张祖莲,梁谏杰,黄 英,邱观贵,袁 强

(昆明理工大学电力工程学院,云南 昆明 650500)

水库蓄水改变了库岸边坡的自然平衡条件,而运行过程中不可避免的水位升降,又客观上引起了库岸岩土体的干湿循环,这两方面的共同作用导致了库岸岩土体微结构特性的变化,从而引起库岸岩土体宏观力学性质的变化。研究表明：土体的力学性质是其微观结构状态的宏观反映,即在各种外部作用下,土体的力学性质与其微观结构密切相关。目前,通过土工试验,利用扫描电镜(SEM)与计算机图像处理技术相结合的研究方法,可对土体微结构要素进行量化,以获取土体的颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙性及颗粒接触关系的微观结构形态特征参数,提出了微结构要素的定量评价指标体系,使土体微结构定量化研究成为可能[1～5]。许多学者通过对土体微结构与其宏观力学性质之间定量关系的研究,初步建立了二者之间的定量表达式。例如：针对太原高阶地黄土,通过各夯击次数对应土样的定量化结构效应分析,探讨了其动力固结的微观结构变化规律[6]；通过对加入水泥和石灰的吹填土的微观结构应用计算机图像处理技术进行定量分析,得出了表征结构单元体和孔隙大小、形态及定向性等结构要素的定量评价指标[7]。在土体宏观力学性质和对应微结构形态之间的研究方面,通过黄土失陷过程中微结构的变化以及微结构参数的提取,建立了饱和、非饱和黄土在湿陷前后微结构参数评价的体系和方法,提出了湿陷性黄土变形的微结构突变模型[8～13]。

相对于黄土来说,无论是针对红土的微结构,还是红土宏观力学性质与其微结构之间的关系,其研究成果都相对较少,但还是在红土颗粒分形特征、红土土性改良及地基加固填土现场试验、土体微结构与其土水特性关系之间的量化研究方面取得了相应的成果[14～18]。本文分析了干湿循环作用下红土抗剪强度及其微结构的变化过程,并通过对红土微结构的定量分析,初步探讨了干湿循环次数、红土抗剪强度指标(黏聚力c和内摩擦角φ)以及红土微结构状态参数之间的相关关系,为进一步研究云南红土在干湿循环作用下的力学机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验用土

野外采集的试验红土经晾晒后,将土样过2 mm的筛,除去土样中的杂质、小石粒等,按照《土工试验规程》[19]测得试验红土的基本特性如表1所示。

表1 试验红土的基本特性Table 1 Basic characteristics of the test laterite

1.2 试验土样制样

根据试验用土的基本特性,计算试验用土达到既定含水率所需水的质量。将水均匀喷洒于试验土样上,并用塑料布与湿布覆盖静置24 h,尽可能减少水分蒸发造成的含水率误差。将试样装入环刀,分层击实,以达到所需的干密度。红土虽然有一定的水稳性,但加湿吸水后易膨胀破坏,为保证试样完整,将试样上下表面用滤纸覆盖,再用透水石压盖滤纸,用塑料绳紧扎。根据拟定的试验工况和不同的初始干密度,一次全部做好整个干湿循环试验所需的土样。

1.3 试验过程

对试验土样进行加湿—风干,再加湿—风干的干湿循环试验过程,模拟水库水位反复升降引起的库岸边坡土体的干湿循环作用。在研究过程中,将试样1次加湿—风干过程视为1次干湿循环过程,将1次干湿循环过程模拟为水库水位的1次蓄水—上升—下降过程。每个试样加湿之前都称量其质量,计算土样加湿后的饱和度以判断其是否饱和,饱和时间达24 h以上。加湿过程完成后将试样取出,暴露在空气中自然脱湿风干。在脱湿风干过程中随时称量土样质量,当其风干土样的质量与加湿前质量误差在0.1%以内时,视为1次干湿循环过程结束。本次拟定试样干湿循环次数分别为1,2,3,4,5,6,8,10,12,15次共10个工况。将脱湿风干的试样进行直剪试验,获得相应干湿循环次数下红土的c,φ,τ。

