王曉燕，姚志華，黨發(fā)寧，董忠級（.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院，西安 70054；　.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，西安 70048；3.空軍工程大學(xué)機場建筑工程系，西安 70038）

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裂隙膨脹土細觀結(jié)構(gòu)演化試驗

王曉燕1,2，姚志華3※，黨發(fā)寧2，董忠級1
（1.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院，西安 710054；2.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，西安 710048；3.空軍工程大學(xué)機場建筑工程系，西安 710038）

摘要：為研究裂隙膨脹土的細觀結(jié)構(gòu)特征，對重塑膨脹土進行了干濕循環(huán)、三軸浸水和各向等壓加載試驗。利用CT （computerized tomography）機對試驗過程中進行無損實時動態(tài)掃描，從細觀上分析膨脹土裂隙的產(chǎn)生以及裂隙在水和外力作用下的閉合全過程。將細觀掃描數(shù)據(jù)與宏觀物理參數(shù)相聯(lián)系，研究裂隙對膨脹土變形特征的影響。結(jié)果表明：無約束情況下對膨脹土進行干濕循環(huán)，試樣邊緣以及孔洞聚集區(qū)易形成裂隙；干濕循環(huán)造成膨脹土體積收縮存在一個穩(wěn)定漸近線，體縮會趨于1個穩(wěn)定值。裂隙膨脹土在浸水初期產(chǎn)生膨脹力并出現(xiàn)濕脹變形；隨著浸水量的增加，軟化效應(yīng)產(chǎn)生且膨脹力逐漸減小，在圍壓和偏應(yīng)力壓縮作用下繼而出現(xiàn)體縮現(xiàn)象；浸水后期，在偏應(yīng)力作用下試樣產(chǎn)生剪脹破壞，再次出現(xiàn)輕微剪脹變形。在水和荷載作用下，不規(guī)則裂隙和孔洞逐漸演化為較規(guī)則的圓形孔洞，且圓形孔洞趨于閉合；僅在外力作用時，裂隙較難完全閉合；水和外力的共同作用使得膨脹土裂隙的閉合效果要優(yōu)于單純施加荷載時的閉合效果。裂隙膨脹土在各向等壓加載過程中存在明顯屈服現(xiàn)象，以屈服點為分界，掃描數(shù)據(jù)和孔隙比隨荷載的增大分為快速體縮段和緩慢體縮段，前者與裂隙在荷載作用下閉合并演化成孔洞有關(guān)；后者與加載后期孔洞較難閉合且形成的新結(jié)構(gòu)具備抵御外部荷載的能力有關(guān)。研究成果可為進一步認(rèn)識裂隙對膨脹土力學(xué)特性的影響提供參考。

關(guān)鍵詞：CT；裂隙；土壤；結(jié)構(gòu)；膨脹土；演化規(guī)律

王曉燕，姚志華，黨發(fā)寧，董忠級. 裂隙膨脹土細觀結(jié)構(gòu)演化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（3）：92－100.

Wang Xiaoyan, Yao Zhihua, Dang Faning, Dong Zhongji. Meso-structure evolution of cracked expansive soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 92－100. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.014http://www.tcsae.org

0　引　言

膨脹土主要由伊利石和蒙脫石等親水性黏土礦物組成，具有超固結(jié)性、脹縮性和裂隙性等顯著特征，以吸水膨脹和失水收縮而得名[1]。反復(fù)的濕脹干縮使膨脹土產(chǎn)生裂隙，裂隙直接影響了膨脹土的強度和結(jié)構(gòu)，對其工程特性起到關(guān)鍵影響作用[2-3]，由膨脹土的裂隙而引發(fā)的農(nóng)田水利工程事故不勝枚舉[4]。

裂隙為膨脹土中水分運移提供了潛在通道[5]，裂隙也成倍地提高了膨脹土的滲透性，對相應(yīng)工程產(chǎn)生了負(fù)面影響[6]，因此，一些學(xué)者著重針對膨脹土的裂隙性展開研究。黎偉等[7]獲取了多次濕干循環(huán)下的膨脹土裂隙擴展圖像，并對圖像數(shù)字化處理，進而獲得了膨脹土裂隙的特征參數(shù)；張家俊等[8]利用矢量圖技術(shù)對南陽膨脹土反復(fù)干濕循環(huán)后的裂隙照片進行處理，提取裂隙的各種幾何要素，繼而進行裂隙度計算；Tang等[9]控制溫度使膨脹土產(chǎn)生裂隙，獲得了膨脹土試樣表面裂隙率；Wang等[10]對膨脹土表面裂隙的分布進行統(tǒng)計，建立了裂隙分布模型；Li等[11]建立表面裂隙率與膨脹土含水率、滲透系數(shù)等物理參數(shù)的相關(guān)函數(shù)關(guān)系。這些研究一定程度上反映了膨脹土表面裂隙生成和閉合的演化規(guī)律，然而，這些成果均是在分析膨脹土表面裂隙圖像基礎(chǔ)上得來，無法獲知膨脹土內(nèi)部裂隙的演化規(guī)律。如何了解膨脹土內(nèi)部裂隙開展閉合演化規(guī)律，需要進一步深入研究。

