韋秉旭，龔　樹，劉　斌，劉　雄，歐陽運清

(長沙理工大學 a交通運輸工程學院；b道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，長沙　410114)

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膨脹土細觀結(jié)構(gòu)變化及與聲波波速的關(guān)系

韋秉旭a，龔樹a，劉斌a，劉雄a，歐陽運清b

(長沙理工大學a交通運輸工程學院；b道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，長沙410114)

采用CT技術(shù)和TH204型非金屬超聲波儀測試，探討了干濕循環(huán)作用下膨脹土的細觀結(jié)構(gòu)及其平均縱波波速的變化規(guī)律，并運用損傷力學的研究方法定義基于CT數(shù)的損傷變量，據(jù)此建立了干濕循環(huán)作用引起的細觀結(jié)構(gòu)變化與平均縱波波速變化之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：第1～4次干濕循環(huán)對膨脹土細觀結(jié)構(gòu)變化影響較大，內(nèi)部微裂隙發(fā)育明顯，第7～8次干濕循環(huán)對細觀結(jié)構(gòu)影響甚微；膨脹土的平均縱波波速隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性衰減，并最終趨于穩(wěn)定；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土損傷變量逐漸增加，其細觀結(jié)構(gòu)損傷演化是一種非線性累積過程；膨脹土平均縱波波速與基于CT數(shù)的損傷變量具有良好的指數(shù)衰減關(guān)系。

CT技術(shù);膨脹土；干濕循環(huán)；細觀結(jié)構(gòu)；平均縱波波速

1　研究背景

膨脹土是一種水敏性材料，在季節(jié)性干濕循環(huán)作用下，土體內(nèi)部會產(chǎn)生大量雜亂無章的微裂隙。這些微裂隙的萌生、發(fā)展和貫通破壞了土體結(jié)構(gòu)完整性，是造成膨脹土邊坡失穩(wěn)滑塌的主要原因。因此，研究干濕循環(huán)作用下膨脹土微裂隙結(jié)構(gòu)的變化至關(guān)重要。

目前，膨脹土微裂隙的量測方法有X射線衍射法、掃描電鏡法、CT法和超聲波法等[1]。超聲波法一般采用超聲波脈沖透射法量測巖土體內(nèi)的超聲波速[2]，利用不同的超聲波速反映巖土體內(nèi)部裂隙的發(fā)展狀況。目前，國內(nèi)外利用超聲波研究巖石的裂隙性已有報道。A.Lachouri等[3]、S.Saad等[4]基于聲學參數(shù)譜分析和精確的線性預(yù)測分析，描述了巖石的聲學特性，通過預(yù)計功率譜密度誤差變化來診斷巖石試樣內(nèi)部是否存在微裂隙和孔洞；周蓓銳等[5]對某隧道工程的巖體進行聲學特性研究，其研究結(jié)果表明，巖體的聲學特性與巖體結(jié)構(gòu)、破碎程度、風化程度密切相關(guān)。然而，土的超聲波特性的研究還處于起步階段，王崢輝[6]通過對原狀和擾動狀態(tài)下的黃土進行聲波測試，得到了黃土的聲波經(jīng)驗公式，說明了利用巖體中常用的聲波波速來了解巖體性質(zhì)的方法在土體中是可行的；黃震等[7]采用超聲波儀對含水率分別為塑限含水率和最佳含水率的碾壓膨脹土進行聲速測試，研究了等幅干濕循環(huán)作用下膨脹土縱波速度的變化規(guī)律，提出裂隙萌生和發(fā)展是干濕循環(huán)作用下膨脹土縱波速度衰減的根本原因；韋秉旭等[8]用縱波波速定義膨脹土疲勞損傷的損傷變量，探討了干濕循環(huán)作用下膨脹土的疲勞損傷變化規(guī)律，研究了膨脹土內(nèi)部裂隙的演化過程。

巖土體聲波波速是巖土體內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)的綜合宏觀表現(xiàn)，而宏觀表現(xiàn)的本質(zhì)因素則需要通過微、細觀結(jié)構(gòu)研究來揭示。

