黏粒含量對黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

王 力，李喜安,2，趙 寧，洪 勃

(1.長安大學(xué)地質(zhì)與測繪工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國土資源部巖土工程開放研究實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

黃土是第四紀(jì)以來干旱、半干旱氣候條件下形成的特殊陸相沉積物，它主要經(jīng)受過，并正在經(jīng)受著常溫常壓下的表生成巖作用，成巖程度很差，它的膠結(jié)材料是碎屑巖中作為雜基的粒徑小于0.005 mm的黏土物質(zhì)，其中包括黏土礦物如伊利石、蒙脫石、高嶺石、蛭石等，還包括黏土粒級的微細(xì)碎屑，如石英、長石、云母、碳酸鹽等。這些微細(xì)物質(zhì)將骨架顆粒相互連結(jié)起來構(gòu)成整個土體，并使之具有一定的強(qiáng)度。由于黏粒物質(zhì)的賦存狀態(tài)不同，膠結(jié)程度不同，從而形成了不同性質(zhì)的黃土。深入進(jìn)行這方面的研究，不僅對恢復(fù)或重建黃土形成時的生物氣侯環(huán)境有著重要意義，而且對鑒別黃土的風(fēng)化成土程度及解決黃土的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)問題如濕陷性、滲透性有著重要的實際意義[1]。

黏土顆粒是黃土中粒徑小于0.005 mm的顆粒，是黃土粒組的主要組成部分，也是影響黃土活性的最活躍部分[2]。具有高活動性，且有巨大的比表面積，能聚集和吸附在較大顆粒表面上，有助于集粒的形成或在碎屑顆粒表面上形成一定厚度的黏土薄膜(被碳酸鈣膠結(jié)成集?；蚰z結(jié)在碎屑顆粒的周圍)，作為一個整體成為骨架。同時黏土顆粒也是黃土的主要膠結(jié)材料，其含量不同，賦存狀態(tài)不同，膠結(jié)程度不同，對黃土的物理力學(xué)性質(zhì)影響不同。

我國黃土的粒度在區(qū)域分布有一定的變化規(guī)律，從西北向東南黃土顆粒組成由粗變細(xì)，砂粒含量逐漸減少，黏粒含量逐漸增多[3]。隨著黏粒含量的增多，黃土從砂黃土過渡至黏黃土，其膠結(jié)作用及物理力學(xué)性質(zhì)都有著明顯的差異。各國學(xué)者對黏粒組分的研究從未間斷。Constantinescu等[4]研究了冰川沉積物中黏粒含量與液塑限、液性指數(shù)、黏聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系；Jong E D等[5]研究了南薩斯喀徹溫省土壤中黏粒含量與液塑限的關(guān)系；朱慧鑫等[6]研究了崩崗剖面土壤中黏粒含量與液塑限的關(guān)系；帥常娥等[7]探討了不同土顆粒級配下滑帶土黏粒含量對黏聚力和內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)的影響；張曉麗等[8]對不同黏粒含量的原狀膨脹土進(jìn)行快剪試驗，研究了黏粒含量對抗剪強(qiáng)度的影響；Dafalla M.A.[9]通過對黏土與砂土混合物進(jìn)行直剪試驗發(fā)現(xiàn)混合物的凝聚力隨著黏土含量的增加而不斷增加；Jiaozhen[10]研究了蔣家溝土壤中黏粒含量與黏聚力和內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系；王勇等[11]通過對不同細(xì)粒含量的砂土進(jìn)行動三軸試驗，分析細(xì)粒含量對動模量、阻尼比的影響，得出砂土動力特性主要由細(xì)粒影響，并從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)討論了其內(nèi)在機(jī)理。

然而，由于成土作用、風(fēng)化過程等多方面的差異，天然黃土級配的差異性較大，通過現(xiàn)場取樣難以獲得較為理想的在其他粒組含量相同條件下的不同黏粒含量序列，因此關(guān)于在其他粒組含量基本相同的條件下黏粒含量對黃土物理力學(xué)性質(zhì)影響的相關(guān)研究工作尚少，導(dǎo)致黏粒含量對黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響及其微觀機(jī)理尚難以把握。基于此，本文通過自制負(fù)壓濕篩裝置篩取了在其他粒組基本不變條件下的不同黏粒含量的黃土試樣，分析了其他粒組不變情況下黏粒含量對黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，其相關(guān)認(rèn)識為黃土及其物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)理論與工程實踐提供了重要的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試樣制備

