马晓凡,陈 红,刘 瑾,王 颖,陈志昊,车文越

(1.河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100; 2.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

温度和湿度的变化(冻融循环、干湿循环等)将会对岩土体的工程性质或结构件稳定性产生显著影响[1-3]。岩土体经历干燥和湿润的循环作用后,其宏微观特性均会产生不可逆损伤,将会对工程设施的安全性和长期稳定性造成巨大影响。因此,研究干湿循环后岩土体的力学特性和微观结构变化,能够从多尺度揭示干湿循环作用对岩土体的损伤机理。

岩土体在经历干湿循环后力学特性的变化主要通过抗压强度、黏聚力和内摩擦角等参数进行研究。张俊云等[4]通过直接剪切试验研究了红层土石混合土在经历不同次数干湿循环作用后抗剪强度的变化。邓华峰等[5]对岸坡消落带土体进行干湿循环作用和剪切试验,揭示了其劣化规律并分析了对岸坡稳定性的影响。李志刚等[6]采用单轴压缩试验对云母石英片岩在经历干湿循环后的力学特性和破坏特征进行了研究,并分析了其劣化机制。在干湿循环过程中,岩土体内部的水分会发生变化,土体颗粒间的距离增大或收缩,造成内部结构的损伤,从而导致岩土体的物理性质发生变化。岩土体力学特性的变化,通常受其内部结构的影响,干湿循环作用将会对岩土体的微观结构造成损伤,从而在宏观层面表现出力学特性的损失,因此对经历干湿循环后的岩土体进行微观结构参数研究能够揭示其内在劣化机理。干湿循环后岩土体微观结构主要通过图像分析、核磁共振技术(NMR)、压汞试验(MIP)以及计算机断层扫描技术(CT)等方法[7-10]进行研究,测试岩土体经历干湿循环后的表面裂隙率、孔隙率、孔径分布等[11-12]。

在以上微观结构测试方法中,CT扫描技术能够对岩土体整体结构进行测试,实现良好的三维重建效果,且具有快速分析、对岩土体结构无损等优点,正越来越多地被应用到岩土体微观结构的测试当中,可有效揭示岩土体经历冻融和干湿循环后的劣化规律[13-17]。蔡正银等[18]采用CT扫描和三维重构技术研究了干湿循环与冻融循环作用下膨胀土的内部裂隙演化规律,发现膨胀土的裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律,具有明显的区域性分布特点。王晓燕等[19]结合CT扫描技术、三轴浸水和各向等压加载试验,研究了膨胀土在干湿循环作用过程中裂隙对膨胀土变形特征的影响。除此之外,CT扫描技术在研究岩土体经历冻融损伤和破坏形态方面也具有显著优势,可为揭示岩土体破坏机制和失效模式的研究提供直观定量的参数[20-22]。

为探究黏土在干湿循环作用下的劣化规律,本文采用无侧限抗压强度试验和CT扫描技术,从宏观和微观2个尺度,对经历不同干湿循环次数的黏土力学特性和微观结构进行研究,旨在揭示干湿循环后黏土的宏观表现与内在结构之间的关联,以期能为复杂环境变化下工程设施的建设维护提供依据。

1 试验原理与方法

1.1 CT扫描技术工作原理与测试设备

X射线断层扫描成像(X-ray computed tomography,X-CT)技术是一种无损检测技术,具有扰动低、精度高、多方位、非破坏性等技术优势,已经被广泛应用于水泥基材、混凝土、岩土体等多孔材料的细观或微观物质结构特征检测、损伤演化及破坏机理研究。

CT图像往往采用滤波技术进行预处理,主要的预处理软件包括ImageJ、Matlab和Avizo等,一般采用平滑滤波、边缘检测滤波、锐化滤波、频域转换滤波以及灰度转换滤波等方式进行降噪处理,使得CT扫描图像达到既消除噪点,又保留孔隙边缘轮廓、几何形态、拓扑特征的目的。对处理后的高精度CT扫描图像进行二值化、图像分割等工作,将检测样品中的孔隙空间与颗粒结构进行分割。目前Avizo提供的图像分割方法包括自动和交互式阈值分割、形态学分割、分水岭分割和顶帽分割等方式。对经过一系列分割处理后的图像进行三维建模,构建被测物体的三维形貌和结构,基于建立的三维模型可进行数据提取与运算,从而进行孔隙网络模型建立、渗流数值模拟以及网格剖分等操作,对检测样品的微观几何形态和孔隙分布等特征进行定量化研究。最后,可将建模分析得到成果进行数据导出及三维可视化展示。X射线断层扫描试验工作流程如图1所示。

