基于核磁共振的紅黏土抗剪強度與孔隙關系研究
2021-12-09 23:48:51衛國芳
人民長江 2021年11期
衛國芳
摘要：為探究多次干濕循環作用對紅黏土孔隙結構的影響，揭示孔隙結構與抗剪強度的內在聯系，基于核磁共振技術，測定試樣經歷0～8次干濕循環后的T2曲線，并測定試樣的抗剪強度，以分析不同尺寸的孔隙與抗剪強度的關系。結果表明：① 第4次循環后，試樣黏聚力衰減約54.9%;在第4～8次循環過程中黏聚力趨于穩定。② 隨著循環次數增加，內摩擦角在一定范圍內波動，未見明顯規律。③ 根據不同循環次數的T2曲線，土體孔隙可分為團粒孔（T2<1.52 ms）、粒間孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms），不同尺寸的孔隙對土體抗剪強度的影響不同。④ 團粒孔在干濕循環作用下幾乎保持不變，粒間孔和裂隙隨著循環次數的增大而近似呈對數增加。⑤ 粒間孔和裂隙都與黏聚力呈良好的線性負相關，它們是導致黏聚力衰減的主要因素。根據分析結果，提出了基于綜合權重分析的孔隙指數I，該指數能綜合體現不同尺寸孔隙（粒間孔和裂隙）對黏聚力的影響;I與黏聚力相關性良好，可用于多次干濕循環影響下土體強度的評價。
關鍵詞：干濕循環; 孔隙結構; 核磁共振; 抗剪強度
中圖法分類號： TU443
文獻標志碼： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.026
0引 言
地表淺層土存在著干濕循環現象[1]，經歷多次干濕循環過程的土體，其抗剪強度會顯著降低，從而導致許多突發性的自然災害[2-3]。了解干濕循環作用對土體抗剪強度的影響機理，對巖土工程災害的防治具有重要意義。許多學者嘗試利用原狀土或者重塑土，描繪干濕循環與土體抗剪強度衰減之間的關系，探索干濕循環對變形和力學性能的影響[4-5]。楊和平等[6]對比分析了有上覆荷載和無上覆荷載條件下，干濕循環對土體抗剪強度的影響規律，研究認為上覆荷載的存在能有效緩解抗剪強度的衰減，提高土體穩定性。 徐丹等[7]的研究顯示，經歷多次干濕循環后，土體的脆性顯著增加，其剪切特性逐漸趨近于超固結土;干濕循環作用對土樣殘余剪切強度的影響都不明顯。江強強等[8]探索了干濕循環影響下滑帶土的黏聚力和內摩擦角衰減規律，發現滑帶土殘余強度的劣化主要發生在前3次干濕循環過程中。
孔隙結構的改變被認為是導致土體宏觀力學性能改變的深層因素。Skvortsova等[9]認為在外部環境影響下，土壤結構是復雜多變的，孔隙的幾何形態可以作為表征土壤結構狀態的一個重要指標。Pan等[10]認為，平均孔喉半徑、孔圓度和孔隙平均長徑比等都會顯著影響土體儲存流體的能力和流體的滲流特性。范婷婷等[11]研究認為，隨著孔隙比增大，砂類土的抗剪強度呈現非線性減小;而且孔隙比越大，其抗剪強度的衰減幅度越小。土壤微觀孔隙結構信息的獲取，通常采用壓汞、電鏡掃描手段等。曾召田等[12]利用壓汞試驗研究土樣經歷0～6次干濕循環后的孔徑分布特性，結果顯示，隨著干濕循環次數的增加，土樣總孔隙體積、孔隙率和平均孔徑均遞增;孔隙結構的變化影響基質吸力，也直接導致的土樣抗剪強度的變化。王鐵行等[13]測試了重塑黃土在干濕循環過程中的動強度和動強度指標變化規律，并通過掃描電鏡技術（SEM）獲取了土樣微觀結構信息，建立了微觀結構與宏觀動強度指標之間的內在聯系。
