基于MIP的壓實作用對“微膨脹性”重塑泥巖微觀結構影響分析*

張唐瑜 馬麗娜 張戎令②③ 王起才② 李進前

(①蘭州交通大學土木工程學院 蘭州 730070)(②道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室 蘭州 730070)(③卡迪夫大學工程學院 英國 CF24,3AA)

0 引 言

土體的微觀結構影響其強度、滲透性及變形等物理力學特性，各類土體普遍發育有微孔隙與微裂隙，形成了各自特殊的微觀結構，正是基于對膨脹土、凍土、紅土和黃土等特殊土微觀結構研究，認識到各種土的物理力學性質具有較大差異的原因是微觀結構的不同(丁建文等， 2011； Chen et al.，2016)。因此，不少學者(沈珠江， 1996； 張英等， 2015a，2015b； Cinelli et al.，2018)認為研究土的微觀結構具有重要意義，對各類工程建設具有一定的指導價值。

巖土工程中，壓汞法(mercury intrusion poro￣sime￣try，簡稱MIP)可以定量研究土體微觀結構，其測定孔徑大小范圍較其他方法寬很多，可以反應大多數材料的孔隙結構狀況(丁建文等， 2011)。相關學者應用壓汞法對各類土體進行了大量研究并取得了頗有價值的理論成果。張英等(2015b)借助壓汞技術對青藏鐵路沿線重塑粉質黏土不同凍融次數下的孔隙特征進行了研究。李志清等(2018)采用壓汞法對頁巖的孔隙特征進行了研究，分析發現分形維數可用于評價頁巖孔隙的非均質性，且分形維數越大，孔隙的非均質性越強。肖樹芳等(2014)采用壓汞技術對固結變形過程中淤泥土的微觀結構變化特征進行了分析研究，并研究了軟土的黏滯系數和結合水膜厚度的關系。而針對微膨脹性泥巖的微觀孔隙研究尚不多見。

課題組(馬麗娜等， 2015a,2015b； 薛彥瑾等， 2017)對蘭新高鐵第二雙線哈密泥巖地基段進行了前期研究，發現該地區泥巖具有弱膨脹性，相對于一般鐵路工程，該膨脹性對列車的安全運行影響較小，而高速鐵路無砟軌道對膨脹變形要求極為嚴格，允許最大膨脹量為4imm，該地區的泥巖膨脹確有高鐵平穩運行不可忽視的弱膨脹性。在地基回填過程中會對泥巖進行夯實作用，基于以上原因，本文采用壓汞法分析壓實作用對該地區泥巖微觀孔結構的影響。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗泥巖取自蘭新高鐵第二雙線DK1236+550處，采用鉆機取樣，取樣深度8～13im。按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102-2010)測得其基本物理力學指標如表 1所示。

表 1 泥巖基本物理力學指標Table 1 Basic physical and mechanical indexes of mudstone

試樣制備過程如下：

(1)將現場鉆取的泥巖碾細，過2imm篩，在50i℃恒溫烘箱內將泥巖烘干后調配成含水率為13%(最優含水率)，為保證試樣含水率均勻，將攪拌完的試樣用保鮮膜包裹12ih。

(3)將制備好的試樣裝入飽和器后放入真空飽和缸中進行飽和(因該泥巖具有弱膨脹性，飽和器起飽和及限制膨脹的作用)。

(4)將飽和后的試樣切成小塊，將小塊試樣裝入試管并加入異丙烷； 將試管浸入到液氮中快速凍結，然后放入冷凍干燥機(如圖 1a)使孔隙中的冰晶升華干燥，以避免直接干燥(如烘干法、風干法)引起泥巖體積收縮。

1.2 試驗原理

壓汞試驗分析采用的是毛細管模型，Washburn(1921)根據Young-Laplace公式推導出著名的瓦什伯恩(Washourn)方程，如式(1)所示：

(1)

式(1)中P為作用在液面的壓力，γ為液體表面張力，θ為液體與其他物體的接觸角。對于水等浸潤液體其接觸角θ<90°，此時式(1)中液面壓力為負數，液體受吸力可以自動進入孔隙； 對于非浸潤液體，如汞(90°<θ<180°)，此時液面壓力為正，若要使汞進入孔隙，則必須提供一定的壓力，壓力與孔隙特征成一一對應關系。因此，物體的微觀孔結構可以通過汞進入孔中的量與不斷增長的進汞壓力的關系得出。

