韓愛民,肖軍華,喬春元,丁長陽
南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所,南京 210009
南京下蜀土主要分布于南京市鼓樓以西、光華門、東郊一帶坡地的前緣或階地。由于該類土體在南京下蜀鎮(zhèn)的地層剖面較典型,故俗稱下蜀土。它形成于第四紀(jì)中、晚更新世(Q2、Q3),物質(zhì)起源與西北黃土相同,根據(jù)沉積年代先后,可分為一級階地、二級階地和坳溝次生下蜀土[1-2]。
南京下蜀土特定的生成和演化環(huán)境形成了獨特的結(jié)構(gòu)特征,存在于土體結(jié)構(gòu)中粉粒接觸點的膠結(jié)物質(zhì)形成的膠結(jié)強(qiáng)度對其力學(xué)性狀和工程性質(zhì)有直接影響[1]。下蜀土在不同荷載下表現(xiàn)出來的宏觀力學(xué)行為歸根結(jié)底是其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的結(jié)果;因此,通過宏觀與微觀相結(jié)合的試驗方法,對下蜀土進(jìn)行力學(xué)特性研究,從而獲得對宏觀現(xiàn)象的合理解釋。
筆者旨在通過室內(nèi)宏、微觀試驗,研究南京地區(qū)下蜀土在三軸壓縮下的宏觀變形與強(qiáng)度特性及土體在壓縮過程中微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,豐富下蜀土的力學(xué)理論,為工程應(yīng)用提供參考。
首先,通過宏觀力學(xué)試驗研究南京下蜀土在三軸壓縮過程中的變形與強(qiáng)度特性,該過程采用GDS全自動三軸儀完成。結(jié)合三軸試驗結(jié)果,可對下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成于土結(jié)構(gòu)的生成過程,是指土體天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)下顆粒接觸點處的膠結(jié)物質(zhì)(包括結(jié)合水)形成的連結(jié)強(qiáng)度,三軸壓縮下,可用原狀土與結(jié)構(gòu)完全破壞的重塑土的偏應(yīng)力差來表示[3]。通??赏ㄟ^擾動、加荷和浸水等方法使土體結(jié)構(gòu)破壞,筆者采取擾動的破壞方式。實現(xiàn)過程為:將原狀土烘干、碾碎、過篩,使原狀結(jié)構(gòu)完全破壞,配制與原狀樣含水率相同的土樣,密封靜置24h以上,使水分充足均勻分配;然后將土樣分層擊實,制作與原狀樣相同密實度及含水率的重塑樣。
其次,借助微觀圖像掃描并提取量化參數(shù)研究下蜀土在三軸壓縮后的微結(jié)構(gòu)演化機(jī)理。
土的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)可從顆粒形態(tài)、排列方式、孔隙特征及接觸關(guān)系等方面進(jìn)行描述[4-6]。結(jié)構(gòu)量化參數(shù)是指能夠定量刻畫結(jié)構(gòu)狀態(tài)的上述方面特征的參數(shù)。從結(jié)構(gòu)圖像處理角度來看,土的結(jié)構(gòu)狀態(tài)可以由顆粒(或孔隙)大小的特征參數(shù)(等效直徑和相對面積)、形狀的特征參數(shù)(圓度)、分布的特征參數(shù)(分布分維)、定向排列的特征參數(shù)(概率熵)等定量刻畫。
在微觀方面研究過程中,通過JEOL-JSM-5900LV掃描電子顯微鏡采集土體壓縮破壞后不同部位試樣的微結(jié)構(gòu)圖像,并對采集圖片進(jìn)行一系列前處理(如灰度修正、去噪、亮度和對比度調(diào)整等),設(shè)置合適的閾值將圖片轉(zhuǎn)化為二值圖像,再運用微結(jié)構(gòu)分析程序GEOIMAGE對二值圖像進(jìn)行處理分析[7],得到顆粒及孔隙相對面積、數(shù)目、圓度、分布分維、有序程度等量化信息。
表1是對取自南京不同地區(qū)的下蜀土試樣的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比的結(jié)果。1-4號試樣取自燕子磯,5-6號試樣取自仙林。上述地區(qū)為南京下蜀土的主要分布區(qū)域,且下蜀土地層剖面發(fā)育良好?,F(xiàn)場取樣時首先用鐵皮裝好并用膠帶密封,以防止水分蒸發(fā),小心運回實驗室放在干燥陰涼的地方備用。
表1 南京下蜀土顆粒分析試驗結(jié)果Table1 Grain ingredient of Nanjing Xiashu soil
由表1可見:南京下蜀土的粒徑主要集中在(0.005,0.075],各試樣在這一粒徑范圍的顆粒分?jǐn)?shù)均在50%以上,說明下蜀土中粉粒居多,黏粒次之。粉粒形成了下蜀土的顆粒骨架結(jié)構(gòu),黏粒填充其間。下蜀土與其他黃土比較,粉粒含量更大,黏粒含量較少,這是黃土堆積間歇風(fēng)化淋濾作用的結(jié)果。下蜀土粉粒之間連結(jié)形成的這種結(jié)構(gòu)性特征對其工程性質(zhì)具有明顯影響。
由表1還可見,5-6號試樣的黏粒含量大于1-4號試樣。這主要是由于仙林地區(qū)為中更新統(tǒng)下蜀土,而燕子磯一帶為晚更新統(tǒng)下蜀土,前者形成年代早、經(jīng)歷風(fēng)化時間較長,顆粒細(xì)、黏粒含量多。
