合肥地區(qū)重塑黏性土細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化三軸CT 試驗

朱寶龍， 巫錫勇， 李曉寧，， 魏久平

(1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽621010;2. 西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系，四川 成都610031)

高速鐵路無砟軌道對地基土的要求較高.分布于合肥地區(qū)的更新統(tǒng)(Q2～Q3)沖積型黏性土，含水量w=19% ～21%，孔隙比e=0.6 ～0.7，壓縮模量Es0.1-0.2=7 ～10 MPa，黏聚力c =40 ～70 kPa，內(nèi)摩擦角φ=16° ～20°，固結(jié)比為1 ～5，呈硬塑狀，孔隙比小，壓縮模量較高，具超固結(jié)特性及弱—中膨脹性.對高速鐵路工程建設(shè)來說，掌握此類黏性土的工程性質(zhì)尤為重要. 微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究能揭示宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和本質(zhì)［1］，因此，為掌握合肥地區(qū)此類黏性土的變形機(jī)理，探討其細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律是十分必要的.

20 世紀(jì)90 年代以來，計算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)在巖土介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)及損傷機(jī)理研究中發(fā)揮著越來越重要的作用［2-3］. 多位學(xué)者對不同土體進(jìn)行了CT 掃描細(xì)觀研究［4-8］，均取得了重要成果.最具代表性的是陳正漢教授率領(lǐng)的團(tuán)隊，不僅研制了CT-三軸儀［9］，為深人探討非飽和土的力學(xué)特性提供了有力工具，而且系統(tǒng)研究了膨脹土和黃土在不同條件下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律和損傷機(jī)理［10-14］，為掌握膨脹土、黃土的工程特性提供了重要支撐.

本文利用后勤工程學(xué)院研制的CT-多功能土工三軸儀，研究合(肥)-福(州)高速鐵路合肥地區(qū)重塑黏性土在非飽和固結(jié)排水剪切條件下內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化特性，為掌握該地區(qū)非飽和黏性土在擾動狀態(tài)下的工程特性提供試驗基礎(chǔ).

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備及試驗試樣

試驗在后勤工程學(xué)院CT-三軸試驗研究工作站完成，CT 機(jī)為陜西省南鄭縣醫(yī)院的Prospeed AI臥式螺旋掃描機(jī)，GE 公司生產(chǎn)，掃描參數(shù)見表1.

表1 CT 機(jī)掃描參數(shù)Tab.1 Scanning parameters of CT machine

試驗用土為合-福高速鐵路合肥地區(qū)長臨河試驗段地基土，為第四系上更新統(tǒng)黏性土，沖積成因，褐黃色，硬塑狀.制樣時，將室內(nèi)自然風(fēng)干的原狀土粉碎，過2.0 mm 篩，放入烘箱烘干，加水制成高度80 mm、直徑39.1 mm 的試樣.試樣的初始參數(shù)見表2.

表2 試樣初始參數(shù)Tab.2 Original states of samples

1.2 試驗方案

試驗為控制吸力的固結(jié)排水三軸試驗，共2 組，每組3 個試樣，試驗條件見表3(pa為孔隙氣壓;1#～6#為試樣編號). 在三軸壓力室內(nèi)，先將制備的試樣在一定吸力下進(jìn)行等壓固結(jié)，待變形和排水穩(wěn)定后進(jìn)行控制吸力和凈室壓力為常數(shù)的三軸排水剪切試驗.固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為每2 h 體積變化不超過0.006 3 cm3，排水每2 h 不超過0.012 cm3.三軸剪切速率為0.016 mm/min. 在剪切達(dá)到預(yù)定的軸向應(yīng)變時，對試樣進(jìn)行CT 掃描. 預(yù)設(shè)掃描次數(shù)為6 次，每次掃描2 個斷面，各掃描時刻的軸向應(yīng)變值分別為0、2.50%、6.25%、10.00%、12.50%和15. 00%，掃描斷面位置分別距離試樣底端1/4 高度和1/2 高度處.

表3 試驗條件Tab.3 Test conditionskPa

2 CT 圖像及損傷演化分析

圖1 為1#試樣的CT 掃描圖像. 圖中標(biāo)示:“1/4”表示掃描斷面位于距試樣底部1/4 高度處，“1/2”表示掃描斷面在試樣的中間斷面處;a、b、c、d、e、f 表示掃描時試樣的狀態(tài)，其中a 表示固結(jié)結(jié)束時的狀態(tài)，b 表示軸向應(yīng)變?yōu)?.50%時的狀態(tài)，c 表示軸向應(yīng)變?yōu)?.25%時的狀態(tài)，d 表示軸向應(yīng)變?yōu)?0. 00% 時的狀態(tài)，e 表示軸向應(yīng)變?yōu)?2.50%時的狀態(tài)，f 表示軸向應(yīng)變?yōu)?5.00%時的狀態(tài).