然而，壓汞、電鏡掃描方法都要對試樣進行干燥處理。干燥過程會引起試樣內的孔隙出現一定程度的收縮和部分封閉;而較高的汞壓力也會對孔隙造成一定的損傷，導致測得的孔隙信息存在一定程度的失真。
可見，現有研究已經反映了干濕循環作用對淺層土體的顯著影響，也嘗試從微觀孔隙的角度解釋宏觀力學性能的改變。但是，獲取土體孔隙結構信息的方法仍然有待發展，以爭取獲得更真實的孔隙信息。另外，土體孔隙結構復雜，不同孔徑的孔隙對抗剪強度的貢獻也不同，不同孔徑范圍的孔隙與土體抗剪強度之間的聯系尚不明確。核磁共振技術具有測試過程無損、便捷、完整保持孔隙狀態等優點，已經廣泛應用于井水勘探、石油勘探、巖土工程等領域[14-15]，它為揭示土體孔隙與強度的內在聯系提供了新思路。
本文以廣州紅黏土為研究對象，利用核磁共振技術，測定不同干濕循環次數下土體的孔隙信息和抗剪強度;分析干濕循環次數對孔隙結構的影響以及不同尺寸的孔隙與土體抗剪強度的關系，建立基于孔隙結構的土體抗剪強度計算模型。研究結果將有助于揭示土壤宏觀力學行為的內在機理，也可為工程建設中土體抗剪強度評價提供一定的借鑒。
1材料及方法
1.1研究用土
文中所用紅黏土取自廣州市北郊某建筑地基現場，取土深度為地表以下1.0～3.0 m。該土呈紅褐色，可塑、黏性強，含有少量未風化巖石，未有可見裂隙發育。通過室內土工試驗獲得了其主要物性參數，如表1所列。
1.2試樣制取
參考取土地原狀土干密度值和擊實試驗結果，本文干濕循環試樣的干密度取值為1.7 g/cm3。首先，取用過2 mm篩的風干土樣，用分層噴灑水配制含水率約為12%的濕土，并密封保存48 h使其含水率平衡。然后采用靜壓法制取環刀試樣（直徑61.8 mm，高20.0 mm），共制取24個試樣，每4個試樣為1組;其中5組試樣進行核磁共振和直剪試驗，余下1組試樣備用。為排出金屬材料對磁場的影響，文中采用特制的聚四氟乙烯環刀（內徑61.8 mm，外徑77.8 mm，高20.0 mm）。試樣干濕循環及核磁共振測試過程都置于特制環刀內。
1.3干濕循環
為模擬廣州市夏季常有的高溫暴雨極端天氣，干濕循環幅度設為約22%（ω=5%～25%），5組試樣分別進行0，2，4，6次和8次干濕循環試驗。試樣濕潤過程使用真空飽和，空氣壓力為0.1 MPa，抽氣時間為4 h。完成抽真空后注水淹沒試樣24 h以上，使試樣在限制體積條件下充分吸水飽和，試樣飽和含水率約為25%。以試樣第1次達到飽和狀態為干濕循環過程的起點。完成濕潤過程后，飽和試樣被置于溫度為40 ℃、相對濕度設置為45%的恒溫恒濕箱內脫水至恒重，此時試樣的含水率約為5%。之后，再對干燥試樣進行抽真空飽和，并再次回到飽和狀態時完成一次循環，即試樣由飽和-干燥-飽和狀態，如此完成一次干濕循環過程。后續1～8次干濕循環過程類似，不再贅述。
1.4核磁共振原理及測試
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance），是指原子核在外場的作用下，在能級之間共振躍遷的現象[16]。在外磁場的作用下，測定質子數的總量和使質子自旋軸發生偏轉之后恢復初始平衡狀態的持續時間T2。這個總和可以表示為T2曲線的一個面積分布，根據曲線的積分面積即可計算得出土中不同大小的孔隙及其占比，并進一步計算出含水量的總和。根據核磁共振弛豫機制，橫向弛豫時間T2可表示如下[17]：
1.5直剪試驗