然而,同樣取自燕子磯的4組試樣,其黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相差較大,4號試樣黏粒含量最小,為22.508%,2號試樣最大,為37.215%。這種差異主要是由于4號試樣位于土坡頂部,受長期淋濾作用,使土中細(xì)顆粒大量流失。2號樣位于下蜀土中古土壤夾層,經(jīng)歷過強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化,使黏粒含量增加[8]。
而不同地點的下蜀土的礦物種類變化不大,主要黏土礦物有伊利石、綠泥石以及蒙脫石-伊利石混層,碎屑礦物為石英、長石、蛭石、赤鐵礦等[9]。
圖1以仙林地區(qū)試樣為例,給出了原狀下蜀土的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。結(jié)果表明,下蜀土顆粒之間的膠結(jié)情況較好。在10000倍放大倍數(shù)下,可以看出粗大的粉粒構(gòu)成了下蜀土的骨架,其間存在著較大孔隙,土體有著明顯的結(jié)構(gòu)性。在5000倍放大倍數(shù)下,發(fā)現(xiàn)在粉粒的周圍附著一些呈片狀的黏土礦物,填充粉粒之間的大孔隙,并起著膠結(jié)粉粒的作用。在2000倍放大倍數(shù)下,可以看到各種小的顆粒通過膠結(jié)作用形成大的、不規(guī)則的顆粒集合體,大的顆粒集合體之間還存在著許多微小孔隙。由此可見,下蜀土的孔隙主要為集聚體與碎屑之間的孔隙和集聚體內(nèi)部的孔隙,由物理化學(xué)作用而形成的固化連結(jié)、膠結(jié)物的連結(jié)作用使土體具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,因而下蜀土有較好的力學(xué)性能。
考慮試樣的均勻性,本文的宏、微觀試驗均選用南京仙林地區(qū)的試樣。試樣的天然含水率為22.5%,天然密度為2.035g/cm3,飽和度為95.7%,孔隙比為0.639,液限含水率為30.8%,塑限含水率為17.2%。對于基本力學(xué)性質(zhì),根據(jù)本次試驗和文獻(xiàn)[10]:壓縮系數(shù)為0.18~0.21MPa-1,為中等壓縮性土;濕陷系數(shù)小于0.015,為非濕陷性土;自由膨脹率在40%左右,為輕微膨脹土。
對原狀和重塑下蜀土在圍壓σ3分別為100、200、250、300、350、400kPa共6個應(yīng)力級別下進(jìn)行三軸壓縮試驗,試樣均采取等向固結(jié),軸向應(yīng)變達(dá)到20%時停止加載。根據(jù)不同圍壓下的偏應(yīng)力q與軸向應(yīng)變ε曲線特點,圖2給出了具有代表性的σ3為100、250、350kPa的q-ε曲線。同時,圖2還給出了由原狀和重塑試樣的偏應(yīng)力差確定的土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度曲線。
圖2表明,圍壓較低時,原狀和重塑試樣的變形曲線均可呈軟化或弱軟化型。隨著圍壓增大,它們的變形曲線逐漸向硬化型轉(zhuǎn)變,重塑試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線先變化為硬化型;而當(dāng)圍壓更大時,重塑和原狀試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈硬化型。
土體在宏觀上的變形形態(tài)體現(xiàn)了其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化特征,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度曲線直觀地反映了結(jié)構(gòu)特性在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中的發(fā)揮和消失過程(圖2)。隨著應(yīng)變增大,土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度曲線分為兩段,存在明顯的轉(zhuǎn)折點:在轉(zhuǎn)折點之前,應(yīng)力隨應(yīng)變增大而急劇增大,表明土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速發(fā)揮;在轉(zhuǎn)折點之后,隨著應(yīng)變增大,土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸減小,表明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞,各結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行重新排列;當(dāng)各個結(jié)構(gòu)單元最終完全無序排列時,土體結(jié)構(gòu)完全破壞,此時,由粗粉粒接觸點處的各種膠結(jié)物質(zhì)和結(jié)合水的連結(jié)強(qiáng)度幾乎全部喪失,只剩下部分基質(zhì)吸力和毛細(xì)壓力。因此,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度曲線上的轉(zhuǎn)折點為下蜀土的天然結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的起點,取轉(zhuǎn)折點處所對應(yīng)的應(yīng)力差為下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。表2列出了下蜀土在不同圍壓下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(qs)和破壞起始應(yīng)變(εf)。
