合肥地區重塑黏性土細觀結構演化三軸CT 試驗

朱寶龍， 巫錫勇， 李曉寧，， 魏久平

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

高速鐵路無砟軌道對地基土的要求較高.分布于合肥地區的更新統(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，內摩擦角φ=16° ～20°，固結比為1 ～5，呈硬塑狀，孔隙比小，壓縮模量較高，具超固結特性及弱—中膨脹性.對高速鐵路工程建設來說，掌握此類黏性土的工程性質尤為重要. 微、細觀結構研究能揭示宏觀現象產生的機理和本質［1］，因此，為掌握合肥地區此類黏性土的變形機理，探討其細觀結構演化規律是十分必要的.

20 世紀90 年代以來，計算機斷層掃描技術(CT)在巖土介質細觀結構及損傷機理研究中發揮著越來越重要的作用［2-3］. 多位學者對不同土體進行了CT 掃描細觀研究［4-8］，均取得了重要成果.最具代表性的是陳正漢教授率領的團隊，不僅研制了CT-三軸儀［9］，為深人探討非飽和土的力學特性提供了有力工具，而且系統研究了膨脹土和黃土在不同條件下的細觀結構演化規律和損傷機理［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)高速鐵路合肥地區重塑黏性土在非飽和固結排水剪切條件下內部細觀結構的演化特性，為掌握該地區非飽和黏性土在擾動狀態下的工程特性提供試驗基礎.

1 試驗方案

1.1 試驗設備及試驗試樣

試驗在后勤工程學院CT-三軸試驗研究工作站完成，CT 機為陜西省南鄭縣醫院的Prospeed AI臥式螺旋掃描機，GE 公司生產，掃描參數見表1.

表1 CT 機掃描參數Tab.1 Scanning parameters of CT machine

試驗用土為合-福高速鐵路合肥地區長臨河試驗段地基土，為第四系上更新統黏性土，沖積成因，褐黃色，硬塑狀.制樣時，將室內自然風干的原狀土粉碎，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.試樣的初始參數見表2.

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

1.2 試驗方案

試驗為控制吸力的固結排水三軸試驗，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，先將制備的試樣在一定吸力下進行等壓固結，待變形和排水穩定后進行控制吸力和凈室壓力為常數的三軸排水剪切試驗.固結穩定的標準為每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. 在剪切達到預定的軸向應變時，對試樣進行CT 掃描. 預設掃描次數為6 次，每次掃描2 個斷面，各掃描時刻的軸向應變值分別為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，其中a 表示固結結束時的狀態，b 表示軸向應變為2.50%時的狀態，c 表示軸向應變為6.25%時的狀態，d 表示軸向應變為10. 00% 時的狀態，e 表示軸向應變為12.50%時的狀態，f 表示軸向應變為15.00%時的狀態.

一般來說，CT 圖像的灰度與該部位試樣的密度成正比，圖中白色明亮區域為試樣中密度較大處，黑色區域為試樣中裂隙、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.當軸向應變達到2.50%(“1/4b”)時，斷面內一些較小的孔洞消失，而較大的孔洞依然存在，斷面內土顆粒被擠密，白色高亮區域面積增大，并出現新的孔洞(“1/4b”矩形框內).繼續剪切時，又有新孔洞出現(“1/4d”三角形框內)，原先貫通的裂隙面的兩端進一步發展(“1/4d”矩形框、橢圓框內)，同時試樣外周其他部位也出現了從外至內的裂隙;隨剪切進行，這些裂隙進一步發展.試驗停止時，斷面內裂隙沿周邊發育明顯，幾條裂隙局部貫通，但沒有整體貫通;而中心區域一定范圍內亮度略有增強，即這個范圍內的土體處于持續微壓密狀態.

