长江科学院院报

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2026 , Vol. 43 >Issue 4: 166 - 174

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250292

岩土工程

含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复的影响

  • 谢艳华 , 1, 2 ,
  • 汤斌 , 1 ,
  • 徐继成 1 ,
  • 韩伟超 1 ,
  • 张炳晖 1
展开
  • 1 桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室, 广西 桂林 541004
  • 2 桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院, 广西 桂林 541004
汤 斌(1970-),男,湖北孝感人,教授,博士,主要从事地基与基础工程研究。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2025-04-01

  修回日期: 2025-05-17

  录用日期: 2025-06-13

  网络出版日期: 2025-09-01

基金资助

广西自然科学基金项目(2024GXNSFAA010450)

收起

Influence of Water Content on Thixotropic Strength Recovery of Zhanjiang Formation Structural Clay

  • XIE Yan-hua , 1, 2 ,
  • TANG Bin , 1 ,
  • XU Ji-cheng 1 ,
  • HAN Wei-chao 1 ,
  • ZHANG Bing-hui 1
Expand
  • 1 Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
  • 2 School of Energy Engineering and Building Environment, Guilin University ofAerospace Technology, Guilin 541004, China

Received date: 2025-04-01

  Revised date: 2025-05-17

  Accepted date: 2025-06-13

  Online published: 2025-09-01

Fold

摘要

含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复有显著影响,为探讨其影响规律及作用机制,以重塑湛江组结构性黏土为研究对象,开展为期150 d的触变试验,对不同初始含水率(30%、33%、36%、39%)和不同触变时间(0、1、10、30、60、100、150 d)的试样,分别进行无侧限抗压强度试验、直接剪切试验及扫描电镜试验(SEM)。结果表明:试样强度随触变时间的延长逐渐恢复,其中无侧限抗压强度和黏聚力的恢复过程均呈现快速明显(0~30 d)和缓慢平稳(30~150 d)两阶段。含水率越高,触变强度恢复速率越快。对比基于无侧限抗压强度和黏聚力的触变强度比率,由于剪切作用使土体颗粒沿特定方向排列,使黏聚力表现出更高的触变强度比率。触变过程中,孔隙参数(孔隙度、丰度)和颗粒参数(概率熵、分布分形维数)随触变时间增加而减小。土体颗粒通过自适应调整,定向性有序性增强,在范德华力作用下团聚程度提高,团聚体间和团聚体内孔隙减少。水分通过改变颗粒相对位置、扩宽迁移通道等方式增强了颗粒活动能力,加速了触变强度恢复速率。研究成果可为具有触变性的黏土地基稳定性评价提供参考依据。

关键词： 湛江组结构性黏土; 触变; 强度恢复; 含水率

本文引用格式

谢艳华 , 汤斌 , 徐继成 , 韩伟超 , 张炳晖 . 含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复的影响[J]. 长江科学院院报, 2026 , 43(4) : 166 -174 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250292