本次試驗所用黃土為晚更新世Q3黃土，原始土樣取自延安新區(qū)I期工程挖山填溝挖方工程新鮮剖面，自地表以下4 m深度處人工切取土樣，土樣取出后標(biāo)定其上下表面并用保鮮膜包裹。為了制備不同黏粒含量的黃土試樣，需對風(fēng)干后的黃土土樣進(jìn)行分選，同時為了更好的研究黏粒對黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，本次試驗所用土樣首先根據(jù)《土工試驗規(guī)程》SL237-1999過2 mm的圓孔標(biāo)準(zhǔn)篩，再通過自制負(fù)壓濕篩裝置篩取不同黏粒含量的黃土土樣，以實現(xiàn)對黃土試樣中黏粒含量的人為可控，并利用激光粒度儀對土樣的黏粒含量進(jìn)行跟蹤測定。由于延安地區(qū)原始黃土土樣的黏粒含量均在20%～25%，故本次試驗以24%黏粒含量為上限建立序列，通過自制負(fù)壓濕篩裝置分別獲得黏粒含量為12%、16%、20%、24%的黃土土樣，經(jīng)過激光粒度儀測定，顆粒分布曲線(圖1)。

圖1 顆粒分布曲線Fig.1 Grain size distribution curve of test loess

將篩選后的其他粒組不變而黏粒含量不同的黃土樣加水調(diào)和靜置，分別配制成不同含水率的土樣，并按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)將土樣制成各試驗所需的試樣。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 粒度組成的影響

黃土的粒度組成和分布既能夠反映其沉積環(huán)境，又在很大程度上決定了黃土的物理力學(xué)及水理性質(zhì)。在黃土研究中，黃土的粒度大小有非常重要的意義。顆粒組成不僅是松散堆積體分類、命名的基礎(chǔ)，也是查明這些沉積物的來源、搬運介質(zhì)、沉積環(huán)境及其變化的主要依據(jù)[12]。在工程地質(zhì)性質(zhì)方面，隨著土顆粒組成的變化，土的結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的改變(圖2)，從而影響了土的物理力學(xué)性質(zhì)(孔隙比、干密度、變形和強(qiáng)度等)和水理性質(zhì)(濕陷性、滲透性和持水性等)[13]，因此，黃土的粒度組成特征是評價其工程地質(zhì)性質(zhì)和水文地質(zhì)性質(zhì)的一個重要指標(biāo)[14]。

延安Q3馬蘭黃土主要由砂土、粉土和黏土三部分組成。黃土粒度組以5～50 μm的粉土顆粒為主，本文根據(jù)《土工試驗規(guī)程》SL237-1999將黃土的組成界限定為：黏土<5 μm，粉土5～50 μm，砂土>50 μm。因此，為了探討黃土粒度組成的變化，選擇了粒度參數(shù)中D10、D30、D50、D70、D90的平均粒徑和<5 μm、<50 μm、>50 μm粒度的百分含量等粒徑數(shù)據(jù)(表1)。

圖2 塑性指數(shù)與黏粒含量關(guān)系Fig.2 Relationship between the loess’s plastic index and the clay content

表1所示為不同黏粒含量的黃土粒徑變化對比。從表1中可以看出，隨著黏粒含量的增長，中值粒徑D50逐漸減小，>50 μm的顆粒含量呈減小趨勢，<50 μm的細(xì)顆粒含量呈遞增趨勢，其它平均粒徑也相對減小，說明隨著黏粒含量的增加，土的顆粒變細(xì)。

2.2 黏粒含量和液塑限指標(biāo)的關(guān)系

黏粒含量是影響黃土液塑限的一個重要因素。液塑限與黏粒含量呈正相關(guān)的線性關(guān)系，且液限與黏粒含量的相關(guān)程度明顯高于塑限(圖3)。這與王永炎等[1]、王志良等[15]、Jong E D等[16]、Constantinescu J等[4]的結(jié)論基本一致。其主要是由于黏粒作為黃土顆粒中最細(xì)的部分，較其它粒徑顆粒具有巨大的比表面積和表面電荷，具有極強(qiáng)的吸附水分子的能力，能形成較厚的吸附水膜，且黏粒間的孔隙細(xì)微，黏粒吸附的水膜就有可能填充這些細(xì)微的孔隙，而吸附水膜也可能在毛管力作用下保持一定量的水分，進(jìn)而影響黃土的液限。