图1 X射线断层扫描试验工作流程Fig.1 Workflow of X-ray tomography test

本文所用设备为河海大学地学分析测试中心的NanoVoxel 4561型多尺度高分辨X射线三维数字岩心成像分析系统,由天津三英精密仪器股份有限公司生产。全套设备由防辐射屏蔽箱体、样品仓、开放式微聚焦X射线源、大视野平板探测器、高精密样品转台、岩心成像采集系统、数据三维重建及数字化岩心可视分析系统、射线源高压控制与真空维持设备以及配电系统共同组成。能够以微米级分辨率对较大尺寸的岩石及土壤样品内部结构进行三维无损扫描成像,构建样品内部微结构的三维模型并进行定性和定量分析,通过二维及三维视角表征样品的孔隙、裂隙、骨架、基质、流体场、位移场等信息。

主要技术参数包括:①系统总体技术指标。最高空间分辨率3μm,可测最大样品尺寸200mm;具备超分辨成像能力,可实现亚像素成像功能。②开放式微聚焦X射线源。光源最高电压300kV,光源最低电压50kV;最大发射功率350W;可自由调节电流;配备多组X射线滤波片;z轴行程0～600mm。③大视野平板探测器。具抖动防伪影机械功能;像素矩阵2560×2048像素;成像面积253.6mm×317.4mm;动态范围16bit;具备本底校正、增益校正功能;z轴行程0～600mm。④高精密样品转台。最大承载100kg;旋转范围0～360°的任意整数倍旋转;x轴行程0～1000mm,y轴行程0～250mm。⑤数据三维重建及数字化岩心可视分析系统。可对扫描软件获得的数据进行图像三维重构,获得三维体数据;具有三维数据导入与导出、三维可视化及分割、定量分析及测量、二维与三维图像滤波、去噪、平滑等功能;可实现三维数据体渲染、数据孔隙网络模型建模,孔隙、喉道、裂隙等详细数据分析统计等功能。

1.2 样品制备与试验方案

本文采用的黏土为南京下蜀土,取自南京市江宁区某工地。烘干现场取回的黏土,然后破碎过筛,测试其基本物理力学参数:相对密度为2.70,液限为38.41%,塑限为21.12%,塑性指数为17.29,粒径分布曲线如图2所示。通过试验确定了土体的最优含水率为18.80%,最大干密度为1.70g/cm3。

图2 试验用土的粒径分布曲线Fig.2 Grain size distribution curve of clay in test

试样制备过程中,按照最优含水率(18.8%)和最大干密度(1.70g/cm3),称取一定质量的干土和水,接着将干土和水进行混合并养护24h,采取分层击实的方法进行制样,每层的接触面进行刮毛处理,最后将土体制成高80.0mm,直径39.1mm的试样,并将试样用保鲜膜包裹,养护24h后进行后续试验。力学测试制备3个平行样,并制备一个试样用于CT扫描测试,共计16个试样。

为研究不同干湿循环次数对黏土力学特性与微观结构的影响,选取干湿循环次数分别为0、1、4、8和12。干湿循环采取的是先增湿后减湿的过程,试样制备完成养护24h后,先采用抽真空饱和的方法对试样进行增湿,接着45℃对试样进行烘干减湿处理[23]。记录烘干过程中试样的含水率变化,达到初始含水率后取出试样,表明一次干湿循环结束。

试样经历不同干湿循环次数后再进行后续力学特性测试与微观结构测试。本文采用无侧限抗压仪对不同干湿循环次数黏土的力学性质进行测试,试验过程中加载速率为0.8mm/min。采用NanoVoxel4561型多尺度高分辨X射线三维数字岩心成像分析系统对不同干湿循环次数黏土的微观结构变化进行测试,并根据CT扫描结果对试样的整体结构进行三维重建。结合力学参数和定量微观结构参数,揭示干湿循环作用下黏土的劣化规律。CT扫描测试参数:测试电压为250kV,测试电流为110μA,曝光时间为0.32s,扫描帧数为900,图像合并数为2,像素合并数为1,分辨率为58.17μm。