完成0，2，4，6，8次核磁共振測試后，試樣被安裝在應變控制式電動四聯直剪儀上，在飽和狀態下進行快剪試驗。剪切時豎向壓力為100，200，300 kPa和400 kPa，剪切速度為0.8 mm/min，剪切試驗的實施步驟按文獻[19]執行。采集并處理試驗數據，獲取土體抗剪強度指標c，φ值。
2研究結果與分析
2.1裂隙發育
膨脹性黏土在經歷多次干濕循環過程后，通常會有大量的裂隙發育。而本文所用紅黏土未檢測到大量的膨脹性黏土礦物，其膨脹性較低，多次干濕循環后試樣表面未見明顯裂隙。但是，通過掃描電鏡測試（見圖1），結果可以清晰地觀察到干濕循環作用對本文研究土體微觀結構的影響。0次循環條件下，土體黏土片多呈卷曲狀，黏土片之間幾乎都是面-面接觸，很少有面-邊接觸和邊-邊接觸，土體中未觀測到微裂隙。6次循環后，黏土片的排列方式仍然以面-面接觸為主，但已經可以觀測到大量明顯的微裂隙。微裂隙的存在會加速土體水分轉移，降低土體強度。
2.2抗剪強度
抗剪強度是土體在受到剪切破壞時的極限剪切應力，它是建筑地基、邊坡穩定、土石壩等巖土工程設計中的重要指標。圖2繪制了0～8次干濕循環作用下，紅黏土的黏聚力c和內摩擦角φ隨循環次數的變化規律。
干濕循環作用會導致土體抗剪強度的嚴重衰減，這已經是被廣泛接受的共識。由圖2（a）可以看出：黏聚力與循環次數之間可以近似用一元二次方程表示，本文中A=1.82，B=-21.85，C=114.82。經歷2次干濕循環后，試樣黏聚力從116.32 kPa降低到76.74 kPa，降低了約34%;在第4次循環后，黏聚力降低了約54.9%;第4～8次干濕循環之間，試樣黏聚力未顯示出大幅度的波動（約7%），即趨于穩定。這與現有研究文獻的結論相同[20-21]，即干濕循環作用對紅黏土黏聚力的影響主要表現在0～4次循環之間;4次循環之后，黏聚力表現為在小幅度內的波動。干濕循環過程中，土樣會產生大量干縮裂隙，它們嚴重損傷了土樣的黏聚力[22]。研究認為[23]：在經歷2～4次干濕循環后，土體的裂隙發育也趨于穩定，它對黏聚力的折損也趨于穩定。另外，干濕循環過程中，土樣在飽和、非飽和狀態之間多次轉換。干濕循環過程也是基質吸力的反復加卸載過程，從而導致了土體內部結構產生不可逆的疲勞累積損傷。盡管僅在基質吸力作用下，土體不會出現突然失穩，但經過多次（如4次）干濕循環后土體的力學性質均趨向一種穩定的狀態，黏聚力和內摩擦角指標不會再隨循環次數的增加而發生劇烈變化。
由圖2（b）可以看出：0～8次干濕循環之間，土體內摩擦角表現為在一定范圍內上下波動，未見明顯規律。這可能是因為在干濕循環過程中產生的裂隙使土體破碎化，破碎體之間相互滑動的阻力減低了，內摩擦角減小;但是，土體干縮過程中細顆粒由于靜電作用力而發生聚集，形成團粒填充部分裂隙，從而又導致內摩擦角的增大。上述2種作用同時存在且相互影響，導致了土體內摩擦角隨著循環次數增加而上下起伏的現象。由于干濕循環對黏聚力的影響更為顯著，而內摩擦角受干濕循環幅度的影響相對較小，故下文重點探究孔隙結構與黏聚力的關系。
2.3核磁共振T2曲線
本文利用1H核磁共振電腦關聯分析方法，測定了經歷0，2，4，6，8次干濕循環之后試樣的T2曲線，并對多條曲線進行對比分析（見圖3）。圖3中，橫坐標為孔隙水的橫向弛豫時間，縱坐標為對應幅值（無量綱量）。
