重塑黃土的濕化變形規(guī)律及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特性

郭 楠 ，陳正漢 ,2，楊校輝 ，周 勇 ，肖文成

（1. 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401311；3. 陜西省南鄭縣衛(wèi)生計生監(jiān)督所，陜西 漢中 723100）

近年來，隨著城鎮(zhèn)化和“一路一帶”的實施，城鎮(zhèn)化建設(shè)用地的大量需求與城區(qū)可利用土地資源緊缺的矛盾日益突出，削山填溝造地應(yīng)運而生，蘭州、十堰和延安目前都在進(jìn)行大規(guī)模的平山造地工程.如延安一期工程造地為10.5 km2，最大填土厚度為105 m，是目前世界上黃土地區(qū)規(guī)模最大的填方工程[1-2]；山西呂梁機(jī)場和延安新機(jī)場等都建在山區(qū)，填土為黃土，最大填土厚度近80 m，隨之也產(chǎn)生了一系列巖土工程問題[3]. 高填方工程因壓實度不一、降雨入滲或地下水位變化將導(dǎo)致不均勻沉降，為此，有的學(xué)者對填方工程進(jìn)行了探索：程海濤等[4]基于室內(nèi)一維固結(jié)試驗，建立了描述重塑黃土變形特性的非線性模型，但由于試驗是基于一維固結(jié)基礎(chǔ)上的，所以無法反應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)的影響；關(guān)亮等[5]用三軸雙線法對非飽和填土的濕化變形進(jìn)行了研究，提出了計算濕化變形的簡化方法；梅源等[6]對黃土高填方地基的沉降變形控制技術(shù)進(jìn)行了試驗研究，得出若干有益的結(jié)論. 但這些研究主要限于宏觀上的現(xiàn)場監(jiān)測分析和簡化擬合，結(jié)合宏觀和細(xì)微觀兩個方面研究填土濕化變形的成果在文獻(xiàn)中報道很少.

沈珠江[7]指出：21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題是土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型. 觀測土體結(jié)構(gòu)損傷的試驗方法是建立結(jié)構(gòu)性損傷力學(xué)模型的基礎(chǔ)，即只有微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究才能揭示發(fā)生宏觀現(xiàn)象的機(jī)理和本質(zhì).CT技術(shù)的引入，為復(fù)雜受力條件下巖土體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實時檢測和定量描述提供了可能[8]. 陳正漢等[9-12]成功研制了土工CT-三軸儀，并用該儀器做了大量試驗，從細(xì)觀上解釋了非飽和原狀Q2黃土及原狀Q3黃土的三軸浸水過程、屈服硬化過程和軟化破壞過程等，分別建立了加載和濕陷過程的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化方程，進(jìn)而提出了原狀Q3黃土的結(jié)構(gòu)性模型.朱寶龍等[13]采用陳正漢研制的土工CT-三軸儀，對合肥地區(qū)重塑黏性土在不同吸力、凈圍壓下進(jìn)行了非飽和固結(jié)排水三軸試驗，得出了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；雷勝友等[14]利用CT圖像和數(shù)據(jù)初步分析了應(yīng)變軟化、應(yīng)變硬化及濕陷過程中黃土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理；羅愛忠等[15]針對增濕、加荷作用下黃土結(jié)構(gòu)性損傷演化的變形問題，通過壓縮變形特性和三軸剪切變形特性，引入謝定義[16]提出的黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了黃土結(jié)構(gòu)性損傷的宏觀力學(xué)反映. 以上試驗研究大多針對原狀黃土，對重塑黃土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究甚少，李曉軍等[17]對路基填土進(jìn)行了單軸壓縮試驗，利用CT技術(shù)分析了不同受力過程中路基填土細(xì)觀的結(jié)構(gòu)變化，但其試驗量較少，沒有研究濕化過程中試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化.

本文以延安新區(qū)的重塑Q2黃土為研究對象，用改進(jìn)的CT-三軸儀研究了浸水過程中不同干密度、吸力、應(yīng)力狀態(tài)下試樣的濕化變形規(guī)律和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化特征.

