馬曉凡,陳 紅,劉 瑾,王 穎,陳志昊,車文越

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

溫度和濕度的變化(凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等)將會對巖土體的工程性質(zhì)或結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響[1-3]。巖土體經(jīng)歷干燥和濕潤的循環(huán)作用后,其宏微觀特性均會產(chǎn)生不可逆損傷,將會對工程設(shè)施的安全性和長期穩(wěn)定性造成巨大影響。因此,研究干濕循環(huán)后巖土體的力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)變化,能夠從多尺度揭示干濕循環(huán)作用對巖土體的損傷機(jī)理。

巖土體在經(jīng)歷干濕循環(huán)后力學(xué)特性的變化主要通過抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)進(jìn)行研究。張俊云等[4]通過直接剪切試驗研究了紅層土石混合土在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后抗剪強(qiáng)度的變化。鄧華峰等[5]對岸坡消落帶土體進(jìn)行干濕循環(huán)作用和剪切試驗,揭示了其劣化規(guī)律并分析了對岸坡穩(wěn)定性的影響。李志剛等[6]采用單軸壓縮試驗對云母石英片巖在經(jīng)歷干濕循環(huán)后的力學(xué)特性和破壞特征進(jìn)行了研究,并分析了其劣化機(jī)制。在干濕循環(huán)過程中,巖土體內(nèi)部的水分會發(fā)生變化,土體顆粒間的距離增大或收縮,造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷,從而導(dǎo)致巖土體的物理性質(zhì)發(fā)生變化。巖土體力學(xué)特性的變化,通常受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,干濕循環(huán)作用將會對巖土體的微觀結(jié)構(gòu)造成損傷,從而在宏觀層面表現(xiàn)出力學(xué)特性的損失,因此對經(jīng)歷干濕循環(huán)后的巖土體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)研究能夠揭示其內(nèi)在劣化機(jī)理。干濕循環(huán)后巖土體微觀結(jié)構(gòu)主要通過圖像分析、核磁共振技術(shù)(NMR)、壓汞試驗(MIP)以及計算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)等方法[7-10]進(jìn)行研究,測試巖土體經(jīng)歷干濕循環(huán)后的表面裂隙率、孔隙率、孔徑分布等[11-12]。

在以上微觀結(jié)構(gòu)測試方法中,CT掃描技術(shù)能夠?qū)r土體整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試,實現(xiàn)良好的三維重建效果,且具有快速分析、對巖土體結(jié)構(gòu)無損等優(yōu)點(diǎn),正越來越多地被應(yīng)用到巖土體微觀結(jié)構(gòu)的測試當(dāng)中,可有效揭示巖土體經(jīng)歷凍融和干濕循環(huán)后的劣化規(guī)律[13-17]。蔡正銀等[18]采用CT掃描和三維重構(gòu)技術(shù)研究了干濕循環(huán)與凍融循環(huán)作用下膨脹土的內(nèi)部裂隙演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)膨脹土的裂隙均呈現(xiàn)出由表層向內(nèi)部的發(fā)展規(guī)律,具有明顯的區(qū)域性分布特點(diǎn)。王曉燕等[19]結(jié)合CT掃描技術(shù)、三軸浸水和各向等壓加載試驗,研究了膨脹土在干濕循環(huán)作用過程中裂隙對膨脹土變形特征的影響。除此之外,CT掃描技術(shù)在研究巖土體經(jīng)歷凍融損傷和破壞形態(tài)方面也具有顯著優(yōu)勢,可為揭示巖土體破壞機(jī)制和失效模式的研究提供直觀定量的參數(shù)[20-22]。

為探究黏土在干濕循環(huán)作用下的劣化規(guī)律,本文采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和CT掃描技術(shù),從宏觀和微觀2個尺度,對經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的黏土力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,旨在揭示干濕循環(huán)后黏土的宏觀表現(xiàn)與內(nèi)在結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián),以期能為復(fù)雜環(huán)境變化下工程設(shè)施的建設(shè)維護(hù)提供依據(jù)。