計算機層析成像技術(shù)(簡稱CT技術(shù))通過掃描試樣截面，可定量地量測巖土材料的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)變化[9]。鑒于此，本文借助CT技術(shù)，以南陽膨脹土為研究對象，對0～8次干濕循環(huán)后的重塑土樣進行CT掃描和超聲波測試，以CT數(shù)據(jù)定義損傷變量，利用土體的損傷變量來反映干濕循環(huán)作用后土體的細觀結(jié)構(gòu)變化，探討了干濕循環(huán)作用下膨脹土的聲波波速與其細觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

2　計算機層析成像技術(shù)原理

放射源發(fā)出的X射線束穿透物質(zhì)時，受物質(zhì)吸收程度的影響，X射線強度呈指數(shù)衰減[10]，衰減方程如式(1)：

(1)

式中：I為穿透物體后的射線強度；I0為射線的初始強度；ρ為物體密度；x為射線穿透長度；μm為單位質(zhì)量物體的X射線吸收系數(shù)，通常只與射線波長有關(guān)；E為離子能量；Emax為離子能量最大值。

按照Housfield教授提出的算法[11]，以絕對量計算物體對X射線的吸收，則CT數(shù)ME與物體密度之間的關(guān)系如式(2)：

ME=1 000×(μm-μw)/μw。

(2)

式中μw為純水的X射線吸收系數(shù)。純水與大氣的CT數(shù)分別為0Hu和1 000Hu，為CT標尺上的固定點。

3　試驗概況

由于受結(jié)構(gòu)性、不均勻性、應(yīng)力歷史等影響，在相同的試驗條件下原狀膨脹土試樣內(nèi)部裂隙發(fā)展和波速變化差異的可比性較差，并且現(xiàn)場很難采集到均勻的原狀土樣，以及國內(nèi)外將中、弱膨脹土成功應(yīng)用于下路堤填料的現(xiàn)實，故本文主要研究簡單均勻的重塑膨脹土。

3.1試樣制備

試驗用土取自河南南陽，取土深度2.0～3.0m(當?shù)氐臍夂蛴绊懮疃炔怀^2m)，呈棕黃色。按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123—1999)測得膨脹土的基本物理性質(zhì)指標如表1。根據(jù)膨脹土膨脹潛勢等級判別標準[12]，南陽膨脹土為中膨脹性土。

表1　土樣的物理性質(zhì)指標Table 1　Physical properties of soil samples

3.2CT試驗裝置

本次試驗在長沙理工大學道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室進行。試驗采用德國YXLON工業(yè)CT機，空間分辨率為0.25mm×0.25mm，空間可識別體積為0.06mm3。CT機掃描控制電壓為250kV，電流為2.5mA，焦點Foc為1.9，掃描厚度為1mm，掃描層數(shù)為19層。CT儀器設(shè)備如圖1。

圖1　YXLON工業(yè)CTFig.1　Industrial CT of YXLON

3.3試驗方案及過程

將取回的膨脹土樣風干、搗碎后過2mm篩，配制成含水率為最優(yōu)含水率17.9%的土樣，密封悶料24h以上，隨機抽取2個試樣測量含水率，當含水率相差在±0.1%以內(nèi)，即認為土樣含水率均勻。考慮到《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10—2006)中6.1.4規(guī)定，3,4級公路下路堤壓實度必須在93%以上的要求，本試驗采用靜壓法將土樣壓制成干密度為1.68g/cm3,其誤差限制在±0.02g/cm3以內(nèi)。環(huán)刀試樣直徑為61.8mm,高為20mm。試件分為9組，每組3個試件，共27個試件。

