紅黏土波速變化規(guī)律試驗(yàn)研究

張洪洲，李志國(guó)

(1.永順縣交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督管理所，湖南 永順 416700；2.湘西自治州交通規(guī)劃辦公室，湖南 吉首 416000)

紅黏土波速變化規(guī)律試驗(yàn)研究

張洪洲1，李志國(guó)2

(1.永順縣交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督管理所，湖南 永順 416700；2.湘西自治州交通規(guī)劃辦公室，湖南 吉首 416000)

紅黏土是一種高塑性粘土，它的特點(diǎn)表現(xiàn)為收縮性明顯但壓縮性低。在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程后，紅黏土易在土體內(nèi)部逐漸形成間隙，降低土體的整體穩(wěn)定性。依此，根據(jù)超聲波測(cè)試?yán)碚?，使用非金屬聲波檢測(cè)儀對(duì)干濕循環(huán)后紅黏土進(jìn)行聲波檢測(cè)，分析含水率在恒定狀態(tài)下，試樣縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況。研究結(jié)果表明：在控制含水率一定的條件下，縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，研究成果為研究紅黏土的聲學(xué)特征提供參考借鑒。

紅黏土；循環(huán)次數(shù)：控制含水率；縱波波速

0 引言

紅黏土是一種特殊土，具有失水收縮吸水膨脹的性能。在干濕循環(huán)作用下紅黏土?xí)l繁脹縮，使得土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，裂隙的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致土體的整體性能降低，使得土體強(qiáng)度逐漸降低，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土體不斷地進(jìn)行膨脹收縮過程，裂隙也因此在土體內(nèi)部不斷擴(kuò)展以及向深層發(fā)展，顯著影響邊坡的穩(wěn)定性[1-3]。因此，探討紅黏土聲速的變化規(guī)律對(duì)于膨脹土裂隙的定量化和聲波特性研究甚為重要。

目前，對(duì)紅黏土裂隙特征的研究主要從裂隙測(cè)量、裂隙的統(tǒng)計(jì)分析、裂隙形態(tài)學(xué)描述等幾個(gè)方面進(jìn)行。裂隙的測(cè)量方法主要包括直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法；直接測(cè)量法是通過測(cè)量工具直接量測(cè)裂縫的長(zhǎng)、寬、深度來記錄裂隙的分布情況，綜合得到對(duì)裂隙定性或半定量的描述。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來許多學(xué)者通過數(shù)碼照相機(jī)采集高清裂隙圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)提取裂隙參數(shù)來描述裂隙的發(fā)展[4-6]。CT法是一種無損觀測(cè)法，它可以清晰地觀察巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂隙的變化規(guī)律[7]。目前CT法大部分用于量測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小尺寸土樣, 不能有效地在原位紅黏土方面得到更好的應(yīng)用, 并且需同時(shí)考慮設(shè)備較昂貴等經(jīng)濟(jì)因素。

間接量測(cè)大致包含電阻率法和超聲波法兩種理論研究方法。電阻率法的原理是依據(jù)將土體接入電流后所反映的電阻高低來側(cè)面凸顯土體的內(nèi)部情況[8]。超聲波法基于超聲波脈沖透射法來實(shí)際采集土體內(nèi)聲速數(shù)據(jù)進(jìn)而反映其土體內(nèi)部情況[9]。周蓓銳、翟小潔等[10,11]利用超聲波法對(duì)巖石裂紋進(jìn)行了研究,將損傷變量由超聲波波速反映,探討了巖石微裂紋的宏觀力學(xué)效果；國(guó)外在研究土體性質(zhì)方面，主要集中在土體中的孔隙、土體中流體、土的分子成分的微結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的聲波方法的應(yīng)用[12,13],國(guó)內(nèi)關(guān)于土體聲波探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用大部分集中在凍土方面[14,16]。王崢輝等[17]對(duì)南京下蜀黃土進(jìn)行研究，測(cè)定了不同狀態(tài)下超聲波法運(yùn)用所得到的試件波速數(shù)據(jù),對(duì)超聲波波速值和該土樣的基本物理性能指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了一定的分析研究。黃震等[18,19]首次將超聲波技術(shù)用于膨脹土的研究，對(duì)等幅干濕循環(huán)作用后的廣西百色膨脹土進(jìn)行聲波測(cè)試，分析了聲速與循環(huán)幅度、循環(huán)次數(shù)、初始控制含水率的變化規(guī)律，探討了波速的變化與強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系。

