CT技術(shù)下?lián)矫喉肥碗娛纳敛牧蠐p傷演化及孔隙研究

張坤, 衛(wèi)楊楊, 邵鑫輝, 蘭官奇, 蘆白茹, 付智勇

(1.西安石油大學(xué)土木工程學(xué)院, 西安 710065; 2.西安石油大學(xué)博士后創(chuàng)新基地/基建處, 西安 710065; 3.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 西安 710065; 4.西安歐亞學(xué)院人居環(huán)境學(xué)院, 西安 710065)

生土是全世界應(yīng)用最廣泛、歷史最悠久的建筑材料之一[1]。它是一種綠色環(huán)保的建筑材料,該材料擁有很好的保溫性、隔熱性、再生性和可降解性[2-3]。生土結(jié)構(gòu)是指用未經(jīng)過焙燒處理的土壤或只經(jīng)過簡(jiǎn)單加工處理土壤與木材、石頭等天然材料進(jìn)行組合構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)[4]。以生土為母材構(gòu)建的建筑稱為生土建筑,此類建筑可就地取材、易于施工、造價(jià)低廉、節(jié)省能源,也可以融于自然,有利于保護(hù)環(huán)境和維持生態(tài)平衡。但是傳統(tǒng)生土材料存在強(qiáng)度低、耐水性差、體積穩(wěn)定性差等問題,嚴(yán)重制約了生土建筑結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用[5]。

大量研究表明,通過將生土材料與其他改性材料進(jìn)行混合處理,可以提高生土材料的力學(xué)性能,從而更好地應(yīng)用于生土建筑。錢覺時(shí)等[6]研究了聚羧酸減水劑對(duì)改性生土材料的影響,結(jié)果表明,聚羧酸減水劑可以有效改善生土材料的耐水性能,可以使生土材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加緊實(shí)。馬奇等[7]利用羧甲基纖維素對(duì)生土材料進(jìn)行改性處理,可以顯著提高生土材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。黎超等[8]通過《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》( GB/T 17671—2021)進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)表明,改性生土具有較高的抗壓、抗折強(qiáng)度,56 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)11.3 MPa,抗折強(qiáng)度達(dá)到3.2 MPa。Olumuyiwa等[9]利用陶瓷廢料粉塵作為添加劑來穩(wěn)定紅土的土工特性,結(jié)果顯示可以利用陶瓷廢料粉塵來穩(wěn)定紅土進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、耐用性和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。Siddiqua等[10]利用MgCl2溶液提高生土的濕陷性,解決了可崩解土的問題,降低了巖土工程應(yīng)用的困難程度。

綜上所述,現(xiàn)今對(duì)生土材料的研究基本處于宏觀方面,多集中在材料的抗壓試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)、吸水及耐水試驗(yàn)等方面。但生土材料是一類多相介質(zhì)的混合物,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有獨(dú)特的物理性質(zhì)與力學(xué)性能,特別是作為一種建筑母材,微觀上的研究顯得尤為重要。計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)技術(shù)是研究材料內(nèi)部損傷變化的理想方式之一,利用X射線在不同物質(zhì)的衰減系數(shù)不同得到CT圖像,通過CT圖像可以清楚地看見裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展[11]。因此,可以利用CT技術(shù)從微觀上研究生土材料的破壞機(jī)理,揭示材料內(nèi)部的損傷發(fā)展規(guī)律,為生土材料研究提供新的方法與思路。

在課題組研究基礎(chǔ)[12]上,提選最優(yōu)配方,對(duì)摻入煤矸石、電石渣的改性生土立方體試件進(jìn)行CT掃描試驗(yàn),研究試件的受壓全過程和損傷演化規(guī)律。通過CT掃描試驗(yàn),得到試件在動(dòng)荷載作用下各掃描斷面的CT圖像與CT數(shù),分析各掃描斷面灰度圖像,研究不同載荷下CT數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系,采用閾值分析方法,建立材料孔隙與材料損傷之間的聯(lián)系,以揭示改性生土材料損傷隨應(yīng)力變化的發(fā)展規(guī)律,從細(xì)觀層面探究改性生土材料受壓直至破壞全過程,材料的損傷破壞機(jī)理、損傷演化規(guī)律,為改性生土材料的力學(xué)本構(gòu)研究提供參考。