1 試驗儀器及概況

試驗設(shè)備采用后勤工程學(xué)院CT-三軸科研站的CT-濕陷三軸儀. 為了能夠更加精確地測量體應(yīng)變及控制偏應(yīng)力，對CT-濕陷三軸儀進(jìn)行了改進(jìn)升級，配套了3臺GDS壓力-體積控制器，如圖1所示. 其中2臺GDS壓力/體積控制器分別控制和測量非飽和土三軸儀雙層壓力室的內(nèi)、外室壓力和體應(yīng)變，第3臺施加偏應(yīng)力. 壓力測量精度可以達(dá)到1 kPa，體積測量精度可以達(dá)到1 mm3. CT機(jī)是陜西省漢中市南鄭縣醫(yī)院的醫(yī)用CT，可在試驗過程中對土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)、定量和無損地測量，其掃描參數(shù)見表1.

濕陷三軸儀壓力室的底座為二元結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)、外兩部分（圖1）. 底座中部刻有寬為2 mm、深為2 mm的螺旋槽，其上嵌有進(jìn)氣值為500 kPa、直徑為21.1 mm的陶土板，陶土板外圍是厚為2 mm的環(huán)形鋁合金隔墻. 隔墻外側(cè)是寬為2 mm、深為2 mm的環(huán)形水槽，水槽中有一直徑為3 mm的孔，此孔連通浸水閥門，用于浸水，浸水結(jié)束后用于排水. 水槽頂端嵌有多孔銅圈，銅圈的內(nèi)徑為27.2 mm，外徑為39.1 mm，其上均勻分布兩排直徑為1 mm的透水孔. 該三軸儀既可做控制吸力的非飽和土試驗，又可在加載穩(wěn)定后浸水，為研究黃土濕陷、膨脹土濕脹和填土濕化過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化提供了方便.

圖1 改進(jìn)后的CT-濕陷三軸儀及其底座Fig.1 Collapsible triaxial apparatus with improved CT and its base

表1 掃描參數(shù)Tab.1 Scanning parameters

試樣的軸向變形用位移傳感器測量，當(dāng)三軸儀平臥在CT機(jī)床上時能照常測量.

試驗用土是取自延安新區(qū)的Q2黃土，基本物理指標(biāo)如表2所示[1]. 制樣時，控制試樣的干密度分別為 1.52、1.69 g/cm3和 1.79 g/cm3，對應(yīng)壓實度分別為79%、88%和93%，配置全部土樣的含水率均為18.6%，試樣的直徑為39.1 mm，高度為80 mm.

表2 土樣的基本物理指標(biāo)Tab.2 Physical parameters of soil samples

試驗按干密度分為3組，共做了17個浸水試驗，即8個干密度為1.52 g/cm3，控制吸力、凈圍壓及偏應(yīng)力為常數(shù)的浸水試驗，8個干密度為1.69 g/cm3，控制吸力、凈圍壓及偏應(yīng)力為常數(shù)的浸水試驗及1個干密度為1.79 g/cm3，控制吸力、凈圍壓及偏應(yīng)力為常數(shù)的浸水試驗，試驗方案見表3.

試驗過程分兩個階段，即控制吸力的偏壓固結(jié)階段和浸水階段. 試驗時，先對試樣施加一定的凈圍壓和偏應(yīng)力，控制吸力為常數(shù)，讓試樣排水固結(jié)，直到變形和排水量穩(wěn)定. 固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為兩小時內(nèi)體應(yīng)變和排水均小于0.01 mL，固結(jié)歷時40 h以上.固結(jié)完成后將氣壓力卸到0，同步將圍壓降低相應(yīng)的數(shù)值以保持凈圍壓不變；接著開始浸水，直到出水量等于進(jìn)水量、試樣變形穩(wěn)定為止. 浸水時需根據(jù)試樣浸水的難易程度適當(dāng)調(diào)整浸水壓力，但必須同步提高圍壓和浸水壓力值，以保證凈圍壓不變. 為了使試樣內(nèi)部的孔隙水壓力較快地均勻化并加快浸水速度，給試樣周邊均勻放置了6條寬約4 mm的濾紙條.