圖3 液塑限與黏粒含量關(guān)系Fig.3 Relationship between the loess’s liquid plastic limit and the clay content

塑性指數(shù)說明了土的可塑程度，是指液限與塑限的差值含水量，代表了土體從半固態(tài)到流體狀態(tài)可以吸收水分的范圍與土的粒徑級配及其黏粒含量有著至關(guān)重要的聯(lián)系[16-17]。塑性指數(shù)與黏粒含量有顯著的線性關(guān)系。

2.3 黏粒含量對黃土直剪強(qiáng)度影響

黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ作為抗剪強(qiáng)度的兩個重要指標(biāo)，是研究黏粒含量對黃土抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵依據(jù)。黏聚力一般受黏粒間膠結(jié)作用及分子化學(xué)鍵等因素影響，與黏粒含量、礦物成分、含水率及干密度等密切相關(guān)；內(nèi)摩擦角主要由顆粒間摩擦與鑲嵌作用產(chǎn)生，與級配因素、顆粒間接觸面積聯(lián)系緊密[18]。因此探討?zhàn)ち：繉S土直剪強(qiáng)度的影響，其成果對研究抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律有著極其重要的理論意義。

在不同含水率情況下，隨著黏粒含量的增長，黏聚力均呈現(xiàn)出上升的變化趨勢。當(dāng)黏粒含量小于20%時，整體變化趨勢較緩，這是由于在此階段黏粒含量整體較小，其大部分賦存于骨架顆粒間孔隙及顆粒間接觸點，黏聚力的產(chǎn)生主要是黏粒與骨架顆粒共同作用的結(jié)果。當(dāng)黏粒含量大于20%時，整體變化趨勢變陡，這是表明在此階段隨著黏粒含量的增長，骨架顆?；颈火ち０?，在剪切破壞過程影響很小，黏聚力主要由黏粒間的膠結(jié)作用引起，黏粒越多，膠結(jié)作用越大，黏聚力增長迅速(圖4)。

圖4 不同含水率條件下黏聚力與黏粒含量的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between changes of cohesion and clay content under different water content

黏粒含量對黃土試樣黏聚力的影響可以從黏粒含量賦存狀態(tài)的變化角度分析，隨著黏粒含量的增加，賦存在骨架顆粒周圍的黏粒及團(tuán)粒會逐漸聚集，直至形成骨架顆粒的胞衣。在此變化過程中，原本游離在大顆粒間孔隙呈零散分布的微細(xì)顆粒在分子間引力的影響下會逐漸“抱團(tuán)”，并開始向大顆粒間接觸點聚集，隨著黏粒含量的進(jìn)一步增加，集粒形成的“粒鏈”將大顆粒分開，黏聚力在膠結(jié)作用的影響下迅速增加，試樣的宏觀力學(xué)性狀開始由黏粒起主要作用，同時集粒完全將大顆粒包裹，成為試樣的骨架顆粒。

在不同含水率條件下，黏粒含量在小于20%時，隨著黏粒含量的增長內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)遞減的變化趨勢。這是由于在此階段摩擦作用主要由骨架大顆粒間相互作用引起，隨著黏粒含量的增加，部分黏粒開始向骨架顆粒間接觸點聚集，致使大顆粒之間相對穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“潤滑”效果，鑲嵌作用逐漸減小，摩擦力隨之下降。隨著黏粒含量的持續(xù)增加，黏粒逐漸將骨架顆粒完全隔開，摩擦作用開始由黏粒間相互作用引起，故黏粒含量在大于20%時，內(nèi)摩擦角隨著黏粒含量的增長開始呈現(xiàn)增大趨勢(圖5)。

圖5 不同含水率條件下內(nèi)摩擦角與黏粒含量變化關(guān)系Fig.5 Relationship between changes of friction angle and clay content under different water content