圖1(b)為1#試樣1/2 高度斷面處的CT 掃描結果.初始掃描時，試樣斷面上也存在較多微小孔洞.繼續剪切時，白色高亮區域面積增大，試樣被壓密，試樣中心位置(矩形框內)的孔洞減小，外周部分區域出現微裂隙與微孔洞. 停止試驗時，只在試樣邊緣處有一些短的微裂隙產生，與1/4 高度斷面處的情形相差較大. 這是因為在設計吸力下，水分從底部的陶土板進入試樣，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生相互滑動，產生裂隙［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，斷面內存在若干微小的孔洞和密度相對較大的區域(白色高亮區)，土體處于微壓密狀態.第3 次掃描時，斷面內有幾條孤立、狹長的裂紋出現，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，長度向中心區域縱向延伸，并伴隨新裂紋產生.第5 次掃描時，裂紋寬度進一步擴大，長度繼續增大，且有相互聯通趨勢(“1/4e”橢圓區域)，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生，且其位置能很好地與1/4 高度斷面上的裂紋對應，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現，4#試樣裂紋的展開性和聯通性比1#試樣明顯得多.原因是1#試樣固結時設定的吸力比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變下，顆粒之間充分潤濕使土體更容易產生相對滑移運動，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#試樣由于固結圍壓更大，土體結構朝均勻致密的趨勢發展.5#和6#試樣在剪切過程中變化不大，均處于持續壓密狀態下，無裂紋產生.限于篇幅，2#、3#、5#和6#試樣的CT 圖像略.

3 CT 數據及剪切試驗結果分析

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

圖3 CT 數與軸向應變的關系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 數平均值在第2 次掃描時達到最大，此后因裂紋的出現，CT 數平均值逐漸下降，并趨于一個穩定值;相反，CT 數方差在第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最均勻，而后不均勻性逐漸增大，CT數方差亦增大. 剪切完成時，斷面的CT 數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，斷面上裂紋的出現導致CT 數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 剪切過程中特殊區域CT 數變化規律分析

從CT 掃描圖可以看出，試樣掃描斷面上不同區域內土體結構的變化并不完全一致，既有裂紋開展區，又存在不同程度的壓密區. 為了更細致地觀察斷面上某些特殊區域CT 數據的變化規律，有必要選取特定區域分析.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，特殊區域編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，斷面上整個區域命名為全區域.圖5 為1#試樣1/4 高度斷面上4 個特殊區域和全區域的CT 數據與軸向應變的關系曲線. 試樣剪切前，區域Ⅰ、Ⅱ內土體較均勻，孔洞較少;剪切完成后，這2 個區域內的土體結構幾乎沒有變化——區域Ⅰ內CT 數平均值增大0.47%，方差減小9.5%;區域Ⅱ內CT 數平均值減小0.4%，方差增大6.02%.而剪切前區域Ⅲ、Ⅳ內孔洞相對較多，但剪切完成后，區域Ⅲ內CT 數平均值減小1.2%，方差增大66.89%;區域Ⅳ初始掃描時雖然孔洞較多，但由于其位于斷面中心區域，變形受周圍土體的約束，裂紋擴展很困難，故剪切完成后，區域Ⅳ內CT 數平均值增大(5.28%)，方差減小(6.5%). 而區域Ⅲ位于斷面邊緣位置，區域內本身包含有較多孔洞，同時外側圍壓又較小，當克服結構抗力后，這部分土體很容易產生側向位移，從而形成大的孔洞和裂紋. 在剪切的任何一個階段，全區域的CT 數方差都比4 個區域大得多.

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

圖5 1#試樣特定區域CT 數隨軸向應變的變化Fig.5 Change of CT data in the specific areas of No.1 sample with axial strain

5 結 論

分布于合肥地區的沖積型黏性土呈硬塑狀，孔隙比小，壓縮模量較高，具超固結特性及弱—中膨脹性，對其在剪切過程中細觀結構的演化規律進行CT 試驗研究，可為掌握這類土的工程特性提供試驗基礎.

CT 試驗結果表明，當凈圍壓較低時，經過短暫的壓密階段后，試樣周邊很快產生裂紋，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，且由于裂紋擴展引起密度分布不均勻. 當凈圍壓較高時，剪切完成后試樣一般無裂紋產生，且整個截面區域內試樣都有被壓密的現象，截面CT數平均值增大較多，方差減小，高圍壓和偏應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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