表3 試驗研究方案Tab.3 Experimental programs

浸水時水從陶土板外沿鋼圈上的小孔進(jìn)入，從試樣帽排出. 試驗前計算并測出水充滿試樣帽到出水閥門這段排水通路所需水量，則總浸水量減去排水量及停留在排水通路中的水就是試樣的實際浸水量. 試驗是按照序號從1～16的順序依次進(jìn)行的，發(fā)現(xiàn)2號和4號試樣在浸水過程中的軸向變形遠(yuǎn)大于1號和3號試樣，便結(jié)束了試驗，但此時并未達(dá)到“直到出水量等于進(jìn)水量、試樣變形穩(wěn)定為止”的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計算其飽和度分別只有71.1%和68.8%. 故對后續(xù)的全部試驗都嚴(yán)格按“直到出水量等于進(jìn)水量、試樣變形穩(wěn)定為止”的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并在試驗結(jié)束后對5個試樣的含水率進(jìn)行了抽樣檢查，在試樣的上、中、下3個部位分別取土烘干，飽和度均達(dá)93%以上，與試驗過程中測量的進(jìn)水量和排水量的計算結(jié)果相符.

固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行第一次掃描，掃描斷面分別是距離試樣底部1/3高度（下1/3，稱為斷面a）及距離試樣頂部1/3高度（上1/3，稱為斷面b）兩個截面.掃描結(jié)束后開始浸水，根據(jù)軸向位移調(diào)整掃描位置，對斷面進(jìn)行跟蹤掃描. 掃描得到的CT圖像上任意一個區(qū)域的CT數(shù)均值（M）和方差（S），分別反映該區(qū)域的平均密度和物質(zhì)分布的均勻程度. M越大，土體越密實，土顆粒間的聯(lián)結(jié)越強(qiáng)；S值越小，土顆粒排列分布越均勻. 觀察試樣掃描后的圖像要選擇適當(dāng)?shù)拇皩?、窗位，且不同的試驗需根?jù)視覺要求設(shè)定不同的窗寬、窗位，不同的窗寬和窗位不影響試樣的CT掃描數(shù)據(jù).

2 試驗結(jié)果分析

2.1 重塑Q2黃土浸水過程中的變形特性

2.1.1 第Ⅰ組試驗的濕化變形分析

表4是干密度為1.52 g/cm3的試樣在試驗過程中的參數(shù). 從表4可知，試樣的固結(jié)變形較小，而濕化變形較大；除1號試樣外，其余試樣在固結(jié)穩(wěn)定后的軸向應(yīng)變均小于浸水濕化后的軸向應(yīng)變. 由此可見，對干密度較低的填土，其濕化變形不容忽視.

表4 干密度為1.52 g/cm3的試樣在試驗過程中的參數(shù)Tab.4 Control conditions of test sample with= 1.52 g/cm3 %

試樣 固結(jié)過程 浸水過程軸向應(yīng)變 飽和度 軸向應(yīng)變 飽和度 體應(yīng)變1號 0.19 59.3 0.08 97.7 -0.58 2號 1.22 60.1 11.80 71.1 3.08 3號 0.26 55.5 0.73 96.2 0.64 4號 3.38 54.3 10.92 68.8 3.305號 0.25 57.9 0.51 97.2 2.49 6號 0.62 59.6 4.99 97.9 4.45 7號 0.49 53.8 1.63 94.1 3.62 8號 1.31 57.0 23.30 96.6 4.66

干密度為1.52 g/cm3的試樣在浸水過程中有3個試樣發(fā)生破壞. 其中8號試樣由于軸向應(yīng)變超過15%而發(fā)生破壞. 2號、4號試樣軸向應(yīng)變雖然未達(dá)到15%，但在浸水過程中，由于偏應(yīng)力較大，試樣的中下部在浸水過程中鼓脹嚴(yán)重，試樣破壞. 從表3可知，2號、4號和8號試樣的圍壓都比較低，而吸力和偏應(yīng)力都比較大，說明低圍壓、高吸力和偏應(yīng)力大的試樣在浸水過程中容易發(fā)生破壞. 這一點具有實際意義，即干密度較低的填土地基在較大荷載作用下浸水時，其淺層部位很有可能會發(fā)生剪切破壞.

從表4中還可以看出，凈圍壓、吸力、偏應(yīng)力均較小時，試樣易發(fā)生剪脹，其余均為剪縮. 當(dāng)凈圍壓較大，吸力、偏應(yīng)力較小時，試樣由少量的剪脹逐漸變?yōu)榧艨s，其余均表現(xiàn)為剪縮. 可能是當(dāng)凈圍壓較小時，對試樣的軸向應(yīng)變的約束就越小，試樣易發(fā)生剪脹. 干密度及其他條件相同時，凈圍壓越大，試樣的濕化體應(yīng)變越大.