黏粒含量對黃土試樣內(nèi)摩擦角的影響可以從黏粒與骨架顆粒賦存狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)特征來解釋。骨架顆粒與膠結(jié)物等大小不一的粒團(tuán)通過多種連接方式聚集而成，其不同形式的連接、接觸方式導(dǎo)致了不同的宏觀力學(xué)形態(tài)。在黏粒含量較少時，大部分游離的黏粒存在于骨架顆粒所形成的孔隙內(nèi)，極少以粒團(tuán)形式吸附于骨架顆粒表面，黃土試樣以相互接觸的粗顆粒為主骨架階段，顆粒間摩擦作用在此過程中主要由粒徑較大的粗顆粒引起，顆粒間的摩擦作用較大。隨著黏粒含量的增加，黏粒開始聚集并向骨架顆粒周圍靠近，此時黏粒部分存在于骨架顆?？紫吨校糠执嬖谟诠羌茴w粒間接觸點，并逐漸隔開骨架顆粒，參與骨架形成，此時土體架構(gòu)并不穩(wěn)定，黏粒對骨架顆粒的潤滑作用明顯，顆粒間摩擦作用進(jìn)一步下降；隨著黏粒含量的進(jìn)一步增加，黏粒已完全隔開骨架顆粒，骨架顆粒間摩擦作用將至最低點，顆粒間相互作用開始由細(xì)顆粒主導(dǎo)，但由于以聚集狀態(tài)的黏粒較少，膠結(jié)作用尚未達(dá)到形成試樣主骨架的強(qiáng)度。隨著黏粒含量的繼續(xù)增加，黏粒間膠結(jié)作用加強(qiáng)，形成“鏈狀”結(jié)構(gòu)的黏粒集粒開始成為新的骨架；最后，以相互接觸、膠結(jié)作用較強(qiáng)的黏粒為試樣骨架階段，顆粒間摩擦作用在此過程中主要由粒徑較小的黏粒引起，此時粗顆粒被完全隔開，近似為“懸浮”狀態(tài)，幾乎無粗顆粒間摩擦作用，試樣宏觀力學(xué)性狀由黏粒承擔(dān)，隨著黏粒含量逐漸填充試樣孔隙，顆粒間摩擦相互呈上升趨勢，但由于黏粒顆粒間摩擦作用相比粉粒顆粒較小，故上升趨勢較緩。

2.4 黏粒含量對黃土固結(jié)特性影響

黃土的固結(jié)過程實質(zhì)上是顆粒結(jié)構(gòu)的破壞與重新排列過程，黏粒含量的增加會使黃土內(nèi)粗顆粒間的摩阻作用與細(xì)顆粒間的膠結(jié)作用發(fā)生改變，直接影響著固結(jié)壓縮的最終狀態(tài)，因此有必要通過控制黏粒含量，對不同黃土試樣進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗，研究黏粒對黃土固結(jié)壓縮過程的影響機(jī)制，其研究結(jié)果對認(rèn)識固結(jié)過程中黃土的結(jié)構(gòu)性變化有著重要的理論意義。

利用單軸側(cè)限壓縮試驗測定不同含水率條件下不同黏粒含量黃土試樣隨壓力的變形特征(圖6)。從圖6中可以看出，在同一含水率下，試樣的壓縮變形量都隨壓力的增大而增大，黏粒含量不同，試樣的變化曲線不同。是由于黏粒主要分散在黃土骨架顆粒所形成的孔隙間，起著膠結(jié)和填充作用，當(dāng)土顆粒在壓力作用下被迫產(chǎn)生相對錯動，對于黏粒含量較少的土體，錯動后的土顆粒與顆粒之間黏粒變少，大的團(tuán)聚顆?；蚣Ｔ谪Q向應(yīng)力作用下有可能會發(fā)生破裂重組形成更小的顆粒；而對于黏粒含量較多的土體，錯動后的土顆粒之間黏粒含量變動較小，在黏粒緩沖作用下其不易破裂，土體會在較高的勢能下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同時，土的變形特性與其顆粒的膠結(jié)形態(tài)以及排列方式都有密切的聯(lián)系[19-21]。

圖6 不同含水率條件下不同黏粒含量壓縮變形曲線Fig.6 Compression deformation curve of different clay content under the different moisture content