由式（2）可知：土體孔隙半徑是以橫向弛豫時間T2為自變量的單值函數，T2值越大，其對應的孔徑也越大。由圖3可以看出：在0～8次干濕循環作用下，試樣的T2曲線主要分布在0.08～150.00 ms之間，其分布區間跨越3個數量級，說明試樣孔隙結構復雜。隨著干濕循環次數增加，T2曲線的幅值逐漸增大，且T2最大值也逐漸擴大（右移）。當T2小于1.52 ms時，不同循環次數下的T2曲線之間相互靠近，說明該弛豫時間內的孔隙幾乎不受干濕循環的影響。當T2介于1.52～31.64 ms之間時，T2曲線對干濕循環作用十分敏感。隨著干濕循環次數的增加，T2曲線幅值增大，且T2曲線表現為向右移動;尤其是0～2次干濕循環之間，T2曲線向右移動幅度最大。當T2大于31.64 ms時，T2曲線的幅值和最大值都依次增大。參照已有的孔隙研究成果[24-25]，可以將本文土樣的孔隙分為團粒孔（T2<1.52 ms）、粒間孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms）。團粒孔為聚集體內的孔隙，干濕循環作用很難造成團粒的破壞，故這部分孔隙在不同循環次數的T2曲線上未見明顯差異。粒間孔是顆粒之間的孔隙，表征土顆粒之間的間距大小。裂隙可視為孔徑很大的孔隙，它是干濕循環過程導致的。2次循環后，T2曲線最大值增大（見圖3），這說明土樣內產生了裂隙。隨著循環次數增加（2～8次），T2≥31.64 ms段的曲線右移，說明土樣內裂隙量增加或者裂隙寬度擴大。
T2曲線沿橫坐標的積分面積代表著該T2區間內的水的相對含量，這個積分面積也間接地表示了該T2區間內的孔隙相對含量的多少。將圖3中3類孔隙的T2曲線積分面積與干濕循環次數的關系列于表2。總孔隙是整條T2曲線的積分面積，團粒孔表示T2<1.52 ms段曲線積分面積，粒間孔表示1.52 ms≤T2<31.64 ms 段的曲線積分面積，裂隙表示T2≥31.64 ms 段曲線積分面積。
由表2可以看出：不同循環次數的土樣內，團粒孔隙占比最小，粒間孔占比最大。循環次數增大，土樣總孔隙量增加，團粒孔幾乎保持不變，粒間孔占比依次降低，裂隙占總孔隙比例逐漸增大。筆者分析認為，干濕循環作用導致土樣松散，孔隙總量增大。脫水收縮裂隙將土樣分割成大小不等的塊體，塊體間的空隙（裂隙）在循環過程中擴大;而塊體內部則由于反復干縮作用使得顆粒間距減小，粒間孔占總孔隙比例減小。
圖4展示了上述3類孔隙與循環次數之間的關系。隨著循環次數的增加，粒間孔、裂隙、總孔隙都近似呈對數增長，而后趨于穩定。粒間孔在經歷2次循環后，其含量趨于穩定;裂隙含量則是在第4次循環后才趨于穩定。說明第2次循環之后，土樣孔隙主要表現為裂隙的延長和寬度增長。
2.4孔隙與黏聚力關系
為了更好地分析孔隙尺寸對土體抗剪強度的影響，圖5中繪制了粒間孔量、裂隙量與黏聚力的關系。
粒間孔、裂隙都與土樣黏聚力存在良好的相關性（見圖5），這2類孔隙量增加都會導致土樣黏聚力的線性衰減。基于孔隙組成數據，可以對土體抗剪強度性能提出更準確的評價。然而，隨著干濕循環次數的增加，粒間孔占總孔隙的比例是逐漸減小，而裂隙占比逐漸增大（見表2）。自然界中的土壤孔隙也不止包含一種孔隙類型，基于上述2種孔隙（粒間孔、裂隙）的總和指標才能更真實地反映土體孔隙結構與黏聚力的關系，也與工程實際更相符。基于組合權重思想，提出使用孔隙指數I來表述孔隙組成與土體黏聚力的關系（見式3）。
由圖6可以看出：隨著孔隙指數I的增加，土樣黏聚力線性減小，二者相關性高（R2=0.9783）。相比與單獨采用粒間孔或者裂隙來預測土樣黏聚力，采用孔隙指數I來預測黏聚力的可靠性得到提升。而且，孔隙指數是土體中不同孔徑大小的孔隙的綜合體現，其物理意義更明確。若要更詳細地表達各孔徑區間對黏聚力的折損作用，可將T2曲線分割成n段，在式（3）中加入相應T2區間的fn，Pni，則可計算出個循環次數下的Ii，得出對土體黏聚力的預測模型。