由于南陽地區(qū)夏季最高氣溫可達40 ℃，為此，本次試驗的烘干脫濕控制溫度為40 ℃。當土樣質(zhì)量在相鄰2h內(nèi)變化小于0.1g時，即停止烘干。脫濕完成后，對試樣進行CT掃描，分析試樣內(nèi)部裂隙發(fā)育及閉合情況。每次沿高度方向每1mm為一個斷面，共掃描19個斷面，并測量每個斷面的CT數(shù)。 接著采用TH204型非金屬超聲波儀測定膨脹土試件的縱波速度，TH204型非金屬超聲波儀如圖2。超聲波儀接收、發(fā)射探頭的底面積為254mm2，發(fā)射頻率為150kHZ，采樣間隔0.5μm，用凡士林作為耦合劑，測定每個試件3個不同位置的聲速。

圖2　TH204型非金屬超聲波儀Fig.2　TH204 nonmetallic ultrasonic instrument

(3)

(4)

然后將試樣裝進真空飽和器進行抽氣飽和，抽氣時間為4h,浸泡時間為12h，保證試樣的飽和度不低于95%。為防止飽和過程中透水石被膨脹土脹裂，本試驗在環(huán)刀試樣的上下兩端分別墊2塊透水石，并將飽和架的蓋子擰緊加以固定。飽和完成后，再次進行脫濕，如此反復(fù)干濕循環(huán)過程0～8次。

4　試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1CT圖像分析

0～8次干濕循環(huán)作用下膨脹土試樣第10個斷面的CT圖像見圖3 。

圖3　膨脹土0～8次干濕循環(huán)的CT圖像Fig.3　CT images of expansive soil under 0-8drying-wetting cycles

從圖3可看出：初始狀態(tài)下的膨脹土試樣具有較多的微孔隙；經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)后，在土樣的邊緣區(qū)域產(chǎn)生了較多微小裂隙；第2次干濕循環(huán)后，邊緣區(qū)域的微小裂隙逐步發(fā)育，并逐步向中心發(fā)展；第3次干濕循環(huán)后裂隙不斷擴大并發(fā)展，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜；每1次干濕循環(huán)對裂隙的影響程度不同，第1～4次干濕循環(huán)對土樣開裂的影響比較明顯，第7～8次干濕循環(huán)對裂隙發(fā)育影響逐漸變小。究其原因，在烘箱內(nèi)，土樣脫濕速率的空間分布是不均勻的，試樣上部的失水速率高于下部的失水速率，這樣，在土樣上下層之間形成一個上低下高的含水率梯度。在含水率梯度的作用下，上部土體收縮變形受到下部土體的約束，產(chǎn)生了收縮拉應(yīng)力，當收縮拉應(yīng)力大于土體的抗拉強度時，裂隙便隨之產(chǎn)生。將完成脫濕過程的土樣重新飽和后，微裂隙便會愈合，但這并不意味著裂隙消失，因為裂隙愈合并不能使裂隙處土體的抗拉強度得到恢復(fù)[14]。因此，當土樣再次經(jīng)歷脫濕過程時，土樣最先沿著之前的閉合裂隙開裂，張開后的裂隙面將成為新的臨空面，臨空面的產(chǎn)生將改變脫濕速率的空間分布，含水率梯度的方向與分布也會隨之做出調(diào)整，當調(diào)整后的含水率梯度所引起的拉應(yīng)力大于土體抗拉強度時，新的裂隙便會產(chǎn)生。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)育，土塊尺寸越來越小，水分散失路徑就越短，水份平衡就越快，土樣內(nèi)部形成較大的含水率梯度就越困難，這也就意味著脫濕過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力越低。故在第5～6次干濕循環(huán)后，由于裂隙充分發(fā)育，脫濕過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力將會低于土塊的抗拉強度，裂隙的發(fā)育將會停止，裂隙CT圖像無明顯變化。第7～8次干濕循環(huán)后膨脹土的裂隙節(jié)點處變化較大，這是因為第7～8次循環(huán)后，整個土體特別是裂隙兩側(cè)的土體變得松散，一部分顆?；涞搅严吨校a(chǎn)生了空洞。