圖7所示為不同含水率不同壓力條件下壓縮變形量與黏粒含量的變化曲線。由圖可以看出，在黏粒含量小于20%時，隨著黏粒含量的增加，壓縮變形量逐漸增大，黏粒含量大于20%后，壓縮變形量有下降趨勢，這說明黏粒含量的多寡是黃土壓縮變形量的主要影響因素，其作用機(jī)理是復(fù)雜的。由于重塑試樣的結(jié)構(gòu)性和膠結(jié)作用是在擊實過程中短時間產(chǎn)生的，在承擔(dān)固結(jié)應(yīng)力后的穩(wěn)定性并不理想，在壓縮過程中隨著結(jié)構(gòu)性的衰減，膠結(jié)強(qiáng)度開始破壞，顆粒發(fā)生相對位移并開始重新排列。在此過程中由于黏粒含量的增加，其影響逐漸由對粉粒顆粒坍塌、重排過程中的潤滑作用過渡到聚集的膠結(jié)“力鏈”對外部荷載起承擔(dān)作用。結(jié)合上述分析可以得到，試樣內(nèi)部顆粒間對固結(jié)應(yīng)力的抵抗作用隨黏粒含量的增加呈先減小后增大的變化趨勢，并在黏粒含量為20%時最小。

圖7 不同含水率不同壓力條件下壓縮變形量與黏粒含量的變化曲線Fig.7 The curve of compression deformation with different clay content under different moisture content and pressure conditions

2.5 黏粒組分對黃土動力特性的影響

土的動剪切模量和阻尼比是描述土動力特性的兩個基本參數(shù)，也是土層地震反應(yīng)分析和場地地震安全性評價中的必備指標(biāo)[23]。本文通過進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)不排水動三軸試驗，獲得動剪切模量與阻尼比兩個動力特性參數(shù)，探討其在不同黏粒含量下的變化特征。

2.5.1動剪切模量

圖8所示為不同黏粒含量試樣在不同圍壓條件下的動剪切模量與動剪應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可以看出，隨著動剪應(yīng)變的增加，不同黏粒含量的黃土試樣的動剪切模量均逐漸降低，出現(xiàn)剛度軟化現(xiàn)象，這與王勇等[23]的結(jié)論一致。在相同動剪應(yīng)變條件下，黏粒含量對動剪切模量的影響表現(xiàn)為非單調(diào)變化，隨著黏粒含量的增大，該黃土模型的動剪切模量逐漸減小，并在黏粒含量為20%時達(dá)到最小值，在此之后隨著黏粒含量的增大，動剪切模量呈現(xiàn)增大趨勢。

2.5.2阻尼比

圖9所示為不同黏粒含量黃土試樣在不同圍壓條件下的阻尼比與動剪應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可以看出，隨著動剪應(yīng)變的增大，不同黏粒含量的黃土試樣的阻尼比均逐漸增加。在小應(yīng)變時，阻尼比變化幅度較小，動剪應(yīng)變較大時，阻尼比增長速度明顯加快，直至最后趨于穩(wěn)定。在相同剪切應(yīng)變條件下，黏粒含量對阻尼比的影響也表現(xiàn)為非單調(diào)變化，隨著黏粒含量的增大，該模型黃土的阻尼比呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)黏粒含量達(dá)到20%左右時出現(xiàn)最大值，并且這種趨勢在高剪應(yīng)變水平時表現(xiàn)更加明顯。該結(jié)果表明在黏粒含量逐漸增大的情況下，該黃土試樣對動荷載響應(yīng)的滯后性呈先增大后逐漸降低的變化特征。

圖8 不同黏粒含量條件下Gd-γd關(guān)系曲線Fig.8 Curve Gd-γd relationship under the conditions of different clay content

圖9 不同黏粒含量條件下λd-γd關(guān)系曲線Fig.9 Curve λd-γd relationship under the conditions of different clay content

2.6 黏粒含量對黃土滲透系數(shù)影響

作為黃土重要組成部分的黏粒，巨大的比表面積使其具有很大的吸附能力進(jìn)而影響土中的水流速度，同時，細(xì)小的黏粒對較大孔隙的鑲嵌填充也對土中的水流通道有阻擋作用。因此，黏粒含量對土的滲透能力必然有較大影響。本文采用靜壓法將不同黏粒含量的擾動黃土制備成相同天然干密度水平下不同含水率的試樣進(jìn)行飽和滲透試驗，分析其他粒組不變情況下黏粒含量對黃土滲透系數(shù)的影響規(guī)律。