1 試驗原理與方法

1.1 CT掃描技術(shù)工作原理與測試設(shè)備

X射線斷層掃描成像(X-ray computed tomography,X-CT)技術(shù)是一種無損檢測技術(shù),具有擾動低、精度高、多方位、非破壞性等技術(shù)優(yōu)勢,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水泥基材、混凝土、巖土體等多孔材料的細(xì)觀或微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征檢測、損傷演化及破壞機(jī)理研究。

CT圖像往往采用濾波技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理,主要的預(yù)處理軟件包括ImageJ、Matlab和Avizo等,一般采用平滑濾波、邊緣檢測濾波、銳化濾波、頻域轉(zhuǎn)換濾波以及灰度轉(zhuǎn)換濾波等方式進(jìn)行降噪處理,使得CT掃描圖像達(dá)到既消除噪點(diǎn),又保留孔隙邊緣輪廓、幾何形態(tài)、拓?fù)涮卣鞯哪康摹μ幚砗蟮母呔菴T掃描圖像進(jìn)行二值化、圖像分割等工作,將檢測樣品中的孔隙空間與顆粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割。目前Avizo提供的圖像分割方法包括自動和交互式閾值分割、形態(tài)學(xué)分割、分水嶺分割和頂帽分割等方式。對經(jīng)過一系列分割處理后的圖像進(jìn)行三維建模,構(gòu)建被測物體的三維形貌和結(jié)構(gòu),基于建立的三維模型可進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與運(yùn)算,從而進(jìn)行孔隙網(wǎng)絡(luò)模型建立、滲流數(shù)值模擬以及網(wǎng)格剖分等操作,對檢測樣品的微觀幾何形態(tài)和孔隙分布等特征進(jìn)行定量化研究。最后,可將建模分析得到成果進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出及三維可視化展示。X射線斷層掃描試驗工作流程如圖1所示。

圖1 X射線斷層掃描試驗工作流程Fig.1 Workflow of X-ray tomography test

本文所用設(shè)備為河海大學(xué)地學(xué)分析測試中心的NanoVoxel 4561型多尺度高分辨X射線三維數(shù)字巖心成像分析系統(tǒng),由天津三英精密儀器股份有限公司生產(chǎn)。全套設(shè)備由防輻射屏蔽箱體、樣品倉、開放式微聚焦X射線源、大視野平板探測器、高精密樣品轉(zhuǎn)臺、巖心成像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)三維重建及數(shù)字化巖心可視分析系統(tǒng)、射線源高壓控制與真空維持設(shè)備以及配電系統(tǒng)共同組成。能夠以微米級分辨率對較大尺寸的巖石及土壤樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維無損掃描成像,構(gòu)建樣品內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的三維模型并進(jìn)行定性和定量分析,通過二維及三維視角表征樣品的孔隙、裂隙、骨架、基質(zhì)、流體場、位移場等信息。

主要技術(shù)參數(shù)包括:①系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)。最高空間分辨率3μm,可測最大樣品尺寸200mm;具備超分辨成像能力,可實現(xiàn)亞像素成像功能。②開放式微聚焦X射線源。光源最高電壓300kV,光源最低電壓50kV;最大發(fā)射功率350W;可自由調(diào)節(jié)電流;配備多組X射線濾波片;z軸行程0～600mm。③大視野平板探測器。具抖動防偽影機(jī)械功能;像素矩陣2560×2048像素;成像面積253.6mm×317.4mm;動態(tài)范圍16bit;具備本底校正、增益校正功能;z軸行程0～600mm。④高精密樣品轉(zhuǎn)臺。最大承載100kg;旋轉(zhuǎn)范圍0～360°的任意整數(shù)倍旋轉(zhuǎn);x軸行程0～1000mm,y軸行程0～250mm。⑤數(shù)據(jù)三維重建及數(shù)字化巖心可視分析系統(tǒng)。可對掃描軟件獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像三維重構(gòu),獲得三維體數(shù)據(jù);具有三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出、三維可視化及分割、定量分析及測量、二維與三維圖像濾波、去噪、平滑等功能;可實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)體渲染、數(shù)據(jù)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型建模,孔隙、喉道、裂隙等詳細(xì)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計等功能。