水分沿著裂隙進入埋深較大的膨脹土中，使得埋深較大的膨脹土產(chǎn)生濕脹干縮變形的幾率大為增加[12-13]，因此，研究膨脹土內(nèi)部裂隙的演化規(guī)律顯得尤為必要。CT（Computerized Tomography）技術(shù)具有實時、無損檢測的優(yōu)勢條件，能夠?qū)ξ矬w內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行非侵入性掃描[14]，因此，CT技術(shù)受到研究人員的青睞，進而將其應(yīng)用在巖石[15]、混凝土[16]等材料裂隙發(fā)育和閉合研究上。許多研究人員也嘗試著將該技術(shù)應(yīng)用到膨脹土研究領(lǐng)域，并取得了一些有意義的成果。盧再華等[17]，雷勝友等[18]對原狀膨脹土在加載和浸水過程中進行了CT實時掃描，但成果沒有涉及膨脹土裂隙的生成與閉合相關(guān)研究；汪時機等[19]對預(yù)先制造孔洞的膨脹土進行加載CT掃描，研究了孔洞在加載過程中的演化規(guī)律，但沒有涉及膨脹土的裂隙特征；袁俊平等[20]采用模擬降雨和自然風(fēng)干的試驗手段，通過實時CT掃描揭示了裂隙的產(chǎn)生過程，并以變異系數(shù)來描述裂隙發(fā)育規(guī)律，但該研究沒有針對受外部荷載情況下的裂隙演化特征。

膨脹土的裂隙演化與干濕循環(huán)、荷載狀態(tài)和浸水條件等因素密切相關(guān)，以往成果中鮮有全面涉及這些因素如何影響膨脹土裂隙生成和閉合的全過程，而且內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)特征更是鮮有提及。本文旨在利用CT技術(shù)，分析膨脹土裂隙在干濕循環(huán)過程中的生成以及在浸水和外荷作用下的閉合全過程，為進一步認(rèn)識裂隙對膨脹土力學(xué)特性的影響提供一定的參考，同時也為裂隙引發(fā)膨脹土地區(qū)農(nóng)田水利工程事故分析提供一定的借鑒。

1　材料與方法

1.1供試材料

試驗所用膨脹土土料取自河南南陽陶岔南水北調(diào)中線工程的渠坡，土樣呈棕黃色，自由膨脹率為80%。土料以＜0.01 mm的細粒為主，其中＜0.005 mm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到24%。礦物組成主要有33%的伊利石、約19%的蒙脫石以及6%的高嶺石。土料經(jīng)過2 mm篩后，重塑制樣，試樣直徑39.1 mm、高度80 mm，其土顆粒相對密度為2.73、干密度為1.55 cm3、初始質(zhì)量含水率為24.74%、飽和度為88.58%。共做了5個試樣，1?！?＃用于三軸浸水試驗、5＃用于各向等壓加載試驗。

1.2試樣干濕循環(huán)

對1?！?＃重塑膨脹土試樣進行干濕循環(huán)，以形成具有初始裂隙結(jié)構(gòu)的試樣。分別采用烘箱烘干和滴水法進行干燥和增濕，其中烘箱溫度控制在35℃恒溫狀態(tài)（模擬夏季室外日照環(huán)境），滴水法則將干燥試樣的飽和度恢復(fù)到試樣初始狀態(tài)的值88.58%。

1.3三軸浸水和各向等壓加載試驗

干濕循環(huán)后，1#～4#試樣進行控制圍壓和偏應(yīng)力的三軸浸水試驗，試樣的初始物理指標(biāo)以及浸水過程中應(yīng)力狀態(tài)參見表1。凈平均應(yīng)力分級施加（25、50、75、100、150、200、250和350 kPa）。試驗過程中僅控制圍壓和氣壓，由于排水孔隙水壓力為0，施加的氣壓為50 kPa，因此試樣排水穩(wěn)定后吸力為50 kPa。采用改進的多功能土工三軸儀[21]控制偏應(yīng)力、圍壓和吸力。浸水時使用英國GDS公司生產(chǎn)的壓力/體積控制器提供反壓，實現(xiàn)常水頭下的浸水。偏應(yīng)力穩(wěn)定過程中剪切速率為0.0167 mm/min；浸水過程中為0.2 mm/min，反壓取20 kPa[22]。施加反壓時同步提高圍壓，使凈圍壓保持不變。

