許健，任暢，高靖寓，蘭偉

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安，710055；2.西安建筑科技大學(xué)陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710055)

黃土是第四紀(jì)以來形成的一種多孔隙弱膠結(jié)的特殊沉積物，具有強(qiáng)烈的水敏感性，遇水后濕陷和軟化，水環(huán)境的變化極易誘發(fā)黃土災(zāi)害。黃土的水敏感性是水的滲透浸潤引起的，土體中含水量的增加會(huì)降低土體抗剪強(qiáng)度，因而滲透性直接影響黃土體的工程力學(xué)特性，是非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。然而，我國西北黃土高原處于干旱、半干旱地區(qū)，降雨、地表蒸發(fā)及地下水位變化等因素誘發(fā)的干濕循環(huán)效應(yīng)會(huì)對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生顯著的影響，從而導(dǎo)致其滲透性和變形特征均發(fā)生變化[1]。此外，由于黃土地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境與自然條件，邊坡表層富集Na2SO4等易溶鹽，在干濕循環(huán)等條件下極易發(fā)生反復(fù)溶解和結(jié)晶的鹽蝕作用，使被侵蝕黃土結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展，從而誘發(fā)邊坡鹽蝕剝落等病害[2-3]，因此，開展干濕循環(huán)效應(yīng)下含鹽黃土的滲透特性和鹽蝕劣化等方面的研究具有重要意義。干濕循環(huán)效應(yīng)下鹽漬原狀黃土滲透特性的演變規(guī)律是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。研究人員對(duì)干濕循環(huán)作用對(duì)土體滲透特性的影響規(guī)律開展了研究，多集中于干濕循環(huán)效應(yīng)下壓實(shí)黏土墊層(CCL)滲透特性和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。萬勇等[4]基于柔性壁滲透儀和掃描電鏡(SEM)等微結(jié)構(gòu)特征試驗(yàn)，開展了干濕循環(huán)效應(yīng)下CCL 滲透特性和微結(jié)構(gòu)變化機(jī)制研究；趙立業(yè)等[5]揭示了不同壓實(shí)度條件下2 種高低液限CCL 干濕循環(huán)過程防滲性能的差異；胡志平等[6]探討了干濕循環(huán)對(duì)石灰改良土墊層滲透性、單軸抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度特征的影響規(guī)律；LU 等[7]系統(tǒng)地研究了干濕循環(huán)條件下CCL 表觀裂隙、滲透系數(shù)及水分入滲的變化規(guī)律；MALUSIS 等[8]探究了具有不同膨潤土含量的回填土干濕循環(huán)過程滲透系數(shù)的演化規(guī)律。此外，人們對(duì)干濕循環(huán)條件下黃土滲透特性進(jìn)行研究，如：付理想等[9]等探究了原狀及重塑黃土干濕循環(huán)過程滲透系數(shù)、孔隙率及干密度等的變化規(guī)律；劉宏泰等[10]基于室內(nèi)三軸滲透和壓縮試驗(yàn)，分析了干濕循環(huán)作用對(duì)重塑黃土滲透性和強(qiáng)度的影響規(guī)律。然而，目前關(guān)于干濕循環(huán)作用對(duì)含鹽原狀黃土滲透特性和細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的研究成果較少，干濕循環(huán)次數(shù)及Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素作用下黃土體滲透特性與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系尚不清晰?；贑T斷層掃描技術(shù)，研究者對(duì)黃土、鹽漬土及膨脹土等特殊土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律開展了系統(tǒng)研究，如：陳正漢等[11]結(jié)合CT 技術(shù)和三軸剪切設(shè)備，研究了膨脹土和黃土在多應(yīng)力路徑、濕干循環(huán)、浸水膨脹和濕陷過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；盧再華等[12]對(duì)干濕循環(huán)條件下膨脹土裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了CT 斷層掃描并定義了其損傷變量；張偉等[13]采用CT-三軸儀探究了硫酸鹽漬土的三軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和剪切過程CT圖像。蔡正銀等[14-15]基于三維重建技術(shù)將二維CT斷面圖像合成整體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像并進(jìn)行定量化處理。目前結(jié)合CT掃描及三維重建技術(shù)、針對(duì)干濕循環(huán)作用下鹽漬原狀黃土三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)鹽蝕擴(kuò)展演化機(jī)制的研究尚未見報(bào)道。干濕循環(huán)效應(yīng)下Na2SO4鹽漬原狀黃土不僅受到干縮濕脹誘發(fā)的干濕劣化作用，還受干濕過程N(yùn)a2SO4易溶鹽相態(tài)變化誘發(fā)的鹽蝕劣化作用(Na2SO4·10H2O 晶體體積為Na2SO4的4.18 倍)。鑒于此，本文作者選用西安Q3原狀黃土，采用自行設(shè)計(jì)的浸潤法制備不同Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽漬原狀黃土試樣，模擬干濕循環(huán)過程，采用三軸滲透、CT 掃描試驗(yàn)并結(jié)合三維重構(gòu)技術(shù)探究干濕循環(huán)及鹽蝕劣化耦合作用對(duì)鹽漬原狀黃土試樣滲透系數(shù)的影響規(guī)律以及滲透系數(shù)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的相互關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與試樣制備