1.2 樣品制備與試驗方案

本文采用的黏土為南京下蜀土,取自南京市江寧區(qū)某工地。烘干現(xiàn)場取回的黏土,然后破碎過篩,測試其基本物理力學(xué)參數(shù):相對密度為2.70,液限為38.41%,塑限為21.12%,塑性指數(shù)為17.29,粒徑分布曲線如圖2所示。通過試驗確定了土體的最優(yōu)含水率為18.80%,最大干密度為1.70g/cm3。

圖2 試驗用土的粒徑分布曲線Fig.2 Grain size distribution curve of clay in test

試樣制備過程中,按照最優(yōu)含水率(18.8%)和最大干密度(1.70g/cm3),稱取一定質(zhì)量的干土和水,接著將干土和水進(jìn)行混合并養(yǎng)護(hù)24h,采取分層擊實的方法進(jìn)行制樣,每層的接觸面進(jìn)行刮毛處理,最后將土體制成高80.0mm,直徑39.1mm的試樣,并將試樣用保鮮膜包裹,養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行后續(xù)試驗。力學(xué)測試制備3個平行樣,并制備一個試樣用于CT掃描測試,共計16個試樣。

為研究不同干濕循環(huán)次數(shù)對黏土力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)的影響,選取干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1、4、8和12。干濕循環(huán)采取的是先增濕后減濕的過程,試樣制備完成養(yǎng)護(hù)24h后,先采用抽真空飽和的方法對試樣進(jìn)行增濕,接著45℃對試樣進(jìn)行烘干減濕處理[23]。記錄烘干過程中試樣的含水率變化,達(dá)到初始含水率后取出試樣,表明一次干濕循環(huán)結(jié)束。

試樣經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后再進(jìn)行后續(xù)力學(xué)特性測試與微觀結(jié)構(gòu)測試。本文采用無側(cè)限抗壓儀對不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測試,試驗過程中加載速率為0.8mm/min。采用NanoVoxel4561型多尺度高分辨X射線三維數(shù)字巖心成像分析系統(tǒng)對不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行測試,并根據(jù)CT掃描結(jié)果對試樣的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建。結(jié)合力學(xué)參數(shù)和定量微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),揭示干濕循環(huán)作用下黏土的劣化規(guī)律。CT掃描測試參數(shù):測試電壓為250kV,測試電流為110μA,曝光時間為0.32s,掃描幀數(shù)為900,圖像合并數(shù)為2,像素合并數(shù)為1,分辨率為58.17μm。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)特性試驗結(jié)果

由圖3可知,干濕循環(huán)作用對黏土的抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線具有顯著影響,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試樣在達(dá)到峰值軸向應(yīng)力時對應(yīng)的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢;在應(yīng)變的初始階段,經(jīng)歷干濕循環(huán)次數(shù)較多的試樣,其軸向應(yīng)力的增加速率相對較小;當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值后,軸向應(yīng)力的下降速率在總體上出現(xiàn)增加的趨勢,表明試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后,試樣的軸向應(yīng)力在達(dá)到峰值后將會出現(xiàn)顯著的損失。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土的抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Compressive stress-strain curve of clay under different times of wet-dry cycles

由圖4(a)可知,黏土的抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加保持指數(shù)性減小的趨勢。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)從0增加到1時,抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)顯著下降,下降幅度約為25%;當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)從1增加到4時,抗壓強(qiáng)度減小了約20%,而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加,強(qiáng)度的下降幅度逐漸減緩,當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到8后,抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定,變化幅度僅為4%左右。

圖4 抗壓強(qiáng)度、彈性模量與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系Fig.4 Relationships between compressive strength, elastic module and times of dry-wet cycles

