淺層紅黏土的細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究

朱國平，陳正漢,2，韋昌富,3，呂海波，梁維云

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2.后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311；3.中科院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

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淺層紅黏土的細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究

朱國平1，陳正漢1,2，韋昌富1,3，呂海波1，梁維云1

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2.后勤工程學(xué)院 土木工程系， 重慶 401311；3.中科院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

濕干循環(huán)作用會對土樣的細觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。為了研究淺層紅黏土的細觀結(jié)構(gòu)在濕干循環(huán)過程中的演化規(guī)律，研制了可以進行CT掃描的CT-固結(jié)儀。在不同壓力作用下對桂林雁山原狀紅黏土及其重塑土進行了多組濕干循環(huán)試驗，并對每次烘干和增濕穩(wěn)定后的土樣進行CT掃描，跟蹤觀察濕干循環(huán)過程中土樣的細觀結(jié)構(gòu)變化。研究結(jié)果表明：增濕和干燥都能使原狀紅黏土及其重塑土的結(jié)構(gòu)造成損傷。定義了基于CT數(shù)據(jù)的紅黏土的細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出了定量描述紅黏土細觀結(jié)構(gòu)演化與土樣飽和度、濕干循環(huán)次數(shù)、上部荷載之間的數(shù)學(xué)表達式，預(yù)測結(jié)果與試驗資料比較接近。

紅黏土；CT-固結(jié)儀；濕干循環(huán)； 細觀結(jié)構(gòu)演化

紅黏土是碳酸鹽巖在熱帶、亞熱帶濕熱氣候條件下經(jīng)過物理、化學(xué)風(fēng)化和紅土化作用而形成的一種呈褐紅、棕紅等顏色的高塑性黏土體[1]。我國紅黏土主要分布在南方熱帶及亞熱帶地區(qū)，如廣西、貴州、云南、廣東、湖南等省份，與膨脹土有類似的工程性狀，屬于弱至中等級膨脹性黏土[2]。由于南方濕熱地區(qū)降雨量豐富，河流密集，經(jīng)過碾壓填筑的土壩、河堤等邊坡工程，經(jīng)歷濕潤吸水與干燥失水形成的反復(fù)濕干循環(huán)作用，土體的強度和變形特性產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化[3]，容易引發(fā)滑坡等自然災(zāi)害，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。研究這一過程對紅黏土強度的影響對土壩、河堤等邊坡工程具有重要意義。

張永婷等[4]研究了不同初始條件下高液限紅黏土的變形特性。黃丁俊等[5]研究了濕干循環(huán)下壓實紅黏土的脹縮特性。劉文化等[6]探討了濕干循環(huán)條件下不同初始干密度的粉質(zhì)黏土的力學(xué)特性。李向陽等[7]對經(jīng)歷反復(fù)濕干循后的環(huán)路基軟黏土抗剪強度進行了研究。可見關(guān)于紅黏土的研究主要集中于變形和力學(xué)特性方面。

近年來，土的細觀結(jié)構(gòu)演化及其對土的力學(xué)特性的影響受到許多學(xué)者的重視。盧再華等[8]利用CT技術(shù)對南陽重塑膨脹土在無荷條件下多次濕干循環(huán)結(jié)束時(干態(tài))裂隙的演化進行了細觀試驗研究；姚志華等[9]跟蹤觀察了膨脹土在無荷條件下濕脹干縮過程中土樣內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)變化，分析了不同尺度裂隙的演變過程；楊和平等[10]對寧明原狀膨脹土進行了有荷條件模擬濕干循環(huán)過程的試驗研究，但未涉及土的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)變化。呂海波等[11-12]研究了濕干交替環(huán)境下膨脹土的累計損傷規(guī)律和變形特性。目前尚未看到對紅黏土在濕干過程中細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究的報道。

土的細觀結(jié)構(gòu)在濕干循環(huán)過程中的演化與土所受的應(yīng)力狀態(tài)和約束條件有關(guān)。事實上，地基和邊坡中的土都受有一定的約束條件和應(yīng)力。例如，膨脹土邊坡和紅黏土邊坡在大氣應(yīng)力作用下常發(fā)生淺層失穩(wěn)[13-15]，淺層土的上覆自重壓力很小；地基淺層易受氣候變化的影響，淺層土處于側(cè)限壓縮條件，自重應(yīng)力很小?；谶@一認識，本文利用專門研制的與CT機配套的固結(jié)儀，對側(cè)限壓縮條件下經(jīng)受不同應(yīng)力作用的桂林紅黏土做了多組濕干循環(huán)試驗，在每一循環(huán)的濕態(tài)和干態(tài)進行CT掃描，以研究淺層紅黏土在濕干循環(huán)過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及對土樣力學(xué)性能的影響，為分析紅黏土淺層滑坡提供科學(xué)依據(jù)。