2.1.2 第Ⅱ組試驗的濕化變形分析

表5是干密度為1.69 g/cm3的試樣固結(jié)穩(wěn)定后和浸水飽和后的參數(shù).

表5 干密度為1.69 g/cm3的試樣在試驗過程中的參數(shù)Tab.5 Control conditions of test sample with= 1.69 g/cm3 %

表5 干密度為1.69 g/cm3的試樣在試驗過程中的參數(shù)Tab.5 Control conditions of test sample with= 1.69 g/cm3 %

試樣 固結(jié)過程 浸水過程軸向應(yīng)變 飽和度 軸向應(yīng)變 飽和度 體應(yīng)變9號 0.19 78.9 0.03 98.6 -0.58 10號 0.24 79.6 21.87 99.2 1.8 11號 0.14 74.4 0.08 99.2 1.18 12號 0.89 68.5 0.88 93.3 1.65 13號 0.13 72.3 0.05 96.6 1.04 14號 0.16 79.5 0.09 97.7 1.78 15號 0.20 78.3 0.05 95.4 1.67 16號 0.53 79.0 0.10 98.5 2.43

由表5可知：除10號試樣外，其余7個試樣的濕化軸向應(yīng)變均小于固結(jié)軸向應(yīng)變；該組試驗只有10號試樣由于凈圍壓小，吸力、偏應(yīng)力較大而發(fā)生破壞，其余試樣均未破壞，且有6個試樣的軸向濕化應(yīng)變不超過1‰；10號試樣由于壓實度較大，固結(jié)穩(wěn)定后軸向應(yīng)變僅0.24%. 隨著浸水的進(jìn)行，試樣飽和度不斷提高，試樣剛開始浸水時，速度較快，第2次掃描時飽和度已達(dá)到91.4%，較固結(jié)結(jié)束時提高了11.8%，軸向應(yīng)變提高9.7%. 第3次掃描時飽和度為94.1%，軸向應(yīng)變增加11.2%，此后，隨著浸水量繼續(xù)增大，軸向應(yīng)變迅速增大，第4次掃描時已達(dá)到21.9%，試樣發(fā)生濕剪破壞. 由此可見，填土層在含水率較低和承受荷載較大時，遇水浸濕發(fā)生破壞的可能性較大，特別是壓實度低的填土在浸水時更容易發(fā)生破壞.

與干密度為1.52 g/cm3的試樣相似，凈圍壓、吸力、偏應(yīng)力均較小時，試樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的剪脹性，其余均為剪縮. 吸力較大的試樣，由于固結(jié)過程中排出的水量較大、含水率較低，在開始浸水后試樣體應(yīng)變變化較大.

2.1.3 干密度對濕化變形的影響

以上試驗結(jié)果表明，干密度、凈圍壓、吸力及偏應(yīng)力均對試樣的濕化變形有影響，但干密度的影響最大，這可從4個方面說明：（1） 對比表4和5可知，無論是固結(jié)變形還是濕化變形，干密度大者變形小，而干密度小者變形大；（2） 從變形量級上看，干密度為1.52 g/cm3試樣的濕化軸向應(yīng)變中有5個大于1%，而干密度為1.69 g/cm3試樣的濕化軸向應(yīng)變中只有一個大于1%，其余7個均小于1%，有6個不超過1‰；（3） 從發(fā)生破壞的試樣數(shù)量看，干密度為1.52 g/cm3的試樣中有3個發(fā)生濕化剪切破壞，而干密度為1.69 g/cm3的試樣只有1個發(fā)生濕化剪切破壞；（4） 干密度1.79 g/cm3的試樣，盡管吸力較高（300 kPa）、偏應(yīng)力較低（100 kPa），但浸水相當(dāng)困難，在15 kPa的浸水壓力下，歷時24 h浸水量僅0.7 g，歷時60 h浸水量1.1 g，將浸水壓力增加至40 kPa，同時相應(yīng)的增大圍壓，使凈圍壓保持不變，再歷時30 h，總浸水量也只有1.3 g. 由此可見，提高壓實度可有效減小濕化變形量，減輕或避免發(fā)生濕化剪切破壞.

