軟土強度及變形特性的微細觀分析

1、第四章 軟土強度與變形特性的微細觀分析§4.1 微觀測試儀器簡介§4.1.1環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)借助電子顯微技術(shù)技術(shù)，可直接觀察到土體的微觀結(jié)構(gòu)，從微觀層次解釋土體的工程性質(zhì)。環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）是現(xiàn)階段研究土體微結(jié)構(gòu)重要的、最常用的顯微觀察儀器，該儀器能對含水土樣直接觀察，不需干燥和鍍膜處理，可在接近天然原狀條件下觀測土體的微觀結(jié)構(gòu)圖像，是一種很有前景的土體微觀試驗研究手段。掃描電子顯微鏡（ESEM）的工作原理如圖4-1所示；圖4-2所示為荷蘭FEI公司生產(chǎn)的型號為Quanta 200的環(huán)境掃描電子顯微鏡，其主要技術(shù)參數(shù)如下：1 分辨率： 二次電子像:

2、高真空模式 1.2nm 30kV; 3.0nm 1kV低真空模式 1.5nm 30kV; 3.0nm 3kV 環(huán)境真空模式 1.5nm 30kV 背散射電子:高真空和低真空模式: 2.5nm 30kV掃描透射STEM探測器: 0.8nm 30kV圖4-1 掃描電鏡原理示意圖2 加速電壓 200V 30kV,連續(xù)可調(diào)3 放大倍數(shù)：12倍100萬倍4 電子槍：高亮度肖特基熱場發(fā)射電子槍，4 極電子槍單5 最大電子束流：100nA6 樣品室壓力最高達4000Pa7 樣品臺：全對中樣品臺，5軸馬達驅(qū)動X100mm，Y100mm，Z60mm，T-5+70°（手動）R=360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)

3、，最大樣品尺寸: 左右284mm。圖4-2 Quanta 200環(huán)境電子掃描顯微鏡 圖4-3所示為膨潤土粉末在不同放大倍數(shù)的電子掃描圖片。(a)200倍 (b)500倍(c) 2000倍(d)4000倍(e)8000倍圖4-3膨潤土粉末不同放大倍數(shù)的電子掃描圖片§4.1.2壓汞儀壓汞儀用于測量土體（包括其他材料）內(nèi)孔隙定量分布，測試的孔徑范圍可達幾納米到幾百微米，能反映大多數(shù)巖土材料的直徑狀況。壓汞儀測量孔隙的基本原理是，利用汞不浸潤被它壓入的大多數(shù)材料(浸潤角90°)的特性，在施加外壓下汞把汞擠入多孔介質(zhì)的毛細孔中，假設(shè)孔隙為圓柱型毛細管的孔隙模型，依據(jù)經(jīng)典的瓦什伯恩(W

4、ashburn)方程(1921)，注入汞所需的壓力p和圓柱形毛細孔隙半徑r之間的關(guān)系為：式中：p壓入汞所需壓力(N)；r孔隙半徑(m)；注入液體汞的表面張力系數(shù)(N/m)，純汞的值為0.41-0.515N/m；注入液體汞對測試多孔材料的浸潤角或接觸角(°)；測量孔隙時，記錄不同壓力下壓入的汞體積的變化量，便可通過數(shù)學模型換算出孔徑分布等數(shù)據(jù)。圖4-4所示為美國Micromeritics公司生產(chǎn)的型號為Autopore IV 9510的全自動孔徑分布壓汞儀。AutoPore9510型全自動壓汞儀的主要性能數(shù)據(jù)序號名 稱說 明1低壓站0 to 50 psia(345 kPa),3.636

5、0m2高壓站大氣壓60000psi(相當于414MPa),0.0036m 3分析天平精度等級0.001g4樣品膨脹計進汞與退汞體積精度：小于0.1L5計算機系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)圖4-4 AutoPore 9510型全自動壓汞儀及配套的膨脹計圖4-5為典型土體壓汞試驗測試結(jié)果。（a）累積進汞量壓力分布曲線(b) 進汞量變化對數(shù)值孔徑分布曲線(c)孔隙分布特征曲線圖4-5 土體壓汞試驗測試結(jié)果§4.1.3激光衍射粒度儀激光衍射粒度儀基于激光衍射原理進行顆粒粒度分析：粒子在各個方向產(chǎn)生散射光而形成的光強度取決于粒子大小，顆粒在激光束的照射下，其散射光的角度與顆粒的直徑成反比關(guān)系，而散射光

