混合土物理性质试验研究

摘要

土体的物理性质与力学性状之间存在一定的联系，研究不同混合比例的混合土的物理性状变化，对于快速测定混合土体的力学参数有很大的帮助。通过对两种原始黏土及人工配制的五种不同混合比例的混合土的物理性质进行研究，探讨混合土的颗粒粒径分布、土粒密度、液限以及塑性指数随混合比例的变化规律。研究结果表明：原始土的性质对混合土体的基本物理性质产生重要的影响。混合土的颗粒粒径分布和土粒密度按混合比例成比例的发生变化，随着混合土中膨润土百分含量的增加，其黏粒含量线性增加，粉粒含量线性减小，砂粒含量线性减小；混合土的液限与塑性指数的变化规律一致，以非线性的方式随着混合土混合比例的变化而变化，其中在混合土中含有膨润土的情况下，这种变化趋势更加明显。

关键词

混合土; 膨润土; 颗粒粒径分布; 土粒密度; 液限; 塑性指数

∗ 收稿日期：2019-08-06；修回日期：2019-10-09

引　言

工程实践中不时遇到不同土类的混合工况，例如来源于不同沉积环境河道底泥的堆场疏浚泥^［1］、堆场不同位置的颗粒分选后疏浚泥^［2⁃4］、作为垂直防渗帷幕材料的天然土与膨润土的混合料^［5］、填埋场黏土垫层^［6］等，混合土的力学性状变化是工程中最为关注的问题之一，掌握土的物理性状是评价其力学性状的重要研究手段^［7⁃11］。

目前已有很多研究者对于土的力学参数与物理参数之间的定量关系开展了研究，并得到广泛认可。例如：M.S.Youssef^［12］分析了重塑土的压缩指数与塑性指数以及土粒密度的关系；C.P.Wroth等^［13］、S.Leroueil等^［14］和J.Locat等^［15］构建了重塑土不排水剪切强度与液性指数的经验关系式；H.B.Nagaraj等^［16］、B.C.O'Kelly等^［17］建立了Atterberg数值与强度之间的联系；Zh.Sh.Hong等^［18］提出液限和初始含水率为影响重塑土压缩性状的关键因素；曾玲玲等^［19］基于重塑土固有压缩理论，构建了与应力水平、初始含水率和液限相关的重塑土渗透系数的经验关系式。M.Omar等^［20］、Z.Wu等^［21］提出通过物理参数可对土体压缩性进行预测，同时与有限元结合可对沉降问题进行预测。V.N.Georgiannou等^［22］研究了塑型不同土体的压缩和强度特性问题。

另一方面，传统上通过测定土的物理性质对土体进行分类，例如由Casagrande提出的塑性图分类方法就是利用液限、塑性指数等物理指标对土体进行分类^［23⁃25］。因此，对于不同混合比例的混合土的物理性状变化开展研究，具有重要的工程应用价值。

对于混合土工况，H.B.Seed等^［26］分析了混合土的液塑限以及塑性指数与黏土矿物的类型和数量的关系；X.S.Shi等^［27］开展了混合土液限变化与其强度关系的相关研究；L.L.Zeng等^［28］研究了掺加不可溶有机质的混合土颗粒粒径分布与颗粒密度分布规律。然而已有研究成果多集中于分析特定工况下混合土力学性质与物理指标的定性变化规律，极少关注混合土混合后颗粒之间是否会发生化学反应，并且不同混合比例对混合土物理性状的影响规律仍未明确。

本文以南京土和钙基膨润土两种原始土为研究对象，配置不同混合比例的混合土进行物理实验，对混合土的物理性质随两者混合比例的变化规律进行研究，探讨混合土的界限含水率的变化机理。