本文中采用的彈性模量(E50)為割線模量,為試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線中50%應(yīng)力與其對應(yīng)的應(yīng)變之間的斜率。由圖4(b)可知,黏土的彈性模量與干濕循環(huán)次數(shù)間保持指數(shù)性減小關(guān)系。在前8次干濕循環(huán)作用下,試樣的彈性模量出現(xiàn)了顯著的減小,下降了40.9%。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到8后,干濕循環(huán)對黏土彈性模量的劣化作用幾乎達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 CT掃描測試結(jié)果

對不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土的CT掃描橫剖面圖進(jìn)行二值化處理,提取試樣內(nèi)部的裂隙分布情況,得到如圖5所示的裂隙發(fā)育過程圖。由圖5可知,當(dāng)試樣經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后,內(nèi)部裂隙從試樣的四周開始發(fā)育,而此時發(fā)育的裂隙較為分散,且寬度較小。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增加到4時,裂隙進(jìn)一步發(fā)育,并逐漸向試樣內(nèi)部擴(kuò)展,部分離散的裂隙逐漸相互連接。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加,試樣內(nèi)部裂隙逐漸擴(kuò)展,長度和寬度均有進(jìn)一步的增加,裂隙的連續(xù)性也有所提高,且主要分布在試樣四周。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到4后,試樣中裂隙的總體分布形態(tài)基本達(dá)到穩(wěn)定,隨著干濕循環(huán)劣化作用的持續(xù),僅長度和寬度得到進(jìn)一步擴(kuò)展。除此之外,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣內(nèi)部的微裂隙也持續(xù)發(fā)育,當(dāng)循環(huán)次數(shù)從8增加到12的過程中,干濕循環(huán)的劣化作用開始減輕。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土裂隙分布Fig.5 Fracture distribution of clay under different times of dry-wet cycles

由圖6可知,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,裂隙首先在不同層的交界處開始發(fā)育,試樣經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后,從底部開始出現(xiàn)裂隙。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到4時,試樣的中間層開始發(fā)育豎向裂隙,且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣內(nèi)部裂隙的長度和寬度均有所增加。

圖6 不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土的縱剖面CT掃描圖像Fig.6 Profile CT scanning images of clay under different times of dry-wet cycles

對試樣CT掃描圖像進(jìn)行三維重構(gòu),得到900×900×1600(x×y×z)像素的三維圖像數(shù)據(jù),在縱向上去除試樣底部和頂部干擾信號,得到1327層有效數(shù)據(jù)。采用Avizo軟件對CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使用交互式Top-hat分割方法對每一層掃描圖像進(jìn)行處理,計算得出每一層的面孔隙率(圖7)。由于試樣制備采用的是分層擊實方法,因此在對試樣的面孔隙率進(jìn)行統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn),在每一層的交界面,面孔隙率顯著大于層間的孔隙率。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的面孔隙率均出現(xiàn)了明顯的增加,交界面孔隙率的增加更加顯著,這也表明,在干濕循環(huán)劣化作用下,層間的裂隙最先發(fā)育。通過對分割后的圖像進(jìn)行三維建模,能夠得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的三維孔隙結(jié)構(gòu)(圖8)。在孔隙結(jié)構(gòu)的三維建模圖像中能夠觀察到,當(dāng)試樣經(jīng)歷1次干濕循環(huán)作用后,試樣中孔隙明顯增多,不同層交界處出現(xiàn)了連續(xù)的裂隙,且層間也發(fā)育了豎向裂隙,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,孔隙數(shù)量進(jìn)一步增加,層間裂隙和試樣表面的豎向裂隙也逐漸擴(kuò)展,當(dāng)循環(huán)次數(shù)由0增加到12時,孔隙率由19.12%增加到22.5%。

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的面孔隙率Fig.7 Surface porosity of samples under different times of dry-wet cycles

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的三維孔隙結(jié)構(gòu)Fig.8 Three-dimensional pore structure under different times of dry-wet cycles

