上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制

王传杰, 汤斌

(桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，桂林 541004)

广东省湛江市广泛分布着湛江组结构性黏土，该黏土具有强触变性的特点[1-2]，湛江地区的建(构)筑物往往以这种黏土作为地基，建(构)筑物对扰动后的地基施加的上覆压力不同，会对地基造成不同程度的影响，随着时间的增长，由于湛江组结构性黏土的强触变性，导致湛江组结构性黏土地基强度恢复程度不同。研究上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制，有助于深入了解上覆压力造成地基强度恢复程度不同的本质原因。

已有研究表明，黏土的触变性受到上覆压力[3-4]、含水率[5-8]、孔隙比[5,9]、灵敏度[5,9-10]、pH[11]、扰动程度[12-13]、黏粒含量[9,14]等因素不同程度的影响，其中上覆压力的影响尤为显著。不少学者从微观角度解释不同因素对土体触变性的影响。霍海峰等[4]认为触变过程就是土体絮凝过程，土颗粒受到电荷作用相互吸引，沉淀形成絮凝体，再通过胶结作用形成蜂窝絮凝体。陈宝等[15]将触变性与颗粒搭接方式联系起来，发现触变强度恢复时间漫长的原因是土体颗粒趋向于垂直搭接，但同时又有许多力阻碍其搭接。徐永福等[16]在湿喷桩施工中发现，施工造成桩周围土体强度降低，而停止施工后一段时间，桩周围土体强度上升的触变现象，通过后续试验得出了土体触变的影响机制，触变是由于土体颗粒在水溶液中作用力的变化引起，外界破坏引起土体颗粒间作用力改变，土体强度下降，时间的增加，使土体颗粒在水溶液中逐渐平衡，土体颗粒间作用力也变得稳定，因而土体强度逐渐恢复。张先伟等[17]研究发现，土颗粒的粒间力变化导致土体结构向絮凝化方向发展，大、小孔隙逐步向中孔隙转变，孔隙渐渐匀化，整个土体结构开始变得稳定，使得土体表现出触变性现象，但是上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制尚不清楚。

对扰动后的湛江组结构性黏土施加不同大小的上覆压力，并在不同静置龄期进行直接剪切试验和扫描电镜试验(scanning electron microscope，SEM)，探究土体的触变强度比率随上覆压力变化规律以及土体的微观结构演变规律，从宏微观角度阐明上覆压力对湛江组结构性黏土触变性影响机制。有助于深入了解上覆压力造成地基强度恢复程度不同的本质原因，为具有触变性的黏土地基稳定性评价提供依据

1 试验用土

在坐落于广东省湛江市东海岛北部的宝钢湛江钢铁基地内挖土取样，在埋深2～3 m处取试验所用的湛江组结构性黏土，该黏土呈灰色，质地较为坚硬。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行物理力学性质试验，测得其含水率为41.2%，干密度为1.27 g/cm3，灵敏度为4.23。由侧限压缩试验计算得到黏土的孔隙比e，建立黏土的孔隙比e和上覆压力P的关系，得到该黏土的e-lgP曲线，并根据Casagrande法确定先期固结压力Pc为300 kPa，以300 kPa的先期固结压力为中位值，确定后续试验所需施加的5种上覆压力，分别为200、250、300、350、400 kPa。

2 上覆压力对土体触变性影响的宏观试验研究

2.1 试验方法

2.1.1 试样制备

将上述湛江组结构性黏土风干、碾碎、过2 mm的筛。取过筛后风干土，配制成含水率为35%，干密度为1.25 g/cm3的扰动土样，将土样装入密封袋中，待土样充分浸润后制备直径61.8 mm，高度20 mm的30个试样，分成5组，分别编号为A1～A6、A7～A12、A13～A18、A19～A24、A25～A30。

2.1.2 试验方案

将试样置入应变控制式直剪仪中，按表1的施加方案施加上覆压力。

表1 上覆压力的施加方案

所有试样上覆压力施加完成后，保持上覆压力施加状态至不同静置龄期0、7、14、28、63、91 d[以试样初始固结稳定后的时刻作为静置龄期(0 d)]，按表2的试验方案对其进行直接剪切试验，测得试样抗剪强度值。

表2 直接剪切试验方案

2.2 试验结果及分析

按照表2进行试验，得到不同上覆压力作用下试样在不同静置龄期的抗剪强度值(单位：kPa)，结果如表3所示。

由表3可以看出，随着上覆压力的增大，土体抗剪强度增大；在相同上覆压力作用下，土体抗剪强度随着静置龄期的增长也逐渐增大。

用触变强度比率AT来判断触变性强弱，触变强度比率AT越大，则触变性越强。定义触变强度比率AT为

(1)

