不同加載速率條件下飽和重塑黏性土的微觀變形特性試驗研究*

鄭 娟 伍 肖 賴秀英 陳 碩

(1.莆田學(xué)院土木工程學(xué)院，福建莆田 351100；2.臺州市交通勘察設(shè)計院，浙江臺州 318000；3.凱輝集團(福建)有限公司，福建莆田 351100)

土作為一種天然的多孔復(fù)雜介質(zhì)，其微觀孔隙分布的不規(guī)則性直接影響到土體宏觀力學(xué)特性。因此，土的宏觀變形特征由微細觀孔隙變化決定。

在巖土研究領(lǐng)域，有關(guān)變形的研究在學(xué)科創(chuàng)立伊始便是廣大學(xué)者關(guān)注的重要課題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進的測試技術(shù)使微細觀機理研究成為可能。近些年來，核磁共振作為一種新興的測試技術(shù)，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，基于其快速無損測試樣品的優(yōu)勢，其在巖土工程方面也得到了越來越多的關(guān)注。許多學(xué)者應(yīng)用核磁共振技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域開展了相關(guān)的研究工作[1-5]，但大多是以巖樣作為研究對象。鑒于土性的復(fù)雜，目前核磁共振技術(shù)的應(yīng)用更多地是集中在對凍土特性的研究[6-8]。土的復(fù)雜性增加了核磁共振技術(shù)推廣的難度，但是該技術(shù)能對土樣提供快速無損的檢測，對土而言非常有意義，很適合微細觀機理的研究，因而受到了很多學(xué)者的關(guān)注并開展了相當多的研究工作，取得了一些有指導(dǎo)性價值的成果。李彰明等對不同類型荷載水平及速率的淤泥土進行核磁共振水相測試，探索了超軟土中結(jié)合水可轉(zhuǎn)化為自由水的條件及規(guī)律[9]。田慧會等基于核磁共振技術(shù)，探討了干密度、初始含水率和土樣組分對壓實黏質(zhì)砂土脫濕過程的微觀機制影響規(guī)律[10]。

在借鑒上述學(xué)者研究方法的基礎(chǔ)上，嘗試將核磁共振技術(shù)應(yīng)用到對飽和重塑黏性土不同速率條件下固結(jié)過程的變形微細觀研究中，將固結(jié)不同階段對應(yīng)的微細觀孔隙響應(yīng)直觀描述出來，從微觀角度為土的變形特征提供參考資料，同時也為核磁共振技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用提供一些借鑒性的操作方法和分析思路。

1 試驗儀器及方案

1.1 試驗試樣及試驗設(shè)備

土樣取自陜西禮泉某工地，天然密度為2.03 g/cm3，含水量為20%，抗剪強度指標c為17kPa，φ為26°。土樣黏粒含量較多，含少量砂粒，屬于級配不良的土。將取回的土風(fēng)干、碾碎，過篩2 mm，以統(tǒng)一標準按靜壓法重塑成樣，抽真空飽和。試樣為標準圓柱形，直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

試驗分兩階段進行，第一階段采用美國GDS公司生產(chǎn)的全自動三軸應(yīng)力-應(yīng)變測試系統(tǒng)按應(yīng)力控制方式以不同速率進行加載及保持不同時間的恒載。第二階段是對前階段加載試樣的微細觀結(jié)構(gòu)進行核磁掃描。該階段采用的是上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的 MacroMR12-150 H-Ⅰ核磁共振成像分析系統(tǒng)，該設(shè)備的主磁場為(0.3±0.05)T，射頻脈沖頻率為1.0～30 MHz，試驗控溫為18～25 ℃。

1.2 試驗方案

通過核磁共振測試，可以將試樣在不同加載階段的細觀微孔隙結(jié)構(gòu)的變化過程用數(shù)據(jù)展示出來。具體試驗步驟如下：

1)將處理好的土進行壓實成樣。按干密度為1.5 g/cm3計算干土質(zhì)量，以30%含水量悶料24 h后，采用自制壓實設(shè)備用液壓千斤頂靜壓方法分8層進行壓實成樣。將制好的土樣裝入飽和器，抽真空飽和。

2)初步篩選飽和后質(zhì)量相同的試樣作為加載備選試樣，質(zhì)量誤差控制在0.1 g。采用GDS設(shè)備按設(shè)計速率進行加載至同一應(yīng)力水平400 kPa，之后保持恒載。將相同加載速率的試樣按最大孔壓值umax進行第二遍篩選。