1　試驗概況

1.1試驗設(shè)備

本次試驗在后勤工程學(xué)院-漢中CT科研工作站完成，CT機是GE公司生產(chǎn)的Prospeed A I型X射線單排螺旋CT，該儀器具有薄層掃描的分辨率能力，圖像質(zhì)量好，并具有高智能，低毫安，自動網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c。利用該CT機對試驗過程中的土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行動態(tài)、定量和無損的量測[16]，CT掃描參數(shù)見表1。

表1　CT掃面參數(shù)

為了研究側(cè)限壓縮條件下紅黏土在濕干循環(huán)過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，專門研制了能與CT機配套使用的固結(jié)儀、制樣模具及制樣設(shè)備。該固結(jié)儀的主要部件有環(huán)刀和環(huán)刀底座、底板和環(huán)形外罩，加載砝碼和變形量測部件等。其中環(huán)刀和環(huán)刀底座、底板和環(huán)形外罩均由特殊合金加工而成。環(huán)刀厚10 mm(以保證土樣處于側(cè)限條件)，內(nèi)徑61.8 mm，高30 mm；從環(huán)刀高度的下三分點起(長10 mm)制成刃口，刃口下端厚3 mm；既可用于重塑土，也可用于原狀土。環(huán)刀底座與環(huán)刀刃口密合。環(huán)形外罩和底板通過螺釘固定在一起，以避免在濕干循環(huán)過程中因土樣脹縮引起環(huán)刀移動。加載砝碼是專門設(shè)計的，每個砝碼在土樣上產(chǎn)生的壓力是10 kPa，因而具有加荷簡單方便的特點。該固結(jié)儀可直接置于CT機上進行掃描，對掃描圖像影響很小。為了方便CT掃描，專門加工了放置該固結(jié)儀的有機玻璃支架，并在環(huán)形外罩的外側(cè)與環(huán)刀的上三分點對應(yīng)處刻畫了一條環(huán)形線，該線對應(yīng)的斷面即為CT掃描的橫斷面。

1.2試驗用土

試驗所用紅黏土取自桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)，取土深度為距地表0.5 m～1.0 m。土樣呈紅褐色，土質(zhì)細膩，含水率較大，有較大黏性，自然狀態(tài)下手握即可成團，且不易散，天然網(wǎng)狀裂隙非常發(fā)育。按照《土工試驗規(guī)程》[17](SL237-1999)對試驗用土進行粒度分析和物理性質(zhì)指標(biāo)的測定，結(jié)果分別見表2、表3。

表2　試驗紅黏土顆粒組成

表3　試驗紅黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3土樣制備

1.3.1原狀樣的制備

將從現(xiàn)場取回的原狀大土樣，在實驗室切削成直徑61.8 mm，高30 mm的環(huán)刀樣。制樣完成后用余土測定土樣含水率并計算所制環(huán)刀樣的干密度，作為重塑樣的制樣依據(jù)。

1.3.2重塑樣的制備

將風(fēng)干紅黏土，用木錘捶碎后過2 mm篩，然后測定風(fēng)干含水率，根據(jù)控制含水率計算加水量。稱取風(fēng)干土1 kg，將其一部分平鋪于瓷盤內(nèi)，用噴壺噴灑適量蒸餾水于土表面，接著撒一層風(fēng)干土；重復(fù)以上過程，一般分3層～5層噴灑即可。最后用保鮮膜將土和托盤一起包裹嚴實，靜置24 h后，用調(diào)土刀攪拌均勻，繼續(xù)用保鮮膜包裹后靜置24 h后，再次攪拌均勻，然后裝入密封袋內(nèi)，放入保濕缸內(nèi)濕潤5 d。根據(jù)控制干密度計算每個環(huán)刀樣需要的濕土質(zhì)量，稱取相應(yīng)質(zhì)量的濕土裝入制作環(huán)刀樣的模具內(nèi)，然后利用壓樣裝置進行靜力壓實。土樣直徑61.8 mm、高度30 mm，控制土樣初始含水率為(28±0.5)%，初始干密度取為1.3 g/cm3(和天然狀態(tài)下土樣密度一致)。