1 试样和试验方案

1.1 试验材料

试验所用两种原始土为南京土和钙基膨润土，其中，南京土通过人工取自江苏省南京市江宁区，钙基膨润土通过商业购买获得。通过XRD试验分析出南京土的主要黏土矿物成分为高岭石和伊利石，钙基膨润土的主要黏土矿物成分为蒙脱石。通过室内常规物理试验得到南京土和钙基膨润土的基本物理力学指标见表1，实验按照《土工试验方法标准》^［29］执行，其中采用干法过筛处理土样，将天然含水率土样进行风干，过0.5 mm筛后进行各种基本物理试验。液限试验采用碟式液限仪进行测定，塑限试验采用搓条法测定，颗分采用密度计法测定，比重采用比重瓶法测定。由表1可知，两种原始土均属于高液限黏土，南京土的黏粒含量低于钙基膨润土的黏粒含量。

表1 试验土样基本物理指标

Table 1 Basic physical properties of original clays

试验土样	液限/%	塑限/%	塑性指数	比重	砂粒/% （>0.075 mm）	粉粒/% (0.075~0.005 mm)	黏粒/% （<0.005 mm）
南京土	45.9	15.5	30.4	2.73	12	38	50
膨润土	225.5	30.0	195.5	2.60	4	36	60

1.2 试验方案

本文混合土样的制备步骤如下：首先，取足量的风干南京土样和钙基膨润土样分别过0.5 mm筛，分别放入桶A和桶B；其次，两桶内分别加入足量的蒸馏水，通过搅拌器将两种干土初次搅拌均匀。已有研究^［30］表明干土和水混合后在一到两天内达到平衡，目的是使混合土充分吸水达到平衡，因此将土水混合物进行密封并放置两天。最后，继续用搅拌器将两桶内的土水混合物分别搅拌均匀，测量含水率，通过计算获得南京土和钙基膨润土的干重，从而按表2两者的混合比例进行混合，进一步搅拌均匀，获得不同混合比例情况下的目标含水率。

表2 试验方案

Table2 Test plan for mixed clays with different mixing ratios

试验土样	混合比例/%
	原土1（南京土）	原土2（膨润土）
N	100	0
N(72%)B(28%)	72	28
N(60%)B(40%)	60	40
N(50%)B(50%)	50	50
N(40%)B(60%)	40	60
N(20%)B(80%)	20	80
B	0	100

混合土的试验方案见表2，将两种原始土按照干重比例进行混合，在试验过程中通过添加蒸馏水的方式获得所需的含水率。为方便叙述，南京土表述为N，钙基膨润土表述为B。混合比例定义为混合土中某一种土的干重占混合土总干重的百分比，例如N（60%）B（40%）表示混合土中南京土干重占总干重的60%，钙基膨润土的干重占总干重的40%。

2 试验结果分析

2.1 混合土颗粒粒径分布规律

土体的颗粒粒径分布可以很好的反映混合土体的均匀性、连续性等情况，土体中的各粒径含量对混合土体的基本物理性质产生一定的影响。图1为混合土颗粒粒径分布曲线，南京土的颗粒粒径分布曲线位于最下方，钙基膨润土的颗粒粒径分布曲线位于最上方，混合土的颗粒粒径分布曲线位于两种原始土南京土和钙基膨润土之间。需要注意的是，膨润土含量多的曲线位于膨润土含量少的上方。

图1 混合土颗粒粒径分布曲线

Fig.1 Particle size distribution curve of mixed clays

为了进行混合土颗粒粒径试验值与计算值比较，利用公式（1）~（4）计算，其中计算值是按相应混合比例计算的每种混合土的粒径含量。将混合土的颗粒粒径含量的预测值与实测值的对比绘于图2。

图2 混合土颗粒粒径试验值与计算值比较

Fig.2 Comparison between experimental and calculated particle size contents of mixed clays

CS=CS1c1+ CS2c2+……+CSncn

(1)

CM=CM1c1+ CM2c2+……+ CMncn

(2)

CF=CF1c1+ CF2c2+……+ CFncn

(3)

c1+c2+……+cn=1

(4)

式中，n为混合土中土体的种类；CS_n为混合土中n土的砂粒含量，%；CM_n为混合土中n土的粉粒含量，%；CF_n为混合土中n土的黏粒含量，%；CS为混合土的砂粒含量，%；CM为混合土的粉粒含量，%；CF为混合土的黏粒含量，%；c_n为混合土中n土的百分含量，%。