本試驗采用AutoPore IV 9500 V1.07全自動壓汞儀如圖 1b，參照論文(張英等， 2015b)，試驗中取θ=130°；γ=485idynes·cm-1， 1idynes·cm-1=10-3iN·m-1。

圖 1 試驗設備Fig. 1 Test equipmenta. 冷凍干燥機；b. 壓汞儀

2 試驗結果與分析

2.1 進退汞曲線

圖 2 進-出汞曲線Fig. 2 Enter-outflow mercury curvea. 干密度試樣進退汞曲線；b. 干密度試樣進退汞曲線

表 2 不同干密度試樣壓汞信息Table 2 Mercury intrusion information for different dry density samples

由圖 2可知：

(1)不同干密度重塑泥巖試樣的進退汞曲線在數值上存在高低差異，在形態上呈現較好的一致性，均近似呈“L”型曲線，在壓力較小時斜率較大，隨著壓力的增加，進退汞曲線均逐漸變得平緩，說明在較低壓力條件下，有較多的汞進入了試樣孔隙中。

(2)進退汞曲線并不重合，在壓力一定時，退汞曲線高于進汞曲線，解釋這一現象較為成熟的理論是瓶頸孔的存在(James， 1935)。汞進入某一直徑的孔隙之前必須要穿過直徑更小的孔口，進汞壓力對應的孔隙往往是小孔，從而導致進汞量較小； 瓶頸孔的存在使得進退汞路徑不同，導致汞線條發生斷裂，使得汞珠在瓶頸孔中有一定的截留，從而產生了退汞曲線滯后現象。

同理可得其他干密度試樣的壓汞信息，如表 2所示：

由表 2可知，隨著干密度增大，試樣內部總孔隙含量與瓶頸孔的占比均逐漸減小； 不同干密度試樣中瓶頸孔占總孔隙的比例最大達到81.59%，最小為67.47%，均大于50%，由此可知，壓實泥巖中存在較多的瓶頸孔。

2.2 壓實作用對孔徑的影響

不少學者對土體孔隙劃分標準進行了大量分析及探索(Shear et al.， 1992; 張英等， 2015b； 李志清等， 2018)。其中Shear et al.(1992)依據孔徑的不同將孔隙分為顆粒內孔隙(d<14inm)、顆粒間孔隙(14inm70i000inm)。據此，以孔徑分布為橫坐標，孔徑占比為縱坐標，繪制試樣不同干密度狀態下的孔隙分布圖(圖3)。

圖 3 孔隙分布占比圖Fig. 3 Ratio of pore distribution

由圖 3可以看出，干密度不同，孔隙分布不同； 顆粒間孔隙最多，在不同干密度重塑泥巖中平均含量達到38.91%； 團粒內孔隙含量次之，其平均含量為26.54%； 顆粒內孔隙較少，最大含量為20.66%； 團粒間的宏觀孔隙最少，最大含量為8.245%。隨著干密度的增大，存在于團粒間的宏觀孔隙和團粒內的孔隙均呈現減少的現象，其中團粒內孔隙減少較為明顯，其含量由45.31%減少至16.48%，減幅達28.83%； 存在于顆粒內及顆粒間的孔隙含量均隨著干密度的增大而逐漸增大，其中顆粒間孔隙增大顯著，其含量由34.25%增大至56.29%，增幅達22.04%。

基于上述分析可知，泥巖的壓實在微觀上表現為對團粒內和團粒間較大孔隙的壓縮導致大孔隙向小孔隙的轉化，從而導致重塑泥巖的孔隙比變小； 在宏觀上表現為土體密實度變大，強度增大。

2.3 壓實作用對孔隙面積的影響

孔隙的面積大小可以表示介質(如水)通過泥巖時的接觸情況。通過壓汞試驗可以得到重塑泥巖孔隙面積分布狀況，在雙對數坐標上繪制孔徑與孔隙面積關系曲線(圖 4a、圖4b)。其中圖 4a表示孔隙的累計面積，圖 4b表示不同孔徑所對應的孔隙面積。

圖 4 不同干密度重塑泥巖試樣孔隙面積與孔徑關系Fig. 4 Relationship between pore area and pore size of remodeled mudstone samples with different dry densitya. 孔隙累計面積；b. 孔隙面積

由圖 4a可知，隨著壓汞法所測孔徑的減小，不同干密度重塑泥巖試樣的孔隙累計面積呈非線性增加； 各不同干密度試樣的孔隙總面積分別為 13.12im2·g-1、12.94im2·g-1、12.67im2·g-1、12.83im2·g-1、13.20im2·g-1和13.09im2·g-1，由此可知，盡管干密度增加，試樣內孔隙總面積基本恒定； 在團粒間、顆粒間、顆粒內的孔隙面積變化曲線基本一致，在團粒內的孔隙分布曲線較為離散，表明壓實作用對顆粒間的孔隙面積影響較大。