1.4試驗方案

本次試驗主要為了模擬淺層紅黏土在濕干循環(huán)過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化，根據(jù)工程實際可知，在距地表1 m范圍內(nèi)，土體自重在0 kPa～20 kPa范圍內(nèi)，故本試驗設(shè)置土樣分別在0 kPa、10 kPa、20 kPa的豎向荷載下進行濕干循環(huán)試驗，共做了18個原狀土試驗和8個重塑土試驗。其中，對重塑土在每個荷載作用下各做了2個土樣，用以比較試驗結(jié)果的可靠性。試驗方案列于表4。

濕干循環(huán)試驗順序為：初→增濕1→烘干1→增濕2→烘干2→增濕3→烘干3→增濕4→烘干4→增濕5→烘干5→增濕6。下面以某一級荷載(10 kPa)為例詳述本試驗過程。

(1) 將制備好的紅黏土樣裝入CT-固結(jié)儀中，土樣上下表面均放置濾紙，然后在土樣上表面依次放置透水石、墊塊和10 kPa的砝碼(0 kPa下的土樣不放置墊塊和砝碼)，然后安裝百分表支架和百分表，調(diào)節(jié)并固定百分表位置，使百分表位于砝碼的中部，調(diào)節(jié)百分表讀數(shù)歸零。百分表用以量測土樣的變形。固結(jié)過程完成的標(biāo)準(zhǔn)是：豎向變形≤0.01 mm/h，且歷時不少于24 h。將固結(jié)完成后土樣定為初始狀態(tài)(0 kPa下的土樣無需固結(jié)過程即為初始狀態(tài))，對初始狀態(tài)土樣進行CT掃描。

表4　試驗方案

說明：土樣編號的下腳標(biāo)表示在土樣上施加的豎向荷載值，例：#0-0表示#0土樣，施加的豎向荷載為0 kPa。

(2) 根據(jù)初始狀態(tài)土樣體積和預(yù)定飽和度(Sr=(85±1)%)計算加水量，固定百分表并調(diào)節(jié)讀數(shù)歸零，然后用注射器從墊塊的空隙向土樣加入計算水量，直至土樣達到預(yù)定飽和度且固結(jié)完成，將該過程結(jié)束時的土樣定名為濕1狀態(tài)，對濕1狀態(tài)土樣進行CT掃描。

(3) 將濕1狀態(tài)土樣在不卸載的情況下，放入恒溫烘箱內(nèi)進行恒溫烘干，溫度設(shè)置為40℃，直至土樣達到預(yù)定飽和度(Sr=(25±1)%)且固結(jié)完成，將該過程結(jié)束時的土樣定名為干1狀態(tài)，對干1狀態(tài)的土樣進行CT掃描。在烘干過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)有上覆荷載時，土樣失水過程緩慢，約需5 d～7 d時間，所以可以認為土樣失水過程是均勻進行的，在達到預(yù)定飽和度時無需進行使土體水分均勻的過程，即可進行CT掃描；當(dāng)荷載為0 kPa時，達到預(yù)定飽和度后需將土樣放置于保濕缸內(nèi)進行12 h的水分均勻，然后進行CT掃描。

(4) 對干1狀態(tài)土樣依次重復(fù)進行(2)、(3)過程，即得到濕2狀態(tài)、干2狀態(tài)、濕3狀態(tài)。此后不同狀態(tài)土樣的試驗過程如此循環(huán)。

(5) 試驗過程中通過測量土樣體積和質(zhì)量控制土樣達到目標(biāo)飽和度。

將土樣經(jīng)歷增濕、烘干的過程稱為一次濕干循環(huán)。在表4中，達到干1、干2、干3和干5狀態(tài)的土樣共進行了1次、2次、3次和5次濕干循環(huán)；而達到濕1、濕2、濕3和濕6狀態(tài)的土樣是在分別經(jīng)歷了1次、2次和5次濕干循環(huán)后再增濕到預(yù)定飽和度，在表4中分別記/0.5次、1.5次、2.5次和5.5次濕干循環(huán)。

