不同固结条件下黏性土的磁组构研究

2022-03-24柏明鑫刘立飞

河南科学 2022年2期

柏明鑫，刘立飞

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098）

结构性广泛存在于天然土中，通过对结构性土的研究可以掌握天然土体受荷过程中的变形破损过程，从而为考虑土体结构性的结构物设计、地基加固提供依据. 土体的结构性与土体的微观结构息息相关，土体所表现出来的各种变形和强度特性是其系统内部各种要素共同作用的结果［1］. 目前岩土工程领域的学者主要通过扫描电镜、压汞法、计算机断层扫描仪（CT）、X光能谱分析技术（EDX）等来探求土的微观结构［2-7］. 本文欲采用研究岩石中磁性矿物定向分布排列的研究方法来研究土体微观结构中磁性矿物的分布规律，拓展研究土体微观结构的一条新的方法.

岩石中磁性矿物定向分布排列的特点称为磁组构，自从20世纪50年代Graham将磁组构技术作为一种无损伤性测量岩石组构方法以来，已被广泛用于地质和古今环境研究，磁组构是岩石中磁性矿物定向分布排列的特点，岩石的磁性强度随不同方向的变化而发生变化的性质即磁化率的各向异性. 磁化率各向异性（Anisotropy of Magnetic Susceptibility，AMS）在几何上可用三轴椭球体表示，椭球体反映了岩石中磁性矿物的定向排列方向，在大多数应变状态下，磁化率椭球的三个主轴方向与应变椭球体基本轴之间具有很好的相关性. 当岩石受到外部应力作用时岩石内部磁性颗粒形状、分布将会产生某种变化，磁化率椭球的形状和定向也会随即发生变化. 一般加压状态下，最大磁化率主轴K1往四周扩散，最小磁化率主轴K3集中在中心位置；在卸载状态下，最大磁化率主轴K1集中在中心位置，最小磁化率主轴K3往四周扩散. 通过分析岩石的磁化率椭球就可以分析应力的作用方式和岩石的变形性质［8-18］. 因此，希望借助研究岩石中磁性矿物定向分布排列的方法来探究土体内部磁性矿物的分布规律，从而反映出土体前期所受应力的作用方式.

1 岩土体中的磁性矿物

1.1 矿物按磁性分类

磁电选矿学中，按照比磁化系数的大小，可将矿物分为四类：强磁性矿物、中磁性矿物、弱磁性矿物和无磁性矿物. 比磁化系数（X）是矿物的体积磁化系数（X0）与密度（ρ）的比值，见公式（1）.

强磁性矿物在磁化场中呈现较强的磁性，比磁化系数X>3000×10-9m3/kg，主要有磁铁矿、磁黄铁矿、自然铁、铁铂矿等；中磁性矿物在磁化场中呈现中等的磁性，600×10-9m3/kg

1.2 岩土体中的矿物

黏土中的矿物由原生矿物和次生矿物组成. 原生矿物主要有硅酸盐类矿物和氧化物类矿物. 其中，硅酸盐类矿物主要有云母类、辉石类、角闪石类等. 氧化物类矿物是一类矿物结构比较简单、水化程度不等的铁、锰、铝和硅的氧化物及其水合物，主要有石英、赤铁矿、磁铁矿等. 次生矿物主要包括黏土矿物和可溶盐类. 黏土矿物大多是层状硅酸盐黏土矿物；层状硅酸盐矿物是由硅氧四面体以角顶相连，在二维空间无限延伸而形成层状结构. 层状硅酸盐矿物主要有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等. 可溶盐类有石盐、石膏等.

原生矿物中的硅酸盐类矿物和次生矿物的比磁化系数很小，在磁电选矿学中归类为无磁性矿物. 氧化物类矿物中的铁、锰、铝的氧化物及其水合物具有弱磁性，是进行黏土磁性研究的依据.

2 土样制备

2.1 原状土的物理性质

试验土样取自南京市江北新区中心位置南京明发财富中心施工场地，该土样属于第四系河流冲积相淤泥质粉质黏土，呈千层饼状，土样呈现灰黑色，略有霉臭味，其间常夹薄层粉砂，其物理力学指标如表1所示.

表1 原状土的物理力学性质指标Tab.1 Physical property index of in-situ soils

2.2 重塑土制样方法

将从现场取回的土样掰成小块，烘干粉碎后，制成含水率为17.6%的土样，装入保鲜袋，密封后放入保湿器中静置24 h. 本文采用有侧限和无侧限压缩两种方式制得重塑土样.