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自陜西西安某基坑工程現(xiàn)場(chǎng)，取樣深度為6～8 m，屬Q(mào)3原狀黃土。按照GB/T 50123—2019“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”測(cè)定其基本物理性質(zhì)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。粒度為大于0.05 mm，[0.01，0.05) mm，[0.005，0.010) mm 和小于0.005 mm 的黃土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.95%，54.42%，20.55%和22.08%。進(jìn)一步利用離子色譜儀和滴定法對(duì)試驗(yàn)用土進(jìn)行初始易溶鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定，結(jié)果見表2。由表2可見：試驗(yàn)用黃土初始易溶鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，試樣制備過程中可不考慮初始易溶鹽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

表1 試驗(yàn)黃土基本物理指標(biāo)Table 1 Physical indexes of test soil

表2 試驗(yàn)黃土初始離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Initial ion mass fractions of test soil %

1.2 試樣制備

首先，削制直徑為39.1 mm、高度為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸滲透和CT掃描圓柱體試樣，然后，采用自行設(shè)計(jì)的浸潤法向試樣中浸入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Na2SO4鹽水以制備含水量為20%，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)w分別為0，0.5%，1.0%和1.5%的鹽漬原狀黃土試樣，如圖1所示。具體制作流程如下：人工制作孔間距為8 mm、孔徑為2 mm的均勻帶孔薄膜，其寬度為土樣高度的1.5倍，包裹于標(biāo)準(zhǔn)原狀土樣的側(cè)面，使薄膜兩側(cè)超出試樣的長度相近，薄膜搭接長度不小于5 mm；剪裁中密海綿，其寬度為原狀土樣高度的2倍，并將其用不同濃度的鹽水浸潤，然后包裹于帶孔薄膜的外側(cè)；在海綿外側(cè)再放一層薄膜，以固定海綿的位置；浸潤一段時(shí)間后，取出試樣稱質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量接近目標(biāo)值時(shí)，用滴管滴加同濃度鹽水至目標(biāo)值。為減小試驗(yàn)誤差，需反復(fù)試驗(yàn)，嚴(yán)格控制土樣浸潤時(shí)間，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。將制備好的試樣用薄膜包裹，防止水分散失。

圖1 浸潤法裝置示意圖Fig.1 Diagrams of device for infiltration method

2 試驗(yàn)方案

2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

干濕循環(huán)試驗(yàn)采用DHG-9140(10/A)型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，該試驗(yàn)箱恒溫范圍為10～300 ℃，溫度波動(dòng)范圍為±1 ℃。為模擬自然干濕循環(huán)過程，盡量減小溫度變化幅度過大對(duì)試樣結(jié)構(gòu)性的擾動(dòng)，綜合考慮將環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃。為進(jìn)一步確定40 ℃環(huán)境溫度下將含水量為20%鹽漬原狀黃土試樣充分干燥所需的時(shí)間，首先進(jìn)行恒溫箱干燥效果試驗(yàn)。選取4個(gè)采用上述浸潤法制備的標(biāo)準(zhǔn)三軸圓柱試樣，其含水量均為20%，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.5%，1.0%和1.5%。然后，將試樣依次編號(hào)并放入恒溫干燥箱進(jìn)行干燥試驗(yàn)，分別在6，12，18，24 和30 h 時(shí)后取出并測(cè)定其含水量，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出：干燥初期階段試樣含水量顯著減少，但隨干燥時(shí)間增長，其含水量變化幅值顯著減小；24 h后，含水量幾乎保持不變且低至1.0%以下。因此，最終確定最佳干燥時(shí)間為24 h。