一般來說，CT 圖像的灰度與該部位試樣的密度成正比，圖中白色明亮區(qū)域為試樣中密度較大處，黑色區(qū)域為試樣中裂隙、微裂隙、微裂紋或孔洞存在的地方.

圖1(a)為1#試樣1/4 高度斷面處的CT 掃描結(jié)果.初始掃描時，試樣斷面上存在較多微小孔洞和孔隙，并隱顯一貫通的裂隙面，初始損傷明顯.當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2.50%(“1/4b”)時，斷面內(nèi)一些較小的孔洞消失，而較大的孔洞依然存在，斷面內(nèi)土顆粒被擠密，白色高亮區(qū)域面積增大，并出現(xiàn)新的孔洞(“1/4b”矩形框內(nèi)).繼續(xù)剪切時，又有新孔洞出現(xiàn)(“1/4d”三角形框內(nèi))，原先貫通的裂隙面的兩端進(jìn)一步發(fā)展(“1/4d”矩形框、橢圓框內(nèi))，同時試樣外周其他部位也出現(xiàn)了從外至內(nèi)的裂隙;隨剪切進(jìn)行，這些裂隙進(jìn)一步發(fā)展.試驗停止時，斷面內(nèi)裂隙沿周邊發(fā)育明顯，幾條裂隙局部貫通，但沒有整體貫通;而中心區(qū)域一定范圍內(nèi)亮度略有增強(qiáng)，即這個范圍內(nèi)的土體處于持續(xù)微壓密狀態(tài).

圖1(b)為1#試樣1/2 高度斷面處的CT 掃描結(jié)果.初始掃描時，試樣斷面上也存在較多微小孔洞.繼續(xù)剪切時，白色高亮區(qū)域面積增大，試樣被壓密，試樣中心位置(矩形框內(nèi))的孔洞減小，外周部分區(qū)域出現(xiàn)微裂隙與微孔洞. 停止試驗時，只在試樣邊緣處有一些短的微裂隙產(chǎn)生，與1/4 高度斷面處的情形相差較大. 這是因為在設(shè)計吸力下，水分從底部的陶土板進(jìn)入試樣，1/4 高度處離陶土板較近，土粒中含水量高于1/2 高度處，土顆粒在較多水分潤濕下更容易發(fā)生相互滑動，產(chǎn)生裂隙［15］.

圖2 為4#試樣的CT 掃描圖，前2 次掃描圖像與1#試樣差別不大，斷面內(nèi)存在若干微小的孔洞和密度相對較大的區(qū)域(白色高亮區(qū))，土體處于微壓密狀態(tài).第3 次掃描時，斷面內(nèi)有幾條孤立、狹長的裂紋出現(xiàn)，寬度較窄，長度較短，沿斷面周邊分布(“1/4c”圖示).第4 次掃描時，原有裂紋逐漸展開，寬度增大，長度向中心區(qū)域縱向延伸，并伴隨新裂紋產(chǎn)生.第5 次掃描時，裂紋寬度進(jìn)一步擴(kuò)大，長度繼續(xù)增大，且有相互聯(lián)通趨勢(“1/4e”橢圓區(qū)域)，最終形成2 條主裂紋(“1/4f”圖示)，主裂紋貫穿整個斷面(圖中白色虛線). 剪切過程中，在1/2 高度斷面處也有少量裂紋產(chǎn)生，且其位置能很好地與1/4 高度斷面上的裂紋對應(yīng)，可以將其看作1/4 高度斷面處的裂紋在試樣軸線方向的延伸.

圖2 4#試樣CT 圖像Fig.2 CT images of No.4 sample

比較1#試樣和4#試樣剪切完成后的斷面掃描圖發(fā)現(xiàn)，4#試樣裂紋的展開性和聯(lián)通性比1#試樣明顯得多.原因是1#試樣固結(jié)時設(shè)定的吸力比4#試樣小(分別為50 和100 kPa)，吸水程度更充分［15］.在相同凈圍壓和軸向應(yīng)變下，顆粒之間充分潤濕使土體更容易產(chǎn)生相對滑移運動，故1#試樣的裂紋比4#試樣短，連通趨勢也沒有4#試樣明顯.

2#和3#試樣由于固結(jié)圍壓更大，土體結(jié)構(gòu)朝均勻致密的趨勢發(fā)展.5#和6#試樣在剪切過程中變化不大，均處于持續(xù)壓密狀態(tài)下，無裂紋產(chǎn)生.限于篇幅，2#、3#、5#和6#試樣的CT 圖像略.

3 CT 數(shù)據(jù)及剪切試驗結(jié)果分析

試驗獲得了6 個試樣在剪切過程中不同掃描時刻的CT 數(shù)據(jù)，CT 數(shù)平均值反映斷面上物質(zhì)點的平均密度，CT 數(shù)方差反映斷面上物質(zhì)點密度的差異程度.隨土體內(nèi)部缺陷發(fā)育程度增大，CT 數(shù)平均值減小，CT數(shù)方差則增大. 圖3 為6 個試樣1/4高度斷面處的CT 數(shù)平均值和方差隨軸向應(yīng)變的變化情況.

