜膜置于恒温25 ℃环境下养护。

图3 TSZ-1型全自动三轴仪

图4 三轴压缩试验试样

2 试验结果分析

本次研究通过不固结不排水三轴压缩试验分析了凹凸棒土改良黏土在不同养护龄期和凹凸棒土置换量条件下的强度特性、黏聚力和内摩擦角变化规律。养护龄期设定为：0 d、1 d、3 d、7 d、14 d；凹凸棒土置换量设定为：0.00%、2.00%、4.00%、6.00%、8.00%；三轴压缩试验围压设定为：50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。选取有效应变范围(0～15%)内应力—应变曲线峰值应力作为该试样在特定围压下的抗压强度，参与摩尔圆的绘制与黏聚力和内摩擦角的计算。各组试样三轴压缩试验结果见表2。

2.1 不同凹凸棒土置换量条件下三轴压缩试验结果分析

为避免养护龄期过短影响凹凸棒土改良试样的作用效果，以养护龄期为14 d时试样的抗剪强度参数为例，分析其在试样养护龄期较长时随凹凸棒土置换量的变化规律。如图5所示，在各围压下，随凹凸棒土置换量的增加，试样弹性阶段的斜率和偏应力水平整体上升，并且随着围压的增加，试样的偏应力水平增加幅度逐渐增加。同时，试样的峰值偏应力对应的应变随凹凸棒土置换量的增加整体表现出减小的趋势，在低围压下尤为明显。以100 kPa 围压的试样为例，随凹凸棒土置换量的增加，其峰值偏应力出现的应变分别为：12.50%、10.75%、9.50%、8.50%、4.25%，表明随着凹凸棒土的掺入导致试样的脆性增加，使得破坏应变提前。而随着围压的增加，试样均发生脆性—延性转化，因此在高围压下，凹凸棒土对试样峰值偏应力对应应变的影响相对较小。材料在弹性变形阶段，其应力和应变呈线性关系，其斜率定义为弹性模量，弹性模量是物体弹性变形难易程度的表征。由于本文试样在弹性阶段中的偏应力—应变曲线不符合直线关系，本文用割线模量作为弹性模量的近似值进行分析。割线模量指的是试样偏应力—应变曲线中第一个达到峰值偏应力50%的点和原点连线的斜率。养护龄期为14 d的各试样组弹性模量见表3。在各围压下，试样的弹性模量随着凹凸棒土置换量的增加而增加，当围压为50 kPa时，随凹凸棒土置换量的增加，试样的弹性模量分别为21.78 MPa、24.57 MPa、33.50 MPa、33.01 MPa、38.52 MPa，相对于素土试样分别提升了13%、48%、34%、50%，并且当围压增加时，凹凸棒土置换量对试样弹性模量的影响更为显著；以围压为 200 kPa 的试样为例，随着凹凸棒土置换量的增加，试样的弹性模量分别为14.79 MPa、23.26 MPa、26.86 MPa、30.59 MPa、31.80 MPa，相对于素土试样分别提升了57%、82%、107%、115%，可以看出改良试样的弹性模量随围压的增加而减小的幅度明显降低。这表明凹凸棒土的掺入可以显著提高试样的抵抗弹性变形能力，并且减少围压对试样弹性模量的影响。

表2 凹凸棒土改良试样三轴压缩试验结果参数

图5 不同围压条件下养护龄期为14 d时各试样组偏应力—应变曲线a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa

表3 不同围压条件下养护龄期为14 d时各组试样的弹性模量

养护龄期为14 d时各试样组峰值偏应力变化曲线如图6所示。可以看出在各围压下，随着凹凸棒土置换量的增加，试样的峰值偏应力整体表现出上升的趋势。同时，试样的峰值偏应力随围压的增加上升幅度增大。前人的研究发现脆性材料相比于塑性材料在围压的影响下强度的提高更多，这也再次表明凹凸棒土的掺入提高了试样的脆性。养护龄期为14 d各试样组内摩擦角和黏聚力变化曲线见图7，随着凹凸棒土掺量的增加，试样的黏聚力分别为128.21 kPa、105.20 kPa、100.29 kPa、104.92 kPa、114.09 kPa，内摩擦角分别为15.10°、24.99°、27.00°、27.87°、30.43°，表明凹凸棒土主要是通过提高试样的内摩擦角提升了土体的强度。这一规律与凹凸棒土的形态和结构存在直接联系，凹凸棒土的纤维状颗粒使其具有较大的比表面积，表现出很强的吸附性，黏土颗粒附着于凹凸棒土的颗粒表面形成团聚体，团聚体—团聚体的结合方式导致了更致密的咬合状态，增加了土体破坏时的咬合摩擦力，从而提高了土体的内摩擦角；另一方面，相对于黏土颗粒，凹凸棒土颗粒对水有更强的吸附性，土体中的水相对更多的吸附于凹凸棒土颗粒周围，尽管素土试样与改良试样的含水率是一致的，但实际作用于黏土颗粒表面的水相对减少，导致试样的黏聚力下降。