2　試驗結(jié)果分析

CT圖像可以直觀地顯示土樣斷面上孔隙、孔洞、裂紋等，表現(xiàn)為暗色；密度較大的地方，則表現(xiàn)為亮色[18]，根據(jù)CT圖像的明暗程度可以初步判斷掃描斷面的密度大小及其密度分布的不均勻程度。CT數(shù)據(jù)的ME值反映斷面上所有物質(zhì)點的平均密度；CT數(shù)據(jù)的方差SD值反映斷面上物質(zhì)點密度的差異程度[9]。本次試驗的CT數(shù)ME值的選取區(qū)域為掃描斷面上環(huán)刀內(nèi)壁范圍的截面，即取值區(qū)域面積為30 cm2。

景花廠一時陷入了危機。沒錢發(fā)工資，沒錢進材料，大發(fā)廠也不給訂單了。好在員工們理解阿花，甚至被這個美女老板所感動，大家一起湊錢進材料，讓拋光機轉(zhuǎn)了起來。高文鵬那時暗戀著阿花，拿出了自己的全部積蓄，兩萬多，借給了廠里。景花廠才算走出了危機。這一年，阿花和員工們同吃同住，林強信沾不到邊，氣得暴跳。林強信不想失去這個美人，幾次開車來接阿花回去，都被阿花強硬地拒絕了。林強信動了怒，逼迫阿花還他五萬元出資款。阿花也不甘示弱，年底還了他。

2.1原狀紅黏土的CT圖像分析

圖1～圖3依次為#5-0、#5-10和#5-20原狀土樣的順序掃描圖像?？傮w來看，土樣在干狀態(tài)的密度明顯小于濕狀態(tài)的，初始狀態(tài)的密度介于兩者之間。初始掃描時，CT圖像的高亮區(qū)和低 暗區(qū)對比明顯，表明土樣斷面存在明顯的孔洞和膠結(jié)物，結(jié)構(gòu)性差異較大；第一次增濕之后，土樣CT圖像整體亮度增大，表明土樣密度增大；高亮區(qū)和低暗區(qū)差異變小，表明由于水分的浸入部分孔洞被水分填充，物質(zhì)分布趨于均勻。第一次烘干之后，圖像整體亮度減弱，土樣密度減??；邊緣部分土體與環(huán)刀分離，土樣發(fā)生明顯的體積收縮，邊緣部分土體變得不規(guī)整；低暗區(qū)范圍擴大并變得明顯，高亮區(qū)則進一步被削弱，表明由于水分的流失，土樣內(nèi)部孔洞逐漸顯露出來，加之土樣收縮使物質(zhì)分布趨于不均勻。第二次增濕之后，土樣的內(nèi)部孔隙再次被水分填充，圖像整體亮度增大，土樣密度增大；土樣發(fā)生微膨脹但無法恢復(fù)至初始體積，邊緣土體不規(guī)整程度增大。第二次烘干之后，邊緣不規(guī)整范圍較干1狀態(tài)時變大，但內(nèi)部的孔洞或高密區(qū)域較干1狀態(tài)時變小，表明土樣的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)因為水的反復(fù)浸入和流失發(fā)生損傷。第三次增濕之后，邊緣不規(guī)整范圍進一步擴大，且部分區(qū)域出現(xiàn)明顯裂隙，土樣結(jié)構(gòu)損傷加劇。

圖1　#5-0土樣在濕干循環(huán)過程中的CT圖

圖2　#5-10土樣在濕干循環(huán)過程中的CT圖

圖3#5-20土樣在濕干循環(huán)過程中的CT圖

2.2原狀紅黏土的CT數(shù)據(jù)分析

圖4是#5-0、#5-10和#5-20土樣的全截面CT掃描數(shù)據(jù)ME值隨掃描次序的變化曲線，對濕態(tài)(Sr=85%)和干態(tài)(Sr=25%)分別繪出。由圖4可見，在3個不同荷載作用下，土樣的ME值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