3)將上步篩選的同一加載速率不同加載階段的試樣迅速進行第二階段核磁共振測試(由于兩設(shè)備放置在同一實驗室，可在第一階段結(jié)束后幾分鐘內(nèi)完成第二階段測試)，獲取橫向弛豫時間T2的分布曲線。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 飽和重塑黏性土不同加載速率的排水固結(jié)試驗

試驗設(shè)計為按不同加載速率加載至400 kPa，保持400 kPa恒載至孔壓消散到不同程度。該階段試驗的實質(zhì)是為核磁共振測試備樣，目的是同一加載速率的試樣組各試樣的初始狀態(tài)盡可能一致。為了達到該目的，進行了兩次試樣篩選。第一次篩選是試樣抽真空飽和完畢，以土樣的質(zhì)量作為控制量。第二次篩選是加載進行中，以土樣的孔壓作為控制量，具體考察孔壓最大值及孔壓隨加載時間的變化過程。最終得到符合篩選標準的試樣共計32個。

為作對比分析，對試樣進行不同速率加載。主要選取兩組具有代表性的加載速率，40，0.8 kPa/min，分別標記為HS和SS。為考察土樣不同階段的微細觀結(jié)構(gòu)變化，HS組共4個試件，編號分別為HS-1、HS-2、HS-3、HS-4；以40 kPa/min的加載速率加載5，10，10 min并恒載55 min，再加載10 min并恒載850 min；SS組共4個試件，編號分別為SS-1、SS-2、SS-3、SS-4；以0.8 kPa/min速率加載，按加載200，500，500 min并恒載200 min，再加載500 min并恒載666 min。圖1、2為加載速率為40，0.8 kPa/min的試樣孔壓隨時間的變化過程。

圖1 HS試樣組孔壓隨時間變化過程

SS-1；SS-2；SS-3；SS-4。

可以看出：同一加載速率下不同加載階段的各試樣的孔壓變化路徑是基本一致的，能在一定程度上反映試樣的初始狀態(tài)相同。

2.2 試樣在不同固結(jié)階段的橫向弛豫時間T2分布

核磁共振是物質(zhì)內(nèi)原子核被磁場磁化，對射頻的一種響應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)磁場強度的高低不同，核磁共振系統(tǒng)可分為低場系統(tǒng)(磁場強度小于0.5 T)、中場系統(tǒng)(磁場強度0.5～1.0 T)和高場系統(tǒng)(磁場強度大于1.0 T)。試驗所用設(shè)備主磁場范圍為(0.3±0.05)T，屬于低場系統(tǒng)。低場核磁共振系統(tǒng)可以分析樣品內(nèi)部水的相態(tài)和分布情況，從而確定內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征[11]。

核磁共振中一個極其重要的物理量是弛豫，磁化矢量衰減的時間常數(shù)稱為弛豫時間，按可能發(fā)生的馳豫過程又分為縱向馳豫時間T1及橫向弛豫時間T2。巖石孔隙中的流體有三種弛豫機制：表面流體弛豫、分子自擴散弛豫、自由流體弛豫。其中流體自身弛豫和擴散弛豫相對于表面流體弛豫小很多，可忽略。對于T1、T2而言，兩種弛豫均由表面弛豫決定。而T1所需的測量時間很長，因此在巖石核磁共振應(yīng)用中廣泛采用T2值進行分析[12]。

表面弛豫由介質(zhì)比表面控制，介質(zhì)比表面(介質(zhì)中孔隙表面積S與孔隙體積V之比)越大，弛豫越強，反之亦然。表面弛豫時間T2可表示為:

(1)

式中:ρ2為T2表面弛豫強度。

可見，T2譜反映了試樣的孔隙分布情況，孔徑大小與譜峰位置相關(guān)，對應(yīng)孔隙數(shù)量與峰面積大小相關(guān)。

簡而言之，橫向弛豫時間T2分布反映了孔隙尺寸信息，T2越小，代表孔徑的孔隙越小，孔隙大，T2也大。圖3為HS試樣組在不同加載階段的T2分布曲線。可見：該組試樣初始狀態(tài)T2譜曲線由兩個譜峰組成：從左到右，第一譜峰孤立存在，弛豫時間T2較小，位于4.16 ms附近，視作小孔徑孔隙；第2譜峰弛豫時間T2較大，位于147.8 ms附近，視作大孔徑孔隙，兩峰核磁共振信號強度差異較大，分析為土樣級配不均勻?qū)е?。隨著加載的進行，第一峰逐漸向左移動，且對應(yīng)的峰值不斷減??；第二峰總體微亦向左移動，在恒載足夠長時間后消失。表明試樣總體以小孔隙為主，加載過程中隨著孔隙水不斷排出，孔隙體積減小，與孔徑大小正相關(guān)的弛豫時間T2逐漸降低。