6、強隨角度的增加呈對數(shù)規(guī)律衰減。在一定限度內(nèi)，系列粒子的散射圖形等同于各個粒子散射圖形的疊加。通過運用數(shù)學疊合法程序使用光學模型計算單位體積顆粒在所選粒度區(qū)間的散射圖，就可計算出顆粒的體積粒度分布。圖4-6為Mastersizer 2000型激光粒度分析儀(英國馬爾文儀器公司產(chǎn))。圖4-6 Mastersizer 2000 激光粒度儀Mastersizer 2000 激光粒度儀用于測量濕態(tài)和干粉樣品的粒度分布。它可配備一系列的樣品分散裝置，可根據(jù)設(shè)定的標準規(guī)程測量樣品，消除不同操作者帶來的差異。其主要性能性能參數(shù)如下：量程：0.02-2000微米；測量原理：米氏散射理論；準確性：優(yōu)于+/-1%（

7、NIST標準粒子，D50）；重現(xiàn)性：優(yōu)于+/-0.5%（NIST標準粒子，D50）；光源：高穩(wěn)定性紅光主光源，高能量固體藍光輔助光源檢測角：0-135° 進樣系統(tǒng)：普通濕法，微量濕法。 圖4-7人工土粉末的膨潤土、高嶺土、石英和長石的粒度分析的曲線圖。(a) 人工膨潤土粉末粒度分布(b)人工高嶺土粉末粒度分布(c)人工石英粉末粒度分布(d)人工長石粉末粒度分布圖4-7粒度分析的曲線圖§4.1.4 X射線衍射分析儀 X射線與晶體相遇時能發(fā)生衍射的電磁波，當一束單色X射線入射到晶體時，由原子規(guī)則排列成的晶體散射的X射線相互干涉，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，

8、由此可確定試樣結(jié)晶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，即通過X射線衍射分析可獲得元素存在的化合物狀態(tài)、原子間相互結(jié)合的方式，通過對比分析可進行物相鑒定。圖4-8布魯克（D8 ADVANCE型）X射線衍射儀 圖4-9所示即為珠三角典型軟土的衍射圖譜。圖4-9 珠三角典型軟土的衍射圖譜。§4.1.5顆粒表面電荷密度測試儀土顆粒電荷密度是指單位顆粒表面積上所帶的電荷的數(shù)量，是軟土最重要的膠體化學性能。要獲得土樣顆粒表面電荷密度，需進行顆粒比表面積測試以及陽離子交換量(CEC)測試。CEC屬于土樣表面電荷性質(zhì)的測試內(nèi)容，目前常用的土樣表面電荷測試方法主要有離子吸附法和電位滴定法。圖4-10所示為離子吸附法測試CEC

9、的凱氏定氮儀。 定氮儀采用乙酸銨交換法測試CEC，用1mol/L的乙酸銨溶液(pH7.0)反復處理土樣，使土樣成為銨離子(NH4+)飽和土。用95%乙醇洗去過量的乙酸銨，然后加氧化鎂，用定氮蒸餾法進行蒸餾。蒸餾出的氨用硼酸溶液吸收，以鹽酸標準溶液滴定，根據(jù)NH4+的量計算土樣的CEC。圖4-10 Kjeltec2300凱氏定氮儀§4.1.6顆粒比表面積測試儀 土體顆粒比表面積測試通常采用液體吸附法和氣體吸附法，液體吸附法主要包括甘油法、乙二醇法、乙二醇乙醚法、亞甲基藍法和壓汞法等，氣體吸附法主要有氮氣法和水蒸氣法等。其中乙二醇乙醚（EGME）吸附法是，在維持一定的乙二醇乙醚蒸汽壓下，