1 CT試驗(yàn)

1.1 CT技術(shù)原理

CT是電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)的簡(jiǎn)稱,是由射線發(fā)射器發(fā)出射線、穿透材料,并收集射線衰減后的信息,通過信號(hào)數(shù)據(jù)成像原理,最終輸出CT灰度圖像[13]。CT數(shù)是對(duì)CT圖像的定量描述,被檢測(cè)物體的X射線衰減系數(shù)與CT數(shù)的關(guān)系如式(1)所示,其中CT數(shù)與μ成正比,μ與材料的密度也成正比,CT數(shù)隨材料密度、密實(shí)度的增大而增大。

(1)

式(1)中:μ為被測(cè)物質(zhì)X射線衰竭系數(shù);μw為水的X射線衰竭系數(shù)。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)設(shè)備為西安市兒童醫(yī)院飛利浦牌醫(yī)用螺旋CT,此設(shè)備的掃描切層厚度為0.6 mm,空間分辨率≥1 200×1 600,檢測(cè)層有效厚度為100 mm,X射線管最大電壓為120 kV。

根據(jù)課題組研究成果和裝置進(jìn)行CT掃描試驗(yàn),用千斤頂對(duì)試件進(jìn)行加載,力學(xué)傳感器觀察壓力的大小,當(dāng)試件到預(yù)定載荷后停止加載,并將CT動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置放入CT掃描機(jī)中進(jìn)行掃描,保存CT圖像并對(duì)CT數(shù)值進(jìn)行記錄。CT試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 CT試驗(yàn)裝置Fig.1 CT test sets

1.3 試驗(yàn)載荷的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知,在煤矸石、電石渣與生土混合的改性生土試件中,DM6組試件抗壓強(qiáng)度、材料離散性最好,所以選用DM6組配比試件進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)。通過對(duì)本組試件荷載位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,用Origin軟件繪制DM6組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2(a)所示。采用最小二乘法,計(jì)算本組試件平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)拐點(diǎn),定義O、A、B、C和D點(diǎn)。結(jié)合試件抗壓試驗(yàn)過程,由圖2(b)分析可知,曲線OA段為試件壓縮階段,AB段為試件近似彈性受力階段,BC段為試件彈塑性受力階段,CD段為試件塑性破壞階段。O點(diǎn)為試驗(yàn)起始點(diǎn)。A點(diǎn)為曲線下凹段與直線段的交點(diǎn),B點(diǎn)為曲線上凸段與直線段的交點(diǎn),C點(diǎn)為峰值載荷點(diǎn),在該載荷下試件內(nèi)部已經(jīng)嚴(yán)重破壞。D點(diǎn)為試件完全破壞荷載點(diǎn),根據(jù)抗壓試驗(yàn)方案,該點(diǎn)為峰值載荷的70%。表明以上5個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)波動(dòng)特性明顯,物理意義明確,,因此,選用O、A、B、C、D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷作為階段荷載進(jìn)行CT掃描試驗(yàn),它們對(duì)應(yīng)的載荷分別為0、0.43、1.31、1.60、0.99 MPa。

DM6-1～DM6-6表示DM6組中煤矸石和電石渣配比不同的6個(gè)試件圖2 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及平均值曲線Fig.2 Stress-strain curves and mean curves of specimens

1.4 CT掃描面的確定

試件各受力階段掃描斷面分為XY橫斷面和YZ縱斷面,如圖3(a)和圖3(b)所示。將沿Z軸方向離試件頂面10 mm處作為第一個(gè)XY掃描斷面,隨后自上而下每間20 mm為一個(gè)掃描斷面,分別為XY-1、XY-2、XY-3、XY-4和XY-5。以離OYZ面10 mm處作為第一個(gè)YZ掃描斷面,然后每間隔20 mm定義一個(gè)掃描斷面,分別為YZ-1、YZ-2、YZ-3、YZ-4和YZ-5。將CT掃描斷面網(wǎng)格劃分為9宮格,每一個(gè)區(qū)域的面積都為1 089 mm2(33 mm×33 mm),網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3(c)所示。

圖3 掃描面的確定和網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Scanning surface determination and meshing results