表1　試樣初始物理參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)Table 1　Physical parameters and stress states of samples

對干濕循環(huán)后的5#試樣進行控制吸力為50 kPa的各向等壓加載試驗，該試樣的初始體積92.05 cm3、飽和度88.73%、吸力50 kPa，其他指標(biāo)見表1。對控制吸力的各向等壓加載試驗也采用多功能土工三軸儀，試驗穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為[21]：在2 h內(nèi)，試樣的體變和排水量分別小于0.0063 和0.012 cm3。

1.4CT掃描

試驗中采用ProSpeed AI型X射線單排螺旋CT機（GE公司）（圖1）進行CT實時掃描。CT機的基本結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)指標(biāo)、工作原理等描述見文獻[23]。掃描的圖像要選擇適當(dāng)?shù)拇皩挕⒋拔?。窗寬是指顯示圖像時所選用的CT值范圍，在此范圍內(nèi)的物質(zhì)按其密度高低從白到黑分為16個等級（灰階）。窗位是指窗寬上下限CT值的平均數(shù)。窗位的高低影響圖像的亮度；窗位低，圖像亮度高呈白色，窗位高，圖像亮度低呈黑色[23]。不同的窗寬和窗位不影響試樣的CT掃描數(shù)據(jù)，但對圖像的清晰程度造成影響。掃描圖像統(tǒng)一設(shè)置窗寬為400，窗位為1 600，以便對照分析試樣的CT圖像。

圖1　CT三軸儀實物圖Fig.1　CT-triaxial apparatus

CT掃描位置選定為試樣上、下1/3高度處的2個截面，分別代表B和A截面，如圖2所示。干濕循環(huán)過程中，待試樣干燥和增濕后體積穩(wěn)定，且試樣飽和度達到初始狀態(tài)時，進行CT掃描，每個試樣共掃描6次。三軸浸水試驗過程中，試樣待固結(jié)和施加偏應(yīng)力變形穩(wěn)定后，進行掃描1次；浸水5、10、15、20 g之后各掃描1次，每個試樣共掃描5次。各向等壓加載過程中，每次掃描對應(yīng)的凈平均應(yīng)力為25、50、75、100、150、200、250 和350 kPa，共計8次。

圖2　試樣CT掃描位置示意圖Fig.2　CT scanning position of sample

1.5指標(biāo)計算

1）三軸應(yīng)力狀態(tài)可用式（1）～（3）描述[21]：

式中p、q和s分別為凈平均應(yīng)力、偏應(yīng)力和吸力，kPa；σ1、σ2和σ3分別是大、中和小主應(yīng)力，kPa；ua和uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力，kPa。

2）體應(yīng)變和偏應(yīng)變是研究試樣變形的重要力學(xué)參數(shù)，計算式如下[21]：

式中εv和εs分別表示試樣的體應(yīng)變和偏應(yīng)變，%；ΔV和V0分別表示試樣的體積變化量和試樣的初始體積，cm3；ε1和ε3分別是大主應(yīng)變和小主應(yīng)變，%；εv與土的孔隙比e相聯(lián)系，即

式中e0是試樣的初始孔隙比，其值等于初始試樣的孔隙體積與其固體顆粒體積之比值。

3）CT機得到的物體某斷面每個物質(zhì)點CT數(shù)ME，可以通過下式計算[23]：

式中μ1和μ2代表某物質(zhì)和水的吸收系數(shù)；ME為CT數(shù)，HU（housfield unit）?？諝?、水的CT數(shù)分別為?1 000、0 HU。

采用統(tǒng)計計算，在一定置信區(qū)間上可以得到選定區(qū)域物質(zhì)點的密度差異程度，用方差SD表示。ME反映了選定區(qū)域所有物質(zhì)點的平均密度，SD則反映了該區(qū)域所有物質(zhì)點密度的不均勻程度[23]。ME越大表示密度越大，SD越大則指密度的不均勻程度越高；反之，則密度越小以及不均勻程度越低。

