基于高精度μCT掃描的重塑黃土試樣均勻性分析

2趙興考劉錦陽王錦霞

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054；2.國土資源部巖土工程開放研究實驗室，西安 710054； 3.河北省地礦局第一地質(zhì)大隊，河北 邯鄲 056001)

1 研究背景

黃土的室內(nèi)試驗指標(biāo)是人類工程活動所遵循的重要基礎(chǔ)，人們常借助重塑黃土樣反映原狀黃土特性并據(jù)此開展工程活動。而土工室內(nèi)試驗中制樣工藝是影響重塑土樣代表性非常關(guān)鍵的因素。

重塑黃土樣制備是將原狀風(fēng)干或者烘干的黃土碾碎、過篩、均勻加水達(dá)到目標(biāo)含水率，并根據(jù)所需密度將配好的散土密實而成。不同的制樣方式所得到的重塑土樣強(qiáng)度特性也不盡相同，制樣方式會直接影響試驗效果[1-2]。目前常用的制樣方法有擊實法、固結(jié)法、壓樣法。其中固結(jié)法制樣工藝較為繁瑣且耗時較長，而擊實法、壓樣法制樣較為快捷高效。盧良青[3]通過三軸試驗驗證了壓樣法較常規(guī)擊實法的試驗效果更為理想；鄭劍鋒等[4]、周偉紅等[5]將不同工序下?lián)魧嵎ê蛪簶臃ㄖ频玫闹厮軜舆M(jìn)行對比試驗，在宏觀上對比其含水率、干密度的分布情況，發(fā)現(xiàn)壓樣法制備的土樣更為均勻；Jiang等[6]采用離散元數(shù)值分析使用各向等壓法模擬得到中間松周邊密的試樣，建議用分層壓實法制備的土樣更為均勻。但以上研究并未考慮實際制樣中分層壓實法造成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞以及影響均勻性的本質(zhì)問題。重塑黃土樣中的孔隙作為重塑土重要的組成部分，可以從根本上評價制樣工藝的差異。然而目前很少有學(xué)者針對整個重塑黃土試樣的空間孔隙分布特征進(jìn)行研究，且僅有的文獻(xiàn)在分析試樣的孔隙等微觀特征時常借助于掃描電子顯微鏡(SEM)，壓汞法(MIP)，CT，其中SEM和MIP對試樣的微觀結(jié)構(gòu)分析太過局限，無法大范圍分析[7]。鄭劍鋒等[8]通過CT探討了試樣的密度分布，并未進(jìn)行三維重建而只是在精度為0.35 mm×0.35 mm的切片上進(jìn)行了密度分析，準(zhǔn)確性較低。高精度μCT可以在無損的前提下大范圍精確地分析試樣，因此無論在分析方法還是在分析精度上均具有明顯的優(yōu)勢[9-12]。

為此，試驗選用高精度μCT掃描儀，并采用德國Volume Graphics公司開發(fā)的VG Studio MAX2.2分析軟件，對土樣進(jìn)行三維重建，并對土樣的孔隙特征進(jìn)行了分析。所得的相關(guān)認(rèn)識對于土樣均勻性的定性和定量分析評價具有重要參考價值。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料采用西安浐河剖面地表下5 m處的Q3馬蘭黃土，通過顆粒分析、液塑限等試驗測得其基本物理指標(biāo)(表1)，按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)規(guī)范[13]進(jìn)行室內(nèi)擊實試驗測得數(shù)據(jù)并繪制擊實曲線，如圖1，獲得本黃土的最優(yōu)含水率為17.50%，相對應(yīng)的最大干密度為1.726 g/cm3。

表1 浐河剖面馬蘭黃土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of Malan Loess inChanhe River profile