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CT掃描斷面圖像結(jié)果分析

2.1.1XY面CT圖像分析

本次試驗(yàn)所用煤矸石主要來自陜西省彬州市文家坡煤礦,所用電石渣主要來自陜西省西安市西化氯堿化工有限責(zé)任公司。作為生土改性摻料,煤矸石的主要成分是SiO2和Al2O3,電石渣的主要成分是CaO,CaO和水發(fā)生水化反應(yīng)生成CaCO3。煤矸石和電石渣電離出的Ca2+和SiO2與Al2O3產(chǎn)生膠凝物質(zhì)并填充土體,使顆粒間的空隙更加密實(shí)[14]。在灰度圖中,不同的CT數(shù)表示材料內(nèi)部不同密度,密度越大材料顆粒粘結(jié)較為緊密,多為素土和煤矸石與電石渣產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)。XY掃描斷面與試件受力方向垂直如圖3所示。

如圖4所示,XY-1斷面和XY-2斷面的CT掃描圖的顏色均為灰色,表明試件材料混合均勻。XY-3斷面的CT圖中有沿對(duì)角線方向的劃痕,此劃痕是制作試件時(shí)材料填充拉毛面。在應(yīng)力σ=0.43 MPa時(shí),XY斷面左上角靠近試件邊緣的區(qū)域均產(chǎn)生了裂縫,依據(jù)圖片處理軟件測(cè)量得到XY-1斷面的裂縫長(zhǎng)度約為20 mm,XY-2斷面的裂縫長(zhǎng)度約為40 mm,XY-3斷面、XY-4斷面、XY-5斷面的裂縫長(zhǎng)度依次變短,裂縫的位置也在向下移動(dòng)。表明在該應(yīng)力作用下產(chǎn)生了貫穿整個(gè)試件的裂縫。其中,試件中間的裂縫最大,這是由于動(dòng)態(tài)應(yīng)力狀態(tài)試件被壓實(shí),距離受壓面距離較遠(yuǎn)部位受到的破壞比其他部位明顯。XY-2斷面右下角產(chǎn)生裂縫,并向下延伸,XY-3斷面右上角出現(xiàn)一條向左下方發(fā)展的裂縫,裂隙的寬度約為2 mm,XY-4和XY-5斷面與XY-3斷面破壞相似但是裂縫的寬度逐漸變小,表明此裂縫從XY-5斷面一直向上延伸到XY-3斷面,導(dǎo)致XY-2斷面出現(xiàn)明顯裂縫。

σ為應(yīng)力圖4 XY面各階段灰度圖Fig.4 Grayscale diagram of the XY plane by phase

當(dāng)應(yīng)力增加到1.31 MPa時(shí),試件XY-1斷面僅有細(xì)微裂縫產(chǎn)生,均沒有出現(xiàn)明顯裂縫。XY-2、XY-3和XY-4斷面都在右下角出現(xiàn)顯著裂縫并向下延伸,伴隨有細(xì)微裂縫出現(xiàn)。XY-5斷面在試件底端產(chǎn)生細(xì)微裂縫。當(dāng)試件受荷應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí),XY-1斷面四周出現(xiàn)細(xì)裂縫。但其他XY斷面沿著已有的裂縫產(chǎn)生大量新的裂縫,當(dāng)應(yīng)力減少至0.99 MPa時(shí),所有XY斷面不僅產(chǎn)生了新的裂縫,已有的裂縫的寬度增加,所有裂縫都通過不同的路徑貫通并連接在一起。

通過CT動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)細(xì)觀損傷研究,試件的裂縫多是從四周向內(nèi)部延伸,表明試件內(nèi)部的密實(shí)度高,抵御材料破壞的能力強(qiáng)。內(nèi)部密實(shí)度高是因?yàn)樵谥谱髟嚰倪^程中被壓得比較緊,脫模的過程中試件四周與模具有摩擦,導(dǎo)致四周的材料比較松散。所以在應(yīng)力的作用下試件的四周發(fā)生松散而內(nèi)部沒有發(fā)生太大的變化。

2.1.2YZ斷面CT圖像分析

YZ縱斷面與受力方向平行,對(duì)掃描斷面的灰度圖進(jìn)行結(jié)果分析。如圖5所示,其中YZ-1和YZ-5掃描斷面顏色比其他掃描斷面深,表明這兩個(gè)掃描斷面的密度較差、材料密實(shí)度低、土顆粒之間的黏結(jié)性差。分析原因YZ-1斷面與ZY-5斷面距離試件邊緣較近,試件制作過程邊緣土體材料未被壓實(shí)。在試件受荷時(shí)試件邊緣抵御變形能力相比內(nèi)部較差,試件的裂縫多出現(xiàn)在邊緣位置。