針對(duì)紅黏土波速變化規(guī)律方面的現(xiàn)有研究不足，基于超聲波測(cè)試?yán)碚摰膶?shí)踐，本文運(yùn)用非金屬聲波檢測(cè)儀對(duì)多次干濕循環(huán)過程后的壓實(shí)紅黏土進(jìn)行聲波測(cè)試，并且根據(jù)采集所得數(shù)據(jù)加以聲學(xué)特性分析，研究成果對(duì)紅黏土實(shí)體工程具有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)用土樣取自廣西桂林，在當(dāng)?shù)厝⊥辽疃葹?.2～3.2 m，通過室內(nèi)基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，可得該紅黏土的各項(xiàng)基本指標(biāo)，見表1。

1.2 試驗(yàn)方案及過程

1.2.1 試樣制備

表1 土體物理指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性等各種復(fù)雜因素的影響，在試驗(yàn)環(huán)境一致的情況下原始紅黏土土樣內(nèi)部間隙蔓延以及聲波性質(zhì)改變不同的可比性不好，并且現(xiàn)場(chǎng)很難采集到均勻的原狀土樣，以及國(guó)內(nèi)外將中、弱紅黏土作為下路堤填料，因此本研究采用重塑紅黏土土樣進(jìn)行試驗(yàn)。

把紅黏土試樣干燥、振搗后，用2 mm的篩篩選，根據(jù)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制備出初始含水率為最佳含水率(17.98%)的土體樣本，并密封悶料24 h以上，隨機(jī)抽取2個(gè)試樣測(cè)定含水率，當(dāng)含水率之差在±0.1%范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為含水率分布均勻。根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10-2006)中6.1.4的規(guī)定，3、4級(jí)公路下路堤壓實(shí)度必須在93%以的要求，本試驗(yàn)控制干密度為1.68 g/cm3，利用靜壓法制備樣本,其大小為61.8 mm×20 mm,密度誤差控制在±0.02 g/cm3，否則棄土重做。

1.2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

由于桂林紅黏土地區(qū)夏天最高氣溫可以達(dá)到42 ℃左右，為模擬紅黏土的脫濕過程，將本試驗(yàn)烘干脫濕溫度設(shè)置為42 ℃；利用重疊式飽和器進(jìn)行試驗(yàn)，試樣進(jìn)行飽和則使用抽氣法。根據(jù)桂林地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，紅黏土邊坡土體的含水率的變化在最佳含水率附近浮動(dòng)，因此，所進(jìn)行的干濕循環(huán)的控制含水率就是試件的初始含水率，利用稱重的方法控制干濕循環(huán)的作用過程。

試件干濕循環(huán)的過程如圖1所示，每次干濕循環(huán)過程大致可以分為3個(gè)階段：第1階段為“17.98%→烘干”，脫濕過程中，每隔1 h稱重一次試件質(zhì)量，當(dāng)試件的質(zhì)量在相鄰1 h內(nèi)的變化不大于0.5 g時(shí)，即表示脫濕過程完成；第2階段為“烘干→飽和”，飽和過程中，抽氣時(shí)間控制為4 h，真空條件下浸泡時(shí)間為12 h；第3階段為“飽和→17.98%”，脫濕過程中，每隔1 h稱重一次試件質(zhì)量，當(dāng)試件的質(zhì)量與控制含水率試件質(zhì)量(設(shè)為m0)之差不大于1 g時(shí)，每隔1 min稱重一次試件質(zhì)量，當(dāng)試件質(zhì)量與m0之差在±0.1 g范圍內(nèi)變化時(shí)，即表示試件達(dá)到控制含水率，然后對(duì)紅黏土試樣進(jìn)行8次干濕循環(huán)。當(dāng)試件含水率達(dá)到控制含水率時(shí)停止烘干，將試件密封養(yǎng)護(hù)24 h以上，使得整個(gè)土體樣本含水率分布均勻，接著將試件取出然后進(jìn)行超聲波測(cè)試。

圖1 干濕循環(huán)過程示意圖

1.2.3 超聲波測(cè)試

對(duì)達(dá)到控制含水率的試件使用TH204型非金屬聲波檢測(cè)儀(如圖2)進(jìn)行超聲波測(cè)試試驗(yàn)。儀器的激發(fā)電壓為1 kV，采樣間隔為0.5 μs，采樣長(zhǎng)度2 k；收、發(fā)探頭選用頻率為500 kHz的縱波換能器，用凡士林作耦合劑。凡士林的主要作用是增加試件表面與換能器的接觸，降低超聲波在接觸面上的衰減。每個(gè)試件測(cè)定3個(gè)不同位置(如圖2所示)，每一次干濕循環(huán)后的聲波測(cè)試都在相同的位置，記錄每次測(cè)試的縱波波速，然后對(duì)每個(gè)試件的縱波波速進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，即可得到每個(gè)試件對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)的縱波波速。當(dāng)測(cè)量結(jié)束，緊接著開始新的干濕循環(huán)試驗(yàn)以及聲波試驗(yàn)，記下紅黏土土樣的波速，重復(fù)以上步驟進(jìn)行8次干濕循環(huán)試驗(yàn)。紅黏土聲波試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖2 聲波測(cè)試測(cè)點(diǎn)位置布置示意圖