圖4土樣CT數(shù)據(jù)隨濕干循環(huán)次數(shù)的變化曲線

對比不同飽和度下的土樣ME值曲線可以發(fā)現(xiàn)，在濕態(tài)(Sr=85%)時的ME值均較干態(tài)(Sr=25%)時的ME值大，這是由于飽和度較高時，土體內(nèi)部孔隙多被水分填充，土樣密度較大；而干態(tài)土樣中的孔隙中多為空氣，空氣密度很小。在濕態(tài)Sr=85%時，土樣ME值在第一個濕循環(huán)中減小明顯,0 kPa、10 kPa、20 kPa荷載下分別減少214.45、119.14、57.29，第二個濕循環(huán)中ME值減小趨勢變緩，0 kPa、10 kPa、20 kPa荷載下分別減少7.92、5.04、3.85。在干態(tài)(Sr=25%)時，土樣ME值在一次干循環(huán)中減小程度較大，0 kPa、10 kPa、20 kPa荷載下對應(yīng)的差值分別為174.18、170.42、146.24。由此可見，增濕和烘干都會對土樣的ME值產(chǎn)生影響，且前兩次增濕和烘干對土樣ME值影響較大。說明隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，土體變得松散，密度隨之減小，且原狀紅黏土在試驗過程中發(fā)生明顯的體積收縮。當(dāng)土體再次吸水時發(fā)生微弱的體積膨脹，但仍無法彌補之前的體積收縮量，造成土體與環(huán)刀內(nèi)壁之間仍存在較大空隙，土樣缺少外部約束，更有利于水分的進入和散失，而水分的進入和散失則是造成土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞的主要原因，故在試驗過程中，土樣的ME值逐漸減小。原狀紅黏土樣初始結(jié)構(gòu)性較強，體積的明顯收縮發(fā)生在第一次烘干之后。對比不同荷載下土樣的ME值曲線，可見，不管是濕態(tài)還是干態(tài)，土樣ME值均為20 kPa下的最大，10 kPa下的次之，0 kPa下的最小。說明上部荷載對土樣有壓密作用，在一定程度上可以減弱在濕干循環(huán)過程中土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度，且上部荷載較大時，這種減弱程度也較大。

2.3重塑紅黏土樣的CT圖像分析

圖5～圖7依次為#7-0、#7-10和#7-20重塑土樣的順序掃描圖像。ME值的取值范圍為對應(yīng)掃描狀態(tài)下的掃描全斷面?？傮w來看土樣干狀態(tài)的密度明顯小于濕狀態(tài)的，初始狀態(tài)的密度介于兩者之間。初始掃描圖像上存在較多微小的暗色區(qū)域，表明初始干密度較小，土樣壓實不致密。濕1狀態(tài)的圖像明顯比初始狀態(tài)圖像明亮，表明由于水分的浸入，土樣內(nèi)部孔隙被水分填充，土樣密度增大。從干1狀態(tài)圖形可以看出土樣發(fā)生明顯的體積收縮，邊緣部分土體與環(huán)刀分離，邊緣部分土體變得不規(guī)整，即邊緣土體開始發(fā)生破壞。第二次增濕之后，土樣的內(nèi)部孔隙再次被水分填充，圖像整體亮度增大，土樣密度增大；土樣發(fā)生微膨脹但無法恢復(fù)至初始體積，邊緣土體不規(guī)整程度增大。第二次烘干之后，邊緣破壞土體范圍較干1狀態(tài)時變大，但內(nèi)部的孔洞較干1狀態(tài)時變小。第三次增濕之后，土樣的部分邊緣區(qū)域出現(xiàn)微小裂隙。第三次烘干之后，邊緣破壞土體范圍較干2狀態(tài)時變大，邊緣微裂隙變寬并向內(nèi)部延伸。

圖5　#7-0土樣在濕干循環(huán)過程中的CT圖

圖6　#7-10土樣在濕干循環(huán)過程中的土樣CT圖

圖7#7-20土樣在濕干循環(huán)過程中的土樣CT圖

2.4重塑紅黏土的CT數(shù)據(jù)分析

圖8是重塑土樣的全斷面CT掃描數(shù)據(jù)ME值隨掃描次序的變化曲線，對濕態(tài)(Sr=85%)和干態(tài)(Sr=25%)分別繪出。由圖8可見，在3個不同荷載作用下，土樣的ME值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

