结合水对高岭土超固结特性的影响

石圳钊，刘发标，王 勇*

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2.贺州学院 建筑与电气工程学院，广西 贺州 542800)

基坑在经历开挖过程后，地基土处于超固结状态，土的力学性质发生了变化，若处置不当，会给建筑物带来过量沉降或不均匀沉降等问题，造成严重的工程事故。因此，充分了解超固结作用下土体的固结特性，对控制建筑物的沉降有着重要意义[1-3]。

土体中的结合水是黏土颗粒与水溶液发生吸附作用的产物，物理和化学特性复杂，也是控制土颗粒形成黏性土稠度、塑性、膨胀、收缩等物理性质及强度、变形等力学性质的重要因素之一。吴谦等[4]结合等温吸附和固结试验分析不同结合水含量下软土的固结蠕变特性，当固结压力大于400 kPa，弱结合水开始排出，深入探讨了软土蠕变过程中结合水的内在作用机制。李硕等[5]利用容量瓶和扫描电镜试验，定量分析了固结蠕变过程中结合水和微观结构的变化规律，蠕变过程由渗透结合水主导，存在荷载和结合水共同作用机制。肖树芳等[6]采用扫描电镜和压汞试验，运用宏观力学行为和微观结构定量分析方法，探究了结合水对软土固结、蠕变的影响，结合水主要与固结过程的后面阶段有关。师旭超等[7]通过新的固结渗透试验仪器，探究了软黏土回弹变形中的吸水规律，卸荷后黏土土体的水量比固结沉降排出的水量小于10%。这些研究主要集中于固结蠕变的宏观力学现象和微观结构变化的分析，土体的微观结构状态发生变化时，会引起宏观力学状态的变化，土体的内部微观结构和宏观力学特性是相对应的。

高岭土在我国分布比较多，遇水膨胀和失水收缩给建筑、公路等工程带来了严重的灾害和经济损失。本文以高岭土为研究对象，通过宏观、微观试验相结合的方式探究超固结阶段的固结特性，利用恒温恒湿箱和核磁共振技术相结合的方法(以下称临界温度法)，并通过核磁共振分析仪分析试验中结合水的变化，从结合水角度解释超固结特性，研究高岭土微观结构的演变与宏观力学的关系。

1 试验装置及试验内容

1.1 试验装置

以重塑高岭土为研究对象，基于核磁共振对氢流体敏感、高精确度、试样无损的新型检测技术[8]，将核磁共振试验和一维固结试验相结合。选用型号为MacroMR12-110H-I的核磁共振仪，使用直径为110 mm的核磁线圈，磁体线圈温度在28 ± 0.5 ℃区间，主磁场的强度是0.52 T，最多允许层数为32，回波个数为1 000 ms，前置放大器增益为1，脉搏90°为35 μs，脉搏180°为68 μs。固结仪为南京土壤厂生产的三联中压WG型单向压缩仪。

固结试验装置主要由固结渗透容器、加荷系统、测量系统3部分组成。自主研制的聚四氟乙烯材料的固结渗透容器示意图如图1所示，可在压缩固结试验中放进核磁共振分析仪测试土样的结合水。固结渗透容器由环刀、受力件和固定器组成，确保试样在核磁试验中保持应力不变。加荷系统与传统杠杆式高压固结仪一样。测量系统为上置的百分表，记录试样的垂直位移。

图1 固结渗透容器示意图

1.2 土样基本物理性质

试验土使用商业高岭土，颜色为灰白色。根据《土工试验方法标准》测得其基本物性质指标和相对矿物含量分别如表1和表2所示。

表1 高岭土土样的物理性质指标

表2 高岭土的矿物相对含量 单位：%

1.3 试样制备及试验设计

将土样碾碎并过2 mm筛，放置烘箱中烘8 h，充分烘干土样的水分。待土样冷却之后，按最优含水率配置成相应的土样，放于密封袋中静置48 h，使水分充分迁移，再次测得实际的含水率为17.58 %。利用静压法制备干密度为1.40 g/cm3、1.50 g/cm3、1.60 g/cm3的3组试样，将3组不同干密度的试样分别命名为A1、B2、C3。将制备好的试样装进叠式饱和器后放入真空器内，抽真空超过6 h后往桶里注入蒸馏水，然后将试样浸泡48 h，确保试样能够充分饱和。