2.2 三軸浸水CT圖像及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化分析

為了研究掃描區(qū)域大小對CT圖像及其數(shù)據(jù)的影響，在每個試樣的兩個掃描斷面分別隨機(jī)選取3個半徑不同的圓進(jìn)行掃描. 3個圓在固結(jié)后第1次掃描的M和S都很接近，說明在浸水前土樣是相當(dāng)均質(zhì)的；第2次掃描時水分進(jìn)入很少，3個圓的M非常接近，S的差別變大；第3次和第4次掃描時，圓2和圓3的數(shù)值很接近，而圓1的數(shù)值與圓2、圓3相差較大. 鑒于圓1的數(shù)據(jù)代表整個橫斷面，故取圓1的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2.2.1 第Ⅰ組試樣濕化過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征

圖2是4號試樣在不同時刻的CT掃描圖像.由圖2（a）可知：該試樣斷面a處在固結(jié)結(jié)束（即第一次掃描）時，存在明顯的高密度區(qū)和孔洞；隨著水的滲入，土體內(nèi)的含水量增加，顆粒間吸力減小，土顆粒之間發(fā)生滑移、錯動、跌落等變形，使得孔隙區(qū)域減小. 結(jié)合表4可知，該試樣在第3次掃描時軸向應(yīng)變?yōu)?4.3%（固結(jié)過程及浸水過程的軸向應(yīng)變之和），斷面a截面面積顯著增大，由固結(jié)穩(wěn)定后的1 133.4 mm2，變?yōu)榈?3次掃描時的1394.6 mm2，試樣破壞，停止試驗.

由圖2中（b）可以看出：試樣在浸水過程中，高密度區(qū)域并非從開始就一直減小；由于偏應(yīng)力的作用，軸向應(yīng)變不斷增大，盡管水還未滲入到斷面b處或滲入量比較少，在第2次掃描時試樣的高密度區(qū)域位置轉(zhuǎn)移，面積有所增加，試樣的平均密度增大；而后高密度區(qū)域逐漸消失，土顆粒排布趨于均勻，截面積略有增大.

圖2 4號試樣浸水過程中的CT圖像Fig.2 Images of CT scanning of the fourth sample in soaking tests

圖3 是干密度為1.52 g/cm3的非飽和Q2重塑黃土在凈圍壓分別為50、100 kPa下，三軸浸水過程的浸水量與CT數(shù)、CT方差之間的關(guān)系曲線（限于篇幅，僅取試樣斷面a處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下同）.

從圖3中可以看出，CT數(shù)變化有3個特點：（1） 所有CT數(shù)曲線的變化趨勢均為上升，說明在浸水過程中，土樣越來越密實；參考表4可知，這是由于土樣在濕化過程中發(fā)生了較大的體積壓縮所致.（2） 在浸水的初始階段，CT數(shù)變化比較劇烈，特別是偏應(yīng)力較大的試樣更是如此，但隨后的變化比較平緩；說明在浸水初期，試樣的原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，但隨著濕化變形的發(fā)展，又逐漸形成新的結(jié)構(gòu). （3） 吸力相同的土樣，偏應(yīng)力大者的CT數(shù)亦大，參考表4可知，偏應(yīng)力大者的體積壓縮亦大，密實度亦大，其CT數(shù)理應(yīng)較大.

從圖3還可看出，CT方差的變化也有3個特點：（1） 所有方差曲線的變化趨勢與CT數(shù)曲線相反，均呈下降趨勢，說明在濕化過程中土樣向均質(zhì)發(fā)展；（2） 方差曲線的變化比 CT 數(shù)曲線平緩；（3） 試樣的吸力和偏應(yīng)力越大，相應(yīng)的方差越小.