10、使乙二醇乙醚分子成單分子層吸附在土顆粒表面，按吸附的質(zhì)量和分子大小計算出土顆粒的比表面積。測試需用儀器如下表所列，其中圖4-11 為真空干燥儀。表 4-1 EGME法所用的試劑及儀器設(shè)備名 稱說 明試劑乙二醇乙醚分析純級無水氯化鈣分析純級五氧化二磷分析純級主要儀器及設(shè)備真空泵抽氣壓減低至0.25mm汞柱，帶真空表緩沖瓶容積500ml干燥塔容積500ml真空干燥器瓷板直徑為2025cm鋁盒直徑不小于5.0cm，高度不大于2cm分析天平精度等級0.1mg小型干燥器瓷板直徑為1315cm恒溫室溫度控制在25±2以內(nèi) 低溫氮吸附法(BET)屬于較常用的氣體吸附法，該方法把樣品置于氣體體系(氮

11、氣、氬氣或氪氣)中，其物質(zhì)表面(指顆粒外部和內(nèi)部通孔的表面積)在低溫下發(fā)生物理吸附，當吸附達到平衡時，測量平衡吸附壓力和吸附的氣體量，根據(jù)BET方程采用圖解法或線性回歸法可求出試樣單分子層吸圖4-11 真空干燥儀附量，從而計算出試樣的比表面積。其中吸附氣體量的測量方法有容量法、重量法和氣相色譜法。測試需用儀器如下表所列，其中圖4-12 為ST-08A型比表面積測定儀。表 4-2 BET法所用的材料及儀器設(shè)備序號項 目名 稱說 明1材 料吸附氣體可用氮氣、氬氣或氪氣，純度不小于99.99%，其溫度在測量過程中要保持穩(wěn)定2載氣可用氦氣或氫氣，純度不小于99.99%3液氮或液氧應有一定的純度，使吸附

12、氣體的飽和蒸汽壓力在測量過程中保持穩(wěn)定4主要儀器設(shè)備比表面積測定儀ST-08A型比表面積測定儀5分析天平精度等級0.1mg6杜瓦瓶液氮或液氧的儲存設(shè)備7蒸汽壓力溫度計測量液氮或液氧的飽和蒸汽壓力和溫度8計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理圖4-12 ST-08A型比表面積測定儀§4.2 軟土顯微結(jié)構(gòu)§4.2.1 軟土的ESEM顯微圖片圖4-134-15為環(huán)境掃描電子顯微鏡拍攝的珠三角典型天然軟土ESEM照片。 （a）水平切面 （b）豎向切面圖4-13 金沙洲天然軟土ESEM照片（×2 000） （a）水平切面 （b）豎向切面圖4-14 番禺天然軟土ESEM照片（×2

13、 000） （a）水平切面 （b）豎向切面圖4-15 深圳天然軟土ESEM照片（×2 000）§4.2.2 軟土的顯微結(jié)構(gòu)特征采用X-射線衍射物相分析法對軟土中粘粒(d<0.002mm)進行礦物成分鑒定表明，軟土礦物成分以石英、蒙脫石、白云母、高嶺石等，同時貝類物質(zhì)含量較高。表4-3列出土樣礦物成分的X射線衍射測試結(jié)果。珠江三角洲各地軟土的微觀結(jié)構(gòu)具有多樣性，與物質(zhì)來源、水動力作用因素、沉積條件等因素有關(guān)。微觀結(jié)構(gòu)一方面反映了土體的成因、礦物成分、顆粒特征等因素，另一方面又是決定土體物理力學性質(zhì)的主要因素，影響土體的工程力學性質(zhì)。表 4-3 礦物成分的X射線衍射測試結(jié)

14、果土樣蒙脫石%白云母%高嶺石%石英%長石%石膏與石鹽%金沙洲軟土23.211.78.447.94.93.9番禺軟土26.58.319.532.910.12.7深圳軟土15.117.23621.28.32.2圖4-16 金沙洲軟土樣的二值化圖片(×2 000)（注：黑色為孔隙 白色為顆粒）由上述ESEM顯微圖片可看出，珠江三角洲天然軟土結(jié)構(gòu)以聚粒結(jié)構(gòu)（片堆結(jié)構(gòu)）為主，具有一定方向性（如，水平和豎向結(jié)構(gòu)差異）。基本單元體主要為不規(guī)則的片狀顆粒聚凝結(jié)構(gòu)，水平切面及豎直切面上結(jié)構(gòu)單元體均有定向性，但定向性并不顯著；片狀礦物之間多為邊-邊、邊-面結(jié)合聯(lián)結(jié)組成的聚合體；比較松散，孔隙比大（見圖4