3组试样进行0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、200 kPa、100 kPa、0 kPa压力下的一维固结回弹试验，每级压力下百分表读数1 h内不超过0.01 mm时为固结完成，记录下竖向位移并施加下一级压力。待压缩阶段和回弹阶段结束之后对试样增加0 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的压力，进行超固结阶段试验。超固结阶段的每一级固结压力完成后将整个固结渗透容器进行核磁共振扫描，再把固结渗透容器放回到加荷系统中，在原来的基础上增加下一级荷载压力，如此重复，直至最后一级荷载加载完成。

2 试验结果及分析

2.1 超固结阶段不同压力下的试验结果

在固结试验中，孔隙比是一个非常重要的参数，反映的是土体中孔隙体积与总体积的比值，根据室内试验的经验公式(1)，孔隙比的计算结果如图2所示。由图2可知，不同干密度的试样随着固结压力的增大，孔隙比减少且减少量比较少，说明试样经过压缩之后，土中孔隙含量比较低，土体的超固结变形量少。

(1)

式中：e0为初始孔隙比；ei为某荷载再压缩固结压力下的孔隙比；d0为试样初始高度，mm；Δdi为某荷载再压缩固结压力下试样高度的变形量，mm。

孔隙率是评价土体孔隙水分迁移和渗透的重要参数，一般由孔隙比转换获得。通过图2中e的变化获得试验过程中孔隙率随固结压力变化的曲线图，计算结果如图3所示。转换公式为

(2)

式中：n为孔隙率；ei为某荷载再压缩固结压力下的孔隙比。

从图3的变化曲线可以看出，随着干密度的增大，在0～400 kPa压力下试样孔隙率的变化量越来越少，说明土体中孔隙的含量与初始的干密度有关，土体中可被压缩的体积很少。

通过获得试验孔隙比的变化曲线可知道土样的孔隙体积变化情况，而要表示土体的压缩行为则需要固结系数。固结系数表示的是土体在某应力水平下，土体的压缩量与土体初始体积之比，它与土体的水分状况和应力大小有关，因此，采用时间对数法计算得到的高岭土试样超固结过程受到不同压力下的固结系数如图4所示。可以将超固结阶段的固结系数曲线表现为2个阶段：第1个阶段，当固结压力小于前期固结压力时，试样的固结系数变化比较大；第2个阶段，当固结压力大于前期固结压力时，固结系数变形明显较小。第1个阶段相对小压力只能使颗粒与颗粒的距离更加贴近，孔隙结构发生了重组，导致固结系数变化量增大。而第2阶段的固结压力比前期固结压力要大，该阶段的固结系数变化量相对于第1阶段还要小，说明此时土体孔隙结构趋于稳定。

2.2 确定自由水和结合水的弛豫时间T2c

为了获取核磁共振试验中结合水和自由水的分界点，需要确定他们的临界弛豫时间T2，即T2c截止点。通过确定自由水和结合水的T2c截止点，可以定量地分析超固结阶段自由水和结合水的含量。确定弛豫时间T2c截止点的方法有很多种，例如：Liang等[9]和Zhang等[10]通过“饱和-离心方法”确定T2c截止点；何攀等[11]利用结合水和自由水的可融点确定T2c截止点；Yuan等[12]利用黏土热动力临界温度检测和验证获得T2c截止点。本文基于临界温度法[12]对高岭土的T2c截止点进行估算，在25～70 ℃范围内脱去的水分子以游离的自由水为主，高岭土自由水脱附的特征温度为55 ℃左右[13-14]。鉴于此，为了获得自由水和结合水的弛豫时间T2c截止点，将试样分别在饱和状态和55 ℃温度下烘后进行核磁共振试验。首先，将饱和状态进行核磁共振测量，获得饱和状态的T2c时间分布曲线，其次将饱和试样放进设置温度为55 ℃的烘箱中进行烘至质量稳定，再将稳定后的试样进行核磁共振测量，获得55 ℃烘后的T2时间分布曲线，T2c截止点的计算方法如图5所示。由于温度对核磁共振测试结果影响很大，在温度55 ℃烘干后把土样置于盛有氯化钙干燥剂的容器中冷却至常温。然后将峰值面积T2时间分布曲线转换成累积T2曲线。在累积T2曲线中，纵坐标表示不同时刻氢离子的信号幅值。由于信号幅值是一个无量纲的变量，累积信号曲线被格式化为总孔隙度[15-17]。通过获得饱和状态和55 ℃烘干后的累积T2曲线，对饱和状态的累积T2曲线进行垂直投影以及55 ℃烘干后的累积T2曲线进行水平投影，两条投影在T2轴上的交点就是T2c截止点。计算得到自由水和结合水的T2c截止点为3.37 ms。饱和状态土样和55 ℃烘后的T2曲线分布如图5所示。