圖8土樣CT數(shù)據(jù)隨濕干循環(huán)次數(shù)的變化曲線

對比不同飽和度下的土樣ME值曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在濕態(tài)(Sr=85%)時的ME值均較干態(tài)(Sr=25%)時的ME值大，這是由于高飽和度時，土體內(nèi)部孔隙多被水分填充，土體密度較大。在Sr=85%時，土樣的ME值在第一次濕循環(huán)中減小較大，其中#8-0、#9-0土樣ME值在第一個濕循環(huán)中的減小值分別為24.89、33.37，在濕循環(huán)中的ME累計減小值分別為76.19、90.42，第一次的ME減小值占ME累計減小值的百分比分別為32.67%、36.90%；#6-0、#7-0土樣ME值在第一個濕循環(huán)中的減小值分別為42.15、42.16；10 kPa、20 kPa荷載下兩個平行土樣ME值減小量的平均值分別為33.58、17.25。在干態(tài)(Sr=25%)時，土樣的ME值在第一次干循環(huán)中減小較大，其中#8-0、#9-0土樣ME值在第一個濕循環(huán)中的減小值分別為50.99、52.40，在干循環(huán)中的ME累計減小值分別為80.46、75.74，第一次的ME減小值占ME累計減小值的百分比分別為63.37%、69.18%。#6-0、#7-0土樣ME值在第一個干循環(huán)中的減小值分別為57.76、50.62；10 kPa、20 kPa荷載下兩個平行土樣ME值減小量的平均值分別為54.67、52.78。由此可見，增濕和烘干都會對土樣的ME值產(chǎn)生影響，且前兩次增濕和烘干對土樣ME值影響較大。說明隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，土體變得松散，密度隨之減小。但是由于重塑紅黏土初始結(jié)構(gòu)性較弱，土顆粒間內(nèi)部連結(jié)較弱，故在濕干循環(huán)過程中ME值減小的程度比原狀紅黏土小。同時由于土顆粒內(nèi)部連結(jié)較弱，土樣失水體積收縮比原狀樣小，吸水體積膨脹比原狀樣大，土樣與環(huán)刀內(nèi)壁之間還有接觸，土樣存在外部約束，使得水分的浸入和散失較原狀紅黏土樣不容易，內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞的程度比原狀樣小，ME值減小的程度比原狀樣的小。

對比不同荷載下土樣的ME值曲線可見，不同飽和度下土樣ME值的大小關(guān)系均為20 kPa下的最大，10 kPa下的次之，0 kPa下的最小。說明上部荷載對土樣有壓密作用，在一定程度上可以減弱在濕干循環(huán)過程中土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞程度，且上部荷載較大時，這種減弱程度也較大。這種規(guī)律和原狀紅黏土樣的ME值具有較好的一致性。

3　細觀結(jié)構(gòu)變量及其演化方程

分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，桂林紅黏土土樣在濕干循環(huán)過程的細觀結(jié)構(gòu)變化受到初始狀態(tài)、上部荷載、濕干循環(huán)次數(shù)、掃描終態(tài)等因素的影響，引入細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)S反映濕干循環(huán)過程中土樣細觀結(jié)構(gòu)的變化，可采用CT數(shù)ME定義如下

(1)

式中，ME0和MEf分別為完整土樣和完全破損土樣的CT數(shù)，代表兩種極端情況；而ME是某一荷載作用下土樣在濕干循環(huán)過程中處于某個狀態(tài)的CT數(shù)。當(dāng)土樣處于完好狀態(tài)，ME=ME0，S=1；若土樣破壞，則ME=MEf，S=0；在濕干循環(huán)過程中，0≤S≤1，故用式(1)可以定量描述土樣在濕干循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)性。

設(shè)MEmax和MEmin分別為相同荷載下土樣在濕干循環(huán)過程中CT數(shù)ME的最大值和最小值，試驗中測得的0 kPa、10 kPa和20 kPa荷載下，原狀土樣的MEmax值分別為1521.15、1538.27和1543.62，MEmin值分別為1029.59、1059.26和1092.42；重塑土樣的MEmax值分別1369.92、1378.38和1386.21，MEmin值分別為996.38、999.58和1011.85?？紤]到土樣初始就有一定的損傷，且土樣最終也未達到完全破壞，因而原狀樣的ME0和MEf分別取為1600和1000，重塑土樣的ME0和MEf分別取為1400和900。

原狀土樣和重塑土樣的細觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)隨濕干循環(huán)次數(shù)的變化曲線分別如圖9(a)、圖9(b)所示。從圖9可見，在濕干循環(huán)過程，對比相同狀態(tài)下的土樣其細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)S呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這一變化規(guī)律與隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加，土體越松散，空隙越發(fā)育的一般規(guī)律具有比較好的一致性。

圖9土樣結(jié)構(gòu)參數(shù)S值濕干循環(huán)次數(shù)的變化曲線

進一步分析試驗結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，桂林紅黏土土樣在濕干循環(huán)過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律主要與掃描終態(tài)時的飽和度、濕干循環(huán)次數(shù)和荷載大小有關(guān)。采用如下方程(2)描述濕干循環(huán)過程中桂林紅黏土土樣的細觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，方程(2)為