圖2 試樣含水量隨干燥時(shí)間變化Fig.2 Variations of water content with drying time

干濕循環(huán)試驗(yàn)具體流程如下：將浸潤法制備的鹽漬原狀黃土試樣置于保濕缸內(nèi)，靜置24 h，使其水分與鹽分均勻擴(kuò)散；然后，將試樣放置在電熱恒溫干燥箱內(nèi)充分干燥于(40 ℃下干燥24 h)；再采用與前述浸潤法類似的增濕方法，制備與干燥前有相同含水量(20%)的試樣，并將試樣置于保濕缸內(nèi)，靜置24 h，視為第1次干濕循環(huán)；反復(fù)則可得到第2次、第3次等干濕循環(huán)試樣。本次試驗(yàn)控制干濕循環(huán)次數(shù)N分別為0，1，2，5和10。

2.2 三軸滲透試驗(yàn)

三軸滲透試驗(yàn)采用TSS-1 型柔性壁三軸滲透儀，具體操作如下：先將干濕循環(huán)后的試樣放在飽和器中進(jìn)行真空飽和(試樣抽氣1 h，浸泡12 h)，然后放入柔性壁三軸滲透儀中，逐級(jí)施加圍壓15，50，100和150 kPa進(jìn)行變水頭三軸固結(jié)滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，記錄變水頭管起始水頭和終止水頭的高度以及測(cè)讀時(shí)間，進(jìn)而換算得到試樣的滲透系數(shù)。

2.3 CT掃描試驗(yàn)與三維重構(gòu)

CT掃描試驗(yàn)采用YXLON Y.CT Modula高分辨率顯微工業(yè)CT系統(tǒng)，該系統(tǒng)具體參數(shù)如下：最大測(cè)量截面直徑為100 mm，最大測(cè)量高度為200 mm；最大放大倍數(shù)為200，空間分辨率為10 μm；最大掃描電壓225 kV，最大功率為320 W。鹽漬原狀黃土試樣的CT 掃描過程分別在干濕循環(huán)的第0，1，2，5 和10 次后進(jìn)行，從x軸、y軸和z軸3 個(gè)方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行全身段掃描，進(jìn)一步將CT掃描得到的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像結(jié)合三維圖像重構(gòu)算法，獲得試樣的完整三維孔(裂)隙等細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

CT 圖像三維重構(gòu)技術(shù)基于OTSU 算法[16]和三維圖像處理軟件，其具體算法流程如下：首先對(duì)CT 掃描圖像進(jìn)行偽彩色處理，以識(shí)別出圓柱體試樣部分；然后對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，以排除非試樣部分的干擾。利用OTSU算法確定所有圖像的最佳分割閾值，并按試樣高度方向?qū)Ψ指铋撝颠M(jìn)行分組。進(jìn)一步利用三維圖像軟件對(duì)CT圖像進(jìn)行分組多截面重構(gòu)，并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化；最后，基于三維圖像處理軟件的統(tǒng)計(jì)分析算法，可以方便地識(shí)別試樣的孔(裂)隙及土顆粒體積進(jìn)而終確定其三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔隙率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 三軸滲透試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3所示為滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律。從圖3可以看出：滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加顯著增大，但其增幅逐漸減緩，5次干濕循環(huán)后其增長速率顯著減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于在干濕循環(huán)作用下，試樣受溫度和水的影響發(fā)生干縮濕脹，試樣內(nèi)部孔隙和微裂隙不斷擴(kuò)展，孔(裂)隙結(jié)構(gòu)損傷演化無法恢復(fù)，導(dǎo)致黃土體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度逐漸弱化，從而為水分提供了良好的滲流通道，滲透系數(shù)相應(yīng)增大。經(jīng)多次干濕循環(huán)后，土顆粒排列趨于平衡狀態(tài)，試樣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，滲透特性亦趨于穩(wěn)定，即反復(fù)干濕循環(huán)效應(yīng)下滲透系數(shù)趨于1個(gè)穩(wěn)定值。

圖3 滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化Fig.3 Variations of hydraulic conductivity with dry-wet cycles