15、-16）。§4.3 礦物成分和孔隙水對軟土強度影響§4.3.1 不同礦物成分軟土的快剪強度試驗圖4-17圖4-25所示為不同礦物含量試樣的快剪強度試驗曲線圖。圖4-17膨潤土快剪強度試驗 圖4-18高嶺土快剪強度試驗圖4-19石英快剪強度試驗 圖4-20長石快剪強度試驗圖4-21 10%膨潤土+60%石英 圖4-22 20%膨潤土+53.3%石英+30%長石快剪強度試驗 +26.7%長石快剪強度試驗圖4-23 抗剪強度隨膨潤土含量變化 圖4-24粘聚力隨膨潤土含量變化圖4-25 內(nèi)摩擦角隨膨潤土含量變化§4.3.2 不同含水量軟土的快剪強度試驗圖4-26圖4-31

16、所示為不同含水量軟土試樣的快剪強度試驗曲線圖。圖4-26南沙軟土快剪強度試驗 圖4-27廣州粉質(zhì)粘土快剪強度試驗圖4-28南沙軟土快剪摩擦角 圖 4-29南沙軟土快剪粘聚力隨含水量變化 隨含水量變化圖4-30廣州粉質(zhì)粘土快剪 圖4-31廣州粉質(zhì)粘土快剪摩擦角隨含水量變化 粘聚力隨含水量變化§4.3.3 不同孔隙液濃度軟土的快剪強度試驗圖4-32圖4-33所示為孔隙水離子濃度對固結(jié)快剪強度影響的試驗曲線圖。圖4-32膨潤土固結(jié)快剪強度 圖4-33石英固結(jié)快剪強度隨孔隙液離子濃度變化 隨孔隙液離子濃度變化圖4-35圖4-35所示為不同孔隙液離子濃度試樣的固結(jié)快剪強度指標（C，）試驗曲線圖

17、。圖4-34粘聚力隨孔隙液濃度變化圖 4-35內(nèi)摩擦角隨孔隙液濃度變化§4.4 軟土強度特性的微細觀理論分析§4.4.1結(jié)合水性質(zhì)與微電場的關(guān)系上節(jié)從礦物成分、含水量以及孔隙液離子濃度三方面對軟土進行的強度特性試驗。結(jié)合水是影響軟土強度的重要因素之一。根據(jù)擴散的雙電層理論，結(jié)合水膜厚度的改變與顆粒表面微電場有關(guān)。不同的礦物成分、孔隙液離子濃度都會影響顆粒表面微電場，使結(jié)合水膜發(fā)生變化，而結(jié)合水膜厚度變化將改變軟土的強度特性。因此，影響結(jié)合水膜厚度和性質(zhì)的因素將是影響軟土強度特性的因素，這里，討論結(jié)合水膜與微電場的關(guān)系。粘土顆粒表面常帶負電荷，土體孔隙水中含各種無機可溶鹽。當

18、粘土顆粒與孔隙水接觸時，在顆粒表面附近形成了離子吸附層和擴散層。在顆粒表面電荷的電場作用下，顆粒表面附近的水分子形成定向排列，并吸附顆粒表面形成強結(jié)合水膜，其性質(zhì)受靜電引力控制，具有很大的粘滯阻力，幾乎不具有流動性；擴散層的水形成弱結(jié)合水膜，其性質(zhì)也受到靜電引力的影響，粘滯阻力也較大，流動性較低。圖4-36為粘土顆粒吸附結(jié)合水的示意圖，最靠近土顆粒表面的吸附層分布有強結(jié)合水，吸附層以外的擴散層分布有弱結(jié)合水，雙電層的厚度可視為結(jié)合水膜的厚度。雙電層的厚度與帶電土顆粒的表面電位有關(guān)，顆粒的表面電位越高，雙電層越厚，結(jié)合水膜也就越厚。圖4-36粘土顆粒吸附結(jié)合水示意圖根據(jù)Gouy-Chapman理