圖3 CT 數(shù)與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relationship of CT data and axial strain

對于1#試樣，由于剪切初期的微壓密作用，1/4 高度斷面處的CT 數(shù)平均值在第2 次掃描時達(dá)到最大，此后因裂紋的出現(xiàn)，CT 數(shù)平均值逐漸下降，并趨于一個穩(wěn)定值;相反，CT 數(shù)方差在第2 次掃描時最小，說明此時斷面上土體密度分布相對于其他掃描狀態(tài)最均勻，而后不均勻性逐漸增大，CT數(shù)方差亦增大. 剪切完成時，斷面的CT 數(shù)平均值比試驗剛開始時減小0.26%，方差增大37.80%.可見，剪切過程中，斷面上裂紋的出現(xiàn)導(dǎo)致CT 數(shù)方差的變化比均值的變化敏感得多.

剪切過程中其他試樣的CT 數(shù)平均值、方差的變化情況類似，不再贅述.

4 剪切過程中特殊區(qū)域CT 數(shù)變化規(guī)律分析

從CT 掃描圖可以看出，試樣掃描斷面上不同區(qū)域內(nèi)土體結(jié)構(gòu)的變化并不完全一致，既有裂紋開展區(qū)，又存在不同程度的壓密區(qū). 為了更細(xì)致地觀察斷面上某些特殊區(qū)域CT 數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，有必要選取特定區(qū)域分析.下面以1#試樣1/4 高度斷面處的CT 掃描圖像為例分析.

圖4 為1#試樣1/4 高度斷面處剪切前、后的掃描圖，特殊區(qū)域編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，斷面上整個區(qū)域命名為全區(qū)域.圖5 為1#試樣1/4 高度斷面上4 個特殊區(qū)域和全區(qū)域的CT 數(shù)據(jù)與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線. 試樣剪切前，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ內(nèi)土體較均勻，孔洞較少;剪切完成后，這2 個區(qū)域內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化——區(qū)域Ⅰ內(nèi)CT 數(shù)平均值增大0.47%，方差減小9.5%;區(qū)域Ⅱ內(nèi)CT 數(shù)平均值減小0.4%，方差增大6.02%.而剪切前區(qū)域Ⅲ、Ⅳ內(nèi)孔洞相對較多，但剪切完成后，區(qū)域Ⅲ內(nèi)CT 數(shù)平均值減小1.2%，方差增大66.89%;區(qū)域Ⅳ初始掃描時雖然孔洞較多，但由于其位于斷面中心區(qū)域，變形受周圍土體的約束，裂紋擴(kuò)展很困難，故剪切完成后，區(qū)域Ⅳ內(nèi)CT 數(shù)平均值增大(5.28%)，方差減小(6.5%). 而區(qū)域Ⅲ位于斷面邊緣位置，區(qū)域內(nèi)本身包含有較多孔洞，同時外側(cè)圍壓又較小，當(dāng)克服結(jié)構(gòu)抗力后，這部分土體很容易產(chǎn)生側(cè)向位移，從而形成大的孔洞和裂紋. 在剪切的任何一個階段，全區(qū)域的CT 數(shù)方差都比4 個區(qū)域大得多.

圖4 1#試樣1/4 高度斷面處特定區(qū)域Fig.4 Specific areas in the section at 1/4 sample height

圖5 1#試樣特定區(qū)域CT 數(shù)隨軸向應(yīng)變的變化Fig.5 Change of CT data in the specific areas of No.1 sample with axial strain

5 結(jié) 論

分布于合肥地區(qū)的沖積型黏性土呈硬塑狀，孔隙比小，壓縮模量較高，具超固結(jié)特性及弱—中膨脹性，對其在剪切過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律進(jìn)行CT 試驗研究，可為掌握這類土的工程特性提供試驗基礎(chǔ).

CT 試驗結(jié)果表明，當(dāng)凈圍壓較低時，經(jīng)過短暫的壓密階段后，試樣周邊很快產(chǎn)生裂紋，吸力越大，裂紋貫通程度越明顯，反之則越不明顯. 剪切完成后，CT 數(shù)平均值比剪切剛開始時都有不同程度的減小，方差增大較多，說明截面密度在剪切完成后下降，且由于裂紋擴(kuò)展引起密度分布不均勻. 當(dāng)凈圍壓較高時，剪切完成后試樣一般無裂紋產(chǎn)生，且整個截面區(qū)域內(nèi)試樣都有被壓密的現(xiàn)象，截面CT數(shù)平均值增大較多，方差減小，高圍壓和偏應(yīng)力的作用使截面密度分布變得更均勻、土體更致密.

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