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

如圖2所示，試件在A、B、C 3個(gè)不同位置的裂隙發(fā)育程度是不同的，探頭在3個(gè)位置接收到的聲波信號(hào)也會(huì)不同，從而測(cè)得的縱波波速也會(huì)有不同，因此本文對(duì)試件不同位置的縱波波速進(jìn)行自身加權(quán)平均作為試件的代表值，然后再對(duì)每組試件的4個(gè)代表值進(jìn)行自身加權(quán)平均，得到相應(yīng)含水率試件的縱波波速。

圖3 紅黏土聲波測(cè)試過程

(1)

(2)

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

使用TH204非金屬聲波檢測(cè)儀對(duì)循環(huán)后指定的控制含水率的紅黏土土樣件進(jìn)行聲波測(cè)試，記下每次試驗(yàn)的縱波波速，然后根據(jù)式(1)、式(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到相應(yīng)控制含水率試件的縱波波速，進(jìn)而得到經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后紅黏土試件縱波波速加權(quán)平均值以及各個(gè)試件的總體方差。結(jié)果見表2、圖4、圖5、表3。

在同一含水率下，4個(gè)試件的波速的加權(quán)平均值大致是相同的，因此挑選試件1進(jìn)行分析即可反映出4個(gè)試件縱波波速的變化情況。

表2 控制含水率為17.98%的4個(gè)紅黏土試件的縱波波速(m·s-1)

續(xù)表2 控制含水率為17.98%的4個(gè)紅黏土試件的縱波波速(m·s-1)

圖4 試件1經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后紅黏土試件縱波波速加權(quán)平均值

圖5 經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后4個(gè)紅黏土試件總體縱波波速加權(quán)平均值

根據(jù)圖5能夠看出，紅黏土樣本的縱波波速隨著循環(huán)次數(shù)的增加而遞減。大致可分為3個(gè)階段進(jìn)行。當(dāng)循環(huán)次數(shù)在0至3時(shí)，曲線的斜率較大，波速降低幅度較快；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在3至6時(shí)，曲線斜率急劇降低，波速衰減速率放緩；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在6至8時(shí)，曲線趨于直線，波速基本趨于穩(wěn)定，停止降低。同時(shí)，由表3可以看出，在第1階段，波速的總體方差較大，波速變化較快，不穩(wěn)定；從第2階段開始，總體方差逐漸降低，波速變化趨于穩(wěn)定；在第3階段，總體方差數(shù)值小，波速總體上不再變化。

表3 控制含水率為17.98%的4個(gè)紅黏土試件的縱波波速總體方差

縱波波速因干濕循環(huán)次數(shù)的遞增呈非線性遞減的主要原因：在循環(huán)作用后紅黏土內(nèi)部產(chǎn)生大量間隙，當(dāng)聲波到達(dá)間隙表面，聲波將產(chǎn)生繞射等可使聲波傳播路徑增加的現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致傳播時(shí)間增加，波速下降。未經(jīng)過循環(huán)作用的紅黏土試樣間隙少，波速高，在經(jīng)過干濕循環(huán)后，間隙緩慢產(chǎn)生，因此波速逐漸降低；在第1階段，紅黏土裂隙的寬度和深度逐漸擴(kuò)展，經(jīng)過的間隙面增加，傳播路徑加長(zhǎng)，導(dǎo)致波速降低；在第2階段，此時(shí)大的裂縫已趨于穩(wěn)定，微小裂縫逐漸形成，這種微小裂縫對(duì)波速的影響較小，因此縱波波速降低的速率開始放緩；在最后階段，大小間隙的發(fā)展均逐漸穩(wěn)定下來，因此波速也不再繼續(xù)衰減而趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)在含水率一定的條件下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加，縱波波速逐漸降低，且降低的速率呈階梯狀逐漸放緩。

2)CT法和和超聲波法相結(jié)合來研究紅黏土裂隙的發(fā)育狀況是一種較為創(chuàng)新的研究手段，可以更好地應(yīng)用于紅黏土工程實(shí)踐中。

3)紅黏土的內(nèi)部構(gòu)造大體上可以通過檢測(cè)超聲波波速在其內(nèi)部的傳播速度來反映，因此可以利用這一重要的指標(biāo)的變化反映出紅黏土內(nèi)部間隙的擴(kuò)展?fàn)顩r。

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