圖1 浐河剖面馬蘭黃土擊實曲線Fig.1 Compaction curve of Malan Loess inChanhe River profile

制樣方法采用常規(guī)室內(nèi)擊實法與壓樣法。對使用2種制樣方法得到的最優(yōu)含水率下三軸重塑黃土試樣進(jìn)行試驗研究，土樣規(guī)格為39.1 mm×80 mm。首先取3 000 g黃土，將其碾碎過2 mm篩并放置于105 ℃的烘箱中烘干12 h。配制重塑土?xí)r，每次取100 g烘干的散土放置到配土碗中，并在精度為千分位的天平上稱量，然后用噴霧劑加水并攪拌均勻，分次將3 000 g土配制含水率到17.50%左右，一起放入保濕皿中靜置24 h待其均勻，最后實測含水率為17.45%。

(1)常規(guī)分層擊實制樣：已有試驗結(jié)果表明擊實制樣法分5層、6層(試樣編號為JS1,JS2)擊實時土樣均勻性較好[5]，實測每層擊實25次。

(2)壓實法制樣:本次壓樣法采用液壓式千斤頂壓樣器(圖2)，在固定體積模具下通過控制干土質(zhì)量和加水量配制成不同干密度和不同含水率的固結(jié)、滲透、三軸等不同試驗所需的試樣。制三軸重塑試樣時分為1層、2層、3層、4層、5層壓實至最大干密度(分層處刮毛)。制樣過程中發(fā)現(xiàn)分多層壓實后土樣在壓實處有微裂隙出現(xiàn)。最后采用一次壓實土樣YS1(加土量196 g)、分2層壓實土樣YS2(第1層加土98.5 g，第2層加土98.5 g)、一次性壓實土樣YS3(加土量206 g，為可加最大土量)進(jìn)行對比試驗。

圖2 壓樣儀構(gòu)造簡圖Fig.2 Schematic diagram of a compaction instrument

將2種方法制得的重塑黃土樣在自然條件下放置2個月待其風(fēng)干。實測JS1，JS2，YS1，YS2干密度分別為1.729，1.727，1.731，1.728 g/cm3，取平均值1.72 g/cm3；YS3干密度為1.82 g/cm3。

圖3 試驗流程Fig.3 Flow chart of loess sample reconstruction

2.2 研究方法

本試驗采用高精度μCT試驗分析系統(tǒng)，設(shè)計掃描試樣5個：壓實樣3個，擊實樣2個。掃描原理為：射線源焦點發(fā)出錐束射線，對掃描臺上的黃土樣進(jìn)行透照，掃描臺帶動黃土樣同步旋轉(zhuǎn)，探測器采集黃土樣在不同旋轉(zhuǎn)位置的投影圖像(或投影數(shù)據(jù))，利用重建算法反解出黃土樣的斷層圖像——“二維切片”。由于重塑土的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對射線的吸收系數(shù)要求較高，能量不同的射線管直接影響切片成像效果,如圖3，在低能量射線管下掃描生成的“切片A”為適用于大體積結(jié)構(gòu)簡單的試樣，低耗經(jīng)濟(jì)，土樣中夾雜點多無法更好地量化還原土樣；而高能量射線管下掃描生成的“切片B”(適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試件，耗費(fèi)高)掃描精度高，為量化土樣提供了更為精確的“二維切片”。應(yīng)用VG Studio MAX2.2軟件實現(xiàn)了黃土試樣的3D重建(圖3中B→C)。

CT掃描參數(shù)：放大倍數(shù)為3倍；電壓70 kV;電流90 μA；射線源距轉(zhuǎn)臺中心距離為90 mm；每個投影下圖像采取1幀疊加。獲取試驗數(shù)據(jù)：使用datos|x reconstruction對“二維切片”圖像進(jìn)行中值及高斯濾波軟件生成VGI格式文件導(dǎo)入VG studio MAX2.2中，對重塑土定義(土顆粒、孔隙)及幾何校正處理進(jìn)行三維重構(gòu)。選擇感興趣區(qū)域中的示例區(qū)域定義材料功能，選取孔隙與土顆粒的示例區(qū)域，實現(xiàn)對兩者的分割(圖3中C→D)，通過整體試樣實際孔隙率來設(shè)定閾值[14]，使實際孔隙率與重建后的計算孔隙率誤差在0.2%以內(nèi)，最終選定閾值為15 000。