表2 下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和破壞起始應(yīng)變值Table2 Structure strength and failure stain at different confine pressure
圖1 原狀下蜀土的SEM圖Fig.1 SEM photographs of undisturbed Xiashu soil
圖2 下蜀土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Stress-stain relationships of Xiashu soil
表2表明,隨著圍壓增大,下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和破壞起始應(yīng)變均增大,說明在較高圍壓下,土體的強(qiáng)度增大,抵抗剪切變形能力增大。下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系如圖3所示,下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度qs與圍壓σ3近似存在線性變化關(guān)系,且qs軸上截距很小,因此,qs/σ3基本上為常數(shù)(本次試驗中,不同圍壓下的qs/σ3為0.35~0.43,變化較?。?。這說明,天然狀態(tài)下下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要取決于土體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的排列和顆粒接觸處膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)性能,但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并非定值,也與初始應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),在三軸壓縮下,下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與圍壓近似線性相關(guān)。
圖3 下蜀土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between confine pressure and structure strength of Xiashu soil
對圍壓σ3=250kPa、破壞應(yīng)變εf=20%的試樣在剪切后的不同部位進(jìn)行微觀分析。圖4分別為位于剪切破壞帶中心(圖4a)、距破壞帶較近(距離剪切帶中心1cm)(圖4b)、距破壞帶較遠(yuǎn)(距離剪切帶中心2cm)(圖4c)3處不同位置試樣的SEM圖片。通過定性對比發(fā)現(xiàn),距破壞帶位置不同,土體微觀結(jié)構(gòu)差異很大:破壞帶內(nèi),顆粒間的微小孔隙閉合,土粒發(fā)生明顯位移(圖4a);距破壞帶較近的土體,大顆粒間的孔隙并未完全閉合,仍存在一些微小孔隙(圖4b);距破壞帶較遠(yuǎn)的土體,其微觀結(jié)構(gòu)與原狀樣相比,沒有明顯差異(圖4c)。
2.2.1 顆粒、孔隙面積比例的演化特征
顆粒面積比例為微結(jié)構(gòu)圖像上顆粒所占面積與總面積之比,孔隙面積比例定義與之類似。荷載作用下顆粒、孔隙面積比例的變化反映了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。圖5對比了距離破壞帶不同位置的試樣及原狀樣的顆粒、孔隙面積比例。
圖5表明,破壞試樣顆粒面積大于原狀樣,孔隙面積小于原狀樣,且距離破壞帶越近,顆粒面積越大,孔隙面積越小??梢酝茢啵涸谌S壓縮過程中,隨著剪應(yīng)變逐漸增大,下蜀土中顆粒所占面積比例隨之增大,而孔隙所占面積比例逐步減小,說明隨著荷載增大,下蜀土中較大顆粒集聚體受到剝離作用而縮小,而較小的顆粒集聚體通過不斷兼并增大,同時,孔隙和裂隙逐漸縮小,集聚體逐步均勻化。
圖4 土體的SEM圖片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of samples
圖5 不同位置的顆粒、孔隙面積比例對比Fig.5 Comparison of area ratios of grains and pores in different positions
2.2.2 顆粒、孔隙分布的演化特征
考慮巖土體具有較為明顯的層次性和自相似性,運用統(tǒng)計自相似的方法來定量地描述其微結(jié)構(gòu)的特征,確定顆粒分布的維數(shù)。由于這個維數(shù)是一個介于1~2的分?jǐn)?shù),稱之為分布分維。
土結(jié)構(gòu)的分布分維Df可根據(jù)數(shù)方格統(tǒng)計方法,采用下式得到[4-6]:
式中:c為修正系數(shù);r為格子的邊長;N(r)為顆粒所占格子數(shù)。改變格子的邊長r值,顆粒所占格子數(shù)N(r)也將發(fā)生改變。