圖10所示為黃土滲透系數(shù)與黏粒含量之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，黏粒含量對黃土滲透性影響顯著，在同一含水率條件下，隨著黏粒含量的增多，其滲透系數(shù)減小。分析其原因，首先，隨著黏粒含量的增加，賦存在骨架顆粒周圍的黏粒逐漸聚集，或者在骨架顆粒的周圍呈薄膜狀(蔥皮結(jié)構(gòu))。隨著黏粒含量的進(jìn)一步增加，骨架顆粒就被包埋在細(xì)粒物質(zhì)中，顆粒之間完全由細(xì)粒物質(zhì)連接。黃土骨架顆粒的形態(tài)、排列方式及膠結(jié)物的作用形式?jīng)Q定了黃土中孔隙的分布及有效連通孔隙的比例，這種微觀膠結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其獨特的滲透特性。

圖10 黃土滲透系數(shù)與黏粒含量關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between loess’s permeability coefficient and clay content

其次，黏粒中的黏土礦物特別是強(qiáng)親水的黏土礦物由于其高分散性和巨大的表面積而具有顯著的粘著性和吸附性。黃土高原黃土的主要黏土礦物成分為中等混層比的蒙脫石/伊利石混層礦物，作為一種膨脹性黏土礦物，中等混層比的蒙脫石/伊利石混層礦物不僅具有很強(qiáng)的的親水性，而且具有漲縮特性，在滲透過程會引起晶體膨脹和絮凝作用，導(dǎo)致黏土膠團(tuán)體積變大，從根本上來說，滲透系數(shù)的降低是由于黃土在浸水后產(chǎn)生膨脹所引起的[24]。黃土的膨脹主要決定于它的黏土礦物、吸附陽離子、可溶鹽等的成分和含量，土在浸水后，黏粒進(jìn)一步水化，吸附水膜厚度增加，因而土粒產(chǎn)生了膨脹。由于土樣周圍上下均受到剛性限制，不能向四外擴(kuò)展，所以膨脹的土粒只好向粒間的孔隙發(fā)展。土中可溶鹽的不斷溶出，土中水的可溶鹽濃度逐漸減少，土粒表面吸附水膜隨之逐漸增厚，ζ電位也因之增高，因而土粒獲得了新的膨脹，且繼續(xù)向粒間孔隙發(fā)展。同時，滲透系數(shù)隨著黏粒含量的增加而減小，黏粒含量的增加還會引起引起土體孔隙彎曲因子的增加，也會導(dǎo)致滲透系數(shù)的減小[25]。這主要是因為黏粒含量越多，則在相同的孔隙比條件下相對形成的微孔隙通道越多，大孔隙通道相對較少。

2.7 不同黏粒含量微觀結(jié)構(gòu)

土體微觀結(jié)構(gòu)可通過顆粒形態(tài)，顆粒排列和連接形式，孔隙特征(孔隙大小，孔隙分布情況)，顆粒接觸關(guān)系等特性來描述。圖11為不同黏粒含量黃土試樣放大倍數(shù)為800倍的微觀SEM圖片。由圖可以看出，隨著黏粒含量的增加，黏粒以不同形式充填于孔隙中使土樣由顆粒體結(jié)構(gòu)變?yōu)轭w粒-團(tuán)粒體結(jié)構(gòu)，骨架顆粒之間的連接由接觸連接逐漸變?yōu)槟z結(jié)連接，顆粒的排列方式由架空變?yōu)榧芸?鑲嵌漸變?yōu)殍偳?。黏粒含量較低時，土顆粒相互支撐、排列疏松，形成較大的孔隙。隨著黏粒含量的增多，骨架顆粒排列明顯變得緊密，黃土微觀結(jié)構(gòu)逐漸趨于密實，同時大量黏粒物質(zhì)吸附于顆粒表面，形成縫隙狀狹長孔隙。大、中孔隙數(shù)量明顯減少，孔隙的分布不再均勻，孔隙內(nèi)填充著大量黏粒和微細(xì)物質(zhì)，或使得孔隙喉道堵塞，形成更多微細(xì)孔隙，孔隙連通性降低。