在試驗中孔隙率的計算公式為

(1)

式中：η0為VG Studio MAX2.2中計算所得孔隙率；α為計算區(qū)域像素的總數(shù)目；α0為計算區(qū)域內(nèi)小于閾值的數(shù)目。

實際孔隙率的計算公式為

(2)

式中：η1為實際計算孔隙率；ρd為黃土的干密度；ρs為土顆粒密度。

最后通過不固結(jié)不排水三軸剪切試驗對比不同工況下原狀試樣、壓實試樣、擊實試樣分別在圍壓100，200，300 kPa下的偏應(yīng)力。

3 結(jié)果與分析

將切片導(dǎo)入VG studio MAX2.2中進(jìn)行3D重構(gòu)，對試樣孔隙的體積、表面積、三維坐標(biāo)、個數(shù)等信息統(tǒng)計分析。

3.1 試樣結(jié)構(gòu)分析

圖4為部分二維切片。①從圖4中A1，A2，A3可以看出擊實樣中孔隙分布非常不均勻，大孔隙出現(xiàn)集群存在，且體積占分層處整體孔隙體積的99%以上，其中大孔隙直徑92.7%在50～371 μm之間；②分層壓實試樣分層處出現(xiàn)多條環(huán)狀裂隙(圖4中B1，B2，B3)，最大微裂隙的z軸尺寸達(dá)到2.65 cm左右(如表2中孔隙數(shù)據(jù))，縱向破壞長度占據(jù)了整個重塑樣的1/3左右，在最大微裂隙附近有多條小的支干裂隙存在，大小裂隙共計16條，從3D數(shù)據(jù)中可以看出2種分層制樣法制樣效果極其不好；③C1，C2，C3為YS3中部位置出現(xiàn)的多層微裂隙橫截圖，微裂隙主要由直徑在500～2 200 μm之間的孔隙連帶而成，其周圍土樣干密度達(dá)到1.84 g/cm3左右。當(dāng)土體骨架被壓縮形成一定的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，千斤頂持續(xù)加壓，土樣進(jìn)一步被壓縮，上下的壓力會被更多地轉(zhuǎn)化到兩側(cè)去，同時受到外側(cè)的側(cè)限壓力，在雙向壓力下一些未形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的單元體被壓縮在一起，而更多的孔隙和自由水充當(dāng)著“運(yùn)輸”土體顆粒的介質(zhì)，造成一些小的孔隙與其他孔隙或自由水結(jié)合形成一個潛在的薄弱帶(如圖4中的“切片”C系列)[15]。

圖4 部分二維切片F(xiàn)ig.4 Two-dimensional slices

表2 孔隙數(shù)據(jù)Table 2 Pore data

在分層壓實制樣過程中，對上層土樣施加荷載時，下層土樣再次受到荷載的影響，而下層黃土顆粒之間膠結(jié)、骨架成型，黏聚力、內(nèi)摩擦角達(dá)到穩(wěn)定值，上下層所處的密實狀態(tài)不同，此時下層土不是簡單的顆粒之間的孔隙被壓縮，而是出現(xiàn)聚集土顆粒骨架的變動，即直接造成土顆粒骨架破壞產(chǎn)生裂隙(如圖4中的“切片”B)。而擊實法是靠擊實錘的重力做功，施力較小，下層土體未達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，由于施力較小，下層土體不會產(chǎn)生破壞，隨著擊實功的增大，黃土顆粒進(jìn)一步密實，雖然分層處表面刮毛，但是上層黃土顆粒與刮毛黃土顆粒以及下層黃土顆粒三者之間的密實狀態(tài)存在巨大差異，直接造成了分層處孔隙的極不均勻。因此，分層壓實、擊實法制成的重塑黃土樣，存在明顯的分層界限。