2.2 不同养护龄期条件下三轴压缩试验结果分析

以50 kPa围压下的试样为例，各试样的偏应力—应变曲线见图8，随着养护龄期增加，试样的偏应力水平整体呈上升趋势，并且随着凹凸棒土置换量的增加，试样偏应力水平上升的幅度逐渐增加，这表明凹凸棒土对试样的作用效果受到养护龄期因素的影响显著。改良试样弹性阶段的斜率随养护龄期的增加而增加，在养护龄期达到7～14 d时，增加的趋势相对减少。同时，随着养护龄期的增加，试样的峰值偏应力对应的应变整体表现出减小的趋势，相对于素土，在改良试样中应变的减小幅度增加，以凹凸棒土置换量为4%的试样为例，其峰值偏应力对应的应变分别为：15.00%、12.50%、8.75%、5.50%、4.75%，素土试样的破坏应变为：15.00%、14.00%、10.50%、14.00%、8.25%，这表明改良试样随着养护龄期的增加破坏应变提前，脆性增加。通过弹性模量分析养护龄期对试样抵抗弹性变形能力的影响，围压为50 kPa条件下各试样组弹性模量见表4，其变化曲线见图9。随着养护龄期增加，各试样的弹性模量均呈现出上升的趋势，并且随着凹凸棒土置换量的增加，试样的弹性模量受养护龄期的影响更加显著。例如：当凹凸棒土置换量为8%时，试样弹性模量随养护龄期的增加分别为9.11 MPa、11.92 MPa、23.28 MPa、27.37 MPa、38.52 MPa，素土试样的弹性模量分别为6.74 MPa、8.04 MPa、16.84 MPa、17.38 MPa、21.78 MPa。通过观察发现各养护龄期下试样的弹性模量并不总是与凹凸棒土置换量呈正相关，在养护龄期0～7 d时试样弹性模量出现峰值点，并且随养护龄期的增加，峰值点对应的凹凸棒土置换量逐渐增加，这表明随着凹凸棒土置换量的增加，凹凸棒土充分发挥其作用效果所需要的养护龄期逐渐增加。

图6 养护龄期为14 d时各试样组峰值偏应力变化曲线

图7 养护龄期为14 d各试样组内摩擦角和黏聚力变化曲线

图8 围压为50 kPa下不同凹凸棒土置换量试样组偏应力—应变曲线a—0%置换量；b—2%置换量；c—4%置换量；d—6%置换量；e—8%置换量

表4 围压为50 kPa下各试样组偏应力—应变曲线弹性模量

图9 围压为50 kPa下各试样组弹性模量变化曲线

各试样组峰值偏应力变化曲线见图10，在各围压下，试样的峰值偏应力均随着养护龄期的增加而增加，随着凹凸棒土置换量的增加，试样峰值偏应力上升幅度逐渐增加，试样峰值偏应力的增长主要发生在养护前期(0～7 d)。当养护龄期为0 d时，试样的峰值偏应力随凹凸棒土置换量的增加分别为 330.21 kPa、313.82 kPa、322.98 kPa、312.32 kPa、290.15 kPa，表现出下降的趋势，相对于素土试样，凹凸棒土的掺入反而减小试样的强度。各组试样黏聚力和内摩擦角变化曲线如图11所示，试样内摩擦角均随着养护龄期和凹凸棒土置换量的增加呈上升的趋势，而改良试样中黏聚力随养护龄期的增加出现先增加后减小的规律。