2 结果与分析

2.1 力学特性试验结果

由图3可知,干湿循环作用对黏土的抗压应力应变曲线具有显著影响,随着循环次数的增加,试样在达到峰值轴向应力时对应的轴向应变呈现逐渐减小的趋势;在应变的初始阶段,经历干湿循环次数较多的试样,其轴向应力的增加速率相对较小;当轴向应力达到峰值后,轴向应力的下降速率在总体上出现增加的趋势,表明试样在经历干湿循环作用后,试样的轴向应力在达到峰值后将会出现显著的损失。

图3 不同干湿循环次数黏土的抗压应力应变曲线Fig.3 Compressive stress-strain curve of clay under different times of wet-dry cycles

由图4(a)可知,黏土的抗压强度随干湿循环次数的增加保持指数性减小的趋势。当干湿循环次数从0增加到1时,抗压强度出现显著下降,下降幅度约为25%;当干湿循环次数从1增加到4时,抗压强度减小了约20%,而随着干湿循环次数的进一步增加,强度的下降幅度逐渐减缓,当干湿循环次数达到8后,抗压强度基本达到稳定,变化幅度仅为4%左右。

图4 抗压强度、弹性模量与干湿循环次数之间的关系Fig.4 Relationships between compressive strength, elastic module and times of dry-wet cycles

本文中采用的弹性模量(E50)为割线模量,为试样应力应变曲线中50%应力与其对应的应变之间的斜率。由图4(b)可知,黏土的弹性模量与干湿循环次数间保持指数性减小关系。在前8次干湿循环作用下,试样的弹性模量出现了显著的减小,下降了40.9%。当干湿循环次数达到8后,干湿循环对黏土弹性模量的劣化作用几乎达到稳定。

2.2 CT扫描测试结果

对不同干湿循环次数黏土的CT扫描横剖面图进行二值化处理,提取试样内部的裂隙分布情况,得到如图5所示的裂隙发育过程图。由图5可知,当试样经历1次干湿循环后,内部裂隙从试样的四周开始发育,而此时发育的裂隙较为分散,且宽度较小。当干湿循环次数增加到4时,裂隙进一步发育,并逐渐向试样内部扩展,部分离散的裂隙逐渐相互连接。随着干湿循环次数的进一步增加,试样内部裂隙逐渐扩展,长度和宽度均有进一步的增加,裂隙的连续性也有所提高,且主要分布在试样四周。当干湿循环次数达到4后,试样中裂隙的总体分布形态基本达到稳定,随着干湿循环劣化作用的持续,仅长度和宽度得到进一步扩展。除此之外,随着干湿循环次数的增加,试样内部的微裂隙也持续发育,当循环次数从8增加到12的过程中,干湿循环的劣化作用开始减轻。

图5 不同干湿循环次数黏土裂隙分布Fig.5 Fracture distribution of clay under different times of dry-wet cycles

由图6可知,随着干湿循环次数的增加,裂隙首先在不同层的交界处开始发育,试样经历1次干湿循环后,从底部开始出现裂隙。当循环次数达到4时,试样的中间层开始发育竖向裂隙,且随着干湿循环次数的增加,试样内部裂隙的长度和宽度均有所增加。

图6 不同干湿循环次数黏土的纵剖面CT扫描图像Fig.6 Profile CT scanning images of clay under different times of dry-wet cycles

对试样CT扫描图像进行三维重构,得到900×900×1600(x×y×z)像素的三维图像数据,在纵向上去除试样底部和顶部干扰信号,得到1327层有效数据。采用Avizo软件对CT扫描数据进行处理,使用交互式Top-hat分割方法对每一层扫描图像进行处理,计算得出每一层的面孔隙率(图7)。由于试样制备采用的是分层击实方法,因此在对试样的面孔隙率进行统计时发现,在每一层的交界面,面孔隙率显著大于层间的孔隙率。随着干湿循环次数的增加,试样的面孔隙率均出现了明显的增加,交界面孔隙率的增加更加显著,这也表明,在干湿循环劣化作用下,层间的裂隙最先发育。通过对分割后的图像进行三维建模,能够得到不同干湿循环次数下试样的三维孔隙结构(图8)。在孔隙结构的三维建模图像中能够观察到,当试样经历1次干湿循环作用后,试样中孔隙明显增多,不同层交界处出现了连续的裂隙,且层间也发育了竖向裂隙,随着干湿循环次数的增加,孔隙数量进一步增加,层间裂隙和试样表面的竖向裂隙也逐渐扩展,当循环次数由0增加到12时,孔隙率由19.12%增加到22.5%。