式(1)中：AT为触变强度比率；Qu,P,T为静置龄期为T、上覆压力为P的抗剪强度值，kPa；Qu,P,0为静置龄期为0 d、上覆压力为P的抗剪强度值，kPa。

根据式(1)、表3，计算不同静置龄期的试样在不同上覆压力作用下触变强度比率AT，结果如表4所示。

表3 不同上覆压力作用下试样在不同静置龄期的抗剪强度值

根据表4，建立土体触变强度比率与上覆压力的关系，土体触变强度比率与静置龄期的关系，如图1、图2所示。

表4 不同上覆压力作用下试样在不同静置龄期的触变强度比率

由图1可知，随着上覆压力的增大，土体触变强度比率减小，在200～300 kPa上覆压力范围内减小速率较慢，在300～400 kPa上覆压力范围内减小速率较快。这说明随着上覆压力的增大，土体的触变性逐渐变弱，当上覆压力小于300 kPa时，土体触变性减弱速率较慢，当上覆压力大于300 kPa时，土体触变性减弱速率较快。

由图2可知，在相同上覆压力作用下，土体的触变强度比率随着静置龄期的增长而逐渐增大，增大的速率表现为触变前期(0～28 d)最快，触变中期(28～63 d)较慢，触变后期(63～91 d)最慢。这说明在相同上覆压力作用下，随着静置龄期增长，土体的触变性不断增强，但增强速率逐渐减慢。

使用Origin 2018软件对图1、图2中触变强度比率与上覆压力、静置龄期的关系进行拟合，并将拟合结果汇如表5、表6所示。

图1 触变强度比率随上覆压力变化关系

图2 触变强度比率随静置龄期变化关系

表5 触变强度比率与上覆压力关系拟合结果

表6 触变强度比率与静置龄期关系拟合结果

由表5可知，土样的触变强度比率与上覆压力拟合曲线相关系数R2均接近于1，表明拟合效果良好。湛江组结构性黏土的触变强度比率与上覆压力的关系符合一次函数关系式：AT=a+bP，其中a、b为拟合参数，a反映土体本身的物理力学性质，当上覆压力变化时，土体的密实度等物理力学性质可能发生变化，物理力学性质越好，a越大，定义a为土体物理力学性质影响系数；b反映上覆压力对土体触变强度比率的影响程度，上覆压力影响作用越强，b值越大，定义b为土体上覆压力影响系数。

由表6可知，土样的触变强度比率与静置龄期拟合曲线相关系数R2均接近于1，表明拟合效果良好。湛江组结构性黏土的触变强度比率与静置龄期的关系符合乘幂函数关系式：AT=cTd，其中c、d为拟合参数，c反映土体本身的物理力学性质，当静置龄期变化时，土体的孔隙比等物理力学性质可能发生变化，物理力学性质越好，c越大，定义c为土体物理力学性质影响系数；d反映静置龄期对土体触变强度比率的影响程度，静置龄期影响作用越强，d值越大，定义d为土体静置龄期影响系数。

3 上覆压力对土体触变性影响的微观试验研究

取处于触变前、中、后期静置龄期分别为7、28、63 d的试样进行扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)扫描电镜试验，探究在不同上覆压力(200、250、300、350、400 kPa)作用下，静置龄期分别为7、28、63 d的试样微观结构。

3.1 试验方法

3.1.1 试样制备

利用与前述宏观试验相同的试样制备方法制备出15个试样，分成5组，分别编号为B1～B3、B4～B6、B7～B9、B10～B12、B13～B15。

3.1.2 试验方案

采用与宏观试验中同样的上覆压力施加方法，如表7所示。

表7 上覆压力的施加方案

上覆压力施加完成后，按照表8的试验方案对试样进行SEM扫描电镜试验。SEM扫描电镜试验前用冷冻干燥法处理试样，以保持试样微观结构完整，并对其进行“喷金”处理，使得到的SEM图像尽可能清晰。SEM扫描电镜试验所用仪器型号为蔡司GeminiSEM 300场发射扫描电子显微镜。

表8 SEM扫描电镜试验方案

3.2 试验结果及分析

按照表8进行SEM扫描电镜试验。试验时，对在不同上覆压力作用下不同静置龄期的试样的水平观测面进行观察，SEM图像放大倍数为2 000倍，选择多个位置进行拍摄，并为每一组试验选取一个清晰且具有代表性的SEM图像。不同上覆压力作用下不同静置龄期的试样水平观测面的SEM图像如图3所示。