圖4所示為滲透系數(shù)隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。從圖4可以看出：干濕循環(huán)效應(yīng)下試樣滲透系數(shù)隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與未經(jīng)受干濕循環(huán)試樣(N=0)的變化規(guī)律顯著不同，其隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加近似表現(xiàn)出線性增大特征。由于在干濕循環(huán)條件下，試樣內(nèi)部Na2SO4可溶鹽的結(jié)晶—溶解—重結(jié)晶過程的反復(fù)鹽蝕劣化作用使土體結(jié)構(gòu)受到破壞并變得較為松散，即試樣內(nèi)部孔隙或微裂隙的張開度變大，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)增大；未經(jīng)受干濕循環(huán)試樣的滲透系數(shù)整體隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大無顯著變化，這主要是由于未經(jīng)受干濕循環(huán)試樣內(nèi)部的Na2SO4無相態(tài)變化，即原狀黃土體結(jié)構(gòu)未遭受鹽蝕劣化作用，因而其滲透系數(shù)無明顯變化。

圖4 滲透系數(shù)隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Variations of hydraulic conductivity with mass fraction of Na2SO4

鹽漬原狀黃土試樣滲透系數(shù)與圍壓之間的變化關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出：圍壓對(duì)試樣滲透系數(shù)的影響顯著；隨圍壓增大，滲透系數(shù)顯著減小，但其衰減幅度逐漸減?。划?dāng)圍壓為150 kPa時(shí)，滲透系數(shù)趨于1個(gè)穩(wěn)定值。由于在三軸固結(jié)滲透條件下，圍壓越高，試樣固結(jié)度越高，其密實(shí)度相應(yīng)越高，使試樣中的孔(裂)隙被壓縮甚至封閉，從而阻塞了滲流通道，導(dǎo)致滲透系數(shù)顯著降低；此外，當(dāng)圍壓達(dá)100 kPa后，不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的滲透系數(shù)基本一致，即干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)滲透系數(shù)的影響較小，這是由于在較高圍壓條件下，試樣固結(jié)度較高，從而導(dǎo)致滲流路徑基本封閉，滲透系數(shù)相應(yīng)趨近于零。

東營市支持建設(shè)創(chuàng)業(yè)孵化基地、創(chuàng)業(yè)園區(qū)和創(chuàng)客空間，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者提供低成本運(yùn)營場(chǎng)地和綜合性創(chuàng)業(yè)服務(wù)，使他們敢創(chuàng)業(yè)、能創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)成業(yè)。對(duì)評(píng)估認(rèn)定的市級(jí)創(chuàng)業(yè)孵化示范基地和創(chuàng)業(yè)示范園區(qū)，給予每處最高200萬元的一次性獎(jiǎng)補(bǔ);對(duì)直接購買或租賃已開發(fā)閑置房地產(chǎn)樓盤作為創(chuàng)業(yè)孵化基地和創(chuàng)業(yè)園區(qū)的，認(rèn)定為市級(jí)創(chuàng)業(yè)孵化示范基地和創(chuàng)業(yè)示范園區(qū)的，最高給予400萬元的一次性獎(jiǎng)補(bǔ)。［3］“十二五”期間，東營市建成省級(jí)創(chuàng)業(yè)示范載體5家、市級(jí)創(chuàng)業(yè)示范載體14家，撥付市級(jí)創(chuàng)業(yè)載體獎(jiǎng)補(bǔ)資金2 400萬元。創(chuàng)業(yè)載體的健康發(fā)展，在為創(chuàng)業(yè)者提供良好的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新環(huán)境的同時(shí)，也為東營市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和延伸優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)鏈提供了有力幫助。

圖5 滲透系數(shù)隨圍壓變化Fig.5 Variations of hydraulic conductivity with confining pressures

3.2 CT三維重構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 三維重構(gòu)模型

待干濕循環(huán)結(jié)束后(干濕循環(huán)10次)，采集試樣表面裂隙形態(tài)如圖6(a)所示。同時(shí)基于前述所述的OTSU 算法及三維圖像軟件，對(duì)干濕循環(huán)10 次后試樣CT掃描圖像直接進(jìn)行三維重構(gòu)，其最終效果如圖6(b)所示。從圖6可以看出：CT 三維重構(gòu)模型能夠直觀形象地揭示干濕循環(huán)條件下試樣表面裂隙形態(tài)分布規(guī)律，且與試樣實(shí)物圖表面裂隙形態(tài)表現(xiàn)出高度的相似性，由此說明該三維重構(gòu)方法是合理、可行的。

圖6 試樣三維重構(gòu)模型及實(shí)物圖對(duì)比Fig.6 Comparisons of 3D reconstruction model and sample