这一变化规律主要是由基质吸力造成的表观黏聚力引起的，表观黏聚力又称不稳定黏聚力，三轴压缩试验测得的黏聚力为有效黏聚力和表观黏聚力之和。Fredlund et al.(1978)提出了以正应力与基质吸力作为变量的非饱和土抗剪强度公式，其表达式为：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中τf为抗剪强度，c′为有效黏聚力，σ为正应力，ua为孔隙气压力，φ'为有效内摩擦角，uw为孔隙水压力，tanφb为抗剪强度随基质吸力(ua-uw)增加的速率。

由于在非饱和土中同时充填着水和空气，形成的水—气分界面具有表面张力，孔隙气压力大于孔隙水压力，这一分界面承受的压力差值称为基质吸力。林鸿州等(2007)研究了非饱和黏性土重塑试样的土—水特征曲线和黏聚力—基质吸力关系曲线，发现黏性土的基质吸力随土体饱和度减小而增加，黏性土的黏聚力随基质吸力的增加先增加后减小，内摩擦角随基质吸力的增加而增加。凹凸棒土颗粒对水的吸附性导致试样黏土中的实际含水率减小，基质吸力增大，而随着养护龄期的增加，凹凸棒土颗粒对水的吸附程度逐渐增加，进一步降低了素土中的实际含水率，基质吸力继续增加，使得改良试样的黏聚力表现出先增加后减小的规律。

3 机理分析

素土试样SEM图像见图12。在放大倍率 350×下(图12a)，素土试样颗粒分明，黏土颗粒尺寸较平均，颗粒之间彼此胶结在一起，许多小孔隙均分布其中，存在少量大孔隙，整体结构较为疏松。在放大倍率2300×下(图12b)，黏土颗粒通过黏粒形成的胶结整体较为均匀，其间穿插许多孔隙。从图13发现，凹凸棒土改良试样中团聚体大小不一，有不少团聚体具有片状、长条状的形态，这可能与凹凸棒土链片层状的晶体结构存在着一定联系。团聚体的形成主要是由凹凸棒土的吸附性决定的。凹凸棒土的吸附性按成因不同主要分为三类：物理吸附、化学吸附和离子交换吸附，其中由于凹凸棒土的比表面积较大，以物理吸附最为明显。凹凸棒土颗粒相互交织形成的网架结构充当团聚体的骨骼，其吸附着周围的土颗粒和水，增加了团聚体的整体性。相较于素土试样中土颗粒—土颗粒之间的均匀胶结，改良试样中团聚体—团聚体之间的胶结具有更高的滑动摩擦力和咬合摩擦力，使得凹凸棒土改良试样的内摩擦角显著提高。

图10 不同围压条件下各试样组峰值偏应力变化曲线a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa

图11 不同凹凸棒土置换量和养护龄期条件下试样的抗剪强度参数a—黏聚力；b—内摩擦角

图12 素土试样SEM图像a—放大倍率350×；b—放大倍率2300×

图13 6%凹凸棒土置换量试样SEM图像a—放大倍率430×；b—放大倍率2200×

4 结论

本次研究通过不固结不排水三轴压缩试验评价了凹凸棒土在不同养护龄期条件下改良黏性土的强度特性表现，并通过试样改良前后的扫描电镜图像分析了凹凸棒土在改良土体中的作用机理。研究发现：

(1)当养护龄期为14 d时，凹凸棒土的掺入减小试样的破坏应变，提高了试样的脆性；随着凹凸棒土掺量的增加，试样的峰值偏应力和内摩擦角显著提升，内摩擦角最高达到了30.43°，黏聚力降低，这表明凹凸棒土主要通过增加土体的内摩擦角提高土体强度。

(2)随着养护龄期的增加，改良试样的内摩擦角显著提升，这主要是由于凹凸棒土的掺入增加土体内的团聚体含量，而在团聚体稳定过程中，土颗粒间的咬合摩擦力和滑动摩擦力逐渐提高，增加了试样的内摩擦角。

(3)随着养护龄期的增加，改良试样的黏聚力表现为先增后降的趋势，这主要是由于凹凸棒土在养护过程中对水的吸附程度逐渐增加，导致试样中实际作用于黏土颗粒的水分减少，导致基质吸力逐渐增加，引起的表观黏聚力导致的。

注 释

① 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.2011.建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011[S].北京：中国建筑工业出版社.