3.2 試樣均勻性分析

介質(zhì)中總體孔隙率相同時，較大孔徑孔隙體積頻率越高，則較小孔徑孔隙體積頻率越低，孔隙個數(shù)越少，導(dǎo)致介質(zhì)的不均勻化越嚴(yán)重；不同區(qū)域孔隙體積頻率差異越大，這種不均勻化越明顯。從孔隙方面來反映影響介質(zhì)均勻性的2個因素為：不同孔徑孔隙體積頻率的差異；不同區(qū)域孔隙體積頻率的差異。圖5為試樣的孔隙-基質(zhì)模型。

圖5 孔隙-基質(zhì)模型Fig.5 Pore-matrix model

根據(jù)雷祥義[16]對黃土孔隙的劃分情況，可將孔隙分4類：大孔隙(直徑>32 μm)、中孔隙(直徑(8,32]μm)、小孔隙(直徑(2,8]μm)、微孔隙(直徑<2 μm)，其中微孔隙、小孔隙所占體積比例非常微小。本試驗中主要針對大孔隙與中孔隙體積作對比。圖6對試樣YS1，JS1，JS2中不同孔徑下孔隙體積頻率進(jìn)行了統(tǒng)計，大孔隙占總體積的百分比分別為93.3%，97.8%，97.5%,發(fā)揮著絕對作用。3個試樣YS1，JS1，JS2中體積頻率孔徑集中分布在50～90 μm，90～140 μm，100～140 μm, JS1和JS2中較大孔徑體積頻率明顯較高，而YS1體積主頻率孔徑降低了40 μm左右，本質(zhì)上改變了試樣的均勻性。

圖6 不同孔徑體積頻率Fig.6 Frequency of different pore size volumes

為了分析不同區(qū)域的孔隙分布情況，通過VG Studio MAX2.2對建好的3D模型進(jìn)行不同區(qū)域的“3D電子分割”，如圖7(a) 所示，其中A→B為整體軸向分割，A→C為整體徑向分割，B→C為部分徑向分割。試驗分別對JS1，JS2，YS1三個試樣的軸向與徑向進(jìn)行分割并統(tǒng)計孔隙率：在徑向分割為6個同心圓環(huán)(圖7(b)),即R1(0～6.5 mm)，R2(6.5～13 mm)，R3(13～19.5 mm)，R4(19.5～26 mm)，R5(26～32.5 mm)，R6(32.5～39.1 mm)；在軸向?qū)?個試樣自下而上分割為10層(每層高度相同)，即層Ha、層Hb、層Hc、層Hd、層He、層Hf、層Hg、層Hh、層Hi和層Hj。

圖7 3D區(qū)域電子分割Fig.7 Three-dimensional electronic segmentation

圖8反映了孔隙率隨位置的變化情況，在徑向上(圖8(a))：3個黃土試樣中孔隙率分布曲線由中心部位R1向邊緣部位逐漸下降，即表現(xiàn)為越靠近制樣壁處孔隙率越小，其中YS1的下降趨勢較為平緩，最大幅度1.5%；而2個擊實土樣孔隙率的變化范圍接近3.8%。在軸向上：2種制樣方法反映的黃土孔隙率在空間分布規(guī)律完全不同。圖8中(b)，(c)，(d)分別反映的是試樣YS1，JS1，JS2中孔隙率隨高度位置的變化情況。圖8(b)中孔隙率隨軸向高度呈“n”型變化，壓實試樣中的孔隙率為中間大兩端小，上端與中部孔隙率差異最大(ηmax=2.82%)。圖8(c)和圖8(d)中孔隙率隨軸向高度的增加逐漸變大，擊實試樣的孔隙率分布表現(xiàn)為從底部至上部逐漸增大，試樣JS1和JS2底部與頂部孔隙率差值分別為7.05%和6.89%。圖8(c)中的Hb，Hc，Hd，Hf恰好包括了第1個、第2個、第3個分層處，導(dǎo)致了孔隙率的異常增大，圖8(d)中的Hc也是在測區(qū)內(nèi)包含了整個分層,造成孔隙率異常增大。由圖8的數(shù)據(jù)分析得出：擊實重塑樣孔隙在徑向與橫向分布極不均勻，造成孔隙的集群存在，同時易形成大孔隙的出現(xiàn)(如圖4中A系列)，進(jìn)而導(dǎo)致不同部位重塑黃土的力學(xué)性質(zhì)差異增大。