圖5 YZ面各階段灰度圖Fig.5 Grayscale diagram of the YZ plane by phase

試件受荷應(yīng)力σ=0.43 MPa時(shí),試件的每個(gè)掃描斷面均出現(xiàn)裂縫,裂縫在YZ-5斷面至YZ-1斷面逐漸向中間位置靠攏,并且從試件右下角一直延伸到上端,最終貫穿試件,發(fā)展?fàn)顟B(tài)明顯,發(fā)展過程規(guī)律。當(dāng)試件受荷應(yīng)力在1.31 MPa時(shí),試件每個(gè)掃描斷面變化顯著,土顆粒材料之間密實(shí)度降低,本掃描層密度變小。當(dāng)試件受荷達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí),試件內(nèi)部裂縫發(fā)展迅速,YZ-1斷面的裂縫增加較快。當(dāng)試件受荷應(yīng)力為0.99 MPa時(shí),試件內(nèi)部各部位出現(xiàn)大量細(xì)微裂縫,隨著裂縫寬度的增加,裂縫之間貫穿或聯(lián)通。

2.2 CT數(shù)的分析

2.2.1XY面的CT數(shù)據(jù)分析

XY掃描斷面CT數(shù)變化規(guī)律如圖6所示?？梢钥闯?XY-1斷面此時(shí)應(yīng)力為0.43 MPa,CT數(shù)從小到大依次為I、C、G、H、F、A、D、B、E,范圍為792～911 Hu(Hu為DR、CT等醫(yī)療設(shè)備中球管的熱容量單位)。相同應(yīng)力狀態(tài)下試件的角部密度大于試件邊部,材料在受到動(dòng)態(tài)荷載時(shí),邊部產(chǎn)生松動(dòng)出現(xiàn)大量裂縫,角部由于應(yīng)力集中被壓實(shí)。當(dāng)應(yīng)力增加到1.31 MPa時(shí),CT數(shù)從小到大依次為A、C、B、I、G、E、F、D、H, F、H、G、C、和I 5個(gè)區(qū)域的CT數(shù)增加,H區(qū)域因受力土體壓縮密度增大,H區(qū)域增加了6.7%。當(dāng)應(yīng)力增加到1.60 MPa時(shí),CT數(shù)從小到大依次為B、A、G、I、C、D、E、F、H,H、F、E和I 4個(gè)區(qū)域CT數(shù)變化不顯著,B區(qū)域CT數(shù)波動(dòng)減小了6%是由于“環(huán)箍效應(yīng)”影響。當(dāng)應(yīng)力減小到0.99 MPa時(shí),試件破壞嚴(yán)重,CT數(shù)的變化顯著。A區(qū)域土體材料開裂嚴(yán)重密度減小,CT數(shù)減小了23.9%,其他區(qū)域亦在減小。E區(qū)域CT數(shù)基本沒有變化,試件中心的密度增大,土體顆粒發(fā)生擠密作用。

圖6 XY掃描斷面各區(qū)域CT平均數(shù)Fig.6 CT average for each region of the XY scan section

XY-2斷面在各階段應(yīng)力作用下E區(qū)域的CT數(shù)最大,A區(qū)域的CT數(shù)最小。與XY-1斷面相同,試件角部的CT數(shù)均小于其他部位,試件中心CT數(shù)最大。因?yàn)閄Y-3斷面位于試件的中心,隨應(yīng)力的增大材料發(fā)生擠密效應(yīng)密度增大,CT數(shù)也隨之增大。但是,應(yīng)力達(dá)到0.43 MPa時(shí),XY-3斷面C區(qū)域的CT數(shù)最小,此斷面邊部的密度大于角部。XY-4斷面A、B、D、E區(qū)域的CT數(shù)在各階段應(yīng)力的作用下變化不明顯并保持在796～894 Hu,在應(yīng)力作用下試件此區(qū)域密度大,未產(chǎn)生明顯的裂縫和孔洞。XY-5斷面與承壓板下表面距離近,應(yīng)力為0.43～1.31 MPa時(shí),各個(gè)區(qū)域的CT數(shù)變化不明顯。應(yīng)力增加至1.60 MPa時(shí),試件A、B、D、E區(qū)域CT數(shù)均大于其他區(qū)域。當(dāng)應(yīng)力減小到0.99 MPa時(shí),XY-5斷面的CT數(shù)均開始下降,試件C區(qū)域的變化顯著,CT數(shù)減小了22.5%。