4.2干濕循環(huán)作用引起的CT數(shù)的變化

膨脹土的CT數(shù)ME值代表該斷面上全部物質(zhì)點的平均密度，反映土體密度的相對大?。籗D值則表示斷面上物質(zhì)點密度的差異程度。物質(zhì)點密度的變化可以間接反映土體內(nèi)部裂隙的發(fā)育。為更好地反映土體內(nèi)部裂隙，即縱向裂隙、斜交于試樣縱向的裂隙、橫向裂隙發(fā)育的發(fā)育情況，本文將每個試件19個斷面的CT數(shù)按照上述波速數(shù)據(jù)的處理方法進行自身加權(quán)平均，得到膨脹土試樣的加權(quán)平均CT數(shù)，作為該試件的CT數(shù)代表值。然后求取每組試件代表值的平均值作為該組試件的CT數(shù)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化，膨脹土試樣的平均CT數(shù)ME值，方差SD值變化如圖4所示。

(a)CT數(shù)

(b)CT數(shù)方差圖4　CT數(shù)和CT數(shù)方差隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.4　Variations of CT number and CT number variancewith cycle times

從圖4中可看出，未經(jīng)歷干濕循環(huán)土樣的ME值最大，SD值最小，此時膨脹土內(nèi)部缺陷較少。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土樣的ME值逐漸減小，SD值逐漸增加，前4次干濕循環(huán)對ME值和SD值影響較大，隨后的循環(huán)次數(shù)影響逐漸減小并最終趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)。SD值的變化相對ME值的變化比較敏感。CT數(shù)的變化規(guī)律和膨脹土裂隙的CT圖像顯示的規(guī)律基本一致。

4.3縱波波速的變化

干濕循環(huán)作用下膨脹土試樣的平均縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖5所示。

圖5　平均縱波波速隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.5　Variation of average P-wave velocity with cycle times

從圖5可看出：膨脹土的平均縱波波速隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性衰減，曲線整體呈現(xiàn)出3個階段變化。第1階段為第1～4次循環(huán)段，曲線的斜率較大，平均縱波波速衰減較快；第2個階段為第5～6次循環(huán)段，曲線的斜率較緩，平均縱波波速衰減較慢；第3個階段為第7～8次循環(huán)段，曲線趨于直線，聲波波速趨于穩(wěn)定值。這主要是由于壓實膨脹土裂隙的萌生主要集中在第1～4次循環(huán)段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙的發(fā)育逐漸趨于穩(wěn)定[14-15]。經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的膨脹土試樣出現(xiàn)不同程度的破壞損傷，并形成了大量的微裂隙等缺陷。當聲波在膨脹土試樣中傳播遇到這些缺陷界面處時，會發(fā)生反射、透射和折射等現(xiàn)象，使得聲波傳播路徑增長，波束擴散，波速減弱。隨著膨脹土內(nèi)部的微裂隙的發(fā)育程度的增大，聲波波速會相應(yīng)減?。划斄严稊?shù)量足夠多時，便會因為土塊尺寸過小導(dǎo)致裂隙的萌生和發(fā)展停止[14]。所以，當微裂隙的數(shù)量隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大而趨于穩(wěn)定時，相應(yīng)的聲波波速也將趨于穩(wěn)定。

5　　　　基于CT數(shù)的損傷變量與波速關(guān)系

干濕循環(huán)作用導(dǎo)致波速的變化可以用基于CT數(shù)的損傷變量D來進行解釋。由于方差SD值對細觀結(jié)構(gòu)變化比ME值敏感，不能代表整個試樣斷面的細觀結(jié)構(gòu)變化，所以一般計算損傷變量時均采用CT數(shù)ME值[9]。CT掃描條件下，為了體現(xiàn)CT試驗機分辨率的影響，通常定義損傷變量為[16]

(5)

式中：m0為YXLON工業(yè)CT機的空間分辨率；Δρ為膨脹土的密度變化；ρ為膨脹土的實時密度;ρ0為膨脹土初始密度;損傷變量D是一個相對值，試件在制作過程中即存在損傷，不存在完全無損傷的理想材料。D=0，即為第0次干濕循環(huán)時試件的損傷變量；D=1，即膨脹土試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生完全破壞。

由CT原理可知[17]

(6)