Abstract

[Objective] This study focuses on water content as the key controlling factor to clarify the time-dependent patterns of thixotropic strength recovery of Zhanjiang Formation structural clay under different initial water contents. The microscopic mechanism is interpreted through three pathways: pore structure evolution, particle reorganization, and water action. The findings are expected to provide experimental evidence and theoretical support for predicting strength recovery and evaluating the stability of thixotropic clay foundations. [Methods] Remolded Zhanjiang Formation structural clay specimens were prepared and subjected to a 150-day thixotropy test. Specimens at different thixotropic durations were investigated using macroscopic and microscopic tests. For macromechanical testing, unconfined compressive strength (UCS) tests were conducted on cylindrical specimens. Direct shear tests were conducted on ring-knife specimens to obtain UCS, cohesion (c), and internal friction angle (φ), which were used to evaluate thixotropic evolution. A thixotropic strength ratio was defined as At = mt/m0, and two indicators—At(q) (based on UCS) and At(τ) (based on cohesion)—were used to compare recovery characteristics among different strength parameters. For microstructure, fabric evolution was observed using an SEM. Pore parameters, including porosity (M) and abundance (C), were extracted to quantitatively analyze pore structure evolution. Particle parameters, namely probability entropy (H) and distribution fractal dimension (D), were used to quantitatively characterize particle orientation/orderliness and aggregation degree, respectively. [Results] (1) Stage-dependent recovery: Both UCS and cohesion (c) increased with thixotropic duration and showed two stages: a rapid and significant recovery phase during 0-30 d, followed by a slower, stable phase during 30-150 d. The increment during 100-150 d was small, indicating near-stabilization, after which the test was terminated. (2) Dual effect of water content: At the same thixotropic duration, UCS generally decreased with increasing water content, reflecting weakened particle contacts and bonding and thus reduced instantaneous strength. However, higher water content resulted in a faster strength recovery rate, especially at early stage, indicating that water promoted the kinetics of self-adaptive structural adjustment during thixotropic process. (3) Indicator-dependent differences: Cohesion exhibited a higher thixotropic strength ratio and faster recovery within 1 d, suggesting that shearing promoted directional particle alignment and optimized the friction-bonding interface, making c more sensitive to structural rebuilding than UCS. (4) Coordinated micro-parameter evolution: As thixotropic duration increased, M and c decreased continuously. Pores shifted from “large and numerous inter-aggregate pores” to “small and fewer intra-aggregate pores”, while the overall pore shapes remained mainly quasi-equant but became denser. Additionally, H and D decreased synchronously, indicating enhanced particle orientation/orderliness and increased aggregation. These changes were most significant within the first 30 d, consistent with the rapid macroscopic recovery stage. SEM observations revealed a transition from an “open flocculated-dispersed” fabric to a “closed flocculated-aggregated” fabric. Pores between and within aggregates decreased, while particle contacts and continuity of force-transfer paths improved, thereby supporting strength recovery. [Conclusion] The thixotropic strength recovery of Zhanjiang Formation structural clay exhibits distinct time-stage characteristics and strong sensitivity to water content. Recovery generally progresses through a rapid phase (0-30 d) and a stable phase (30-150 d). Higher water content reduces the strength level but significantly accelerates the strength recovery rate. Cohesion exhibits a higher thixotropic strength ratio than UCS because shear-induced particle orientation facilitates more effective structural reconstruction. Microscopically, synchronous decreases in M/C and H/D indicate pore reduction, particle ordering, and aggregation densification. Water enhances particle activity by altering relative particle positions and expanding migration pathways, thereby accelerating self-adaptive adjustment and strength recovery during thixotropic process. Innovations included: (1) parallel comparison of UCS and rapid direct shear parameters within a single thixotropic framework, revealing the cohesion recovery advantage caused by shear-induced particle orientation; (2) linking the macroscopic two-stage recovery pattern with the coordinated evolution of M, c, H, and D, forming an evidence chain of “structural rearrangement—aggregation densification—strength recovery”; and (3) demonstrating that higher water content, while reducing instantaneous strength, accelerates recovery by enhancing particle mobility/activity.

Key words： Zhanjiang Formation structural clay; thixotropy; strength recovery; water content