图7 不同干湿循环次数试样的面孔隙率Fig.7 Surface porosity of samples under different times of dry-wet cycles

图8 不同干湿循环次数试样的三维孔隙结构Fig.8 Three-dimensional pore structure under different times of dry-wet cycles

孔隙的连通性对其破坏特征和渗流特性均具有重要影响,为进一步评估干湿循环作用对黏土孔隙结构的影响,对部分试样的孔隙连通性进行研究。考虑到计算机的图像处理能力和孔隙结构的代表性,选取的单元体大小为30mm×30mm×30mm。为减小制样的不均匀性对试样孔隙连通性的影响,选取的单元体位置位于试样的928～1228层,为制样过程中试样的最下层。孔隙的连通性研究中,沿着z轴方向对代表性单元体的连通性进行分析,判断依据为单元体在z轴方向孔隙的连通情况,其中从z轴顶面存在连续到底面的孔隙通道称为连通孔隙,其间出现断续的孔隙称之为闭合孔隙。

图9中红色部分代表连通孔隙,绿色部分代表闭合孔隙。由图9可知,黏土中的连通孔隙占主要部分,且随着干湿循环次数的增加,连通孔隙所占的比例逐渐增加,而闭合孔隙的比例逐渐减小,且闭合孔隙的分布变得更加分散。不同干湿循环次数黏土中连通孔隙和闭合孔隙所占的比例如图10所示。在经历不同次数干湿循环后,黏土中连通孔隙所占的比例均超过90%,且当干湿循环次数达到8后,连通孔隙和闭合孔隙所占的比例基本达到稳定。

图9 不同干湿循环次数黏土中连续孔隙和闭合孔隙分布情况Fig.9 Distribution of continuous pores and closed pores in clay under different times of dry-wet cycles

图10 不同干湿循环次数黏土中连续孔隙和闭合孔隙占比Fig.10 Proportion of continuous pores and closed pores in clay under different times of dry-wet cycles

2.3 干湿循环劣化作用下黏土宏微观参数之间的联系

岩土体外在宏观表现受其内在微观结构特性的影响,为定量研究不同干湿循环次数下黏土的微观参数对强度特性的影响,建立了孔隙率与抗压强度之间的关系,如图11所示。由图11可知,抗压强度与孔隙率之间保持负指数关系,随着试样孔隙率的增加,试样的抗压强度出现了先快速下降后趋于稳定的趋势。孔隙率从19%增加到21%的过程中抗压强度下降了40%左右,当孔隙率从21%增加到22.5%时,抗压强度仅变化了4%左右。从孔隙率与抗压强度之间的关系能够得出,在干湿循环过程中,当干湿循环达到一定次数后,孔隙率增加对抗压强度的减小作用开始减缓。

图11 不同干湿循环次数黏土的孔隙率与抗压强度之间的关系Fig.11 Relationship between porosity and compressive strength of clay under different times of dry-wet cycles

3 结 论

a.由无侧限抗压强度试验得出,随着干湿循环次数的增加,黏土的抗压强度保持指数性下降趋势,且在前4循环时抗压强度损失最显著,下降了40%,在干湿循环达到8次后抗压强度基本达到稳定。

b.随着干湿循环次数的增加,内部裂隙从试样的四周开始发育,并逐渐向试样内部扩展,裂隙的宽度和长度均持续增加,裂隙的连续性也有所提高,连通孔隙所占比例从94.2%增加到98.5%。

c.随着干湿循环次数的增加,孔隙率从19.12%增加到22.5%,试样的面孔隙率均明显增加,且不同层间交界面孔隙率的增加更加显著,层间的裂隙最先发育,试样表面也有竖向裂隙发育。

d.不同次数干湿循环作用下黏土的孔隙率与抗压强度之间保持负指数性的关系,当干湿循环次数达到4后,孔隙率的增加对抗压强度的减小作用变缓。