从图2中可以看出混合土中黏粒含量最高，粉粒含量次之，砂粒含量最少。还可以发现随着混合土中膨润土所占的百分比逐渐增大，混合土中砂粒的含量逐渐减少，粉粒的含量逐渐减少，但减少的不明显，黏粒的含量逐渐增加。图2进一步表明按照计算公式得到的混合土颗粒粒径含量的计算值与试验值的误差在±5%内变化，即认为混合土颗粒粒径含量的试验值和计算值基本一致，因此，两种原始土按一定的干重比例混合时，其在混合过程中没有发生化学反应，固体颗粒基本没有发生分散和聚集，土体的固相仅仅是两种原始土中固体颗粒的简单混合^［27⁃28］，混合土的颗粒粒径分布可以认定为两种原始土按一定的比例进行混合。

2.2 混合土土粒密度分布规律

土粒比重（土粒相对密度）为土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4 ℃时的质量之比^［31］，表达式如（5）所示。同时，由表达式（6）可知，在4 ℃时，纯蒸馏水的密度为1 g/cm³，因此土粒比重（土粒相对密度）在数值上与土粒密度相等，而土粒密度定义为单位体积土颗粒的质量，表达式如（7）所示。本文对混合土的土粒密度进行进一步的研究。混合土中含有膨润土，由于膨润土具有吸水膨胀的特点，在进行土粒密度测定时直接用中性液体代替脱气水，本文采用的中性液体为脱气煤油。

Gs=ms/Vs(ρw4 ℃)=ρs/ρw4 ℃

(5)

ρw4 ℃=1.0 g/cm3

(6)

ρs=ms/Vs

（7）

式中，G_s为土粒比重（土粒相对密度）；m_s为土粒质量，g；V_s（ρ_w^4℃）为土粒体积，即4 ℃纯蒸馏水的体积，两者体积相等，cm³；V_s为土粒体积，cm³；ρ_w^{4 ℃}为4 ℃纯蒸馏水的密度，g/cm³；ρ_s为土粒密度，即土粒单位体积的质量，g/cm³。

图3为混合土的土粒密度随膨润土混合比例的分布曲线，由图3可见，混合土的土粒密度位于南京土和钙基膨润土的土粒密度之间，结合表1可知南京土的土粒密度为2.73 g/cm³，钙基膨润土的土粒密度为2.60 g/cm³，进一步发现混合土的土粒密度随膨润土百分含量的增加逐渐减小。

图3 混合土土粒密度随混合比例的变化关系曲线

Fig.3 The variation curve of soil particle density with mixing ratios of mixed clays

图4为混合土的土粒密度试验值与计算值比较，其中计算值是通过公式（4）、（8）按相应的混合比例计算获得。图4表明随膨润土百分含量的增加，混合土的土粒密度逐渐减小，图中虚线为混合土的土粒密度实测值和预测值对比曲线y=x，其相关系数R²=0.99，进一步证明两种原始土按一定的干重比例混合时，混合土的土粒密度按相应的混合比例变化。从而表明混合土在混合过程没有发生化学反应，混合土的固体颗粒仅仅是两种原始土中固体颗粒的简单混合，混合土的土粒密度可以认为两种原始土按一定的比例进行混合，与Zeng等^［28］结论一致。由于土粒比重（土粒相对密度）在数值上与土粒密度相等，因此土粒比重（土粒相对密度）具有同样的性质。

图4 混合土的土粒密度试验值和计算值比较

Fig.4 Comparison between experimental and calculated soil particle density of mixed clays

ρs=ρ1c1+ρ2c2+……+ρncn

(8)

式中，ρ_s为混合土的土粒密度，g/cm³；ρ_n为混合土中n土的土粒密度，g/cm³。

2.3 混合土界限含水率的变化情况

界限含水率包括液限、塑限、缩限等。无论对土体进行分类还是将土体的物理性质与力学性质紧密相联，均与界限含水率有密切的联系。为进一步明确混合比例对混合土界限含水率的影响，收集已有文献中的试验结果与本文的实测数据进行比较。已有文献中的数据见表3，其中，混合土中原始土2的比例为混合土中原始土2的干重占混合土总干重的比值，其取值为0~100%，表3中将混合土体进行分类也是为了下文的描述更加清晰、明确。