2.3 超固结阶段的T2曲线

由核磁共振试验得到超固结阶段不同干密度、不同固结压力下试样孔隙水变化规律如图6所示，核磁共振技术获得T2曲线的特性参数如表3所示。基于核磁共振试验获得的T2c截止点为3.37 ms，是高岭土结合水和自由水的阈值。通过核磁共振获得的T2曲线进行划分，求得自由水和结合水的变化曲线。自由水随压力的变化曲线如图7所示，结合水随压力的变化曲线如图8所示。

(a)A1的T2曲线 (b)B2的T2曲线

(c)C3的T2曲线

对于图7自由水的变化情况，试样在进行试验过程中保持饱和状态，认为没有气体存在，且土样的颗粒体积大小在一维固结实验过程中保持不变，孔隙水不能被压缩，被压缩过程只有水被排出。由于自由水没有范德华力作用，被挤压排出的水是自由水。随着压力的增大核磁信号强度减少，其实是土体颗粒中自由水含量减少，因此，自由水含量随着压力的增加而不断减少。

对于图8结合水的变化情况，当压力小于前期固结压力时，结合水的含量是先减少后增加，说明压力小于前期固结压力时，由于结合水的范德华力比自由水的大，且此时土体颗粒的固结系数变化量大，土体颗粒内部结构不稳定而影响了结合水的迁移和水膜的厚度，说明此时也有一部分结合水转化成自由水排出；当压力大于前期固结压力时，土颗粒孔隙被压得更加密实，更多的自由水被排出，结合水含量增多，结合水和土颗粒间存在范德华力作用，最终使土体颗粒的固结系数变化量小。

图7 自由水随固结压力的变化曲线 图8 结合水随固结压力的变化曲线

2.4 超固结阶段试样孔隙率和核磁信号强度对比

核磁共振试验测试得的孔隙水分布面积如表3所示，将表3与固结试验获得的孔隙率变化情况(如图3所示)结合起来，得到核磁共振信号与孔隙率关系曲线图如图9所示。图中虚线数据点表示核磁信号的总信号强度随着压力增加的变化情况，实线数据点表示孔隙率随压力增大的变化情况。超固结过程中孔隙率变化规律认为是线性的，核磁共振的总信号也是呈线性规律变化，且两者的变化基本吻合，说明通过核磁共振试验获得的孔隙水变化能够解释固结试验压缩过程的情况。