影響XY掃描斷面CT數(shù)主要包括試件制作時(shí)土體的的壓實(shí)度和脫模時(shí)試件表面造成的初始損傷,同時(shí)在進(jìn)行抗壓試驗(yàn)時(shí),各階段應(yīng)力大小對(duì)試件密度影響顯著。壓實(shí)法制作試件時(shí),底部土體的密實(shí)度大于上部。由于試件脫模時(shí)的初始缺陷導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)容易產(chǎn)生孔隙和裂縫。由于“環(huán)箍效應(yīng)”的影響,XY-2斷面產(chǎn)生的孔隙和裂縫更多,試件自身重力的影響作用表現(xiàn)在試件的底部,重力和應(yīng)力的雙重作用使得試件底部接近承壓板的位置破壞程度更大。

2.2.2YZ斷面的CT數(shù)據(jù)分析

YZ斷面與受力方向平行,相比于XY斷面更易產(chǎn)生孔隙和裂縫。YZ-1斷面CT數(shù)變化規(guī)律如圖7(a)所示。當(dāng)應(yīng)力為0.43 MPa時(shí),YZ-1斷面F區(qū)域的CT數(shù)最大(860 Hu),E區(qū)域的CT數(shù)最小(763 Hu)。試件的初始孔隙與此應(yīng)力狀態(tài)下基本相同。當(dāng)應(yīng)力增加到1.31 MPa時(shí), 除D區(qū)域外CT數(shù)逐漸變小,I區(qū)域變化最大,CT數(shù)減小15%。表明試件因應(yīng)力的增大孔隙增多,裂縫發(fā)展迅速,CT數(shù)出現(xiàn)明顯的減小現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力增加到1.60 MPa時(shí),所有區(qū)域的CT數(shù)都在增加。試件在此應(yīng)力狀態(tài)下被壓縮,孔隙和裂縫減少,試件內(nèi)部土體顆粒間發(fā)生擠密作用。其中,I區(qū)域的變化最大,增加了14%,接近承壓板處試件因壓縮而密度增大。當(dāng)應(yīng)力減小到0.99 MPa,各個(gè)區(qū)域CT數(shù)均在減小,其中F區(qū)域CT數(shù)變化最大,減小了22%。隨著應(yīng)力的減小,材料破壞程度愈發(fā)明顯,孔隙和裂縫增多顯著。

圖7 YZ掃描斷面各區(qū)域CT平均數(shù)Fig.7 CT average for each region of the YZ scan section

YZ-2斷面在各階段應(yīng)力作用下,A區(qū)域的CT數(shù)是最小的,B、E、H 3個(gè)區(qū)域比其他區(qū)域的CT數(shù)大,此時(shí)該斷面中部的密度大于左右兩個(gè)邊部,角部密度大于邊部密度,此斷面靠近試件的中心,由于試件制作時(shí)試模對(duì)土顆粒具有約束作用,故CT數(shù)表現(xiàn)此類特點(diǎn)。YZ-3斷面位于試件的中心,H區(qū)域的CT數(shù)一直是最大的,I區(qū)域一直是最小的。H區(qū)域緊貼下承壓板,I區(qū)域位于試件的邊部,表明試件越靠近中心越貼近承壓板密度越高,I區(qū)域因試件角部的應(yīng)力集中導(dǎo)致產(chǎn)生大量孔隙和裂縫。YZ-4斷面在各階段應(yīng)力作用下CT數(shù)的變化規(guī)律與YZ-3斷面基本相同。YZ-5斷面的CT數(shù)在前3個(gè)應(yīng)力階段較集中且變化不明顯,保持在719～886 Hu范圍內(nèi),H區(qū)域的CT數(shù)始終是最大的。但應(yīng)力減小到0.99 MPa時(shí),各區(qū)域CT數(shù)均減小,其中I區(qū)域的變化率最大,減小了44%。