对经过不同干湿循环次数的脱湿风干红土试样进行电镜扫描,获取试样的微结构图像。运用计算机图像处理技术对红土微结构图像进行数字化处理,提取微结构特征参数,以研究干湿循环作用下红土微结构的变化,进而研究干湿循环作用下红土抗剪强度指标与其微结构之间的相关关系。针对一定初始干密度的试样,经过一定的干湿循环次数后,由于滤纸具有吸附性,在干湿循环过程中会带走试样表面的一些土颗粒,难免会对试验结果造成一定的误差。为了降低滤纸带来的误差扰动,微结构的测试均取样于红土试样内部。

2 结果与分析

2.1干湿循环作用下红土黏聚力c、内摩擦角φ及抗剪强度τ的变化

针对初始干密度1.2,1.3,1.4 g/cm3、初始含水率为26.5%的红土试样,分析红土黏聚力c、内摩擦角φ和抗剪强度τ随干湿循环次数的变化过程,研究干湿循环作用的影响。

2.1.1黏聚力c和内摩擦角φ随干湿循环次数的变化

图1显示了一定初始干密度的红土试样黏聚力c和内摩擦角φ随干湿循环次数的变化过程。在干湿循环次数一定的范围内,云南红土的黏聚力总体上随干湿循环次数的增加而呈非线性衰减的趋势,尤其在干湿循环的前6次内,随干湿循环次数的增加黏聚力下降较为明显,且变化过程有一定的起伏。当干湿循环次数达到约10次后,黏聚力趋于稳定,即黏聚力几乎不再随干湿循环次数的增加而变化。其原因在于土体黏聚力与土体结构和土颗粒之间的物理化学胶结力、分子引力以及基质吸力密切相关。干湿循环中的加湿过程使得试验土样的含水率增加而基质吸力变小。水分作用使土颗粒表面的双电层结构遭到破坏,红土颗粒间的分子引力不断减小,导致红土结构逐渐疏松。脱湿风干过程又使土体收缩,导致土颗粒粒间力的变化进而引起颗粒位置重组,试验土样孔隙增加。随着干湿循环次数的增加,观察到试样土体表面裂缝数量增多,裂缝宽度增大。裂缝导致试样土体破碎松散,细小颗粒发生迁移,土体内部颗粒之间的间距逐渐增大,土体的孔隙比变大,土粒结合水膜连接作用减弱甚至消失,宏观上就表现为黏聚力下降。经过一定次数干湿循环后,试样裂隙、结构达到新的稳定状态,黏聚力的衰减也就趋于稳定。

图1 试验土样黏聚力和内摩擦角随干湿循环次数的变化Fig.1 Changes in the cohesion and internal friction angle in the soil sample under drying and wetting cycles