0 引言

湛江市作为“北部湾城市群”的核心城市,近年来吸引了大量重点工业项目落地。湛江组结构性黏土在北部湾沿岸地区分布广泛,是工业建筑基础主要承载介质。该黏土具有强触变性[1-2],受扰动后强度降低,静置触变中土体强度逐渐增大(业界习惯称之为“恢复”)。然而,水含量是影响湛江组结构性黏土触变强度恢复的重要因素[3-4]。当土体含水率变化时,土颗粒间的吸附水膜随之调整,导致颗粒间距及颗粒间相互作用力发生变化,对土体触变强度恢复程度产生直接影响;此外,水分的存在及变化促使土体内部孔隙结构调整,改变孔隙的连通性,进一步影响土体触变强度的恢复速率。可见,水含量对湛江组结构性黏土触变强度恢复的影响较为复杂。因此,研究含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复的影响及其作用机制,有助于揭示水含量对土体触变强度恢复的本质规律。
已有研究表明,黏土的触变强度恢复受到pH值[5-6]、含水率[5,7-10]、黏粒含量[5,11-12]等因素不同程度的影响。其中,杨爱武等[5]通过正交试验分析指出,影响黏土触变强度比率的主次因素依次为含水率、矿粉黏粒含量、pH 值;赵盛男等[6]基于正交试验结果进一步表明,相较于黏粒含量,含水率对黏土触变强度恢复的影响更为显著;Tang等[7]、Shahriar等[8]、张目极[9]通过结构性黏土无侧限抗压强度试验研究发现,在触变过程中,无侧限抗压强度受含水率影响,随含水率的增加呈线性递减趋势;霍海峰等[10]在分析影响土体触变性的因素时指出,良好的排水条件可有效促进触变过程中强度的恢复。可见,含水率对黏土触变强度恢复具有显著影响。
通过对现有文献的梳理发现,文献[13]—文献[16]针对触变过程中强度恢复的微观机理进行了深入研究。文献[9]及文献[17]—文献[19]则集中于土中水的形式及其性质对黏土触变、变形等特性的影响。而关于水含量对湛江组结构性黏土触变强度恢复的具体作用机制,目前的研究较为有限,其内在影响规律尚需进一步明确。
对含水率为30%、33%、36%和39%的湛江组结构性黏土重塑试样,在触变不同龄期后进行无限抗压强度试验、直接剪切试验和扫描电镜试验(Scanning Electron Microscope,SEM),研究含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复的影响规律,并在此基础上阐释含水率对湛江组结构性黏土触变强度恢复的作用机制。为全面理解湛江组结构性黏土触变强度恢复的本质原因提供理论支撑,并为具有触变性的黏土地基稳定性评价提供参考依据。

1 试验用土及试验方案

1.1 试验用土

试验用土取自广东省湛江市东海岛宝钢湛江钢铁工业园区内。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019),通过室内试验测得其干密度为1.18 g/cm3,含水率为47.22%,最优含水率为33%,灵敏度为4.01。

1.2 试验方案

1.2.1 触变试验

将取回的湛江组结构性黏土风干并研磨,过2 mm筛。向过筛黏土中加入适量蒸馏水,配制含水率分别为30%、33%、36%和39%的试样。配制完成后,将试样装入密封袋中,并确保其充分浸润。之后将其分别制成直径39.1 mm、高81 mm的圆柱试样和内径61.8 mm、高20 mm的环刀试样。制备好的试样经二次密封后,放置于恒温实验室中的保湿缸内进行养护,直至达到预定的养护龄期(1、10、30、60、100、150 d),即触变时间。试验前需复测试样的含水率,以±0.5%的偏差范围为控制目标,从而确保数据的准确性。

1.2.2 无侧限抗压强度试验

将达到预定养护龄期(触变时间)的不同含水率圆柱试样取出,置于万能试验机中进行无侧限抗压强度试验。设置加载速率为1 mm/min进行加载,直至试样发生破坏或轴向应变达到20%时,试验停止。

1.2.3 直接剪切试验

为进一步准确反映含水率对土体触变强度恢复的影响,采用直接快剪方式,以确保孔隙水压力基本不发生消散,同时有效避免因长时间固结而导致的土体结构性变化。将养护龄期(触变时间)达到预定要求的环刀试样置于应变控制式直剪仪中进行直接剪切试验,并施加50、100、150、200 kPa 的垂直压力。

1.2.4 SEM试验

采用 S-4800 型场发射扫描电镜分析湛江组结构性黏土微观结构演化规律。对达到预定养护龄期的试样的标准样品,以2 000倍放大倍数拍摄其微观结构特征。

2 力学测试结果及分析

2.1 无侧限抗压强度试验结果及分析

如图1所示,为不同含水率试样在触变过程中的无侧限抗压强度及其变化趋势。分析可知,与触变100 d的试样相比,当触变时间为150 d时,其无侧限抗压强度的增幅相对较小。含水率为30%、33%、36%和39%的试样分别增长3.16、3.33、2.08、2.84 kPa,增幅分别为1.70%、2.35%、1.90%和3.36%。此时强度恢复幅度及100~150 d阶段强度恢复比例较小,因此触变试验延至150 d时可终止。
图1 不同含水率试样触变过程中无侧限抗压强度

