蒙脱石含量对粉质黏土填料压实和强度的影响

乐红志 罗强 周鑫 刘宏扬 吴鹏

（1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

含有较多黏粒的粉质黏土填筑的路基易发生失稳滑移、崩塌等病害。在黏粒含有的几种黏土矿物中，蒙脱石对粉质黏土的工程性质影响最为显著。随着蒙脱石含量的提高，土体压实性显著变差，强度明显下降。

邵梧敏等［1］对我国十余省市的膨胀土进行矿物组成分析，发现在强膨胀土中以蒙脱石为主要黏土矿物的占绝大多数，膨胀性黏土矿物含量是影响膨胀土工程性质的重要因素。周晖等［2］对由单一矿物组成的细颗粒黏土、多种矿物混合形成的人工细颗粒黏土、天然软土进行了快剪试验，发现黏土中某种细颗粒黏土矿物含量越高，混合土试样的强度特性越接近该黏土矿物，若某种细颗粒黏土矿物含量超过一定限值，混合土试样的强度特性则由该细颗粒黏土矿物决定。金银富等［3］采用多种黏土矿物，按不同质量比例混合制备重塑土样，进行了室内一维标准压缩试验，发现蒙脱石、伊利石、高岭石混合土样的压缩指数、回弹指数随蒙脱石含量的增加而增大，且蒙脱石的作用占主导地位。赵高文等［4］测定添加蒙脱石黏性土土样的分散性，随钠基蒙脱石的增加土样分散性增强、水稳性下降，随钙基蒙脱石的增加土样分散性下降、水稳性增强。综上所述，许多学者主要聚焦于不同种类矿物对黏性土的影响，或者是蒙脱石对黏性土分散性等的影响。而蒙脱石含量对粉质黏土压实特性以及强度特性的影响规律目前研究很少。

本文将一种不含蒙脱石的低液限粉质黏土作为基土，开展不同含水率、垂直压力、压实系数下的直剪试验，研究粉质黏土抗剪强度随蒙脱石含量的变化规律。运用一种以凸面形态构成接触面的微观模型，分析蒙脱石黏粒对粉质黏土抗剪强度影响的微观机理。采用偏相关分析方法对影响抗剪强度的4 个因素（蒙脱石含量、垂直压力、含水率、压实系数）逐一进行评价。

1 试验土样和方案

1.1 试验土样制备

为排除因土体微观结构不同引起的土性差异，试验过程中保持土样的粗颗粒组、细颗粒组比例分别为8%，92%。配制的基土、蒙脱石的矿物成分见表1，基土的主要矿物成分为石英、长石、闪石，不含蒙脱石。基土、蒙脱石的物理性质指标见表2，基土中粒径0.075～0.005 mm 粉粒高达77.1%。采用液限、塑限联合测定法测得基土塑性指数为9.3，接近粉质黏土塑性指数的下限。用蒙脱石黏粒等量置换基土中的部分细颗粒，制备蒙脱石含量M分别为0，10%，20%，30%，40%，50%的试验土样，见表3。试验所用蒙脱石黏粒中蒙脱石成分高达90%，塑性指数为55.7，粒径小于0.005 mm黏粒占70.5%。

表1 基土与蒙脱石矿物成分 %

表2 基土与蒙脱石物理性质指标

表3 试验土样制备方案

1.2 试验方案

1）界限含水率试验。制备如表3 所列6 种蒙脱石含量的试样，依次测定试样的液限、塑限。

2）击实试验。针对蒙脱石含量0，10%，20%，30%的粉质黏土试样，在试样塑限附近选择依次相差2%的含水率，各配制至少5 个不同含水率的试样。密封静置过夜，利用电动击实仪进行重型Z1击实试验。

3）直剪试验。采用压样法制备直径61.8 mm、高20 mm的试样，以0.01mm∕min的速率在电动直剪仪上剪切。每次剪切前，将试样在对应的垂直压力下固结12 h，试样固结变形不大于0.01 mm∕h 时认为固结达到稳定。饱和试样在固结之前采用真空饱和方式12 h后再进行固结、剪切。蒙脱石含量0，10%，20%，30%的粉质黏土试样采用压实系数0.92，0.96，最优含水率wopt和饱和含水率wsat并控制垂直压力P为100，300 kPa进行了8组共32个试样的剪切试验。

2 蒙脱石含量对液限、塑限的影响

测定蒙脱石含量0，10%，20%，30%，40%，50%粉质黏土试样的塑限wP、液限wL，试验结果见图1，图中wL10为10 mm 液 限，wL17为17 mm 液 限。可 知，wL10和wL17均随蒙脱石含量的增加而增大。wP也随蒙脱石含量增加不断增大，但是相对wL而言增加平缓。利用wL10计算的塑性指数IP10与wL10之间呈线性正相关性，Ip10= 0.55wL10-5.77，相关系数为0.978。这一结果与文献［5-6］的试验结果一致。