式中：ME為膨脹土的實時CT數(shù)；ME0為膨脹土的初始CT數(shù)。

由式(5)和式(6)可得最終的損傷變量方程為

(7)

根據(jù)式(7)的損傷變量方程，計算膨脹土樣的基于CT數(shù)的損傷變量，計算結(jié)果見表2。

表2　膨脹土損傷變量DTable 2　CT damage variable D of expansive soil

從表2中可以看出，干濕循環(huán)作用后膨脹土的損傷變量均為正值，說明了干濕循環(huán)作用破壞了土體顆粒間的聯(lián)接，土體內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂隙；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，損傷變量基本上呈非線性增大，土體聯(lián)接破壞加大，微裂隙逐步發(fā)育，超聲波在土體內(nèi)部傳播時遇到裂隙發(fā)生反射和繞射，導(dǎo)致平均縱波波速逐漸衰減[6]。

膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)的損傷變量與平均縱波波速之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6　平均縱波波速與損傷變量之間的關(guān)系Fig.6　Relationship between average P-wave velocity andCT damage variable

由圖6可以看出，膨脹土各層的損傷變量與平均縱波波速均呈良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其表達見式(8)。

Vp=A×exp(BD)。

(8)

式中A，B均為回歸參數(shù)，分別為825.64，-0.650 1，其中擬合系數(shù)R2=0.977 8。

6　結(jié)　語

(1)從細觀上看，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的各向異性越來越明顯，主要表現(xiàn)為CT數(shù)方差逐漸增大。

(2)膨脹土的平均縱波波速在第1～4次干濕循環(huán)作用段時變化幅度較大，而后隨循環(huán)次數(shù)的增加變化逐漸減小并趨于平緩。

(3)CT數(shù)ME值代表該斷面上全部物質(zhì)點的平均密度，反映土體密度的相對大小；SD值則表示斷面上物質(zhì)點密度的差異程度。引入基于CT數(shù)的損傷變量可以反映膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度，同時損傷變量與其平均縱波波速具有良好的指數(shù)關(guān)系。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Changes of Expansive Soil’s Meso-structure and Its Relation withAcoustic Velocity

WEIBing-xu1,GONGShu1,LIUBin1,LIUXiong1,OUYANGYun-qing2

(1.CollegeofTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China;2.KeyLaboratoryofRoadStructureandMaterialofMinistryofTransport,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China)

Thevariationlawofmeso-structureandaverageP-wavevelocityofexpansivesoilundertheconditionofdrying-wettingcycleswasstudiedthroughCTtechnologyandTH204nonmetallicacoustictest.Throughdefining

CTtechnology;expansivesoil;drying-wettingcycles;meso-structure;averageP-wavevelocity

2015-07-22;

2015-08-17

道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室開放基金項目(kfj110205)

韋秉旭(1970-)，男,陜西戶縣人，教授，博士，研究方向為特殊土路基,(電話)18684907814(電子信箱)weibingxu555@163.com。

10.11988/ckyyb.20150616

2016,33(09):93-97,106

U416

A

1001-5485(2016)09-0093-05

CT-damagevariablebyresearchmethodsofdamagemechanics,therelationshipbetweenthechangesofmeso-structureandtheaverageP-wavevelocityresultedfromdrying-wettingcycleswasestablished.Resultsshowthatthefirsttothefourthdrying-wettingcycleshavebiginfluenceonthemeso-structureofexpansivesoil,andthedevelopmentofinternalmicro-crackwasobvious;whereastheseventhandtheeighthdrying-wettingcycleshavelittleinfluenceonthemeso-structure.TheaverageP-wavevelocityofexpansivesoilattenuatesnon-linearlywiththeincreaseofcycletimes,andfinallytendstobestable.Withtheincreaseofdrying-wettingcycletimes,thedamagevariableofexpansivesoilincreasesgradually,andtheevolutionofmeso-structuredamageisanon-linearaccumulatingprocess.CTdamagevariableisinagoodexponentialattenuationrelationshipwithaverageP-wavevelocity.