Fig.1 Unconfined compressive strength of specimens with different water contents during thixotropic process

由图1可知,试样的无侧限抗压强度随着触变时间的延长而增大,但随含水率的增加而递减。其中,经触变150 d后,含水率为30%、33%、36%、39%的试样,无侧限抗压强度分别增长29.12、39.85、37.24、44.94 kPa;相较于含水率w=30%试样的无侧限抗压强度,w=39%的试样低了101.91 kPa。分析表明,水的存在及变化直接改变了土体内部结构,对土体的无侧限抗压强度造成显著影响。当土体含水量增加时,颗粒间的孔隙被水填充,导致土颗粒间的连结减弱,从而降低了无侧限抗压强度。
基于对图1(b)中无侧限抗压强度随触变时间变化曲线的分析,含水率为30%、33%、36%、39%的试样均在0~30 d内的强度恢复最快,分别为0.53、0.61、0.79、1.18 kPa/d;而在30~60 d内强度恢复均相对缓慢,分别为0.19、0.32、0.26、0.10 kPa/d;而后强度恢复逐渐趋于平稳。因此,可以30 d为阶段划分界限,将触变强度恢复过程划分为快速明显阶段(0~30 d)和缓慢平稳阶段(30~150 d)。在快速明显阶段,含水率为30%、33%、36%、39%的试样其无侧限抗压强度分别恢复了15.74、18.21、23.57、35.47 kPa,分别占其强度恢复总值的54.05%、45.70%、63.29%、78.93%。经历150 d触变后,含水率w=39%的试样触变强度恢复值和恢复比率均最高,其无侧限抗压强度恢复了44.94 kPa,恢复比率高达106.07%。相比之下,由于含水率较低,w=30%试样的无侧限抗压强度仅恢复了29.12 kPa,恢复比率仅为18.19%。因此,在触变过程中,含水率较高的试样在触变初期表现出更快的无侧限抗压强度恢复速率,在整个触变过程呈现更高的强度恢复比率。

2.2 直接剪切试验结果及分析

图2为不同含水率的湛江组结构性黏土触变过程中的抗剪强度与垂直应力关系曲线。由图2可知,抗剪强度与垂直应力之间呈现出明显的正相关性。随着垂直应力的增加,土体颗粒间的接触压力增大,从而提高了土体的抗剪能力。同时,土体的抗剪强度随触变时间的延长而增大。
图2 抗剪强度-垂直应力关系

Fig.2 Relationship between shear strength and vertical stress

为进一步分析抗剪强度指标对触变恢复的影响,根据图2中拟合直线,以其倾角作为试样的摩擦角φ,其延伸至纵坐标上的截距视为黏聚力c,得到触变过程中试样的抗剪强度指标c和φ,具体见表1。
表1 触变过程中不同含水率土体的抗剪强度指标

Table 1 Shear strength indicators of soils with different water contents during thixotropic process

触变时
间/d		 不同含水率下的c/kPa 不同含水率下的φ/(°)
30% 33% 36% 39% 30% 33% 36% 39%
0 12.50 9.33 4.88 3.55 8.84 5.95 3.54 2.82
1 13.54 11.62 6.18 4.28 9.36 6.00 4.21 3.27
10 15.17 14.00 9.18 8.16 9.76 6.71 4.73 3.92
30 18.04 16.91 13.23 12.25 10.13 7.20 5.22 4.46
150 22.22 20.74 20.90 17.95 12.43 9.27 5.92 5.45
分析表1可知,试样的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ随触变时间增大均呈增长趋势。其中,含水率为30%、33%、36%、39%的试样,经150 d触变后,其内摩擦角φ分别增长了3.59°、3.32°、2.38°、2.63°,其随含水率的变化并未呈现明显规律。分析认为:因内摩擦角φ受到多种因素的影响,如颗粒形状、大小、分布及外部应力条件等,这些因素的变化可能导致内摩擦角的测量具有较大的不确定性。因此,后续仅对抗剪强度指标黏聚力c开展讨论。
图3为抗剪强度指标黏聚力c与触变时间之间的关系曲线。从图3可以看出,随着触变时间的延长,试样的抗剪强度指标黏聚力c的增长趋势同无侧限抗压强度,整体也分为“快速明显阶段”(0~30 d)和“缓慢平稳阶段”(30~150 d)两阶段,即黏聚力c在30 d内触变恢复速度较快,而在30d后恢复速度相对缓慢乃至平稳。
图3 黏聚力c-触变时间关系