3.2.2 孔（裂）隙演化規(guī)律

圖7所示為不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下鹽漬原狀黃土試樣的三維重構(gòu)模型及其典型橫縱斷面圖。斷面圖中綠色區(qū)域代表土骨架顆粒，顏色越深代表試樣密度越大；黃色區(qū)域代表試樣中孔洞和裂隙發(fā)育的位置。從圖7可以看出：干濕循環(huán)前試樣表面及內(nèi)部已存在一定的大孔隙及微裂隙且無序分布，這揭示出原狀黃土試樣存在一定的初始損傷效應(yīng)。經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后，試樣表面產(chǎn)生顯著的不規(guī)則細(xì)小干縮裂隙，但試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)無明顯變化。隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試驗(yàn)表面繼續(xù)產(chǎn)生新的干縮裂隙，同時(shí)已有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展；此外，干縮裂隙亦從試樣表面逐漸向中心擴(kuò)展并與試樣內(nèi)部的大孔隙或微裂隙貫通。經(jīng)10次干濕循環(huán)后，裂隙在水平及垂直方向幾乎貫穿整個(gè)試樣。這也正揭示了前述滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)顯著增大的細(xì)觀機(jī)制。

圖7 三維重構(gòu)模型隨干濕循環(huán)次數(shù)變化(w=1.0%)Fig.7 Variations of 3D reconstruction models with number of dry-wet cycles(w=1.0%)

圖8所示為不同Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下鹽漬原狀黃土試樣的三維重構(gòu)模型及其典型橫縱斷面圖變化規(guī)律。從圖8可以看出：在干濕循環(huán)條件下，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化亦可對(duì)試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響；當(dāng)Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，試樣表面已經(jīng)產(chǎn)生顯著的不規(guī)則干縮裂隙且裂隙已經(jīng)從試樣周邊開始向中心逐漸擴(kuò)展演化與匯聚；隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，試樣表面及內(nèi)部干縮裂隙直徑及數(shù)量進(jìn)一步增加且局部貫通；當(dāng)Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，裂隙幾乎完全貫穿整個(gè)試樣，從而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的鹽蝕損傷效應(yīng)，這亦很好地揭示了前述干濕循環(huán)條件下滲透系數(shù)隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增大的細(xì)觀機(jī)理。

圖8 三維重構(gòu)模型隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(N=10)Fig.8 Variations of 3D reconstruction models with mass fraction of Na2SO4(N=10)

3.2.3 三維重構(gòu)孔隙率演化方程

為進(jìn)一步深入揭示干濕循環(huán)條件下Na2SO4鹽漬原狀黃土試樣滲透系數(shù)變化的細(xì)觀機(jī)制，基于前述三維圖像處理軟件的統(tǒng)計(jì)分析算法，分別定量化確定試樣的孔(裂)隙體積及土骨架顆粒體積，進(jìn)而最終確定其三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔(裂)隙率，結(jié)果如圖9所示。為定量化分析和描述問題方便，將三維重構(gòu)孔(裂)隙率統(tǒng)一表示為孔隙率。從圖9可以看出：干濕循環(huán)條件下干濕循環(huán)次數(shù)和Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)孔隙率均產(chǎn)生顯著影響，但變化規(guī)律不同；隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，孔隙率逐漸增大，但增速逐漸減緩，趨于1個(gè)穩(wěn)定值；在干濕循環(huán)條件下孔隙率隨著Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加近似呈線性增大特征。由于未經(jīng)受干濕循環(huán)(N=0)條件下試樣中的Na2SO4易溶鹽無法表現(xiàn)出相態(tài)變化即鹽蝕損傷作用，因而，三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔隙率隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加無顯著變化且變化幅值很小。分析上述三維重構(gòu)孔隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線，發(fā)現(xiàn)孔隙率n與干濕循環(huán)次數(shù)N具有如下函數(shù)關(guān)系：

圖9 三維重構(gòu)孔隙率變化Fig.9 Variations of porosity for 3D reconstruction model

式中：N為干濕循環(huán)次數(shù)；n0為試樣初始孔隙率；a和b為擬合參數(shù)。

圖10 三維重構(gòu)孔隙率演化方程的確定Fig.10 Establishment of equation for porosity of 3D reconstruction model

對(duì)式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，可得

當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)N=0 時(shí)，式(2)即表示初始斜率，即

式中：I0為初始斜率。

當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)N→∞時(shí)，由式(1)可推得

式中：nult為孔隙率n的極限值，即孔隙率干濕循環(huán)過程的最終穩(wěn)定值。

擬合參數(shù)a和b與Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖10(b)所示。從圖10(b)可以看出：擬合參數(shù)a和b與Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)w近似表現(xiàn)出線性變化特征?；诖?，可進(jìn)一步建立擬合參數(shù)與Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定量關(guān)系：