2　結(jié)果與分析

2.1干濕循環(huán)裂隙生成

干濕循環(huán)過程總計3次，干燥和增濕過程中產(chǎn)生不同程度的裂隙和裂紋。所有試樣規(guī)律相似，以3#試樣為例，圖3表明濕干循環(huán)過程側(cè)面照片。由圖可知，經(jīng)過多次循環(huán)，試樣主裂隙已經(jīng)形成。宏觀上可以看到試樣的主裂隙和次生裂隙相互交錯，形成裂隙網(wǎng)格。試樣第1次烘干僅是體積縮小，并未出現(xiàn)裂紋或者裂隙；第1次增濕體積膨脹穩(wěn)定后，基本上均出現(xiàn)了裂紋和裂隙。再次干燥裂隙擴大并延伸，后來的干燥和增濕更是加重這一現(xiàn)象，可以說增濕和干燥對膨脹土裂隙的生成均產(chǎn)生影響。

圖3　3#試樣部分試樣側(cè)面照片F(xiàn)ig.3　Lateral photos of sample 3#

圖4表明4#試樣B截面在干濕循環(huán)過程中裂隙變化情況（其余試樣CT圖像差異不大，文中不再列出）。由該圖可知，反復(fù)多次吸水膨脹及失水收縮，造成土樣結(jié)構(gòu)疏松，形成很多大小不一、形狀各異的裂隙。第2次增濕和干燥后，試樣內(nèi)部孔洞變大，且孔洞之間有了連通的趨勢。第2次增濕和第3次烘干后，主裂隙產(chǎn)生。由CT圖像可知主裂隙是在原有孔洞聚集區(qū)基礎(chǔ)上發(fā)育而來?？锥淳奂瘏^(qū)即試樣薄弱區(qū)，增濕后水分進入孔洞，而干燥后孔洞中的水分再次流失?？锥吹氖湛s與擴張，勢必對孔洞之間土造成破壞，很容易使孔洞連接、貫通，主裂隙隨之而產(chǎn)生。

圖4　4#試樣截面B裂隙生成過程中CT圖Fig.4　CT images of cross section B of sample NO.4#in development of cracks during dry- wet cycle test

圖5詳盡記錄了1#～4#試樣在干濕循環(huán)過程中濕脹干縮體積變化規(guī)律，由該圖可知第1次烘干，試樣體積收縮較大，4個試樣體積基本上減小了15 cm3左右，第2次和第3次烘干后，體積減小已經(jīng)不是很明顯；且3次烘干體積縮小存在一個穩(wěn)定漸近線，這也說明了膨脹土的體積收縮會趨于一個穩(wěn)定值。

圖5　試樣體積隨試樣掃描狀態(tài)的變化Fig.5　 Volume change of samples in scanning state

通過CT掃描，獲得了截面A和B的掃描數(shù)據(jù)ME 和SD，將2個截面掃描數(shù)據(jù)進行平均，平均值作為試樣掃描時的代表值，本文中出現(xiàn)的ME和SD均是進過平均處理后的數(shù)據(jù)。將6次掃描數(shù)據(jù)與試樣體應(yīng)變進行聯(lián)系，如圖6所示。由圖6a可知，前4次掃描，隨著體應(yīng)變的增大和減小，ME值相差不大，但Ⅴ次和Ⅵ次掃描時，ME值變得較為離散（橢圓中數(shù)據(jù)），說明了此時試樣內(nèi)部斷面的平均密度發(fā)生較大變化，雖然4個試樣體積相差很?。▓D5），但4個試樣內(nèi)部裂隙發(fā)育程度不一（圖4），影響了掃描斷面的平均密度。

圖6b描述了方差SD與體應(yīng)變之間關(guān)系。方差SD反映了掃描區(qū)域所有物質(zhì)點密度的差異程度，Ⅴ次和Ⅵ次掃描后，4個試樣掃描斷面的SD數(shù)值變得較為離散（橢圓中），這也進一步說明了裂隙分割了試樣斷面，造成了各個區(qū)域密度差異程度較大。從圖6中可以看出，CT 數(shù)ME和方差SD值劇烈變化與試樣內(nèi)部裂隙和孔洞生成密切相關(guān)，試樣的細觀掃描數(shù)據(jù)變化（圖6）與干濕循環(huán)過程中裂隙發(fā)育CT圖像（圖4）是一致的。

圖6　干濕循環(huán)過程中掃描數(shù)ME與體應(yīng)變之間關(guān)系Fig.6　Relationship between samples’ scanning data ME and volumetric strain