Fig.3 Relationship between cohesion c and thixotropic duration

进一步分析可知,随含水率增大,试样黏聚力基本上呈下降趋势。其中,含水率w=30%的试样较w=39%的试样,其初始黏聚力高8.95 kPa,经历150 d触变后,其黏聚力仍高出4.27 kPa,说明水的存在和增多增加了土颗粒间的距离,减少了单位面积上土颗粒的接触点,从而导致高含水率试样原始黏聚力较低。当经150 d触变后,含水率w=39%的试样,其黏聚力恢复至17.95 kPa(恢复了14.4 kPa),而含水率w=30%的试样黏聚力恢复至22.22 kPa,说明水的存在和增大加速了触变过程中黏聚力的恢复速率。但需要指出的是,图3所示,触变时间为150 d时,w=36%试样的黏聚力略高于w=33%试样(仅仅高0.045 kPa)。分析原因认为,在经历150 d触变后,w=36%的试样水分分布更为均匀,此时颗粒间水膜厚度适中且稳定性较高,从而增强颗粒间的相互作用力,表现出略高的黏聚力。同时,对比分析触变过程中不同含水率试样黏聚力的变化曲线,略高于最优含水率的试样(w=36%)表现出最为显著的黏聚力触变恢复速率和恢复程度。表明工程实际中,略高于最优含水率的土体具有更优的黏聚力触变恢复性能。

2.3 不同强度指标在触变恢复过程中的对比分析

通过对无侧限抗压强度试验和直接剪切试验结果的分析得知,含水率对土体触变过程中不同强度指标恢复的影响具有一定的相似性。然而,无侧限抗压强度主要反映了土体抵抗压缩变形的能力。相比之下,直接剪切试验更侧重于揭示土体颗粒间的摩擦特性和黏聚力特性。因此,基于试验结果,以含水率w=33%的试样为例,进一步探讨不同强度指标的触变恢复演化规律及其差异。
在触变过程中,土体颗粒结构会进行自适应调整,强度恢复。为更好反映土体微观结构的动态调整的程度,定义触变强度比率At,触变强度比率At值越大,表明土体颗粒结构自适应调整程度越高,触变显著。其计算式为
${A}_{t}={m}_{t}/{m}_{0}　。$
式中:At为触变强度比率;mt代表某时刻t的强度指标(kPa);m0表示初始时刻的强度指标(kPa)。
由式(1)计算可得基于无侧限抗压强度的触变强度比率At(q)和基于黏聚力的触变强度比率At(τ),详见表2。
表2 触变强度比率

Table 2 Thixotropic strength ratios

触变时间/d At(q) At(τ) 触变时间/d At(q) At(τ)
0 1.000 1.000 60 1.265 2.040
1 1.004 1.245 100 1.348 2.145
10 1.082 1.500 150 1.379 2.223
30 1.173 1.812
图4为无侧限抗压强度和黏聚力在触变过程中的恢复曲线。从图4可以看出,触变前,无侧限抗压强度和黏聚力分别105.04 kPa和9.33 kPa;经150 d触变后,试样的无侧限抗压强度和黏聚力均逐步增长,最后分别增至144.89 kPa和20.74 kPa。对应的触变强度比率分别为At(q)=1.379和At(τ)=2.22。这表明,虽黏聚力c值小于无侧限抗压强度,但基于黏聚力的触变强度比率At(τ)大于基于无侧限抗压强度的触变强度比率At(q),即触变过程中,黏聚力恢复程度高于无侧限抗压强度。特别值得注意的是,经1 d触变后,相比无侧限抗压强度,黏聚力c恢复显著,由9.33 kPa迅速增长至11.62 kPa。这一差异存在原因在于剪切过程中土体颗粒间摩擦面的动态调整和重组。在剪切作用下,土体颗粒更倾向于沿特定方向排列,从而形成有利于强度恢复的微观结构。这种微观结构的优化不仅提升了土体的抗剪能力,还增强了其在触变过程中的强度恢复速率。
图4 不同强度指标在触变强度恢复过程中的对比分析