3結 論
基于核磁共振技術，測定了0～8次干濕循環后試樣的T2曲線。將T2曲線各區段差異解釋為3類不同的孔隙，建立3類孔隙與強度之間的關系，得到以下主要結論。
（1） 對文中所用紅黏土，前4次干濕循環后，黏聚力衰減了54.9%，第4次循環之后，黏聚力趨于穩定。內摩擦角隨循環次數的增加而在一定范圍內波動，未表現出明顯規律。
（2） 根據核磁共振T2曲線特征，將本文土樣的孔隙分為團粒孔（T2<1.52 ms）、粒間孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms）。團粒孔含量在干濕循環過程中相對穩定，粒間孔、裂隙都隨循環次數的增加而增大。粒間孔量、裂隙量與黏聚力之間線性負相關，它們是導致土體抗剪強度減小的主要因素。
（3） 基于組合權重思想，提出的孔隙指數I，它是反映土體孔隙組成的綜合指標。孔隙指數I與黏聚力之間存在良好的線性關系，基于I建立的數學模型可準確地預測干濕循環過程中黏聚力的衰減情況。
（4） 本文試驗是針對廣州紅黏土進行的，所得結果的廣泛適用性仍有待研究。基于T2曲線的孔隙劃分方法，尚未形成統一認識，仍需深入探索。
參考文獻：
[1]李雄威，孔令偉，陳建斌，等.新開挖膨脹土邊坡大氣影響深度的現場試驗[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2010，29（1）：99-102.
[2]CHEN F H.Foundation on Expansive Soils[M].Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Co.，1988.
[3]QI S C，VANAPALLI S K.Influence of swelling behavior on the stability of an infinite unsaturated expansive soil slope[J].Computers and Geotechnics，2016（76）：154-169.
[4]SIMMS P H，YANFUL E K.A discussion of the application of mercury intrusion porosimeter for the investigation of soil，including an evaluation of its use to estimate volume change in compacted clayed soils[J].Geotechnique，2004，54（6）：421-426.
[5]STOLTZ G，CUISINIER O，MASROURI F.Multi-scale analysis of the swelling and shrinkage of a lime-treated expansive clayey soil[J].Applied Clay Science，2012（61）：44-51.
[6]楊和平，王興正，肖杰.干濕循環效應對南寧外環膨脹土抗剪強度的影響[J].巖土工程學報，2014，36（5）：949-954.
[7]徐丹，唐朝生，冷挺，等.干濕循環對非飽和膨脹土抗剪強度影響的試驗研究[J].地學前緣，2018，25（1）：286-296.