3.2.1 SEM图像定性分析

先分析相同静置龄期试样的微观结构随上覆压力的演变规律。从图3可以看出，上覆压力为200 kPa时，土颗粒多为单片状和碎屑状，分布较为松散，定向程度较弱，团聚体非常少；随着上覆压力的增大，单片状和碎屑状的土颗粒数量不断减少，分布越来越集中，定向程度增强，团聚体数量逐渐增多，当上覆压力为400 kPa时，呈单片状和碎屑状土颗粒较少，分布较为集中，定向程度较高，团聚体数量较多。

再分析相同上覆压力作用下试样微观结构随静置龄期的演变规律。从图3中可以看出，随着静置龄期的增长，呈单片状和碎屑状的土颗粒数量在不断减少，分布变得集中，定向程度在不断增强，出现越来越多的团聚体。

总体来看，上覆压力较大时相比于上覆压力较小时，随着静置龄期的增长，呈单片状和碎屑状的土颗粒数量减少速率变慢，分布集中速率和定向程度增强速率变慢，团聚体增加速率也变慢。

根据图3建立不同静置龄期时，试样团聚体数量随上覆压力变化的关系，如图4所示。可以看出，上覆压力为400 kPa，在7 d→28 d→63 d时团聚体数量变化为12→14→16，而上覆压力为200 kPa，在7 d→28 d→63 d时团聚体数量变化为2→5→8，可见上覆压力400 kPa相比于上覆压力200 kPa，团聚体增加速率较慢，从土颗粒排列定向性也可看出类似变化。所以随着上覆压力的增大以及静置龄期的增长，土颗粒往团聚化发展和排列定向性增强的速率变慢，变化趋势逐渐变得不明显。

图4 不同静置龄期试样团聚体数量与上覆压力的关系

3.2.2 SEM图像定量分析

使用概率熵Hm来分析土体微观结构定向性变化情况[18]。概率熵的取值范围为0～1，其值越接近于1，则表明土体微观结构排列混乱，定向性差，其值越接近于0，则表明土体微观结构排列整齐，定向性好。概率熵Hm的计算公式为

(2)

式(2)中：Hm为土体的概率熵；Pi为某一土体结构单元体在某一方位区间上出现的概率；n为在方位区间[0°，180°]中等分的方位区数。

使用颗粒分布分维数Dkl来分析土体微观结构中土颗粒分布变化情况。颗粒分布分维数的取值越小，则表明土体微观结构中土颗粒分布集中，团聚化程度强。颗粒分布分维数Dkl的计算公式为

(3)

式(3)中：Dkl为土体的颗粒分布分维数；c为分割土体结构单元体图像的正方形边长；N(c)为分割后图像中单个网格所包含的土颗粒数量；K为lnc-lnN(c)曲线的斜率。

利用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统[particles(pores)and cracks analysis system，PCAS]对图3中的SEM图像进行二值化处理，利用式(2)、式(3)计算得到不同上覆压力不同静置龄期试样的概率熵、颗粒分布分维数，通过这两个微观定量参数来反映出湛江组结构性黏土的土体微观结构定向性和土颗粒分布变化情况，具体数值如表9所示。

(1)土体微观结构定向性变化情况。根据表9建立不同静置龄期试样概率熵与上覆压力的关系，如图5所示。

表9 不同上覆压力不同静置龄期试样的概率熵、颗粒分布分维数

从图5可以看出，在相同静置龄期时，随着上覆压力的增大，土体的概率熵下降，上覆压力小于300 kPa时，下降的速率较小，上覆压力大于300 kPa时，下降的速率较大。这说明随着上覆压力的增大，土颗粒的排列定向性加强，小于300 kPa时，土颗粒排列定向性加强较慢，大于300 kPa时，土颗粒排列定向性加强较快。

图5 不同静置龄期试样概率熵与上覆压力的关系

相同上覆压力作用下，土体的概率熵随着静置龄期增长而下降；随着上覆压力的升高，土体的概率熵随着静置龄期增长而下降的幅度减小，特别是当上覆压力大于300 kPa时，该现象更明显，如在7 d→28 d→63 d，上覆压力为200 kPa时，土体的概率熵下降的幅度为0.006 8、0.004 5，而在上覆压力为400 kPa时，土体的概率熵下降的幅度为0.001 2、0.000 5，这明显小于200 kPa时下降的幅度。这说明在相同上覆压力作用下，土颗粒排列随着静置龄期的增长越来越有定向性；在越高的上覆压力作用下，特别是大于300 kPa时，土颗粒排列定向性增长速率随着静置龄期增长变慢。