图1 wL，wP与蒙脱石含量的关系

3 蒙脱石含量对压实特性影响

利用图1结果经计算可知，M＝30%时IP10＝21.2，此时已经超过了粉质黏土塑性指数上限。因此，后续试验不再包括40%，50%两种情况。对蒙脱石含量0，10%，20%，30%的试样进行击实试验，最优含水率wopt、最大干密度ρdmax及孔隙比e随蒙脱石含量变化曲线见图2。

图2 wopt、ρdmax、e与蒙脱石含量的关系

由图2可知，M≤10%时试样wopt和ρdmax基本保持不变。这是由于蒙脱石含量较低时，试样性质主要由优势含量的粉粒控制，蒙脱石影响不显著；M>10%后，蒙脱石含量对试样压实特性有明显影响。随着蒙脱石含量M的增大，wopt不断增大，ρdmax逐渐减小。关于黏性土的击实已有丰富的实践经验，许多学者认为黏性土的wopt约为其wP，李文平等［7］对黏性土吸附结合水量进行了定量分析，发现吸附强结合水量wf＝0.885wp，由此可知，黏性土wopt随吸附强结合水量增多而变大。蒙脱石常带有强烈负电且比表面积远大于石英、长石，故吸附强结合水量大，因此试样的wopt随蒙脱石含量提高而增大。由图2可知，试样e随蒙脱石含量增加而加速增大，因此试样的ρdmax随蒙脱石含量增加而降低。

4 蒙脱石含量对抗剪强度的影响

4.1 抗剪强度随蒙脱石含量变化规律

蒙脱石含量0，10%，20%，30%粉质黏土试样的直剪试验结果见图3。

图3 抗剪强度变化曲线

由图3 可知：垂直压力300 kPa 时，无论压实系数采用0.92还是0.96，试样抗剪强度都随蒙脱石含量的增大而减小。经过饱和处理后，抗剪强度随蒙脱石含量增大表现出良好的线性衰减关系。垂直压力100 kPa 时，对于不同压实系数和含水率的试样，蒙脱石含量对抗剪强度影响呈小幅衰减趋势。蒙脱石含量增加对粉质黏土抗剪强度的衰减效应受垂直压力影响较大，表现出随垂直压力增大，强度衰减效应较明显。

4.2 蒙脱石含量对摩擦角及黏聚力影响

根据图3 试验结果，可得4 种蒙脱石含量下粉质黏土的摩擦角与黏聚力变化曲线见图4。可知，试样摩擦角随蒙脱石含量的增大而减小。且试样经过饱和处理后，摩擦角随蒙脱石含量提高表现出明显的线性衰减关系。2 种压实系数的试样在最优含水率状态下，黏聚力与蒙脱石含量间关系尚不明显，但经过饱和处理后，试样黏聚力随蒙脱石含量提高呈线性增大趋势。

图4 抗剪强度参数变化曲线

4.3 粉质黏土强度特性分析

粉质黏土抗剪强度与各种宏观物理状态参数密切相关，但是宏观物理性质改变究其根本是由微观性状决定的。细粒土强度主要受土颗粒表面性质、结合水膜性质、黏聚作用共同影响。

4.3.1 粒间摩擦作用

采用凸面接触微观模型分析粒间摩擦作用形成的抗剪强度，认为颗粒间以凸起形态形成接触面，接触面上附着结合水膜，黏土颗粒间接触模式见图5。

图5 土体颗粒间接触模式

图5 中δ为颗粒直接接触面积百分比，A为总接触面积，N，T依次为颗粒间法向作用力、切向作用力。颗粒接触形成的摩擦强度τ、摩擦系数μ计算式为

式中：τm为颗粒间直接接触强度；τc为吸附结合水膜接触强度；φu为颗粒间纯滑动摩擦时的内摩擦角；σ 为法向接触应力。

由式（1）可知，摩擦强度τ主要由粒间直接接触强度和结合水膜接触强度共同形成，当σ恒定时，颗粒间接触面性质和结合水膜特性决定了τ大小。蒙脱石、石英与长石等矿物物理力学特性见表4，其中蒙脱石质地光滑，颗粒间摩擦效应小于石英长石，因而形成的直接接触强度τm较小。蒙脱石粒径小且离子交换容量大，形成结合水膜厚度大，虽然试样剪切过程中颗粒重新排列会使得接触面积略微增大，但δ较石英、长石等非黏土矿物小。由此可知，蒙脱石含量的增加会导致试验试样摩擦强度减小。