表3 不同干密度在不同压力下T2曲线特性参数

2.5 超固结阶段固结系数与结合水含量的关系

自由水在土颗粒表面处于游离的状态，而结合水会与土颗粒表面通过氢键互相结合，具有较高的粘滞性，且结合水的范德华力比自由水的大，在一定压力下不易被排出，说明孔隙变小时，孔隙中大部分自由水排出，留下吸附在颗粒表面的结合水，结合水对土颗粒压缩有一定的影响。以初始干密度为1.50 g/cm3的试样为例，固结系数和结合水含量随超固结压力的变化曲线如图10所示。由图可知，在0～200 kPa内，结合水含量变化比较大，超固结系数的变化量比较大，在200～400 kPa内，结合水含量变化比较小，超固结系数的变化量也比较小。随着固结压力的不断增加，土中的孔隙含量不断减少，小孔隙的含量迅速增加，这使得试样中绝大部分的孔隙为结合水所占据，又随着颗粒表面之间的接触面变大，结合水的粘滞性增大，增强了颗粒表面结合水的黏聚，形成了以结合水为主。结合水主要吸附于土颗粒的表面，水分子与土颗粒结合，可将结合水与土颗粒视为整体，固结系数增加比较缓慢，固结变形为结合水在压力作用下的行为所控制，说明结合水对超固结系数有一定的影响。

图9 核磁共振信号与孔隙率关系曲线图 图10 固结系数和结合水含量随超固结压力的变化曲线

3 讨 论

3.1 超固结中结合水的作用机制

在0～200 kPa阶段，颗粒间隙和颗粒内的孔隙含量比较多，这些孔隙往往比较大，易于被压缩，自由水分布在大孔隙中且粘聚力基本为0；在200～400 kPa阶段，土体颗粒相对密实，小孔隙含量变多，由于结合水占据大部分小孔隙，孔隙中自由水含量越来越少，结合水含量越来越多，结合水占主导作用[18-19]，导致高岭土的比表面积增大，粒径增大，使孔隙度降低，渗透性减小，高岭土的渗透性随着结合水含量的增加而减小。综合结合水变化量和固结系数的变化趋势来看(如图10所示)，当压力没有到达200 kPa时候，结合水含量是不断变化的，且变化量比较大，固结系数的增量比较大，当压力超过200 kPa的时候，由于孔隙结构发生了重组，孔直径变小，土体颗粒间的接触面更加近，结合水含量虽然不断减少，但是由于结合水与土颗粒之间的组成关系，导致后期变形阶段中，固结系数不断增加但变化比较小，固结完成的时间越来越快。当固结压力超过200 kPa的情况下，结合水影响固结变形的能力才显现出来。因此，结合水是影响超固结变形特性的主要因素。

3.2 结合水对高岭土超固结特性的机理

结合水主要是渗透吸附作用与范德华力相互作用而形成的水化膜，粘聚力比较强，在一定的荷载作用下，部分结合水吸附在土颗粒的范德华力比较弱，使得这部分结合水发生运动，转化成为自由水被排出(如图8所示)，也使得土颗粒表面剩下的结合水更容易吸引较小的颗粒，填充了比较大的孔隙和一部分小孔隙，形成新的孔隙结构，土颗粒更加密实。结合水的存在增加了高岭土的吸附力和聚结力，有利于粒子之间的相互吸附和聚结，从而促进高岭土的固结过程。这也很好地反映了地基开挖回填过程中，都会经过3～5次的碾压，以提高填土的均匀性和密实度。结合水含量的变化是土颗粒和自由水排出两者相互作用的结果，随着超固结压力的增大，更多的孔隙被压缩，土颗粒孔隙以间粒及粒内小孔隙为主，颗粒之间的距离极小，以至孔隙水越来越多以结合水形式存在，结合水所起的主导作用也越来越大，影响着超固结阶段固结系数的变化情况，以及超固结阶段完成固结的时间。

4 结 语

核磁共振技术测试的结果表明：自由水和结合水的T2c截止点为3.37 ms；随着固结压力的增大，自由水被排出，也有一部分结合水转化成自由水被排出，但是结合水的含量呈不断增多的趋势，因此结合水与土颗粒之间的粘滞性增大，土颗粒结构更加稳定。200 kPa压力是土样的前期固结压力，当p=200 kPa时土体中的结合水出现明显改变；当p<200 kPa时，结合水的含量由于孔隙结构重新调整的原因不断变化，没有形成一个稳定的结构，固结系数近似呈线性变化；当p>200 kPa时，吸附在颗粒表面的结合水含量增多，颗粒与颗粒之间的粘结力更强，孔隙结构趋于稳定，结合水与土体颗粒形成一个整体抵抗外部压力，固结系数增大且变化量微小，说明结合水的含量对固结系数有比较大的影响。