[8]江強強，劉路路，焦玉勇，等.干濕循環下滑帶土強度特性與微觀結構試驗研究[J].巖土力學，2019，40（3）：1005-1012，1022.
[9]SKVORTSOVA E B，UTKAEVA V F.Soil pore space arrangement as a geometric indicator of soil structure[J].Eurasian Soil Science，2008，41：1198-1204.
[10]PAN J，WANG H，LI C，et al.Effect of pore structure on seismic rock-physics characteristics of dense carbonates[J].Appl.Geophys，2015，12：1-10.
[11]范婷婷，林海，胡小榮.孔隙比對砂類土抗剪強度影響的定量分析[J].水文地質工程地質，2018，45（6）：99-104.
[12]曾召田，呂海波，趙艷林，等.膨脹土干濕循環過程孔徑分布試驗研究及其應用[J].巖土力學，2013，34（2）：322-328.
[13]王鐵行，郝延周，汪朝，等.干濕循環作用下壓實黃土動強度性質試驗研究[J/OL].巖石力學與工程學報：1-11[2020-03-22].https：∥doi.org/10.13722/j.cnki.jrme.2019.0945.
[14]MALZ F，JANCKE H.Validation of quantitative NMR[J].Journal of Pharmaceutical & Biomedical Analysis，2005，38（5）：813-823.
[15]PAULI G F，GDECKE T，JAKI B U，et al.Quantitative 1H NMR：development and potential of an analytical method：an update[J].Journal of Natural Products，2012，75（4）：834-851.
[16]龔國波，孫伯勤，劉買利，等.巖心孔隙介質中流體的核磁共振弛豫[J].波譜學雜志，2006（3）：379-395.
[17]何雨丹，毛志強，肖立志，等.核磁共振T2分布評價巖石孔徑分布的改進方法[J].地球物理學報，2005（2）：373-378.
[18]李彰明，曾文秀，高美連.不同荷載水平及速率下超軟土水相核磁共振試驗研究[J].物理學報，2014，63（1）：359-366.
[19]中華人民共和國水利部.土工試驗規程：SL237-1999[S].北京：中國水利水電出版社，1999.
[20]穆坤，孔令偉，張先偉，等.紅黏土工程性狀的干濕循環效應試驗研究[J].巖土力學，2016，37（8）：2247-2253.
[21]袁志輝，倪萬魁，唐春，等.干濕循環下黃土強度衰減與結構強度試驗研究[J].巖土力學，2017，38（7）：1894-1902，1942.
[22]TANG C S，CUI Y J，TANG A M，SHI B.Experiment evidence on the temperature dependence of desiccation cracking behavior of clayey soils[J].Engineering Geology，2010，114（3-4）：261-266.
[23]楊和平，劉艷強，李晗峰.干濕循環條件下碾壓膨脹土的裂隙發展規律[J].交通科學與工程，2012，28（1）：1-5.
[24]呂海波，汪稔，趙艷林，等.軟土結構性破損的孔徑分布試驗研究[J].巖土力學，2003（4）：573-578.
[25]付常青，朱炎銘，陳尚斌.浙西荷塘組頁巖孔隙結構及分形特征研究[J].中國礦業大學學報，2016，45（1）：77-86.
（編輯：趙秋云）
Abstract：To explore the impact of multiple dry-wet cycles on the pore structure of lateritic clay and to reveal the internal relationship between pore structure and shear strength，we tested the T2 curve and shear strength of specimen that experienced 0～8 cycles，and analyzed the relationship between pore size and shear strength.The results showed that after the 4th cycle，cohesion of the specimen decreased about 54.9%，while it tended to be stable in following cycles.As the cycle number increased，the friction angle fluctuated irregularly within a certain range.Based on T2 curves under different cycles，pore of soil was divided into three types： aggregate pore （where T2<1.52 ms），intergranular pore （1.52ms
Key words：dry-wet cycle;nuclear magnetic resonance （NMR）;pore structure;shear strength