2.2三軸浸水試驗中裂隙閉合規(guī)律

分別對干濕循環(huán)后的1#～4#試樣進行三軸浸水試驗，并伴隨實時CT掃描。圖7是試樣浸水過程中所得到的CT圖像（其余圖像未列出）。每個截面CT圖像分別代表固結(jié)和偏應(yīng)力平衡后（浸水0 g）、浸水5、10、15和 20 g。限于篇幅，文中重點介紹3#試樣。

圖7b和圖7c是3#試樣截面A和截面B的掃描圖像。初始掃描可見試樣裂隙和孔洞發(fā)育明顯，各個截面都有裂隙貫通試樣，并伴有次生裂隙存在。黑色區(qū)域較多，說明試樣密度較低。較多的裂隙存在為試驗浸水提供良好的通道和條件，在反壓作用下水從裂隙處迅速自下而上蔓延。

圖7　試樣各截面不同浸水量時的CT掃描圖像Fig.7　CT images of sample in different soaking water amount

圖7b中，浸水后第1次掃描發(fā)現(xiàn)，大裂隙閉合較好，尤其是靠近試樣外邊緣。在窗寬和窗位不變情況下，白色區(qū)域明顯增多，說明密度有了較大的提高。試樣靠近上端的B截面（圖7c），大裂隙閉合比較明顯，但與下端的A截面相比還是存在差異，裂隙邊緣缺口沒有完全愈合。

試樣浸水10 g時，即第3次掃描后，試樣底端A截面裂隙基本全部閉合，只存在小孔洞；而B截面裂隙依然存在并未閉合。試樣第4次掃描發(fā)現(xiàn)2個截面小孔洞基本消失，這與試樣自身壓縮與試樣浸水土樣膨脹有關(guān)。試樣底部截面面積略微增大，與試樣底部濕化體脹有關(guān)。靠近上端的B截面裂隙沒有愈合，其余裂隙消失。試樣第5次掃描后，圖片中裂隙已經(jīng)全部閉合，只有上端B截面微裂隙存在。此時底部A截面面積增大較多，在窗寬窗位不變情況下，說明此時試樣底部鼓起，發(fā)生了軟化效應(yīng)并產(chǎn)生剪脹破壞。

對比圖7中各個試樣，3#和4#試樣裂隙閉合程度要小于1#試樣，由前文表2可知3#和4#試樣受到的圍壓較大。在同一窗寬窗位視圖下，4#試樣A截面要略大于3#試樣A截面，這也與4#試樣受到的100 kPa偏應(yīng)力有關(guān)。試樣在水的作用下，受到的外荷載越大其變形越大，這也說明了裂隙的閉合與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

由上述分析可知，膨脹土裂隙的閉合與水的作用密不可分，且裂隙的閉合程度與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；浸水后，試樣的裂隙首先是外邊緣閉合，接著內(nèi)部裂隙和孔洞減??；更小的孔洞隨著浸水量的增多，以及濕脹和壓縮變形后逐漸閉合。裂隙的閉合因素較多，但水和荷載作用應(yīng)是至關(guān)重要因素。

將浸水過程中掃描數(shù)據(jù)ME和SD值與浸水量之間關(guān)系分別繪于圖8。由圖可知，試樣固結(jié)完后（浸水0 g）初次掃描時ME值和SD值相差較大，這與干濕循環(huán)造成的初始損失有關(guān)。隨著浸水的開始，各試樣的ME值隨著浸水量的增大而近似線性增長，SD曲線則線性下降。

圖8　CT數(shù)ME及SD與浸水量的曲線圖Fig.8　Variation of CT data ME and amount of soaking water

圖8a中當(dāng)浸水約12.7 g時，除了3#試樣以外，其余試樣曲線相交，說明了此時的試樣截面密度趨于一致。試樣未進行干濕循環(huán)時，截面密度是相同的，但經(jīng)歷了干濕循環(huán)后，截面密度相差較大，但隨著浸水時的裂隙閉合，相差較大的截面密度趨于相同。然而隨著浸水的繼續(xù)，試樣受到的圍壓和荷載不同，使得后期截面密度再次不同，說明應(yīng)力狀態(tài)對試樣截面密度影響較為重要。另外，浸水后期，試樣所受到的外荷載越大，其壓縮變形和剪脹變形也越大，使得密度有了再次提高的趨勢。圖8中4#試樣的截面密度隨著圍壓和偏應(yīng)力的增大而增大，且明顯大于其他試樣。