(2)土体微观结构分布变化情况。根据表9建立不同静置龄期试样颗粒分布分维数与上覆压力的关系，如图6所示。可以看出，在相同静置龄期时，随着上覆压力的增长，土体颗粒分布分维数下降，上覆压力小于300 kPa时，下降的速率较小，上覆压力大于300 kPa时，下降的速率较大。这说明随着上覆压力的增大，土颗粒团聚化程度加强，小于300 kPa时，团聚化加强速率较慢，大于300 kPa时，团聚化加强速率较快。

图6 不同静置龄期试样颗粒分布分维数与上覆压力关系

相同上覆压力作用下，土体的颗粒分布分维数随着静置龄期增长而下降；随着上覆压力的升高，土体的颗粒分布分维数随着静置龄期增长而下降幅度减小，特别是当上覆压力大于300 kPa时，该现象更为明显，但在上覆压力400 kPa时却发现28 d的颗粒分布分维数小于63 d，数据存在一些异常，这可能是由于人为拍摄SEM图像时存在误差引起，导致SEM图像存在一些差异。图中在7 d→28 d→63 d，上覆压力为200 kPa时颗粒分布分维数下降的差值为0.007 6、0.006 9，而在上覆压力为400 kPa时，土体的颗粒分布分维数下降的差值为0.005 2、-0.000 7，这明显小于200 kPa时下降的幅度。这说明在相同上覆压力作用下，土颗粒往团聚化发展随着静置龄期的增长而加强；在越高的上覆压力作用下，特别是大于300 kPa时，土颗粒往团聚化发展速率随着静置龄期的增长而下降。

4 影响机制解释

从本质上说，上覆压力对湛江组结构性黏土触变性影响的宏观表现会体现在其土体微观结构表现上，因而可以从土体微观结构的演变规律对土体触变性变化规律进行解释，从而得出上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制。在相同的上覆压力作用下，扰动后的土体其概率熵和颗粒分布分维数均随着静置龄期增长而下降，这表明土颗粒排列定向性、团聚化发展逐渐加强，宏观上表现出土体抗剪强度和触变强度比率增大，土体触变性变强。

随着上覆压力的增大，土体的概率熵和颗粒分布分维数均下降，特别是大于300 kPa时，下降的速率越大，这表明土颗粒往团聚化发展、排列定向性加强，宏观上表现出土体抗剪强度增大，且上覆压力大于300 kPa时，土体抗剪强度增大更为明显。但随着上覆压力的升高，特别是大于300 kPa时，土体的概率熵和颗粒分布分维数随着静置龄期的增长而下降的幅度减小，这表明土颗粒排列定向性增长和往团聚化发展速率变慢，宏观上表现出土体的抗剪强度增大及触变强度比率减小，土体触变性减弱，且上覆压力大于300 kPa时，土体触变性减弱越为明显。

5 结论

(1)随着上覆压力的增大，土体抗剪强度增大，而土体触变强度比率减小，小于300 kPa上覆压力时，减小速率较慢，大于300 kPa上覆压力时，减小速率较快，土体触变强度比率与上覆压力呈一次函数关系；在相同上覆压力作用下，土体静置龄期越长其抗剪强度和触变强度比率增大，增大速率表现触变前期快，触变中后期慢，土体触变强度比率与上覆压力呈乘幂函数关系。

(2)随着上覆压力的增大，土体的概率熵、颗粒分布分维数均下降，小于300 kPa上覆压力时，下降的速率较小，大于300 kPa上覆压力时，下降的速率较大；相同上覆压力作用下，土体的概率熵和颗粒分布分维数均随着静置龄期增长而下降；随着上覆压力的升高，土体的概率熵和颗粒分布分维数随着静置龄期增长而下降的幅度减小，且上覆压力大于300 kPa时，该现象更为明显。

(3)在相同上覆压力作用下，随着静置龄期的增长，土体的概率熵和颗粒分布分维数均下降，这表明土颗粒往团聚化发展、排列定向性逐渐加强，宏观上表现出土体抗剪强度和触变强度比率增大。随着上覆压力的增大，土体的概率熵和颗粒分布分维数均下降，特别是大于300 kPa时，下降的速率越大，这表明土颗粒往团聚化发展、排列定向性加强，宏观上表现出土体抗剪强度增大，且上覆压力大于300 kPa时增大更为明显。但随着上覆压力的升高，特别是大于300 kPa时，土体的概率熵和颗粒分布分维数随静置龄期的增长而下降的幅度减小，这表明土颗粒往团聚化和排列定向性增长速率变慢，宏观上表现出土体抗剪强度增大及触变强度比率减小，且上覆压力大于300 kPa时现象更为明显。