基于MIP的壓實(shí)作用對“微膨脹性”重塑泥巖微觀結(jié)構(gòu)影響分析*

張?zhí)畦?馬麗娜 張戎令②③ 王起才② 李進(jìn)前

(①蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院 蘭州 730070)(②道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730070)(③卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院 英國 CF24,3AA)

0 引 言

土體的微觀結(jié)構(gòu)影響其強(qiáng)度、滲透性及變形等物理力學(xué)特性，各類土體普遍發(fā)育有微孔隙與微裂隙，形成了各自特殊的微觀結(jié)構(gòu)，正是基于對膨脹土、凍土、紅土和黃土等特殊土微觀結(jié)構(gòu)研究，認(rèn)識到各種土的物理力學(xué)性質(zhì)具有較大差異的原因是微觀結(jié)構(gòu)的不同(丁建文等， 2011； Chen et al.，2016)。因此，不少學(xué)者(沈珠江， 1996； 張英等， 2015a，2015b； Cinelli et al.，2018)認(rèn)為研究土的微觀結(jié)構(gòu)具有重要意義，對各類工程建設(shè)具有一定的指導(dǎo)價(jià)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(jié)構(gòu)，其測定孔徑大小范圍較其他方法寬很多，可以反應(yīng)大多數(shù)材料的孔隙結(jié)構(gòu)狀況(丁建文等， 2011)。相關(guān)學(xué)者應(yīng)用壓汞法對各類土體進(jìn)行了大量研究并取得了頗有價(jià)值的理論成果。張英等(2015b)借助壓汞技術(shù)對青藏鐵路沿線重塑粉質(zhì)黏土不同凍融次數(shù)下的孔隙特征進(jìn)行了研究。李志清等(2018)采用壓汞法對頁巖的孔隙特征進(jìn)行了研究，分析發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)可用于評價(jià)頁巖孔隙的非均質(zhì)性，且分形維數(shù)越大，孔隙的非均質(zhì)性越強(qiáng)。肖樹芳等(2014)采用壓汞技術(shù)對固結(jié)變形過程中淤泥土的微觀結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行了分析研究，并研究了軟土的黏滯系數(shù)和結(jié)合水膜厚度的關(guān)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(jìn)行了前期研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)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(yùn)行影響較小，而高速鐵路無砟軌道對膨脹變形要求極為嚴(yán)格，允許最大膨脹量為4imm，該地區(qū)的泥巖膨脹確有高鐵平穩(wěn)運(yùn)行不可忽視的弱膨脹性。在地基回填過程中會(huì)對泥巖進(jìn)行夯實(shí)作用，基于以上原因，本文采用壓汞法分析壓實(shí)作用對該地區(qū)泥巖微觀孔結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)?zāi)鄮r取自蘭新高鐵第二雙線DK1236+550處，采用鉆機(jī)取樣，取樣深度8～13im。按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)測得其基本物理力學(xué)指標(biāo)如表 1所示。

表 1 泥巖基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical indexes of mudstone

試樣制備過程如下：

(1)將現(xiàn)場鉆取的泥巖碾細(xì)，過2imm篩，在50i℃恒溫烘箱內(nèi)將泥巖烘干后調(diào)配成含水率為13%(最優(yōu)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(jìn)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(jié)，然后放入冷凍干燥機(jī)(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(fēng)干法)引起泥巖體積收縮。

1.2 試驗(yàn)原理

壓汞試驗(yàn)分析采用的是毛細(xì)管模型，Washburn(1921)根據(jù)Young-Laplace公式推導(dǎo)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(shí)式(1)中液面壓力為負(fù)數(shù)，液體受吸力可以自動(dòng)進(jìn)入孔隙； 對于非浸潤液體，如汞(90°<θ<180°)，此時(shí)液面壓力為正，若要使汞進(jìn)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(yīng)關(guān)系。因此，物體的微觀孔結(jié)構(gòu)可以通過汞進(jìn)入孔中的量與不斷增長的進(jìn)汞壓力的關(guān)系得出。