孔隙是不同粒徑的顆粒及膠結(jié)物等基本單元體以不同形式組合排列而成的，是微觀結(jié)構(gòu)分析的重要研究對象之一。本文按照雷祥義[26]對孔隙的分類標(biāo)準(zhǔn)，將孔隙分為四類：大孔隙(直徑>32 μm)、中孔隙(直徑8～32 μm)、小孔隙(直徑2～8 μm)、微孔隙(直徑<2 μm)。對放大800倍的SEM圖像借助Image-Pro Plus 6.0(IPP)軟件處理后，按照以上分類標(biāo)準(zhǔn)，對不同黏粒含量下黃土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，結(jié)果見表2、圖12和圖13。圖12為不同黏粒含量黃土樣各類孔隙數(shù)量百分比直方圖，從圖中可以看出，隨著黏粒含量的增加，微孔隙所占比例增加，中、小孔隙所占比例減少，大孔隙趨于消失。圖13為各類孔隙截面積及總孔隙截面積直方圖，從圖中可以看出，隨著黏粒含量的增加，中、小和微孔隙面積減小，大孔隙面積逐漸消失，黃土試樣的總面積呈減小趨勢。說明黏粒含量的變化可以改變土樣樣的粒徑級配和土樣孔隙孔徑，進(jìn)而改變土體的孔隙大小。同時，隨著黏粒含量的增加，土樣孔隙率會逐漸減小，從而改變了土體的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

圖11 不同黏粒含量黃土試樣微觀結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of different clay content of the loess samples

試樣孔隙面積/μm2孔隙數(shù)量分布/%大孔隙中孔隙小孔隙微孔隙總面積大孔隙中孔隙小孔隙微孔隙黏粒含量(12%)606.685 296.0325 987.8517 837.4349 728.001.2210.6552.2635.87黏粒含量(16%)407.223 554.8117 443.6111 972.8733 378.510.188.6748.9242.23黏粒含量(20%)0.002 581.5113 269.5312 208.8728 059.910.009.2047.2943.51黏粒含量(24%)0.001 290.326 632.536 102.3814 025.230.002.3342.4555.22

圖12 不同黏粒含量黃土樣各類孔隙數(shù)量直方圖Fig.12 Various pore number histogram with different clay content of the loess samples

圖13 各類孔隙截面積及總孔隙截面積直方圖Fig.13 Histogram of all sorts of pores area and total pores area

3 結(jié)論

通過對不同黏粒含量黃土試樣進(jìn)行的一系列物理力學(xué)試驗，獲得了各物理力學(xué)參數(shù)隨黏粒含量變化的規(guī)律，并借助SEM圖像分析了不同黏粒含量黃土試樣微觀結(jié)構(gòu)的變化。通過試驗可以得到以下結(jié)論：

(1)黏粒含量增多，中值粒徑D50減小，>50 μm的顆粒含量減小，<50 μm的細(xì)顆粒含量增加，其它平均粒徑也相對減小。

(2)黃土中黏粒含量與液塑限及塑性指數(shù)呈正比關(guān)系，且黏粒含量與液限的相關(guān)程度明顯高于塑限與黏粒含量的相關(guān)程度。

(3)隨著黏粒含量的增長，黏聚力均呈增長趨勢；而黏粒含量小于20%時，內(nèi)摩擦角隨黏粒含量的增長逐漸降低，黏粒含量大于20%時，內(nèi)摩擦角開始緩慢上升。

(4)黃土試樣的壓縮變形隨黏粒含量的增加呈先上升后下降的變化趨勢。

(5)動剪切模量隨著黏粒含量的增加呈先減小后增大的變化趨勢，在黏粒含量為20%時達(dá)到最小值；阻尼比隨著黏粒含量的增加呈先增大后減小的變化趨勢，在黏粒含量為20%時達(dá)到最大值。

(6)隨黏粒含量的增多，黃土試樣的滲透系數(shù)逐漸降低。

(7)隨著黏粒含量的增多，其微觀結(jié)構(gòu)由分散結(jié)構(gòu)變?yōu)橹旅芙Y(jié)構(gòu)，顆粒接觸由支架接觸變?yōu)殍偳督佑|，顆粒連接由小橋連接(蔥皮連接)變?yōu)榍堵駹钸B接，孔隙由支架大孔變?yōu)轲ちｉg微小孔隙。