(2)

式中，S0、S分別為土樣初始掃描時的細觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)和濕干循環(huán)過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)，Sr0、Sr分別為土樣初始掃描時的飽和度和濕干循環(huán)過程中對應(yīng)掃描狀態(tài)時的飽和度；n為濕干循環(huán)次數(shù)，取值為0.5～5.5；Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101.3kPa，P為對應(yīng)的土樣上部荷載，取值為0kPa、10kPa和20kPa。a為與掃描終態(tài)時土樣飽和度有關(guān)的參數(shù)，對于濕態(tài)(Sr=85%),取1.2；對于干態(tài)(Sr=25%)，取0.8。在濕干循環(huán)過程中，原狀、重塑土樣的細觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)S和土樣飽和度的關(guān)系曲線見圖10，圖中實心點為試驗值，空心點為采用方程(2)計算得到的預(yù)測值曲線。為了看得清楚起見，圖10(c)和圖10(d)還分別給出了原狀土樣#5-0和重塑土樣#9-0的預(yù)測值與試驗數(shù)值的比較。

式(2)反映了飽和度、濕干循環(huán)次數(shù)和荷載大小對紅黏土結(jié)構(gòu)演化的影響，且只包含一個參數(shù)，便于應(yīng)用。由圖10可見，預(yù)測結(jié)果與試驗資料比較接近。 應(yīng)用紅黏土的細觀結(jié)構(gòu)演化方程，可以建立考慮細觀結(jié)構(gòu)變化的紅黏土的結(jié)構(gòu)損傷模型和抗剪強度規(guī)律，有關(guān)研究工作尚待完成。

4　結(jié)　論

(1) 研制的CT-固結(jié)儀能夠在壓力作用下進行濕干循環(huán)試驗，并對土樣的細觀結(jié)構(gòu)進行實時CT掃描。

(2) 增濕和干燥都能使桂林雁山原狀紅黏土及其重塑土的結(jié)構(gòu)造成損傷；濕干循環(huán)三次之后，原狀紅黏土樣開始產(chǎn)生明顯裂隙； 重塑紅黏土樣在濕干循環(huán)過程中其密度逐漸減小，在第三次增濕之后土樣開始出現(xiàn)裂隙，隨后再次烘干，裂隙繼續(xù)開展。

(3) 基于CT數(shù)據(jù)，初步提出了定量描述桂林雁山紅黏土在濕干循環(huán)過程中的細觀結(jié)構(gòu)演化參數(shù)其與土樣飽和度、濕干循環(huán)次數(shù)、上部荷載之間的數(shù)學(xué)表達式(即式(2))，只包含一個參數(shù)，便于應(yīng)用，用其預(yù)測試驗資料的效果較好。

圖10土樣S/Sr值散點圖與細觀結(jié)構(gòu)演化方程曲線比較

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Microstructure Evolution of Red Clay During Wet-dry Cycles

ZHU Guoping1, CHEN Zhenghan1,2, WEI Changfu1,3, LV Haibo1, LIANG Weiyun1

(1.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004,China； 2.DepartmentofArchitecturalEngineering,LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing401311,China；3.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)

Wet-dry cycles affect the micro structure of soil samples. In order to study its evolution of red clay during wet-dry cycles, the CT-consolidation apparatus was developed. A number of tests of wet-dry cycles were carried out for intact and remolded red clay under loading condition, and CT scanning was taken on samples after each wetting and drying finished. The results indicate that both wetting and drying can induce the structural damage of undisturbed and remolded red clay. Micro structure evolution parameters were defined, and the relationship between micro-structure evolution parameters and saturation, times of wetting-drying cycles, upper load was proposed, the predicted results agreed well with the experimental data.

red clay; CT-consolidation apparatus; wetting-drying cycle; micro-structure evolution

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.009

2016-03-17

2016-04-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(11272353)；廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室資助項目

朱國平(1989—),女,河南安陽人,碩士，研究方向為非飽和土力學(xué)及工程應(yīng)用。 E-mail:1124987542@qq.com

陳正漢(1947—)，男，陜西南鄭人,教授，主要從事非飽和土與特殊土力學(xué)研究。 E-mail:chenzhenghan47@163.com

TU446

A

1672—1144(2016)04—0042—08