孔隙的連通性對其破壞特征和滲流特性均具有重要影響,為進(jìn)一步評估干濕循環(huán)作用對黏土孔隙結(jié)構(gòu)的影響,對部分試樣的孔隙連通性進(jìn)行研究?？紤]到計算機(jī)的圖像處理能力和孔隙結(jié)構(gòu)的代表性,選取的單元體大小為30mm×30mm×30mm。為減小制樣的不均勻性對試樣孔隙連通性的影響,選取的單元體位置位于試樣的928～1228層,為制樣過程中試樣的最下層?？紫兜倪B通性研究中,沿著z軸方向?qū)Υ硇詥卧w的連通性進(jìn)行分析,判斷依據(jù)為單元體在z軸方向孔隙的連通情況,其中從z軸頂面存在連續(xù)到底面的孔隙通道稱為連通孔隙,其間出現(xiàn)斷續(xù)的孔隙稱之為閉合孔隙。

圖9中紅色部分代表連通孔隙,綠色部分代表閉合孔隙。由圖9可知,黏土中的連通孔隙占主要部分,且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,連通孔隙所占的比例逐漸增加,而閉合孔隙的比例逐漸減小,且閉合孔隙的分布變得更加分散。不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土中連通孔隙和閉合孔隙所占的比例如圖10所示。在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)后,黏土中連通孔隙所占的比例均超過90%,且當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到8后,連通孔隙和閉合孔隙所占的比例基本達(dá)到穩(wěn)定。

圖9 不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土中連續(xù)孔隙和閉合孔隙分布情況Fig.9 Distribution of continuous pores and closed pores in clay under different times of dry-wet cycles

圖10 不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土中連續(xù)孔隙和閉合孔隙占比Fig.10 Proportion of continuous pores and closed pores in clay under different times of dry-wet cycles

2.3 干濕循環(huán)劣化作用下黏土宏微觀參數(shù)之間的聯(lián)系

巖土體外在宏觀表現(xiàn)受其內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)特性的影響,為定量研究不同干濕循環(huán)次數(shù)下黏土的微觀參數(shù)對強(qiáng)度特性的影響,建立了孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系,如圖11所示。由圖11可知,抗壓強(qiáng)度與孔隙率之間保持負(fù)指數(shù)關(guān)系,隨著試樣孔隙率的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了先快速下降后趨于穩(wěn)定的趨勢。孔隙率從19%增加到21%的過程中抗壓強(qiáng)度下降了40%左右,當(dāng)孔隙率從21%增加到22.5%時,抗壓強(qiáng)度僅變化了4%左右。從孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系能夠得出,在干濕循環(huán)過程中,當(dāng)干濕循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后,孔隙率增加對抗壓強(qiáng)度的減小作用開始減緩。

圖11 不同干濕循環(huán)次數(shù)黏土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between porosity and compressive strength of clay under different times of dry-wet cycles

3 結(jié) 論

a.由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗得出,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,黏土的抗壓強(qiáng)度保持指數(shù)性下降趨勢,且在前4循環(huán)時抗壓強(qiáng)度損失最顯著,下降了40%,在干濕循環(huán)達(dá)到8次后抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定。

b.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,內(nèi)部裂隙從試樣的四周開始發(fā)育,并逐漸向試樣內(nèi)部擴(kuò)展,裂隙的寬度和長度均持續(xù)增加,裂隙的連續(xù)性也有所提高,連通孔隙所占比例從94.2%增加到98.5%。

c.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,孔隙率從19.12%增加到22.5%,試樣的面孔隙率均明顯增加,且不同層間交界面孔隙率的增加更加顯著,層間的裂隙最先發(fā)育,試樣表面也有豎向裂隙發(fā)育。

d.不同次數(shù)干濕循環(huán)作用下黏土的孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間保持負(fù)指數(shù)性的關(guān)系,當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到4后,孔隙率的增加對抗壓強(qiáng)度的減小作用變緩。