2.2.2 第Ⅱ組試樣濕化過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征

圖4是16號試樣在不同時刻的CT掃描圖像.圖中可看出：試樣初始存在不均勻性，試樣斷面a在固結(jié)結(jié)束時高密度區(qū)域面積較小，存在較多孔隙；而斷面b處在固結(jié)結(jié)束時，高密度區(qū)域面積較大，孔隙相對較小. 通過CT數(shù)及方差可以明顯地發(fā)現(xiàn)，干密度越大，這種不均勻性就越低. 如圖2中，4號試樣在浸水前斷面a和斷面b處的CT數(shù)分別為1 345.35 Hu（housfield unit）和1311.36 Hu，兩者相差 33.99 Hu；相應(yīng)的方差分別為75.86和83.13，兩者相差7.27.而圖4中的16號試樣，在浸水前斷面a和斷面b處的CT數(shù)分別為1 536.37 Hu和1 547.08 Hu，兩者相差10.71 Hu；相應(yīng)的方差分別為51.40和55.65，兩者相差4.25. 隨著土體不斷壓密，孔隙消失、試樣的均勻程度提高.

圖3 干密度為1.52 g/cm3試樣浸水量與CT數(shù)、浸水量與CT方差之間的關(guān)系曲線ρd=1.52 g/cm3Fig.3 Curves M and S vs. quantity during wetting of the sample with

圖4 16號試樣浸水過程中的CT圖像Fig.4 Images of CT scanning of the 16th sample in soaking tests

圖5 是干密度為1.69 g/cm3的非飽和Q2重塑黃土在凈圍壓分別為50、100 kPa下，三軸浸水過程的浸水量與CT數(shù)、CT方差之間的關(guān)系曲線.

從圖5可以看出，CT數(shù)及CT方差變化具有與圖3相同的特點. 除上述特點外，參考圖3、表4、5可知，浸水初期，試樣原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，CT數(shù)變化較劇烈，均能達(dá)到總變化量的60%. 干密度越大，CT數(shù)及CT方差變化的幅度越小，軸向應(yīng)變也越小，說明干密度較大的土樣在濕化過程中體積壓縮較少，CT數(shù)增加較為緩慢.

2.2.3 第Ⅲ組試樣濕化過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征

圖6是干密度為1.79 g/cm3的17號試樣在不同時刻的CT掃描圖像. 試樣固結(jié)穩(wěn)定后的軸向應(yīng)變?yōu)?.01%，飽和度為87.9%. 由于干密度較大，試樣浸水很慢，故將浸水壓力增加至40 kPa，同時相應(yīng)地增大圍壓，使凈圍壓保持不變，90 h后試樣內(nèi)浸水1.3 g. 第3次掃描時試樣軸向應(yīng)變僅0.03%，體應(yīng)變?yōu)?.019%（固結(jié)過程與浸水過程軸向應(yīng)變之和）.從圖6中可看出：在第1次掃描時均勻性就比較好，僅存在少量黑點及灰色點；僅第3次掃描圖像略白，與調(diào)整的窗寬、窗位有關(guān)，CT圖像沒有明顯變化. 考慮到試樣壓實度較高，浸水較為困難，故停止其余相關(guān)試驗.

圖5 干密度為1.69 g/cm3試樣浸水量與CT數(shù)、浸水量與CT方差之間的關(guān)系曲線ρd=1.69 g/cm3Fig.5 The curves M and S vs. quantity during wetting of the sample with

圖6 17號試樣浸水過程中的CT圖像Fig.6 Images of CT scanning of the 17th sample in soaking tests

3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化定量分析

3.1 基于CT數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)

在浸水過程中，土樣在剪應(yīng)力和水的共同作用下原有結(jié)構(gòu)漸趨破壞，大部分土樣發(fā)生體縮，又逐漸形成新的均質(zhì)結(jié)構(gòu). 為了描述土樣在浸水過程中的結(jié)構(gòu)演化，引入描述土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的參數(shù).

定義基于CT數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù) m 為

式中：Mi為試樣浸水前的CT數(shù)；Mf為試樣在浸水結(jié)束時的CT數(shù).

當(dāng)M=Mi時， m=1 ； 當(dāng)M=Mf時， m=0.m從0～1，表示土樣結(jié)構(gòu)逐漸演化的過程. 由此定義的結(jié)構(gòu)演化參數(shù)是一個相對值，可用以分析土樣的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律.

定義 εw為含水率變化量，即

式中： w0為初始狀態(tài)含水率； w 為浸水過程中任意時刻的試樣含水率.