圖8b中方差SD類似出現(xiàn)了圖8a中曲線變化形態(tài)，浸水前試樣的密度差異程度較大，隨著浸水的進行，截面密度的差異程度逐漸縮小，使得SD曲線出現(xiàn)相交；但浸水后期由于應(yīng)力狀態(tài)不同而導(dǎo)致密度差異程度同樣出現(xiàn)不同。由此可見應(yīng)力狀態(tài)的不同對試樣的裂隙閉合以及新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生造成較大影響。

圖9是浸水過程中試樣掃描數(shù)據(jù)ME和SD與體應(yīng)變之間的變化曲線。2#、3#和4#試樣曲線呈“S”型，呈現(xiàn)濕脹－剪縮－剪脹的3個變形階段，而1#試樣僅有濕脹－剪縮2個階段，沒有出現(xiàn)再次體脹現(xiàn)象。試樣浸水初期，裂隙為浸水提供了便利通道，水分在壓力水頭作用下迅速浸入試樣中，而膨脹土中富含親水性礦物，如：伊利石和蒙脫石，這些親水性礦物遇水使得礦物晶格層間距增大[24]，礦物顆粒之間的結(jié)合水膜增厚，結(jié)合水膜楔入礦物顆粒之間[25]，試樣體積會出現(xiàn)濕脹現(xiàn)象并伴隨產(chǎn)生膨脹力。試樣浸水后，游離氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等膠結(jié)物會遇水溶解，膨脹土顆粒會喪失結(jié)構(gòu)聯(lián)接[26]，產(chǎn)生了遇水軟化效應(yīng)，且膨脹力會隨著含水率的增大而減小[27]，在圍壓和偏應(yīng)力作用下，試樣繼而出現(xiàn)體積剪縮現(xiàn)象。浸水后期，試樣在偏應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪脹破壞，使得試樣再次出現(xiàn)體脹現(xiàn)象。1#試樣所受到的圍壓和偏應(yīng)力較小，浸水后期試樣并沒有出現(xiàn)剪脹破壞，因此僅有濕脹和剪縮2個階段。

圖9　浸水試驗中CT數(shù)ME及SD與體應(yīng)變的變化曲線Fig.9　Variation of CT data ME and its SD and volumetric strain during soaking test

圖10是浸水過程中各試樣CT數(shù)ME和方差SD隨偏應(yīng)變（式（5）計算）的變化曲線?？傮w來看隨著偏應(yīng)變增長初期，ME增長和SD下降均較快；但隨著偏應(yīng)變繼續(xù)增大，ME增長和SD減小趨于平穩(wěn)。以偏應(yīng)變sε等于2%為分界點，可以將ME和SD增大和減小分為兩個階段。第1階段分別為陡增段和陡降段，該階段與試樣濕脹，礦物顆粒填充裂隙和孔洞，截面平均密度增大、差異程度減小等因素有關(guān)；第2階段稱為平穩(wěn)段，該階段主要由于試樣裂隙基本閉合，截面平均密度趨于穩(wěn)定且密度差異已經(jīng)不明顯。陡增(降)段說明了試樣結(jié)構(gòu)初始損傷較大，裂隙較多；平穩(wěn)段則說明了試樣裂隙閉合明顯、密度趨于穩(wěn)定，土樣截面上結(jié)構(gòu)缺陷逐漸消失。

圖10　浸水試驗中CT數(shù)ME與偏應(yīng)變的變化曲線Fig.10　Variation of CT data ME and deviatoric strain during soaking test

2.3各向等壓加載試驗中裂隙演化規(guī)律

圖11是各向等壓加載試驗中5#試樣在凈平均應(yīng)力為25、50、75、100、150、200、250和350 kPa時的掃描圖像。由該圖可知，凈平均應(yīng)力為25 kPa的截面A和截面B掃描圖像都存在裂隙，相互貫通和交織的裂隙以及孔洞破壞了截面的完整性。截面A中的裂隙（圖11a）相互交織貫通；截面B中裂隙（圖11c）發(fā)育沒有A截面大，但也貫通整個試樣。隨著凈平均應(yīng)力的增大，截面A和截面B的邊緣裂隙逐漸閉合，并演化為較大的孔洞。當(dāng)凈平均應(yīng)力＞100 kPa后裂隙閉合現(xiàn)象較為緩慢，這也說明了試樣原有破碎結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為較為密實的新結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)具備了抵抗外部荷載的能力。隨著試樣密實度的再次提高，孔洞縮小的幅度也在降低，新產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以抵御更大的外力作用。

圖11　5#試樣各級荷載對應(yīng)的CT掃描圖像Fig.11　CT scanning images of sample No.5#in different loading state