Fig.4 Comparative analysis of different strength indicators during thixotropic strength recovery process

3 影响机制解析

Mitchell[20]在其研究中指出,土体的触变现象本质上是一种结构效应,该效应主要由土颗粒的重排布、孔隙结构的变化以及含水层结构的调整3个影响因素共同作用引起。因此,可从触变过程中孔隙结构演化、颗粒重组排列及水含量变化3个方面,深入解析湛江组结构性黏土触变强度恢复的影响机制。

3.1 孔隙结构变化对强度恢复的影响机制

Diamond[21]在研究黏土的孔隙分布时提出了双孔结构的概念,即团聚体间孔隙(宏观大孔隙)和团聚体内孔隙(微观小孔隙)。在触变过程中,随着团聚体间孔隙和团聚体内孔隙的逐渐减少,颗粒间接触点数量增加,接触面积增大,从而增强了颗粒间的摩擦力和黏结力,使土体强度逐渐恢复。
图5为含水率w=39%试样未经触变时的SEM图像。从图5可知,试样在未经触变时主要以周围附着颗粒的团聚体为主,且团聚体间孔隙较多较大。在触变过程中,分散的颗粒逐渐开始团聚。
图5 含水率w=39%试样触变前的SEM图像

Fig.5 SEM image of specimen with water content w=39% before thixotropic process

图6为该试样触变过程中的SEM图像。经1 d触变后,如图6(a)所示,部分颗粒开始靠拢并逐渐聚拢成尺寸较大的絮凝状团聚体,此时团聚体间孔隙开始减少且孔径减小;经10 d触变后,见图6(b),原有的团聚体尺寸逐渐增大,同时团聚体间孔隙进一步减小,随着团聚体的絮凝作用,团聚体内孔隙逐渐增多;经30 d触变后,如图6(c),土体的团聚结构进一步强化,团聚尺寸持续增大,且团聚体之间连结增强;经60 d触变后,图6(d)所示,由于团聚体之间的强胶结联结作用,孔隙主要以团聚体内孔隙为主,与触变30 d相比,团聚体内部的孔隙明显增多;经100 d触变后,图6(e)所示,土体中团聚体内孔隙逐渐减少;经150 d触变后,可通过图6(f)观察到较为密实的团聚结构,此时的团聚体内孔隙开始减少,孔径亦减小。由此可见,触变效应使土体微观结构从初始的“开放式”絮凝分散状态逐渐调整为“封闭式”絮凝团聚状态,土体中孔隙也由大而多的团聚体间孔隙逐渐转化为小而少的团聚体内孔隙。
图6 试样触变过程中SEM图像

Fig.6 SEM images of specimen during thixotropic process

采用PCAS软件,设置阈值为100,对图5和图6中SEM图像进行二值化处理,获取不同触变时间的试样微观结构参数,选取具有代表性的孔隙度M和孔隙丰度C两个微观结构参数对触变过程中孔隙结构演化进行量化分析,即:
$M=\frac{{S}_{\mathrm{s}}}{S}\times 100\mathrm{\%}　,$
$C=\frac{B}{L}　。$
式中:Ss、S分别为土体孔隙总面积和土体总面积;B和L分别为孔隙的短轴值和长轴值。
丰度值C表征孔隙的形态,范围为[0,1];丰度值越大,表明结构单元体或孔隙的短轴值和长轴值越接近,越趋于等轴状态;反之,则表明结构单元体或孔隙的短轴值和长轴值相差较大,形状越狭长。
图7为孔隙参数孔隙度M和丰度C与触变时间的关系。从图7可知,随着触变时间的增长,孔隙度和丰度均不断减小。其中,触变时间为0 d时,丰度值为0.582 3,表明试样中的孔隙以似等轴状为主;当触变1 d时,丰度值下降至0.541 2,其减少幅度最大,达0.041 1。随着触变时间的延长,丰度值持续减小,其减小幅度逐渐趋于平缓。这一现象表明,在触变效应影响下,土体中的孔隙形态特征均发生了改变,丰度值的变化范围在0.582 3~0.509 6之间,说明尽管孔隙形态有所调整,但总体形态变化不明显,仍以似等轴状为主,呈现一定的自相似特征。此外,当触变150 d后,孔隙度总体减少35.83%,而在触变30 d时,孔隙度已减少26.14%,占总减少量的50%以上,说明在触变过程中前30 d孔隙变化较为显著。
图7 孔隙参数-触变时间关系