同时,云南红土内摩擦角总体上随干湿循环次数的增加而呈非线性衰减的趋势,尤其在干湿循环的前6次内,随干湿循环次数的增加下降较为明显,但变化过程有一定的起伏。当干湿循环次数约10次以后,内摩擦角趋于稳定,即内摩擦角几乎不再随干湿循环次数的增加而变化。这是因为土的内摩擦角大小与土颗粒之间的摩擦力、咬合力密切相关,决定于土的颗粒结构、颗粒大小、颗粒形状、颗粒排列及密实度。干湿循环导致土体结构发生变化,使得颗粒大小、形状发生改变,颗粒重新排列,颗粒之间的连接形式和孔隙通道分布也发生了较大变化。对红土而言,在其形成过程中因游离氧化物胶结物质的存在而形成一定的团粒结构,其团粒与团粒的结合状态对红土内摩擦角有一定的影响。干湿循环作用使得红土中部分游离氧化物在脱湿风干过程中由胶结态转化为结晶态[20]。因此,经过干湿循环后,红土中的氧化物部分以胶结态的形式存在,而另一部分以结晶态的形式存在。胶结态的那部分游离氧化物的胶结作用使红土形成团粒结构,团粒结构相对于单体颗粒来说，颗粒体积、形状等有了很大的变化,又由于结晶态的那部分游离氧化物在团粒的表面形成“包膜”,这就增加了红土团粒表面的粗糙度,加强了团粒之间的咬合能力,从而提高了内摩擦角,因此在干湿循环过程的前6次范围内,内摩擦角随干湿循环次数的变化虽然总体上呈下降的趋势,但前后两次之间又略有起伏。随着干湿循环次数的增加,部分游离氧化物不断由胶结态转化为结晶态,导致团粒结构不断遭到破坏,且在水体的润滑作用下土体孔隙结构逐渐增大,使得红土颗粒间距不断加大,颗粒间咬合能力也不断削弱,宏观就表现为内摩擦角的降低。反复的干湿循环作用使得红土颗粒不断相互错动、重新排列,逐渐形成了新的相对稳定的摩擦结构,摩擦结构的损伤破坏速度放缓,宏观表现为内摩擦角逐渐趋于稳定。

2.1.2红土抗剪强度τ随干湿循环次数的变化

由图2可知,在一定初始干密度条件下,干湿循环作用导致红土抗剪强度随干湿循环次数的增加而呈非线性减小的变化趋势,即干湿循环作用导致红土抗剪强度的衰减非常明显。在干湿循环6次范围内,随干湿循环次数的增加红土抗剪强度下降较快,在干湿循环6～10次范围内,随干湿循环次数的增加红土抗剪强度下降幅度变小,当干湿循环次数超过10次后,红土抗剪强度随干湿循环次数的变化趋于稳定。其原因在于：在干湿循环过程中,红土加湿时吸水膨胀、风干脱水时体积收缩,都将导致土颗粒粒间力发生变化。土体反复膨胀和收缩及胶结结构的变化,导致土样出现裂隙,水分渗入土样内部,破坏土粒间的结构键力,红土结构逐渐松散,孔隙比也随之增大,直接导致黏聚力和内摩擦角的衰减,从而抗剪强度也逐渐降低。

图2也表明,在一定干湿循环条件下,红土的初始干密度越大,红土的抗剪强度也越大。其原因在于：红土的初始干密度越大,红土结构越密实,土颗粒之间的胶结作用、结构键力、咬合力、摩擦力等都得到增强,颗粒之间相互错动越困难,因此在一定干湿循环条件下,其抗剪强度也越大。

图2 试验土样抗剪强度随干湿循环次数和干密度的变化Fig.2 Changes in the shear strength in the soil sample >under the drying and wetting cycles and the dry density

2.2 干湿循环作用下红土微结构的变化

对初始干密度1.2,1.4 g/cm3、初始含水率为26.5%的红土试样,分别在干湿循环0,5,10次时对试样进行电镜扫描,得出放大1 000X的微结构图像如图3所示。由图3可得出,在未进行干湿循环时,无论干密度大小如何,试样土颗粒形态各异,排列没有明显规则,表面呈不规则的波状起伏界面。但干密度不同,其微结构也存在差异。初始干密度为1.2 g/cm3的红土试样内部孔隙相对较大,而初始干密度为1.4 g/cm3的红土试样微结构孔隙变小,土体结构更加完整、密实。因此,红土干密度相对较小时,颗粒连结更为疏松,颗粒间孔隙更为显著,使得在干湿循环过程中水分更容易渗入与排出土体,土颗粒的组织结构也更易发生变化。