3 材料孔隙率及損傷分析

3.1 孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系分析

孔隙率指的是材料中的孔隙體積與自然狀態(tài)下體積的比值。借助Imagin J圖形分析軟件對(duì)CT灰度圖進(jìn)行計(jì)算,得到不同掃描斷面的孔隙率,將XY-1～XY-5斷面在不同應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行閾值劃分,深色區(qū)域是孔隙和裂縫,各掃描斷面的破壞情況和裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)如圖8所示,不同應(yīng)力狀態(tài)下XY掃描面的孔隙率數(shù)值變化情況如圖9所示。當(dāng)應(yīng)力σ=0.43 MPa時(shí),XY-2斷面孔隙率最大(0.12),XY-4斷面孔隙率最小(0.04), 中間XY-3斷面與XY-4斷面孔隙率僅相差0.26%。該應(yīng)力狀態(tài)下,離試件上接觸面10 mm的斷面孔隙率變化小,而離試件下接觸面10 mm的斷面孔隙率變化大。此時(shí),試件不僅受到荷載的作用,同時(shí)受到重力的影響,導(dǎo)致試件下部孔隙率大于試件上部。當(dāng)應(yīng)力增加到1.31 MPa時(shí),XY-2斷面的孔隙率最小(0.03),比初始孔隙率增加了200%,比上一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)減少了75%。因?yàn)橹虚g斷面受到“環(huán)箍效應(yīng)”影響,導(dǎo)致試件在距離上接觸面三分之一處發(fā)生多軸受壓效應(yīng),試件應(yīng)力表現(xiàn)為四周小,中間大的狀態(tài),試件中部被壓實(shí),而四周隨裂縫的增多,土體顆粒逐漸失去黏結(jié)力而剝離。XY-5斷面的孔隙率最大(0.14),該掃描斷面也是孔隙率增幅最大的區(qū)域,XY-5斷面靠近試件底部,受力部分靠近試驗(yàn)壓力板,荷載的變化對(duì)該區(qū)域的影響顯著。應(yīng)力最大時(shí),XY-1斷面的孔隙率最大(0.12),XY-4斷面的孔隙率最小(0.04)。XY-1斷面、XY-2斷面和XY-3斷面的孔隙率在增加,XY-1面的變化率最大,比初始孔隙率增加了500%,比上一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)增加了200%。XY-4斷面和XY-5斷面的孔隙率在減小,XY-5斷面的變化率最大,比初始孔隙率增加了100%,比上一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)減少了43%。分析原因:裂縫和孔隙導(dǎo)致孔隙率增加。應(yīng)力增加試件被壓縮,裂縫和孔隙減少導(dǎo)致試件的密實(shí)度增加,孔隙率減小。應(yīng)力的增大使試件上部分的裂縫、孔隙增大,而下部分變得更加密實(shí)。峰值載荷后,XY-1斷面、XY-2斷面的孔隙率開始減小,其他斷面的孔隙率開始增加,原因是在應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段試件剛度退化,裂縫和孔隙得到顯現(xiàn)和延伸,密實(shí)度高的斷面在應(yīng)力減小以后孔隙縮小,孔隙率減小。

紅色區(qū)域?yàn)樵嚰目紫逗土芽p圖8 XY 掃描斷面閾值劃分結(jié)果Fig.8 XY scan section threshold delineation results

圖9 不同應(yīng)力狀態(tài)下XY掃描面的孔隙率變化圖Fig.9 Porosity variation in XY scanned surface for different stress states

3.2 生土材料損傷因子的計(jì)算

在動(dòng)態(tài)載荷的作用下,XY掃描斷面的平均孔隙率和損傷度的變化如表1所示。

表1 XY掃面斷面的平均孔隙率和損傷度的變化Table 1 Changes in mean porosity and damage degree of XY scan cross-section

根據(jù)表1可知,在動(dòng)態(tài)載荷的作用下,改性生土試件的孔隙率先增加再減小隨后繼續(xù)增加。材料初始孔隙率為2.14。應(yīng)力增加到0.43 MPa時(shí),試件的孔隙率增加顯著(6.64),比初始孔隙率增加了210%。應(yīng)力增加導(dǎo)致生土和摻料之間的黏結(jié)性受到了破壞,產(chǎn)生了孔隙和裂縫使得試件的孔隙率變化顯著。應(yīng)力σ=1.31 MPa時(shí),孔隙率比初始孔隙率增加了170%,比上一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)減少了12.95%。這是因?yàn)閼?yīng)力增加試件的孔隙和裂縫受到壓縮,導(dǎo)致孔隙率變小。應(yīng)力增加到峰值載荷時(shí),孔隙率的數(shù)值進(jìn)一步變大,比初始孔隙率增加了263%,試件破壞嚴(yán)重。隨著繼續(xù)加載,孔隙率繼續(xù)增大,比初始孔隙率增加了316%。此時(shí),試件因破壞材料剝離嚴(yán)重,裂縫貫穿試件,并和孔孔隙連接,孔隙率增大。