Fig.7 Relationship between pore parameters and thixotropic duration

综上,结合触变过程中无侧限抗压强度及抗剪强度演化规律,分析认为:孔隙度的显著减小通过增加颗粒间的接触面积和接触力,有利于土体强度的恢复。同时,孔隙形态的微调优化了颗粒间的传力路径,减少了应力集中现象,从而提升土体的整体强度。

3.2 颗粒重组与强度恢复关系

在触变过程中,颗粒在排斥力与范德华力吸引力的相互作用下进行自适应调整,如图8(a)所示,当以排斥力为主导时,颗粒不会相互靠近而呈现稳定的分散状态;当排斥力大于吸引力相当时,颗粒缓慢絮凝;当吸引力占据优势时,颗粒迅速相互靠拢并最终团聚形成连接牢固的絮凝体。图8(b)所示,在触变过程中,颗粒的重新排列增大了颗粒间的有效接触面积,此时由于范德华力对距离的依赖性,促进了吸引力的累积增强,进一步强化了整体的絮凝趋势。这是导致触变强度恢复的关键机制所在。
图8 触变过程中颗粒相互作用

Fig.8 Particle interactions during thixotropic process

颗粒参数概率熵H和颗粒分布分形维数D分别定义为:
$\mathrm{H}=-\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{P}_{i}\mathrm{l}\mathrm{o}{\mathrm{g}}_{n}{P}_{i}　,$
$D=-\underset{r\to 0}{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}N\left(r\right)}{\mathrm{l}\mathrm{n}r}　。$
式中:Pi为特定范围内颗粒的百分比;r为粒径;N(r)为大于某粒径的颗粒数量。
H愈趋于1,颗粒的定向有序性越差,排列越随机,反之则定向有序性越好。分布分形维数D越大,反映土中颗粒分布越分散,团聚程度越低。
图9为颗粒参数概率熵H和颗粒分布分形维数D与触变时间关系。分析图9可知,随触变时间的延长,颗粒概率熵H和颗粒分布分形维数D均不断减小。说明触变过程中,颗粒的定向性有序性逐渐增强,团聚程度逐渐增强。其中,触变时间为0 d时,概率熵H为0.994 8,说明此时颗粒的定向有序性较差,当经历触变前60 d时,概率熵H显著减小,而后延至触变100 d,概率熵H的变化最为平缓,表明随着触变时间的增长,颗粒排列持续发生重组,定向有序性不断增强。当触变1 d后(图9(b)第2个分图),部分颗粒开始重排布,但由于土体颗粒间孔隙的存在,颗粒定向性变化的效应不明显。在粒间吸引力的作用下,颗粒互相靠拢,形成尺寸较大的聚合体,此时颗粒分形维数由初始状态0 d的1.227 7减小至1.218 4,说明分散的颗粒开始靠拢团聚。当触变10 d后(图9(b)第3个分图),颗粒进一步发生移位,此时分形维数较初始状态减小了0.013 9,减少幅度最大。为适应调整过程,颗粒开始出现小幅度转动,土体中出现较多的大团粒。当触变30 d后(图9(b) 第4个分图),分形维数进一步减小至1.194 9。此时,土颗粒发生显著转动,定向团聚效应增强,土体絮凝结构在原有基础上进一步增大,较大尺寸的絮凝体开始形成,絮凝体中颗粒之间的搭接形式逐渐趋向于“边-边”或“边-面”,从而使絮凝体间的连接牢固。当触变60 d后(图9(b) 第5个分图),颗粒继续通过转动等定向性调整的方式适应触变过程,使絮凝结构更加牢固。当触变持续100 d后(图9(b)第6个分图),颗粒间的调整主要以自适应为主,表现为絮凝体间的自适应调整。此时,絮凝团聚体间的孔隙逐渐减小,絮凝结构牢固性持续增强。由于前期已基本完成自适应调整,因此,此时触变现象已不再显著。当触变至150 d时(图9(b) 第7个分图),分形维数由触变0 d的1.227 7减少至1.179 5,期间经由聚拢-凝聚-转动-适应调整-絮凝-团聚后,颗粒的定向性和有序性逐渐增强。
图9 颗粒参数-触变时间关系