初始；HS-1；HS-2；HS-3；HS-4。

圖4為SS試樣組在不同加載階段的T2分布曲線。該組土樣的初始狀態(tài)T2譜曲線也由兩個譜峰組成，與HS試樣組相比孔徑連續(xù)性較好。隨著加載的進行，代表小孔徑孔隙的第一峰逐漸左移，代表大孔徑孔隙的第二峰亦逐漸左移并最終消失，總體規(guī)律與快速加載時一致。

初始；HS-1；HS-2；HS-3；HS-4。

2.3 試樣在不同固結(jié)階段的T2譜面積分析

核磁共振技術(shù)探測的是介質(zhì)孔隙內(nèi)的流體。核磁共振譜面積與試樣中所含流體的量成正比[13]。T2譜曲線峰值面積(簡稱“譜面積”)與孔隙數(shù)量多少及孔隙度大小正相關(guān)。表1所示為HS試樣組的T2“譜面積”變化及每個峰所占比例。

表1 HS試樣組加載不同階段的核磁共振“譜面積”分布

可以看到：試樣組HS各不同加載階段試樣的核磁共振“譜面積”均隨著加載的進行而逐漸減小，說明隨著加載的進行孔隙體積減小了。兩峰的分布比例逐漸向第一峰轉(zhuǎn)移，說明加載的進行使得較大孔徑孔隙逐漸排水閉合，最終變?yōu)樾】讖娇紫?。從圖3中第二峰的放大圖結(jié)合表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：加載至5，10 min時，兩峰面積百分比變化不明顯，恒載55 min后第二峰面積縮減明顯，恒載850 min后，大孔徑孔隙消失，變?yōu)楦旅苄】讖?T2峰左移)。

圖5為試樣HS-3孔壓與時間的關(guān)系曲線，可見加載10 min孔壓急劇上升至238.9 kPa，恒載55 min后孔壓降至120 kPa，分析兩峰譜面積變化的原因可能由排水滯后現(xiàn)象導(dǎo)致：加載速率過快使得排水速率相對較慢，恒載后孔壓開始消散，排水路徑逐漸通暢，最終兩峰匯為一峰，大孔徑孔隙消失。

圖5 試樣HS-3孔壓與時間的關(guān)系曲線

圖4所示試樣加載速率為0.8 kPa/min，為設(shè)計方案中的慢速加載。加載至400 kPa過程中該試樣“譜面積”減小較HS試樣組明顯，參照圖6的HS試樣組與SS試樣組孔壓對比曲線不難發(fā)現(xiàn)，SS試樣組加載過程孔壓上升緩慢，試樣排水較為順暢。同時，HS試樣組和SS試樣組在恒載足夠長時間后最終形態(tài)極為相似，在一定程度上說明加載速率的快慢只對土樣的中間狀態(tài)產(chǎn)生影響，最終狀態(tài)由試樣初始性態(tài)決定。

SS-4; HS-4。

3 結(jié)束語

1)試驗所用飽和重塑黏性土試樣初始狀態(tài)為兩譜峰，分別代表大小孔徑的孔隙，隨著加載的進行，兩峰均向左移動且峰值下降，說明加載過程隨著孔隙水的不斷排出，孔隙體積隨之減小。恒載足夠長時間后，大孔徑孔隙逐漸排水閉合，T2曲線譜變?yōu)閱畏?，土樣最終變成致密均勻的小孔徑孔隙。

2)快速加載試樣組在加載初期，受排水滯后的影響，其T2曲線譜的變化趨勢不明顯。但在恒載足夠長時間后，與加載較慢試樣組的T2曲線譜最終形態(tài)極為相似，說明加載速率的快慢只對土樣的中間狀態(tài)產(chǎn)生影響，最終狀態(tài)由試樣初始性態(tài)決定。