為了進(jìn)一步研究改性生土試件在受荷情況下孔隙率的變化對(duì)材料細(xì)觀破損的影響,建立損傷度指標(biāo)[15],即在動(dòng)態(tài)載荷作用下發(fā)生損傷的試件的孔隙率,相對(duì)于無載荷條件下改性生土試件孔隙率的變化,構(gòu)建損傷評(píng)價(jià)公式為

(2)

式(2)中:DF-T為改性生土試件在不同載荷作用下的損傷度;P0為無載荷條件下試件的孔隙率;P(n)為不同載荷作用下試件的孔隙率;n為不同的載荷數(shù)。

從表1可知,試件的損傷度的變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出先增加再減小最后繼續(xù)增加的趨勢(shì)。在應(yīng)力σ=1.31 MPa時(shí)的損傷度最低,為1.70。當(dāng)應(yīng)力增加到1.60 MPa時(shí),損傷度為2.59,增加了52.3%。應(yīng)力減小后,損傷度慢慢增加,當(dāng)應(yīng)力σ=0.99 MPa時(shí)損傷度達(dá)到最大,為3.16。

4 結(jié)論

(1)在不同應(yīng)力狀態(tài)下,XY掃描斷面的CT圖像中裂縫是從四周開始以環(huán)狀的形式向內(nèi)部延伸,試件內(nèi)部的密實(shí)度高,抵御材料破壞的能力強(qiáng)。YZ掃描斷面的裂縫從上下表面產(chǎn)生,向下延伸并貫通整個(gè)試件,試件邊緣抵御變形能力相比內(nèi)部較差。XY-1斷面、XY-5斷面、YZ-1斷面和YZ-5斷面的裂縫相比其他斷面更加明顯。

(2)通過對(duì)各掃描斷面CT數(shù)的分析,試件底部土體的密實(shí)度大于上部。由于“環(huán)箍效應(yīng)”的影響,XY-2斷面的CT數(shù)明顯小于其他斷面,此處破壞嚴(yán)重,產(chǎn)生大量的孔隙和裂縫。XY斷面E區(qū)域在各應(yīng)力狀態(tài)下CT數(shù)值高,此區(qū)域位于掃描斷面的中心,土體密度大,一直處于被壓實(shí)狀態(tài)。YZ掃描斷面的CT數(shù)值變化不明顯,但此斷面H區(qū)域在各應(yīng)力狀態(tài)下CT數(shù)高于其他,是此區(qū)域位于試件下部且緊貼受壓板而導(dǎo)致的。

(3)當(dāng)應(yīng)力為0～1.31 MPa時(shí),試件孔隙率上部的變化大于試件下部。在應(yīng)力為1.60 MPa時(shí),試件內(nèi)部各部位孔隙率變化明顯,相對(duì)于上一應(yīng)力狀態(tài),變化幅度為-43%～500%。峰值荷載后,XY-1斷面、XY-2斷面的孔隙率開始減小,其他斷面的孔隙率開始增加,此時(shí)試件剛度退化,裂紋和孔隙得到顯現(xiàn)和延伸,密實(shí)度高的斷面在應(yīng)力減少后孔隙率變小。

(4)以孔隙率為指標(biāo)建立損傷因子,得到此類改性生土材料的損傷度DF-T。損傷度表現(xiàn)出隨應(yīng)力的增加先增大后減小再增大的規(guī)律。應(yīng)力為0.43 MPa時(shí)的損傷度是2.10,應(yīng)力為1.31 MPa時(shí)損傷度變小為1.70,應(yīng)力為1.60 MPa時(shí)損傷度繼續(xù)增加到2.59。應(yīng)力為0.99 MPa時(shí),損傷度繼續(xù)增加,為3.16。運(yùn)用損傷度可以為改性生土材料損傷本構(gòu)關(guān)系的建立提供參考。