圖8 不同區(qū)域孔隙率分布Fig.8 Distribution of porosity in different regions

3.3 試樣的力學(xué)性質(zhì)分析

原狀黃土樣通過長年累月的地質(zhì)作用形成的均勻性優(yōu)于人為短時成樣。如圖9所示,隨著圍壓的增大,壓實黃土樣極限強(qiáng)度明顯大于擊實黃土樣，且更加接近于原狀黃土試樣。在干密度、含水率相同時，孔隙的均勻性分布直接影響了黃土試驗效果，土體均勻性越好,其極限強(qiáng)度越大。

圖9 極限強(qiáng)度與圍壓關(guān)系曲線Fig.9 Curves of ultimate strength vs. confining pressure

試樣的不均勻性產(chǎn)生的根本原因是施力不均勻，2種制樣方法采用的是不同的施力方式，形成了2種不同的孔隙率分布情況。在制樣壁側(cè)限下，壓實制樣法實質(zhì)就是采用兩端穩(wěn)定的動壓力荷載達(dá)到孔隙被壓縮的目的,其成樣均勻性好；而分層擊實制樣法通過瞬間沖擊振動荷載使孔隙-黃土顆粒骨架成型，這種荷載累積做功過程中的不穩(wěn)定、震動特性，造成孔隙被壓縮過程中形成孔隙率“下小上大”，孔隙分布差異增大。通過孔隙分布以及應(yīng)力分析，定性定量地評價了2種制樣方法制樣效果，建議采用均勻性更好的一次壓實法制樣。

通過三軸剪切試驗，初步驗證了均勻性對黃土力學(xué)性質(zhì)的影響，土體不同部位均勻性差距越大，其極限強(qiáng)度越小，在實際試驗及工程中經(jīng)常由人為原因造成土體的不均勻性成型，使其力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)減弱。在短期追求更好的工程效率及試驗意義的同時，研究如何提高土體的均勻性是非常必要的。

4 結(jié) 論

通過高精度μCT掃描及VG Studio 2.2對不同工藝制備的黃土樣進(jìn)行分析，為今后研究黃土結(jié)構(gòu)及其孔隙分布情況提供了一種無損精確的方法。本次試驗很好地解釋了壓實、擊實黃土樣的孔隙空間分布規(guī)律，并從孔徑體積頻率、不同區(qū)域孔隙率分布2方面評價了試樣的均勻性。從力學(xué)性質(zhì)角度評價了2種制樣方法對室內(nèi)試驗參數(shù)的影響。

(1)壓實制樣法不宜分層，分層壓實易造成結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生微裂隙。在本次試驗中壓實制樣法所得YS3干密度達(dá)到1.82 g/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了擊實試驗所測得的最大干密度，通過分析發(fā)現(xiàn)試樣中出現(xiàn)微小的裂隙，在實際工程中超固結(jié)壓縮時也可能造成這種情況的發(fā)生。

(2)2種制樣方法所得試樣的孔徑體積頻率差異較大，一次壓實法所制得的試樣較分層擊實法制得的試樣體積主頻率孔徑降低了40 μm，不同區(qū)域最大孔隙率差異<3%，明顯縮小了孔隙分布差異。一次壓樣法從根本上提高了試樣的均勻性。

(3)相同干密度、含水率下，極限強(qiáng)度隨圍壓增大而增大，隨孔隙分布差異增大而減小，且一次壓實樣與原狀樣極限強(qiáng)度更為接近。

土孔隙分布不均勻直接使所測得的力學(xué)參數(shù)大大降低，今后可進(jìn)一步借助高精度μCT和VG軟件對“孔隙-均勻性-力學(xué)”方面進(jìn)行有限元分析并建立參數(shù)模型，使人們更加合理地利用黃土資源。