表4 矿物颗粒物理力学特性

4.3.2 粒间黏聚作用

除了粒间摩擦形成的抗剪强度以外，吸附及咬合作用形成的黏聚力c也是抗剪强度重要组成部分。蒙脱石离子交换容量大导致双电层厚度较大，颗粒间双电层重叠形成很厚的公共结合水膜，通过阳离子使相邻两颗粒相向吸引形成强烈吸附作用，宏观上表现为较大黏聚力。对于基土，其主要矿物石英、长石属于非黏土矿物，比表面积与离子交换容量小，形成吸附结合水膜厚度小，黏聚力主要来源于颗粒几何堆积形成的咬合作用，或在颗粒间接触压力下形成的摩擦强度（假黏聚力），其值较蒙脱石小。

综上所述，土的抗剪强度τf由粒间摩擦强度τ和黏聚力c组成，即τf=τ+c，其中，摩擦强度τ随蒙脱石含量提高而降低，黏聚力c则相反。因此，在试样承受的垂直压力较小时，蒙脱石含量对抗剪强度τf影响尚不明显；随着垂直压力逐渐增大，摩擦强度τ在抗剪强τf中发挥重要影响，蒙脱石含量增大导致的抗剪强度衰减效应较显著。

4.4 影响因素偏相关分析

当试验影响因素较多时，采用简单相关系数衡量单个因素的重要程度操作简便，但其受其他因素的影响，反映的往往是表面的非本质联系。偏相关系数［8-9］是在扣除其他因素影响条件下，衡量单个因素与目标值（抗剪强度）之间净相关关系的指标，偏相关系数绝对值越大相关程度就越高。直剪试验数据见表5。

表5 直剪试验数据

偏相关分析方法如下：

1）计算简单相关系数。计算偏相关系数时将τf简记为f，抗剪强度τf与4 个影响因素之间的简单相关系数rfi（零阶偏相关系数）计算公式为式中：i依次取p，w，M，K；σf和σi分别为τf与i的标准方差；Cov(f，i)为τf与i协方差。

2）计算1，2，3阶偏相关系数。计算偏相关系数时控制因素个数即为偏相关系数阶数，且任意n阶（n≥1）偏相关系数都可以使用3 个（n-1）阶偏相关系数计算得到。将3个对应简单相关系数代入式（3）可得τf与4个影响因素i之间1阶偏相关系数rfi，j，计算式为

式中：rij，rfj分别为i与j，f与j之间的简单相关系数。

同理，将3 个对应的1 阶、2 阶偏相关系数代入式（4）可得4 个影响因素的2 阶、3 阶偏相关系数rfi，jk和rfi，jkh，计算式见式（5）、式（6），式中i，j，k，h分别取4 个影响因素p，w，M，K的组合。

根据式（6）计算得到4 个影响因素对应的3 阶偏相 关 系 数，从 大 到 小 依 次 为：rfp，wCK= 0.948，rfw，pCK=-0.881，rfC，pwK= -0.034，rfK，pwC= 0.019。

3）偏相关系数显著性检验。偏相关系数的显著性检验采用t检验方法，统计量ti服从t分布，其计算式见式（7），其中样本数量n=32，可控制变量数s=3，自由度n-s-2=27。

根据ti可得各影响因素对应的显著性水平α，值越小可靠性越高。各影响因素的偏相关系数、显著性水平、自由度见表6。可知，垂直压力、压实系数与抗剪强度之间为正相关，含水率、蒙脱石含量表现出负相关性。各因素对抗剪强度影响的重要程度依次为垂直压力、含水率、蒙脱石含量压实系数。

表6 试样抗剪强度偏相关分析

5 结论

1）蒙脱石含量对粉质黏土物性指标及压实参数有显著影响，其变化趋势呈非线性。试验表明，随蒙脱石含量提高，粉质黏土的液塑限显著增大，且塑性指数与液限间存在良好线性关系；同时，其最大干密度相应减小、最优含水率增大，蒙脱石含量超过10%后变化愈加显著。

2）粉质黏土中蒙脱石含量增加，相同条件下土体抗剪强度逐渐衰减，高垂直压力下的衰减效应更为明显。试样饱和处理后，内摩擦角、黏聚力随蒙脱石含量提高分别呈现良好的线性减小、增大趋势；最优含水率状态下，内摩擦角大体上随蒙脱石含量增加而减小，黏聚力随蒙脱石含量变化规律不显著。基于凸面接触微观模型分析表明，较多的蒙脱石将产生粒间摩擦减小和黏聚作用提高的效应，其中粒间摩擦作用将随接触应力增大而趋于显著，导致抗剪强度衰减更加明显。

3）基于偏相关分析方法，开展的影响粉质黏土抗剪强度多因素敏感性分析表明，抗剪强度与蒙脱石含量、含水率呈负相关性，与垂直压力、压实系数呈正相关性。垂直压力影响最为显著，其次为含水率和蒙脱石含量，压实系数相对较弱。