另外，由圖11可知，裂隙和孔洞閉合呈現(xiàn)不同的規(guī)律。裂隙閉合先是從邊緣處，再過渡到試樣內(nèi)部，使裂隙逐漸演化為孔洞，較大孔洞在圍壓作用下很快變小?？锥摧^裂隙不容易閉合，原因在于同樣的受力狀態(tài)下，圓形孔洞受力性能優(yōu)于不規(guī)則裂隙，使得試樣受力后期部分孔洞不能完全閉合且能承受荷載作用。隨著荷載的繼續(xù)增大，演化后的孔洞也在逐漸變小，但是這些孔洞始終在加載范圍內(nèi)無法完全閉合。這與前文中浸水加載過程中試樣裂縫（圖7）最終完全閉合現(xiàn)象有區(qū)別，這也顯示了水的作用在裂縫演化過程中的重要性。單純的外部荷載對膨脹土變形和裂隙演化起到了一定作用，但裂隙不易完全閉合。

圖12是5#試樣在各向等壓加載過程中掃描數(shù)據(jù)ME和SD與試樣體應(yīng)變的關(guān)系曲線。隨著試樣體應(yīng)變的增大，即試樣發(fā)生體縮時，試樣中由于干濕循環(huán)造成的裂隙以及孔洞逐漸發(fā)生閉合現(xiàn)象。在體應(yīng)變約為4.5%之前，ME和SD隨體應(yīng)變的增大而線性增大和減小，且線性增大和減小的趨勢比較明顯，這個階段可以稱為快速體縮段；而體應(yīng)變在4.5%之后，ME～εv和SD～εv曲線的增長和減小速度變得緩慢，該階段稱之為緩慢體縮段。在試驗后期，試樣承受較大荷載時，裂隙和孔洞會發(fā)生閉合，由于自身密度的增長變緩，使得ME和SD上升和下降變緩，這可以認(rèn)為試樣發(fā)生了屈服現(xiàn)象。

圖13是5#試樣在各向等壓加載過程中孔隙比與凈平均應(yīng)力的變化曲線。e～p曲線以凈平均應(yīng)力為118 kPa為拐點，可以分為2個階段：第1階段，孔隙比在較小荷載作用下迅速變小；第2階段，即使在較大荷載作用下，孔隙比減小的速率降低，直線斜率變小。與圖12中體縮相似，以凈平均應(yīng)力118 kPa作為分界點，e～p曲線由快速體縮段和緩慢體縮段共同組成。圖13中的凈平均應(yīng)力為118 kPa與圖12中的體應(yīng)變?yōu)?.5%前后反應(yīng)規(guī)律基本一致?？焖袤w縮段與裂隙和孔洞的閉合造成了試樣密度趨于均勻且變大有關(guān)；緩慢體縮段與裂隙閉合后的新結(jié)構(gòu)能夠抵御荷載作用而產(chǎn)生變形有關(guān)。圖13中屈服點發(fā)生在凈平均應(yīng)力為118 kPa時，該值也可以作為該試樣的屈服應(yīng)力點。

圖12　5#試樣掃描數(shù)據(jù)與體應(yīng)變之間的變化關(guān)系Fig.12　Relationship of ME and SD with volumetric strain of sample 5#

圖13　5#試樣孔隙比與凈平均應(yīng)力之間的變化曲線Fig.13　Relationship between void ratio and net mean stress of sample 5#

與前文中浸水試驗相比，僅在外荷載作用下，裂隙演化為孔洞，土樣體積壓縮變小，密度提高，但膨脹土中礦物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)并沒有溶解，其聯(lián)結(jié)作用依然存在。沒有水的作用，試樣不會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，且新形成的致密結(jié)構(gòu)會抵御外部荷載。

3　結(jié)論與討論

本文對重塑膨脹土首先進行了干濕循環(huán)使其產(chǎn)生裂隙，再對裂隙膨脹土進行了三軸浸水試驗和各向等壓加載試驗，在其干濕循環(huán)、三軸浸水和各向等壓加載過程中進行實時CT掃描，取得了較多的CT圖像，從宏觀和細觀上分析了裂隙生成以及水和外力作用下裂隙閉合的全過程，主要研究成果包括：

1）無約束情況下的干濕循環(huán)過程，膨脹土試樣邊緣以及孔洞聚集區(qū)易形成裂隙；干濕循環(huán)造成膨脹土體積收縮存在一個穩(wěn)定漸近線，體縮會趨于一個穩(wěn)定值；