在一定初始干密度条件下,红土试样的微结构随干湿循环次数的变化而变化。随着干湿循环次数的增加,试验土样内部孔隙不断变大,土体结构越来越疏松,表面越来越不平整,颗粒呈现出杂乱无章的排列方式。这是因为：加湿时水分经孔隙通道侵入土体,引起了土体内部一系列复杂作用。一方面加湿过程改变了土样的含水率,甚至形成渗流,再加上反复干湿循环产生的裂缝,使得细小颗粒发生迁移。在一定初始干密度条件下,试样中黏粒含量随干湿循环次数的增加而减小,而粉粒含量随干湿循环次数的增加而增加(图4),从而改变了土颗粒的组成、排列和接触方式,也改变了土颗粒之间的孔隙形态；另一方面,水的浸入破坏了土颗粒间的结构键力。这两方面的共同作用,使试样土体的结构体系发生了动态变化,导致土体微结构的重建。脱湿风干时,水分从颗粒间孔隙蒸发,颗粒之间又形成了较大的孔隙。

图3 不同初始干密度下不同干湿循环次数时红土微结构图像Fig.3 Microstructure images of the laterite under the different drying and wetting cycles with the different initial dry densities

图4 试验土样黏粒和粉粒含量随干湿循环次数的变化Fig.4 Changes in clay and powder contents in the soil sample under drying and wetting cycles

对初始干密度为1.2,1.4 g/cm3的红土试样在干湿循环0,5,10次时的微结构图像进行数字化处理,提取相应的微结构特征参数,结果如图5所示。由图5可得出：

(1)循环初始,随着初始干密度的增加,颗粒平均表面积和平均周长逐渐减小。随着干湿循环过程的进行,初始干密度越大,颗粒平均表面积和平均周长降幅相对越小。这是因为：在循环初始,之所以颗粒平均面积随着初始干密度的增加而减少,是由于制样时人工击实土体使得大颗粒产生断裂破坏,且初始干密度越大的试样,其击实次数也相对越多,击实功对大颗粒结构的破坏越严重,颗粒平均面积和平均周长自然也就越小,因此在循环初始,颗粒平均面积和平均周长与红土初始干密度呈负相关关系。随着干湿循环次数的增加,水分破坏了颗粒间的联结结构,但是由于初始干密度越大的红土相对越密实,颗粒间的咬合能力越强,红土颗粒相对不容易被水流带出土体外,干湿循环作用对红土结构的损伤破坏相对较小,红土结构的变化也相对较小,因此干湿循环过程中初始干密度越大的红土,其颗粒平均面积与平均周长降幅也相对越小,这与干湿循环作用下试验土样黏粒含量随干密度的变化相吻合。

图5 不同初始干密度下红土微结构特征参数变化曲线Fig.5 Changes in clay and powder contents in the soil sample under drying and wetting cycles

(2)在干湿循环次数一定的条件下,黏粒含量随初始干密度的增加而增加,即初始干密度越大,在干湿循环次数一定时,其黏粒含量越多,因此其微结构就表现为颗粒平均表面积和平均周长随初始干密度增加而逐渐减小的变化趋势。

(3)初始干密度不同的红土在干湿循环初始,其颗粒平均圆形度及颗粒数量随干密度的变化无显著规律,但随着干湿循环次数的增加,红土颗粒的平均圆形度总体上呈下降趋势。红土颗粒数量随干湿循环次数增加而不断下降,其中初始干密度分别为1.2,1.3,1.4 g/cm3的红土颗粒数量降幅依次为45.4%,38.2%,35.7%,可见降幅与初始干密度大小呈负相关关系。这是因为：初始干密度越大的红土,其内部结构相对稳定,干湿循环作用对土体的破坏损伤也相对较小,导致产生的裂隙数量也相对较少,故粒径较小的黏粒和粉粒被带出土体的数量也相对较少。

(4)在干湿循环初始,初始干密度越大的红土,其内部孔隙率与孔隙面积均越小。其原因在于：在土体击实过程中,试样土样的天然结构受到了破坏,原状土体结构大部分经击实变得更加密实。在击实后,大孔隙变成了小孔隙,小孔隙可能弥合,因此随着初始干密度的增加,土体颗粒的孔隙数量减少,孔隙面积减少,孔隙直径减小,自然孔隙率也降低。