Fig.9 Relationship between particle parameters and thixotropic duration

在外力扰动作用下,土体从相对完整状态演变为完全重塑状态,其结构由絮凝转变为分散。但在触变过程中,图10所示,土体微观结构逐渐从完全调整状态(图10(b))向絮凝结构状态(图10(c)所示))转变。在此过程中,颗粒的定向有序性持续增强,从而使得土体的整体结构趋于更加稳定。
图10 触变过程中颗粒调整

Fig.10 Particle rearrangement during thixotropic process

3.3 颗粒间水含量对强度恢复的作用机制

图11所示,水体系中的黏土颗粒表面带负电荷,水中的阳离子被颗粒表面的负电荷吸附,含水率的增大,增加了自由水含量,并改变了土颗粒间的间距。颗粒间距的变化会改变扩散层的重叠程度,进而影响颗粒间的静电斥力与范德华引力之间的平衡状态。随含水率的增加,扩散层重叠程度增加,颗粒间的静电斥力增强,导致土体趋于较低强度。因此,在宏观表现上,随含水率的增加,土体强度指标呈递减趋势。
图11 结构性黏土双电层示意图

Fig.11 Schematic diagram of double electric layer in structural clay

此外,尽管含水率的增加降低了土体强度指标,但其同时加速了触变过程中强度的恢复速率。首先,含水率的增加改变了土体颗粒间的相对位置,从而引起孔隙大小的变化;其次,扩散层的存在扩宽了水分子在土体中的迁移通道,使得水分更容易在土体内流动;这进一步导致了土体结构中孔隙数量的增加以及孔隙连通性的增强。孔隙连通性的提高促进了水分子的迁移,减弱了土颗粒间的连结及约束,增强了土颗粒的活动能力。因此,在触变过程中,含水率较高的试样表现出更快的强度恢复速率。

4 结论

(1)无侧限抗压强度试验和直接剪切试验均表明,试样强度随触变时间增长逐渐恢复;不同含水率的试样在触变过程中,其无侧限抗压强度和黏聚力表现出一致的恢复趋势,包括快速阶段(0~30 d)和缓慢阶段(30~150 d);触变强度恢复受含水率影响显著,含水率越高,强度恢复速率越快。
(2)含水率为33%的试样分析表明,尽管黏聚力低于无侧限抗压强度,但剪切作用使土体颗粒更倾向于沿特定方向排列,从而使黏聚力表现出更高的触变强度比率。
(3)触变过程中,孔隙参数(孔隙度和丰度)和颗粒参数(概率熵和分布分形维数)随触变时间的增加而减小。孔隙由大而多的团聚体间孔隙逐渐转化为小而少的团聚体内孔隙,形态以似等轴状为主;颗粒定向性和团聚程度逐渐增强。
(4)触变过程中,团聚体间孔隙和团聚体内孔隙逐渐减少,土体颗粒在范德华力的作用下团聚形成连接牢固的絮凝体。水的存在通过改变颗粒间相对位置和扩宽水分子迁移通道,减弱颗粒间的连接与约束,增强颗粒活动能力,从而加速强度恢复速率。

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