有侧限压缩制样步骤如下：

1）取含水率为17.6%的土样，采用击样法制样，制成体积为90 cm3，干密度为1.63 g/cm3的环刀试样. 环刀样制备好后，将环刀样放入真空饱和缸，对土样进行抽气饱和.

2）随后将环刀样放入固结仪，按照25、50、100、200、400、800、1600 kPa 的顺序对土样进行加载，每加一级荷载后，等待24 h再加下一级荷载. 分别制得最终固结压力为200、400、800、1600 kPa的土样.

3）最后一级荷载加载完24 h后，用定制的符合试验仪器的有机玻璃小圆盒取样，取样时要注意试验目的为探求磁化率各向异性，所以对加载后的土样选取4个不同的方位进行取样，要求将盒底的箭头统一指向外侧.

无侧限压缩制样步骤如下：

1）将含水率为17.6%的土样配制成含水率为20%、24%、26%、28%的土样，用保鲜袋装好密封，随后放入保湿器静置24 h.

2）同样采用击样法进行制样，控制试样干密度为1.48 g/cm3，针对上述4 种不同含水率制成底面积为30 cm2、高为3 cm的环刀压实试样. 将压实试样从环刀内取出，注意不要扰动试样.

3）在试样底部放上两块大于试样底面积的透水石，使试样可以达到固结仪的试验高度，然后放上加压盖，使其刚好覆盖在试样上表面. 按照12.5、25、50、100 kPa的顺序进行加载，每加一级荷载后，等待10 min再加下一级荷载. 针对每一种含水率都分别制得最终固结压力为12.5、25、50、100 kPa的土样.

4）试样侧边出现较大竖向裂隙即终止试验，用定制的符合试验仪器的有机玻璃小圆盒取中间完好试样，取样时要注意试验目的为探求磁化率各向异性，所以对加载后的土样选取4个不同的方位进行取样，要求将盒底的箭头统一指向外侧.

3 磁组构试验

3.1 试验过程

1）将取出的试样按照磁组构试验要求标注出K1、K2、K3方向.

2）试样标注之后，将试样放入磁组构试验仪器的架子上，如图1所示. 按K1、K2、K3方向依次改变试样的测量方向，分别测量竖直圆柱面的两个相互垂直的面以及一个圆柱体的横截面. 测量完一个方向会在电脑上自动输出该方向的磁化率参数，在测量完K1、K2、K3后测量体积磁化率，最后按照软件要求保存测量数据.

图1 AMS试验仪器Fig.1 AMS test apparatus

3.2 试验结果分析

3.2.1 无侧限样试验结果分析

通过Anisoft 软件处理无侧限样的试验数据，我们可以得到含水率28%、26%、24%、20%的不同固结压力下的磁化率椭球，如图2所示.

图2 无侧限样的磁化率椭球示意图Fig.2 Schematic diagram of magnetization ellipsoid of the no lateral limit sample

通过观察各土样的磁化率椭球发现最大磁化率主轴K1（图中蓝色正方形）分散在椭球四周，最小磁化率主轴K3（图中粉色圆形）集中在椭球的中心，这是由于在加载过程中，土中磁性矿物向四周扩散的缘故.

分析经软件所得出的数据如磁化率各向异性度（Pj）、磁面理度（F）、磁线理度（L）、磁化率数量椭球的形状因子（T）等参数，通过对比这些参数的不同，找出它们之间所含的规律性. 将所得不同含水率下的不同轴向应力土样的Pj绘制在图3 中，从图中可以看出相同含水率下，随着轴向应力的增加，磁化率各向异性度增加. 在相同轴向应力下，随着含水率的增加，磁化率各向异性度增加. 通过这一现象也就可以说明固结压力的大小、含水率的大小会影响黏性土内部磁性矿物分布的方式，固结压力越大，含水率越大，土体内部磁性矿物向四周扩散的程度将会越大.

从软件处理的数据中分析磁化率数量椭球的形状因子T，它反映了土样的发育情况，可以用磁面理度F和磁线理度L的数值进行佐证，将数据绘制在图4中. 可以看出磁化率数量椭球的形状因子T在0到1内，该粉质黏土以磁面理发育为主，所以该土样测出的磁面理度F较磁线理度L大，符合磁面理发育为主的特征；磁线理度L基本变化幅度不大，磁线理度并不占主导地位；同时随着竖向压力的增大，磁面理度呈现递增趋势，因为随压力的增大，土样呈现出压扁状越明显.