由圖 4b可知，不同干密度重塑泥巖試樣孔隙面積分布規律呈現較好的一致性。隨著孔徑的減小，孔隙面積分布規律幾近相同； 不同孔徑對應的孔隙面積不同，顆粒內的孔隙面積最大，團粒間孔隙面積最小，面積相差量級達106； 隨著干密度的增加，團粒間、顆粒間和顆粒內孔隙面積曲線基本重合； 團粒內孔隙面積曲線較為離散，干密度越大，曲線越低，也即外界荷載作用越大，團粒內孔徑所對應的孔隙面積越小，在宏觀上表現為泥巖持水性能變強，滲透性及通氣性變弱，證明壓實作用改變泥巖的宏觀物理力學特性主要是團粒內孔隙的影響。

2.4 壓汞法的評價

壓汞試驗可以測定試樣的孔隙率，在已知土體干密度和土粒比重(如表 1)的情況下也可以通過三相草圖計算得其孔隙率。表 3為重塑泥巖試樣孔隙率試驗值與理論對比表。

表 3 孔隙率實測值與理論值比較Table 3 Comparison of measured values of porosity with theoretical values

由表 3可知，應用壓汞法實測試樣孔隙率與理論計算所得孔隙率有所差距，各不同干密度試樣孔隙率實測值均小于孔隙率計算值； 隨著干密度的增加，兩者的差值逐漸減小。

圖 5 實測孔隙率與計算孔隙率關系Fig. 5 Relationship between measured porosity and calculated porosity

分析實測孔隙率與理論計算孔隙率存在差距原因如下：(1)試樣中的宏觀孔隙在較小的進汞壓力下即可測定，在這階段所得各項孔隙指標偏于離散，因此壓汞試驗忽略了真實大孔隙含量； (2)由于壓汞法假定試樣中孔隙為圓柱形孔隙，而經分析重塑泥巖試樣中存在大量瓶頸孔； (3)理論計算假定土體中孔隙相互連通，汞只能進入開口的孔隙，但重塑泥巖中確有一些獨立存在的密閉孔隙。以上3點導致孔隙率實測值與理論計算值不相同。

通過進一步分析發現，壓汞法試驗量測所得的孔隙率與三向草圖計算得到的孔隙率呈現良好的線性關系，如圖 5所示，對兩者關系進行了線性擬合，擬合方程如式(2)所示，擬合曲線如圖 5中黑線所示，圖中擬合系數為0.82>0.75，可以認為兩者線性相關，因此可以通過擬合方程在已知某一孔隙率時，較為精確地計算另一孔隙率。

y=2.04x-13.25

(2)

雖然壓汞法實測孔隙率與理論計算孔隙率之間存在一定的差異，但這對采用壓汞法研究重塑泥巖微觀孔隙結構影響甚微。首先，大孔的不同對實際工程性質如強度和滲透性影響極小； 再者，本次試驗進汞最大壓力為35i000ipsia(約241i325ikPa)，在此壓力下，液態汞還不能進入某些孔隙，說明這些孔隙對重塑泥巖的強度及滲透特性影響極小，進而對工程特性影響極小。

3 結 論

(1)采用壓汞法研究壓實作用對膨脹泥巖微觀結構的影響是成功的。

(2)通過分析試驗的進退汞曲線可知，不同干密度重塑泥巖中均存在較多的瓶頸孔，導致汞進退孔隙路徑不同，從而引起使得進退汞曲線不重合。

(3)采用shear提出的孔徑劃分標準對重塑泥巖孔隙進行了分類，發現孔隙多存在于顆粒間和團粒內； 壓實作用對大孔隙的影響較大，致使團粒內孔隙逐漸向顆粒間孔隙轉化。

(4)對不同壓實狀態下的重塑泥巖孔隙面積進行了分析研究，發現盡管壓實度不同，但重塑泥巖試樣內孔隙總面積基本恒定； 孔隙面積多存在于顆粒內。

(5)利用瓶頸孔和閉合孔的概念對壓汞法實測孔隙率與理論計算孔隙率有所偏差這一現象進行了合理的分析及說明，并分析得出了實測孔隙率與計算孔隙率的關系式。

(6)盡管本文試驗所采用的試樣是重塑泥巖，但對實際泥巖微觀特性的認識仍有重要的參考價值。