圖7為干密度分別為1.52 g/cm3和1.69 g/cm3的試樣含水率增量與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系曲線，呈現(xiàn)3個特點：（1） 所有曲線的初始段急劇下降，這與開始浸水時土樣原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞相吻合. （2） 曲線的前半部分近似于直線，而曲線后半段變化平緩，各曲線趨于水平線，反映試樣趨于飽和，其原有結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本破壞，壓密變形趨于停止. （3） 干密度、凈圍壓、吸力、偏應(yīng)力和含水率變化均對結(jié)構(gòu)性有顯著影響. 在其他條件相同時，凈圍壓越大，初始結(jié)構(gòu)參數(shù)越大，當(dāng)干密度、凈圍壓及偏應(yīng)力相同時，吸力較大的試樣，固結(jié)后含水率較低，原有結(jié)構(gòu)性保存較完整，故其初始結(jié)構(gòu)參數(shù)較大；浸水后，其濕度改變量大，試樣體應(yīng)變就越大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變幅度也越大.

圖7 試樣含水率增量與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Curves ε w vs. m of the sample

3.2 結(jié)構(gòu)損傷演化

為了描述浸水濕化過程中結(jié)構(gòu)損傷演化，定義結(jié)構(gòu)損傷變量為

式中： m0為土樣初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)； D 的變化范圍為從初始狀態(tài)時的0到濕化破壞的1.

圖8為浸水過程中試樣體應(yīng)變與結(jié)構(gòu)演化變量之間的關(guān)系曲線. 由圖可知，與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律相似，隨著體應(yīng)變的增加，結(jié)構(gòu)損傷變量在初始階段變化較快，且趨于直線，后半段趨于平緩.

圖8 試樣體應(yīng)變與結(jié)構(gòu)演化變量之間的關(guān)系εvFig.8 Curves vs. D of the sample

同結(jié)構(gòu)性參數(shù)類似，結(jié)構(gòu)損傷變量受干密度、凈圍壓、吸力、偏應(yīng)力和含水率的影響均較大，在建立結(jié)構(gòu)演化方程時必須同時考慮以上因素，其具體形式有待今后進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

利用CT-三軸儀，從宏觀濕化變形和CT圖像及CT數(shù)3方面分析了非飽和重塑Q2黃土在浸水過程中的濕化變形規(guī)律和細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的過程，得出以下結(jié)論：

（1） 改進(jìn)升級的CT-三軸儀不僅能在加載過程中浸水和實時觀測試樣結(jié)構(gòu)的變化，而且能方便地施加/控制內(nèi)、外壓力室的壓力、偏應(yīng)力、進(jìn)水壓力和進(jìn)水量，顯著提高了測量試樣體應(yīng)變和浸水量的精度.

（2） 干密度、凈圍壓、基質(zhì)吸力和偏應(yīng)力均對試樣的濕化變形有顯著影響. 低圍壓、高吸力和偏應(yīng)力大的試樣在浸水過程中容易發(fā)生破壞；凈圍壓、吸力、偏應(yīng)力均較小時，試樣易發(fā)生剪脹；凈圍壓越大，吸力對試樣濕化變形的影響就越來越?。惶岣吒擅芏瓤捎行p小濕化變形量和降低發(fā)生濕剪破壞的風(fēng)險.

（3） Q2重塑黃土浸水濕化過程的宏觀力學(xué)特性與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)：在浸水過程中，所有試樣的CT數(shù)均增大，反映由于濕化變形試樣越來越密實；浸水初期，試樣原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，CT變化較劇烈，特別是偏應(yīng)力大的試樣更是如此；隨后CT數(shù)的變化趨于平緩，土樣逐漸形成新的結(jié)構(gòu).

（4） 基于CT數(shù)定義了土的結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)損傷演化變量，含水率增量-結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系曲線及體應(yīng)變-結(jié)構(gòu)演化變量關(guān)系曲線前半部分均近似于直線，后半段變化平緩，趨于水平，反映了在濕化過程中土樣結(jié)構(gòu)的變化特征.

（5） 結(jié)構(gòu)性參數(shù)和結(jié)構(gòu)損傷演化變量均受干密度、凈圍壓、吸力、偏應(yīng)力和含水率改變量的影響均較大，在建立結(jié)構(gòu)損傷演化方程時必須同時考慮以上因素.

本文的研究結(jié)果對填土工程的設(shè)計具有重要參考價值，也為今后建立重塑黃土的損傷演化方程及結(jié)構(gòu)性模型提供了科學(xué)依據(jù).