表3 收集的有关界限含水率数据库

Table3 Collected database on boundary water contents

原始土1	原始土2	原始土2 比例/%	参考文献
南京土	膨润土	28,40,50,60,80	本文
有机酸	膨润土	70,79,88	[28]
砂土	膨润土	15,30,45,60,75	[32]
黏土B	黏土A	5,10,20,40,60,78.5	[27]
Happisburg黏土	London黏土	25,50,75	[32]

2.3.1 混合土液限的变化

已有研究表明^［15］，液限是影响土的力学性质的重要指标，图5为混合土液限随混合土中原始土2百分含量的变化关系曲线，由图可知，混合土的液限位于两种原始土的液限数值之间，以非线性的方式随原始土2百分含量的增加而增大。进一步可以发现在本文、L.L.Zeng等^［28］、J.F.Lupini等^［32］混合土中含有膨润土的情况下，混合土的液限随着原始土2（膨润土）百分含量的增加而增加的较快，并且这种非线性的趋势更加明显。而X.S.Shi等^［27］、J.F.Lupini等^［32］混合土中没有膨润土的情况下，这种变化较为缓慢，非线性的变化趋势不明显。由此可知，原始土体的液限对混合土的液限产生重要的影响。在混合土中含有膨润土的情况下，随着原始土2（膨润土）百分含量的增加，其液限增加的较快，并且非线性的趋势更加明显；在混合土中不含有膨润土的情况下，混合土液限随着原始土2百分含量的增加而增加的较为缓慢。

图5 混合土液限随混合比例的变化关系曲线

Fig.5 The variation curve of liquid limit with mixing ratios on mixed clays

土体的液限主要与黏土矿物的类型及数量有关。通过XRD试验可知南京土的主要黏土矿物成分为伊利石、高岭石，膨润土的黏土矿物以蒙脱石为主，而土的活性指数表明不同的黏土矿物吸附结合水的能力有一定差异。蒙脱石与伊利石、高岭石，因黏土矿物种类不同吸附结合水的能力差异较大，伊利石、高岭石的活性指数较低，其吸附结合水的能力较低，蒙脱石的活性指数较高，吸附结合水的能力较高。因此，同样的黏土矿物数量，高岭石、伊利石的减少使得混合土吸附结合水的能力减弱程度减小，蒙脱石含量的增加，使得吸附结合水的能力增加的程度加强，因此混合土的液限增加。图5中，在混合土中含有膨润土的情况下，由于蒙脱石的存在，使得混合土体的液限增加的较快。Dolinar等^［33］表明在混合土中存在膨润土的情况下，混合土的液限受到粒间水和层间水的共用影响，进一步证明了在混合土中含有膨润土的情况下，随着膨润土百分含量的增加，液限增加较明显。

混合土的液限同样受到颗粒大小的影响。Muhunthan^［34］表明土颗粒比表面积越大，颗粒之间的吸引力越强，液限越高。通过颗粒粒径分布试验可知，混合土的颗粒粒径分布随混合土的混合比例成比例的变化。由表1可知，南京土的黏粒含量为50%，钙基膨润土的黏粒含量为60%，随着原始土2百分含量的增加，使得混合土黏粒含量增加的同时，黏土矿物的数量也发生着变化。在图5中，随着混合土中原始土2百分含量的增加，颗粒的比表面积越大，颗粒之间的吸引力却强，混合土液限逐渐增加。

原始土体的液限对混合土液限产生重要的影响。随原始土2百分含量的增加，一方面使得混合土黏粒含量增加，细颗粒增加，比表面积增加，使得土体的液限增加；另一方面使得矿物成分的数量发生变化，从而使得液限增加明显。由于黏土矿物的颗粒粒径大小、排列方式的差异以及比表面积的大小不同，使得这种变化成为一种非线性的变化趋势。这一规律与已有的研究成果一致^［27⁃28，32］，进一步说明混合土的液限不受混合土混合比例线性规律控制，液限不仅仅是一种物理性质的体现。