19、論，對電位很小的情況下(約小于25mV)，距離顆粒表面為x處的電位可用下式表達： （4-1）其中 (cm-2) （4-2）對于Gouy-Chapman理論，采用平面雙電層模型和雙平面雙電層模型，表面電位0與顆粒表面電荷密度有以下關(guān)系。平面的雙電層模型： （4-3）雙平面的雙電層模型： （4-4）式中，n為孔隙液離子濃度，e為電子電荷，v為離子化合價，e為介電常數(shù)，k為Boltzmann常數(shù)，T為絕對溫度。計算參數(shù)取值：e =80.0(水)；k =1.38×10-23 JK-1；e=1.602×10-19 C；T =290(17)。式（4-1）表明電位隨距離按指數(shù)曲線下降，通

20、常把1/K定義為雙電層的厚度即結(jié)合水膜厚度。從式（4-2）（4-4）可知，在顆粒表面電荷恒定即不變的情況下，孔隙液濃度n的增加將引起顆粒表面電位0減小，而雙電層厚度即結(jié)合水膜厚度1/K會變薄。研究表明，在水土相互作用的機制下，使結(jié)合水的結(jié)構(gòu)異于自由水，具有似晶體結(jié)構(gòu)的特點，如非牛頓流體、較高的粘滯性和低于流動的臨界梯度。土中的吸附結(jié)合水可以看作是具有粘滯性的類固體物質(zhì)，是土體具有粘聚力的來源之一。結(jié)合水的粘滯性也會發(fā)生改變，在宏觀上表現(xiàn)為土體粘聚力的變化。§4.4.2結(jié)合水含量與微細觀參數(shù)的關(guān)系1.孔隙液濃度影響利用式（4-2）計算出不同濃度的孔隙液中(電解質(zhì)為一價陽離子)的雙電層厚

21、度即結(jié)合水膜厚度1/K，見圖4-36所示。顆粒表面微電場受孔隙液濃度的影響，致使雙電層厚度即結(jié)合水膜的厚度發(fā)生改變。對于低濃度孔隙液的系統(tǒng)，顆粒表面電位較高，雙電層的厚度即顆粒表面結(jié)合水膜厚度將較大；孔隙液濃度(電解質(zhì)濃度)的增加使顆粒表面電位下降，雙電層的厚度迅速減小，即顆粒表面的結(jié)合水膜厚度被明顯壓縮，如n=2.0mol/L時的結(jié)合水膜厚度僅為n=8.3×10-5mol/L時的6.3左右；當n>8.3×10-2mol/L時，結(jié)合水膜厚度減小速度明顯放緩。2.陽離子化合價影響利用式（4-2）可分別計算出一價、二價和三價陽離子孔隙液相應的雙電層厚度即結(jié)合水膜厚度1/K

22、，圖4-36。計算結(jié)果表明隨著孔隙液濃度n的增加，顆粒表面的結(jié)合水膜厚度迅速變?。辉谙嗤目紫兑簼舛认?，陽離子價數(shù)越高，對結(jié)合水膜的影響越大，含二價和三價陽離子的孔隙液中顆粒表面的結(jié)合水膜厚度分別為含一價陽離子孔隙液中的1/2和1/3?？紫兑簼舛萵(mol/L)結(jié)合水膜厚度1/K(×10-10m)水乙醇8.3×10-5332.6183.38.3×10-4105.258.08.3×10-333.318.38.3×10-210.55.85.0×10-14.32.48.3×10-13.31.82.02.11.2圖4-37 顆粒表面

23、結(jié)合水膜厚度隨孔隙液濃度變化孔隙液濃度n(mol/L)各價離子對應的結(jié)合水膜厚度1/K(×10-10m)v=±1v=±2v=±38.3×10-5332.6166.3110.98.3×10-4105.252.635.18.3×10-333.316.611.18.3×10-210.55.33.55.0×10-14.32.11.48.3×10-13.31.71.12.02.11.10.7圖4-38 不同離子價孔隙液的顆粒表面結(jié)合水膜厚度3.介電常數(shù)影響孔隙液的介電常數(shù)可以影響雙電層厚度即結(jié)合水膜的厚度