2）裂隙膨脹土在浸水初期產(chǎn)生膨脹力并出現(xiàn)濕脹體變；隨著浸水量的增加，膨脹土遇水軟化效應(yīng)產(chǎn)生且膨脹力逐漸減小，在圍壓和偏應(yīng)力壓縮作用下繼而出現(xiàn)體縮現(xiàn)象；浸水后期，在偏應(yīng)力作用下試樣產(chǎn)生剪脹破壞，再次出現(xiàn)輕微體脹現(xiàn)象。

3）膨脹土的不規(guī)則裂隙和孔洞在水和荷載作用下逐漸演化為較為規(guī)則的圓形孔洞，且孔洞趨于閉合；僅在外力作用時，裂隙較難完全閉合，會逐漸演化為孔洞；水和外力共同作用使得膨脹土裂隙閉合效果比單純施加荷載閉合效果要好。

4）裂隙膨脹土在各向等壓加載過程中存在明顯屈服現(xiàn)象，以屈服點可以將體變分為快速體縮段和緩慢體縮段。加載初期，試樣體縮較為明顯，這與裂隙在荷載作用下閉合并演化成孔洞有關(guān)；加載后期，孔洞較難閉合且形成的新結(jié)果有了抵御外部荷載的能力，使得體縮變得較為緩慢。

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Meso-structure evolution of cracked expansive soils

Wang Xiaoyan1,2, Yao Zhihua3※, Dang Faning2, Dong Zhongji1
(1. Xi’an Engineering Investigation and Design Research Institute of China National Non-ferrous Metals Industry, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an University of Technology, Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an 710048, China; 3. Department of Airdrome Construction Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

Abstract:The crack property of expansive soil is one of the important characteristics, which is different from other types of soils. The development of cracks greatly affects the engineering properties of expansive soils. In order to study the meso-structural characteristic of cracked expansive soil, the dry-wet cycle test, triaxial soaking test and isotropic loading test were carried out on the remolded expansive soil in scientific research station of Logistics Engineering University in Hanzhong city, Shanxi province, China. The data including volumetric strain and deviatoric strain were obtained by these tests. Using CT (computerized tomography), test samples were scanned nondestructively in real-time to obtain CT images. The whole evolving process of cracks in expansive soils was investigated under the action of water and external force from the microscopic view. The effect of the crack on the macro-meso deformation behavior of expansive soil was studied by the relationship between the micro data and macro physical parameters. Test results showed that, under unconstrained conditions of dry-wet cycles, the edges and the gathering holes area of expansive soil sample were easy to form crack. Volume shrinkage caused by dry-wet cycle of expansive soil had a stable asymptote line and would tend to a stable value. The volume change of the expansive soil had experienced 3 stages in triaxial soaking test with the water and external force. Firstly, in the initial stage of triaxial soaking test, expansive force caused by soaking water led to wetting expansive deformation of cracked expansive soil. Secondly, the softening effect appeared and the expansion force gradually decreased with the increase of water content, under the influence of confining pressure and deviatoric stress, the shearing shrinkage was followed. Thirdly, in the late period of soaking test, the shear failure of the specimen under the effect of deviatoric stress caused the phenomenon of slight dilation. Cracked expansive soil during isotropic loading process had obvious yield phenomenon, taking yield point as the cut-off point, the curve of scanning data and pore ratio with the load increases was divided into rapid and slow volume shrink period. The rapid volume shrinkable period was related to cracks and holes closure, and the slow volume shrinkable period was related to the formation of the new structure which had ability to resist the external load. From the CT-scanning images of triaxial soaking test and isotropic loading test, under the action of water and external load, the irregular cracks and holes were gradually evolved into a regular circular hole, and the circular hole tended to close. With only the action of the external force, the crack was more difficult to complete closure. The interaction of water and external force made the expansive soil crack closure effect better than that of only external loading. Therefore, water plays a key role in the effect of the crack ’development of expansive soil. The results would provide valuble information for the further understanding of the influence of cracks on the mechanical properties of expansive soil.

Keywords:computerized tomography; cracks; soils; structure; expansive soil; evolution laws

通信作者：※姚志華，男，甘肅成縣人，講師，博士，主要從事非飽和土力學(xué)及特殊土地基處理方面研究.。西安空軍工程大學(xué)機場建筑工程系，710038。Email：lightbright@163.com

作者簡介：王曉燕，女，河南漯河人，工程師，博士生，主要從事黃土力學(xué)及相關(guān)工程設(shè)計研究。西安中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院，710054。Email：48962982@qq.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（10672182、10902091、51509257）

收稿日期：2015-09-12

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號：TU458；TU443

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0092-09

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.014 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.014http://www.tcsae.org