2.3.2 混合土塑性指数的变化

塑性指数通常作为细粒土分类的依据，其定义为液限和塑限的差值，同时表示细颗粒土体在可塑的情况下，含水率变化的最大区间，即塑性指数越大，表明吸附结合水越多。图6为混合土的塑性指数随原始土2百分含量的变化关系曲线，可以发现混合土的塑性指数在两种原始土的塑性指数之间变化，随着混合土中原始土2百分含量的增加，混合土的塑性指数以非线性的方式增加。原始土体的塑性指数对混合土的塑性指数产生很大的影响。由于混合土中膨润土的存在，使得混合土的塑性指数增加的较快，且这种非线性的变化趋势更为明显。

图6 混合土塑性指数随混合比例的变化关系曲线

Fig.6 The variation curve of plasticity index with mixing ratios of mixed clays

塑性指数表示土体处于可塑状态的含水量的变化范围，即塑性指数的大小与结合水的含量有关。图6中随着原始土2百分含量的增加，混合土的塑性指数逐渐增加。一方面，混合土的黏粒含量增加。随着原始土2百分含量的增加，混合土中黏粒含量增加，细颗粒增加，颗粒的比表面积增加，使得混合土体中的一部分自由水转变为具有类似固体性质的结合水，从而使得结合水的含量增加，从而使得塑性指数增加。

另一方面，混合土中黏土矿物的数量增加。随着原始土2百分含量的增加，混合土中黏土矿物数量增加，使得混合土吸附结合水的数量增加，从而使得混合土的液限增加。由于塑限变化较小，假定塑限不变，因此使得塑性指数增加。假定混合土中黏土矿物数量相同，在混合土中含有膨润土的情况下，粒间水和层间水共同决定混合土体的液限。随着蒙脱石含量的增加，高岭石、伊利石含量的减小，使得黏土矿物吸附结合水的能力增强，从而使得液限增加。因此，在混合土中含有膨润土的情况下，膨胀性黏土矿物数量的增加，使得混合土塑性指数增加的更为明显。

混合土的塑性指数与原始土体种类、矿物成分种类及数量、颗粒大小均有很大关系^［35⁃36］，在不含有膨胀性黏土矿物的情况下，土体的塑性指数主要受到黏土矿物的颗粒形状和大小的影响，在含有膨胀性黏土矿物的情况下，土体的塑性指数主要受到黏土矿物的种类和数量的影响。随着混合土中黏粒含量以及黏土矿物种类及数量的增加，水化作用越激烈，从而使得混合土的塑性指数越大。由于黏土矿物粒径大小、比表面积、排列方式的差异使得混合土的塑性指数并没有按照混合比例成线性变化，而是以非线性的方式发生变化。这与液限随混合土混合比例变化的规律相一致。

3 结　论

对于混合土而言，原始土体的性质对混合土体的基本物理性质（颗粒粒径分布、土粒密度、界限含水率）产生重要的影响。本文中两种原始土（南京土和钙基膨润土）均为高液限黏土，其中一种为含有膨胀性黏土矿物的钙基膨润土，通过对7种混合土的研究，得出下述结论：

（1）两种原始土（南京土和钙基膨润土）按一定干重比例混合时，混合土体颗粒间基本没有发生化学反应，同时也没有发生颗粒的分散和聚集，混合土体颗粒粒径含量以及土粒密度按混合土的混合比例发生相应的变化。

（2）在南京土和钙基膨润土的混合土中，随着膨润土百分含量的增加，其黏粒含量线性增加，粉粒含量线性减小，砂粒含量线性减小。

（3）原始土体的液限、塑性指数对混合土的液限、塑性指数产生重要的影响。混合土的液限、塑性指数均以非线性的方式随混合土混合比例的变化而变化。

（4）混合土中含有膨润土时，在混合土的液限、塑性指数随混合土的混合比例变化较快的同时，使得液限、塑性指数与混合比例间的非线性的变化趋势表现的更加明显。