图5也表明,在同一初始干密度条件下,红土孔隙率与孔隙面积均随干湿循环次数的增加而增加,初始干密度为1.2,1.3,1.4 g/cm3的红土孔隙率增幅依次为52.6%,45.9%,40.4%,红土孔隙面积增幅依次为64.4%,58.2%,50.8%,可见增幅大小与初始干密度大小呈负相关关系。这是因为相对于初始干密度较小的红土来说,干湿循环作用对干密度较大的红土结构损伤相对较小,颗粒间孔隙的扩大和细小颗粒的流失也相对较小。

2.3 干湿循环作用下红土抗剪强度指标与微结构关系

运用SPASS软件,采用多元统计学中的逐步回归分析方法,综合考虑各微结构参数对红土抗剪强度指标的影响。对初始干密度为1.2,1.3,1.4 g/cm3的红土试样分别在干湿循环0,5,10次的微结构图像进行处理,提取相应的微结构特征参数进行统计、相关性分析,其结果如表2所示。

表2 干湿循环作用下不同初始干密度红土抗剪强度指标与微结构参数相关系数(R)统计表Table 2 Corresponding coefficient of shear strength index and microstructure parameters of the red soil of different initial dry densities under drying and wetting cycles

从表2可以看出,不同初始干密度的红土在干湿循环作用下,对黏聚力影响显著的微结构参数分别为定向度与平均圆形度,二者与黏聚力呈正相关关系,其相关系数R分别为0.985与0.923。对内摩擦角影响最显著的微结构参数分别为孔隙率与孔隙面积,二者与内摩擦角呈负相关关系,相关系数R分别为-0.936与-0.912。其余微结构参数与黏聚力和内摩擦角的相关性较低。因此,在进行回归分析时,不考虑这些微结构参数对红土黏聚力c和内摩擦角φ的影响。

不同初始干密度红土微结构参数与黏聚力c、内摩擦角φ回归方程为：

c=3.998D+6498e-0.05F-47.776

(1)

式中：D——定向度；

F——平均圆形度。

φ=23.810-[1.404e-0.05n+0.00001749A]

(2)

式中：n——孔隙率/%；

A——孔隙面积/μm2。

3 结论

(1)在一定初始干密度条件下,红土的黏聚力c、内摩擦角φ及抗剪强度τ均随干湿循环次数的增加而逐渐减小,且在6次干湿循环次数内衰减幅度较大。当干湿循环达到约10次后土体结构重新达到平衡,c,φ,τ也趋于稳定。

(2)在干湿循环次数一定的条件下,红土颗粒的平均面积和平均周长、孔隙率、孔隙面积均随着初始干密度的增加而减小,颗粒平均圆形度、颗粒数量、定向度均与初始干密度的大小无明显对应关系。

(3)在初始干密度一定的条件下,随着干湿循环次数的增加,颗粒平均面积、平均周长、定向度均呈下降趋势,初始干密度越大,降幅越小。随干湿循环次数的增加,颗粒平均圆形度总体上呈下降趋势，孔隙率与孔隙面积呈上升趋势且增幅大小与初始干密度大小呈负相关关系。

(4)干湿循环作用下不同初始干密度的红土,与黏聚力显著相关的微结构参数为定向度与平均圆形度,均呈正相关关系；与其内摩擦角显著相关的微结构参数为孔隙率与孔隙面积,均呈负相关关系。

由于采用的试验土样和干湿循环次数有限,而且试验采用的是重塑土,导致所得到的相关结果与原状土的实际情况可能存在差异。因此,本文所提出的干湿循环作用下红土抗剪强度指标与其对应微结构的定量关系,仅能作为云南红土宏微观特性研究的一种尝试。要真正了解红土宏观力学性质与其对应微结构特性之间的内在联系,尚需进行大量的试验研究、理论分析和工程实际的观测研究,才能得到更加完善和符合客观实际的结论。

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