24、1/K，由式（4-2）可以看出1/K隨介電常數(shù)e的增大而增大，圖4-39是不同一價陽離子濃度的水(e=80.0)和乙醇(e=24.3)溶液與結(jié)合水膜厚度的關(guān)系曲線，可見若采用乙醇作為介質(zhì)，同一濃度下的結(jié)合水膜厚度將減少0.55倍?？紫兑簼舛萵(mol/L)結(jié)合水膜厚度1/K(×10-10m)水乙醇8.3×10-5332.6183.38.3×10-4105.258.08.3×10-333.318.38.3×10-210.55.85.0×10-14.32.48.3×10-13.31.82.02.11.2圖4-39 不同不同介電常

25、數(shù)的顆粒表面結(jié)合水膜厚度4.比表面積影響比表面積與土顆粒的表面活性、界面特性密切相關(guān)，當粘土顆粒的粒徑達到微米級時，隨著比表面積的增大，顆粒的表面能與表面活性提高，表面與界面性質(zhì)發(fā)生很大的變化，對結(jié)合水的吸附能力也有很大提高。液塑限可以表征土顆粒表面吸附結(jié)合水量，不同礦物成分的顆粒由于比表面積相差較大，顆粒的表面能和表面活性就不一樣，因此吸附結(jié)合水量不同，表現(xiàn)為液塑限存在差異。將各單一成分人工土的比表面積與液塑限總結(jié)于表4-2之中，可見膨潤土的比表面積最大，液塑限與塑性指數(shù)最高，高嶺土次之，石英和長石最低，表明顆粒的吸附結(jié)合水量按照從高到低排序：膨潤土>高嶺土>石英>長石。表

26、4-4人工土的比表面積與界限含水量的相關(guān)關(guān)系試樣成分平均粒徑(m)比表面積(m2/g)液限wL(%)塑限wP(%)塑性指數(shù)IP(%)膨潤土9.443455.8187.956.1131.8高嶺土3.44417.560.234.625.6石英10.5526.615.79.16.6長石9.4673.912.66.85.8§4.4.3軟土強度特性的微觀解釋1.顆粒之間的摩擦與膠結(jié)粘聚作用通過顯微觀察可知，土體顆粒表面是由連續(xù)不斷的凸起和凹陷的曲面構(gòu)成的，顆粒之間通過各自的凸起體形成接觸點，在法向應力N的作用下，這些凸起體出現(xiàn)塑性變形和屈服而形成接觸面，而顆粒間滑動的阻力為土體提供了抗剪強度（

27、如Error! Reference source not found.所示）。接觸處的強度T和摩擦系數(shù)可以表示如下： （4-1） （4-2）式中，Ac是總接觸面積，是顆粒間直接接觸的面積百分數(shù)，m和c分別為顆粒間直接接觸處的強度和吸附結(jié)合水膜的強度(通常認為m>c)，u為顆粒間純滑動摩擦的內(nèi)摩擦角。圖4-40 顆粒間的凸起體接觸抗剪強度T是由顆粒間的直接摩擦和吸附結(jié)合水膜的潤滑摩擦兩部分組成，顆粒的表面特性與結(jié)合水的性質(zhì)決定了顆粒間抗剪強度和內(nèi)摩擦角的大小。不同成分的礦物比表面積可相差幾個數(shù)量級，如粘土礦物的總比表面積一般可達數(shù)十至數(shù)百m2/g，而非粘土礦物通常僅有幾m2/g，擁有大比表

28、面積的礦物顆粒往往具有活躍的表面能，可以吸附更多的結(jié)合水，導致不同礦物顆粒的表面特性產(chǎn)生差異，從而表現(xiàn)出不同的摩擦性狀。上節(jié)試驗表明，礦物成分對試樣的強度特性有顯著的影響。2.顆粒之間的凝聚作用除了以上的摩擦作用外，由膠結(jié)作用和吸附作用形成的粘聚力也是土體強度的重要組成部分之一。顆粒間的粘聚力由真粘聚力和表觀粘聚力組成。真粘聚力與應力無關(guān)，它主要來源于：(1) 碳酸鹽、有機化合物和氧化物(二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等)的膠結(jié)作用而形成的顆粒間化學鍵；(2) 在粒間間距不大于25Å時，極細顆粒(粒徑<1m)之間產(chǎn)生的靜電引力和范德華電磁引力；(3) 在吸附水的參與下顆粒間在固結(jié)后保