一幅圖像的顆粒分布情況既反映顆粒系統(tǒng)的形態(tài),又可說明土體的密實情況。一般來說,顆粒的分布分維越大,顆粒在平面上的密布程度越高,顆粒的凌亂程度越大,集團(tuán)化程度就越低。孔隙的分布分維與之類似。圖6對比了原狀樣及距離破壞帶不同位置的試樣的顆粒、孔隙分布分維Df。
圖6 不同位置的顆粒、孔隙分布對比Fig.6 Comparison of distribution fractal dimension of grains and pores in different positions
圖6表明,破壞試樣的顆粒分布分維大于原狀樣,孔隙分布分維小于原狀樣,且距離破壞帶越近位置,顆粒分布分維越大,孔隙分布分維越小??梢酝茢啵涸谌S壓縮過程中,隨著應(yīng)變逐漸增大,下蜀土中顆粒的分布分維隨之增大,孔隙的分布分維逐步減小。這說明,隨著荷載增大,下蜀土顆粒的集團(tuán)化程度降低,顆粒凌亂化加劇,致使土體結(jié)構(gòu)趨于松散化,產(chǎn)生較大的宏觀變形;而孔隙的分布分維減小,孔隙分布繼續(xù)向著集中化、集團(tuán)化的趨勢發(fā)展。對比原狀樣與破壞帶內(nèi)試樣的顆粒、孔隙分布分維發(fā)現(xiàn),顆粒分布分維增大7%,孔隙分布分維減小29.5%,說明原狀下蜀土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。
圖6還表明,孔隙的分布分維明顯小于顆粒的分布分維,說明孔隙分布較顆粒更為集中,孔隙的集團(tuán)化程度較高。但兩者的變化存在一定的關(guān)聯(lián)性,即孔隙分布變化趨勢與顆粒分布變化趨勢正好相反,顆粒分布凌亂化程度越高,則孔隙分布更為集中,這說明顆粒變化和孔隙變化在機(jī)制上大體相同。
2.2.3 顆粒、孔隙定向排列的演化特征
引進(jìn)現(xiàn)代信息系統(tǒng)論中概率熵(Hm)這一指標(biāo),來反映巖土材料微結(jié)構(gòu)單元排列的有序性[4-6],并給出其定義:
式中:Pi為土結(jié)構(gòu)單元體在某一方位區(qū)中呈現(xiàn)的概率;n為單元體排列方向[0,N]中等分的方位區(qū)數(shù)。
Hm介于1~2,Hm越大,說明結(jié)構(gòu)單元體排列越混亂,有序性越低。圖7對比了原狀樣及距離破壞帶不同位置的試樣的顆粒、孔隙概率熵Hm。
圖7 不同位置的顆粒、孔隙有序性對比Fig.7 Comparison of degrees of orientation of grains and pores in different positions
圖7表明,破壞試樣的顆粒概率熵大于原狀樣,孔隙概率熵小于原狀樣,且距離破壞帶越近位置,顆粒概率熵越大,孔隙概率熵越小??梢酝茢啵涸谌S壓縮過程中,隨著應(yīng)變逐漸增大,下蜀土中顆粒概率熵隨之增大,孔隙概率熵逐步減小。這說明,隨著荷載增大,外部荷載對下蜀土顆粒的擾動更加明顯,促使顆粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和位移以適應(yīng)壓力的增大,使顆粒排列更加無序,而另一方面,孔隙排列的有序性逐步增強(qiáng)。最終,在土體結(jié)構(gòu)無序程度最高的部位形成了剪切破壞帶。三軸壓縮下,下蜀土中剪切破壞帶的形成過程如圖8所示。
圖8 土體剪切破壞帶形成示意圖Fig.8 Schematic diagram of the formation of shear band
1)圍壓較低時,原狀和重塑下蜀土的變形均可呈軟化型,隨著圍壓增大,變形逐漸向硬化型轉(zhuǎn)變,且重塑試樣的變形先變化為硬化型。
2)下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度曲線與應(yīng)變的關(guān)系分為兩個階段,存在明顯的轉(zhuǎn)折點:轉(zhuǎn)折點以前,土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨應(yīng)變增大而急劇增大;到達(dá)轉(zhuǎn)折點之后,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨應(yīng)變增大而逐漸減小甚至最終消失。
3)下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與圍壓的比值基本上為常數(shù),反映天然狀態(tài)下下蜀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要取決于土體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的排列方式和顆粒接觸處膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)性能,且與初始應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。
4)隨著土體剪應(yīng)變增大,下蜀土中較大顆粒集聚體受剪破壞,而較小顆粒通過聚集增大,使得土體顆粒面積比例增大,但顆粒集團(tuán)化程度降低、平面分布分散、顆粒排列逐漸朝無序發(fā)展,并在無序程度最高部位形成了剪切破壞帶。
5)三軸壓縮下,下蜀土孔隙結(jié)構(gòu)的微觀變化趨勢恰好與顆粒相反,反映兩者在機(jī)制上大體相同。
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