式中：a0和b0分別為擬合參數(shù)a和b直線方程的截距；α和β分別為擬合參數(shù)a和b直線方程的斜率。

將式(5)和(6)分別代入式(1)，可最終確定三維重構(gòu)孔隙率n與干濕循環(huán)次數(shù)N及Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)η的定量化關(guān)系，即干濕循環(huán)效應(yīng)下Na2SO4鹽漬原狀黃土試樣的孔隙率演化方程：

式中：相關(guān)參數(shù)可通過三維重構(gòu)孔隙率試驗(yàn)結(jié)果的最優(yōu)化擬合分析得到，其中，a0=200.511，b0=53.101，α=-78.537，β=-22.558。

試樣CT三維重構(gòu)孔隙率試驗(yàn)值與采用上述方程(7)所得計(jì)算值的對(duì)比如圖10(c)所示。從圖10(c)可以看出：孔隙率試驗(yàn)值與計(jì)算值數(shù)據(jù)點(diǎn)隨機(jī)分布于y=x直線附近，即試驗(yàn)值與計(jì)算值基本一致，由此表明該模型能夠較好地定量化描述干濕循環(huán)效應(yīng)下鹽漬原狀黃土試樣孔隙率的演化規(guī)律且，對(duì)進(jìn)一步揭示其干濕過程滲透系數(shù)變化的細(xì)觀機(jī)理具有一定參考意義。

4 討論

干濕循環(huán)效應(yīng)下Na2SO4鹽漬原狀黃土試樣的滲透特性在宏觀層面上表現(xiàn)為滲透系數(shù)的變化，其細(xì)觀機(jī)制在于試樣內(nèi)部(孔)裂隙的擴(kuò)展演化，CT掃描試驗(yàn)可以定量化描述細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。基于此，選取圍壓σ3為15 kPa時(shí)的三軸滲透系數(shù)與CT三維重構(gòu)孔隙率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出：三軸宏觀滲透系數(shù)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔隙率呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，干濕循環(huán)初始階段滲透系數(shù)和孔隙率均增速較大，隨干濕循環(huán)次數(shù)增大，逐漸趨于穩(wěn)定值；而在干濕循環(huán)條件下，滲透系數(shù)和孔隙率隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大均近似表現(xiàn)出線性增大特征，未經(jīng)受干濕循環(huán)(N=0)條件下均無明顯變化規(guī)律且變化幅度很小。由此可知，在干濕循環(huán)效應(yīng)下，宏觀三軸滲透系數(shù)和細(xì)觀CT三維重構(gòu)孔隙率表現(xiàn)出的一致變化規(guī)律反映了細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔隙率，能準(zhǔn)確揭示宏觀三軸滲透系數(shù)演化規(guī)律的細(xì)觀機(jī)理。

圖11 試樣滲透系數(shù)及孔隙率變化對(duì)比Fig.11 Comparisons of variations of hydraulic conductivity and porosity

5 結(jié)論

1)滲透系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加逐漸增大，但增幅逐漸減緩；在干濕循環(huán)條件下，滲透系數(shù)隨Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大近似呈線性增大特征；滲透系數(shù)隨圍壓增大逐漸減小且其衰減幅度逐漸減小。

2)三維重構(gòu)模型與試樣實(shí)物圖表面裂隙形態(tài)具有高度的相似性，驗(yàn)證了三維重構(gòu)方法的合理性。

3)隨干濕循環(huán)次數(shù)和Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，試驗(yàn)表面產(chǎn)生新的干縮裂隙且已有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，干縮裂隙從試樣周邊開始向中心逐漸擴(kuò)展演化與匯聚。

4)構(gòu)建了干濕循環(huán)效應(yīng)下Na2SO4鹽漬原狀黃土試樣的三維重構(gòu)孔隙率演化方程，可較好地定量化描述試樣孔隙率干濕循環(huán)過程的變化規(guī)律。

5)細(xì)觀CT三維重構(gòu)孔隙率和宏觀三軸滲透系數(shù)呈現(xiàn)相同變化規(guī)律，表明細(xì)觀結(jié)構(gòu)孔隙率能準(zhǔn)確揭示宏觀三軸滲透系數(shù)演化規(guī)律的細(xì)觀機(jī)理。