29、持的主價鍵結(jié)合和吸附(粘聚)。表觀粘聚力則來源于：(1) 土顆粒表面上的水的吸引力和表面張力聯(lián)合作用形成的毛細管應力；(2) 顆粒之間緊密堆積形成的機械咬合力。對于礦物顆粒而言，膨潤土顆粒表面較厚的粘滯性結(jié)合水膜可產(chǎn)生強烈的吸附作用，形成較高的粘聚力；結(jié)合水膜對石英和長石顆粒的吸附作用很弱，其粘聚力主要靠顆粒緊密堆積產(chǎn)生的機械咬合力及毛細管應力；高嶺土顆粒表面有一定厚度的結(jié)合水膜，能產(chǎn)生一定的吸附作用和毛細管應力，而且顆粒的堆積也能形成機械咬合力，因此粘聚力非?？捎^?？梢哉J為，結(jié)合水的吸附作用是影響粘土礦物顆粒粘聚力的重要因素，而機械咬合力與毛細管應力則是非粘土礦物形成粘聚力的主要來源?；旌贤?/p>

30、的粘聚力則主要體現(xiàn)了粘土礦物的影響，即膨潤土或者高嶺土的含量越高，試樣的粘聚力越大，在兩者的含量相同的情況下，前者的粘聚力略高于后者。3.吸附水膜的作用粘土顆粒表面吸附一層結(jié)合水膜，結(jié)合水膜可改變顆粒之間的接觸摩擦滑動性質(zhì)，如圖4-41所示。對于膨潤土，其主要成分蒙脫石屬粘土礦物，具有較大的表面電荷密度和比表面積，表面活性高，能形成較厚的具有粘滯性的吸附結(jié)合水膜，顆粒之間的接觸點較少而易于滑動，表現(xiàn)出較小的內(nèi)摩擦角和較低的抗剪強度。孔隙液濃度的增加引起結(jié)合水膜迅速變薄時，顆粒間的接觸點增加，剪切變形阻力增大，表現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦角和較高的抗剪強度。與粘土礦物相比，石英的表面活性小，液塑限低，可以

31、看作是惰性較大的物質(zhì)，其顆粒的表面電荷密度和比表面積遠低于膨潤土與高嶺土，吸附結(jié)合水膜薄，顆粒間因直接接觸多，而使其抗剪強度與內(nèi)摩擦角相對較高。圖4-41結(jié)合水膜厚度不同對顆粒間摩擦性質(zhì)的影響4.含水量影響土的粘聚力主要受粒間的膠結(jié)狀態(tài)和吸附作用的影響，這兩種作用的主導地位隨含水量的增加會逐步改變，其中粒間吸附作用受到毛細壓力、滲透壓力（排斥力）和范德華吸力等影響。當含水量很低時，土體處于較干燥狀態(tài)，其內(nèi)聚力由粒間的膠結(jié)狀態(tài)起主導作用，隨含水量逐步增加，粒間的膠結(jié)逐步被軟化而使粘聚力減?。缓吭谀骋慌R界值時（試驗表明該臨界值近似為塑限），土體處于干濕狀態(tài)，在低于該臨界值的附近隨含水量增加出現(xiàn)

32、彎曲液面產(chǎn)生毛細壓力，使粒間的吸附力有所提高，而在低于臨界含水量的附近使內(nèi)聚力反而隨含水量增加有所增大，在塑限附近出現(xiàn)峰值；當含水量較高時，粒間膠結(jié)已經(jīng)弱化，土體內(nèi)聚力主要由粒間的吸附起主導作用，此時毛細壓力已消失，隨著含水量的增加，自由水含量增加且其中的離子濃度降低，吸附水中陽離子擴散導致的滲透壓力（斥壓力）增強，凈吸附力減小而致粘聚力減小。§4.5 軟土變形的塑性特性§4.5.1礦物成分對土體液塑限影響表4-5列出了膨潤土、高嶺土、石英、長石及其混合土的液塑限測試結(jié)果。為了便于分析，表中同時還列出了各試樣的比表面積與陽離子交換量（CEC）。表4-5 各試樣的液塑限、比表