图4 无侧限样的T、F、L值Fig.4 T，F and L values of the no lateral limit samples

3.2.2 有侧限样试验结果分析

通过Anisoft 软件处理有侧限样的试验数据，得到不同固结压力下的磁化率椭球如图5. 通过观察各土样的磁化率椭球可以得出同样的结论，即最大磁化率主轴K1（图中蓝色正方形）分散在椭球四周，最小磁化率主轴K3（图中粉色圆形）集中在椭球的中心，这是由于在加载过程中，土中磁性矿物向四周扩散的缘故.

图5 有侧限样的磁化率椭球示意图Fig.5 Schematic diagram of magnetization ellipsoid of the lateral limit sample

分析经软件所得出的数据，如磁化率各向异性度（Pj）、磁面理度（F）、磁线理度（L）等参数，通过对比这些参数的不同，找出它们之间所含的规律性. 将所得不同轴向应力的土样的Pj绘制在图6 中，可以得到：随着轴向应力的增加，磁化率各向异性度增加. 通过这一现象同样也就可以说明固结压力的大小会影响黏性土内部磁性矿物分布的方式，固结压力越大，土体内部磁性矿物向四周扩散的程度将会越大.

图6 有侧限样的Pj值Fig.6 Pj values of the lateral limit sample

从软件处理的数据中分析磁化率数量椭球的形状因子（T），它反映了土样的发育情况，可以用磁面理度（F）和磁线理度（L）的数值进行佐证，将数据绘制在图7 中. 从图中数据可以看出有侧限加载样与无侧限加载样相同，T在0到1内，都是以磁面理发育为主，可以得出该粉质黏土在加载状态下以磁面理发育为主，猜想在卸载状态下可能以磁线理发育为主. 其中磁面理度和磁线理度数值变化都不太明显，虽然磁面理度要大于磁线理度，但是相比于无侧限土样而言，数值变化要小很多，其原因是土样在有侧限状态下受压变形不是太明显.

图7 有侧限样的T、F、L值Fig.7 T，F and L values of the lateral limit samples

为验证上述猜想，又做了三组卸载样，按与有侧限加载样同样的方式加载到1600 kPa，然后分别卸载到200、400、800 kPa制得三组试样. 对这三组试样进行磁组构试验，用Anisoft软件对其试验数据进行分析，得到卸载样的磁化率椭球如图8，从图中看出，卸载样的磁化率椭球最大磁化率主轴K1（图中蓝色正方形）集中在椭球的中心，最小磁化率主轴K3（图中粉色圆形）分布在椭球的四周，这与加载样截然相反，主要是因为卸载的缘故.

图8 卸载样的磁化率椭球示意图Fig.8 Schematic diagram of magnetization ellipsoid of the unloaded sample

从软件处理的数据中分析磁化率数量椭球的形状因子T，它反映了土样的发育情况，可以用磁面理度F和磁线理度L的数值进行佐证，将数据绘制在图9中. 从图中看出，磁化率数量椭球的形状因子T在-1到0内，该粉质黏土以磁线理发育为主，所以该土样测出的磁线理度L较磁面理度F大，符合磁线理发育为主的特征，磁面理度F变化幅度不大，磁面理并不占主导地位.从以上分析可以看出有侧限加载样与有侧限卸载样的区别，最大磁化率主轴位置不同，卸载样是以磁线理发育为主，而加载样是以磁面理发育为主，可以通过这种方法判别土样是正常固结土还是超固结土.

图9 卸载样的T、F、L值Fig.9 T，F and L values of the unloaded samples

3.2.3 无侧限样与有侧限样的试验结果对比

将无侧限样的磁组构试验所得磁化率各向异性度与有侧限样的磁组构试验所得磁化率各向异性度进行对比，通过对比分析图3和图6发现，尽管有侧限样的轴向应力大于无侧限样的轴向压力，无侧限样的磁化率各向异性度仍大于有侧限样的磁化率各向异性度. 用有侧限样在轴向压力1600 kPa下的Pj与无侧限样含水率为20%在轴向压力12.5 kPa下的Pj作比较，无侧限样的磁化率各向异性度仍然远大于有侧限样的，可以说明，试样在无侧限下加压土内部的磁性矿物可以更好地向四周扩散，而在有侧限下加压土体变形受到约束，影响其内部的磁性矿物向外扩散，从而影响其磁化率各向异性度. 从磁化率椭球的图形来看，无侧限样的磁化率椭球图形较有侧限样的磁化率椭球图形更有规律性，在加载状态下最大磁化率主轴K1分布在椭圆的四周，最小磁化率主轴K3分布在椭圆的中心部分，究其原因还是因为土中的磁性矿物在无侧限状态下加载，土内部的磁性矿物可以无限向四周扩散，因此所得图形更加符合规律性.