33、面積與陽離子交換量編號試樣成分液限wL(%)塑限wP(%)塑性指數(shù)IP(%)比表面積Ss(m2/g)CEC(cmol/kg)YS1膨潤土187.956.1131.8455.873.5YS2高嶺土60.234.625.617.53.65YS3石英15.79.16.66.60.215YS4長石12.66.85.83.90.215YS520%膨潤土+53.5%石英+26.7%長石46.724.522.2111.115.3YS640%膨潤土+40%石英+20%長石72.233.239.0197.031.3YS760%膨潤土+26.7%石英+13.3%長石97.641.955.7297.746.3YS8

34、20%高嶺土+53.5%石英+26.7%長石29.119.99.27.81.07YS940%高嶺土+40%石英+20%長石36.823.813.08.32.58YS1060%高嶺土+26.7%石英+13.3%長石44.627.816.810.33.01土體液塑限和塑性指數(shù)的范圍與土體的結(jié)合水含量有關(guān)，有文獻把0.88WL劃分為結(jié)合水最大含量。一般而言，顆粒的表面積越大，陽離子交換量越高，顆粒表面就能吸附厚度越大的結(jié)合水膜。從表4-5的液塑限、塑性指數(shù)、比表面積與陽離子交換量的測試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：(1) 各試樣的液塑限與其比表面積、CEC呈正相關(guān)關(guān)系。試樣的比表面積、CEC越高，吸附性能

35、與表面活性越大，顆粒表面吸附的結(jié)合水越多，其液塑限和塑性指數(shù)就越大，其中液限的變化范圍大于塑限。(2) 僅含粘土礦物(膨潤土和高嶺土)的YS1、YS2試樣的液塑限和塑性指數(shù)顯著高于僅含非粘土礦物(石英和長石)的YS3、YS4試樣，前者的液限、塑限和塑性指數(shù)分別為后者的3.814.9倍、3.88.3倍、3.922.7倍。分析認為粘土礦物具有較高的比表面積與CEC值，其吸附性能通常強于非粘土礦物，因此粘土礦物顆粒表面可形成較厚的結(jié)合水膜，具有更高的液塑限與更大的塑性指數(shù)范圍。(3) 含一定比例粘土礦物的混合土試樣YS5YS10，隨著粘土礦物相對含量的增加，試樣的液塑限與塑性指數(shù)也相應增大，表明土體

36、中的結(jié)合水量不斷增加。(4) 粘土礦物中的膨潤土具有內(nèi)外比表面，表面活性大，容易吸附大量的結(jié)合水，而高嶺土僅具有外表面，吸附水量非常有限，因此膨潤土的液塑限與塑性指數(shù)高于高嶺土，而含膨潤土的混合土試樣的液塑限和塑性指數(shù)也普遍高于含高嶺土的混合土試樣。§4.5.2礦物成分對土體活動性影響圖4-42土體塑性指數(shù)IP隨粘粒組分含量變化的關(guān)系繪成曲線和相應求得的土體活動性指數(shù)。從以上的活動性試驗結(jié)果可知，以膨潤土的塑性指數(shù)和活動性遠高于高嶺土的塑性指數(shù)和活動性。粘粒組分非粘粒組分粘粒含量(%)活動性指數(shù)膨潤土石英+長石201.194060100高嶺土200.274060100圖4-42 塑性指數(shù)與粘粒組分的相關(guān)關(guān)系§4.5.3孔隙液濃度對塑性指數(shù)影響圖4-43圖4-45和表4-6為各土樣的液限、塑限和塑性指數(shù)隨孔隙液濃度變化的測試結(jié)果，以及科威特濱海鹽漬土淋溶前后的液塑限與塑性指數(shù)。表4-6 科威特濱海鹽漬土的界限含水量試樣成分