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

圖 1 試驗(yàn)設(shè)備Fig. 1 Test equipmenta. 冷凍干燥機(jī)；b. 壓汞儀

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)退汞曲線

圖 2 進(jìn)-出汞曲線Fig. 2 Enter-outflow mercury curvea. 干密度試樣進(jìn)退汞曲線；b. 干密度試樣進(jìn)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(jìn)退汞曲線在數(shù)值上存在高低差異，在形態(tài)上呈現(xiàn)較好的一致性，均近似呈“L”型曲線，在壓力較小時(shí)斜率較大，隨著壓力的增加，進(jìn)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(jìn)入了試樣孔隙中。

(2)進(jìn)退汞曲線并不重合，在壓力一定時(shí)，退汞曲線高于進(jìn)汞曲線，解釋這一現(xiàn)象較為成熟的理論是瓶頸孔的存在(James， 1935)。汞進(jìn)入某一直徑的孔隙之前必須要穿過直徑更小的孔口，進(jìn)汞壓力對應(yīng)的孔隙往往是小孔，從而導(dǎo)致進(jìn)汞量較小； 瓶頸孔的存在使得進(jìn)退汞路徑不同，導(dǎo)致汞線條發(fā)生斷裂，使得汞珠在瓶頸孔中有一定的截留，從而產(chǎn)生了退汞曲線滯后現(xiàn)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(nèi)部總孔隙含量與瓶頸孔的占比均逐漸減??； 不同干密度試樣中瓶頸孔占總孔隙的比例最大達(dá)到81.59%，最小為67.47%，均大于50%，由此可知，壓實(shí)泥巖中存在較多的瓶頸孔。

2.2 壓實(shí)作用對孔徑的影響

不少學(xué)者對土體孔隙劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jù)孔徑的不同將孔隙分為顆粒內(nèi)孔隙(d<14inm)、顆粒間孔隙(14inm70i000inm)。據(jù)此，以孔徑分布為橫坐標(biāo)，孔徑占比為縱坐標(biāo)，繪制試樣不同干密度狀態(tài)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(dá)到38.91%； 團(tuán)粒內(nèi)孔隙含量次之，其平均含量為26.54%； 顆粒內(nèi)孔隙較少，最大含量為20.66%； 團(tuán)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(tuán)粒間的宏觀孔隙和團(tuán)粒內(nèi)的孔隙均呈現(xiàn)減少的現(xiàn)象，其中團(tuán)粒內(nèi)孔隙減少較為明顯，其含量由45.31%減少至16.48%，減幅達(dá)28.83%； 存在于顆粒內(nèi)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(dá)22.04%。

基于上述分析可知，泥巖的壓實(shí)在微觀上表現(xiàn)為對團(tuán)粒內(nèi)和團(tuán)粒間較大孔隙的壓縮導(dǎo)致大孔隙向小孔隙的轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致重塑泥巖的孔隙比變??； 在宏觀上表現(xiàn)為土體密實(shí)度變大，強(qiáng)度增大。

2.3 壓實(shí)作用對孔隙面積的影響

孔隙的面積大小可以表示介質(zhì)(如水)通過泥巖時(shí)的接觸情況。通過壓汞試驗(yàn)可以得到重塑泥巖孔隙面積分布狀況，在雙對數(shù)坐標(biāo)上繪制孔徑與孔隙面積關(guān)系曲線(圖 4a、圖4b)。其中圖 4a表示孔隙的累計(jì)面積，圖 4b表示不同孔徑所對應(yīng)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(guān)系Fig. 4 Relationship between pore area and pore size of remodeled mudstone samples with different dry densitya. 孔隙累計(jì)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(jì)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(nèi)孔隙總面積基本恒定； 在團(tuán)粒間、顆粒間、顆粒內(nèi)的孔隙面積變化曲線基本一致，在團(tuán)粒內(nèi)的孔隙分布曲線較為離散，表明壓實(shí)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(guī)律呈現(xiàn)較好的一致性。隨著孔徑的減小，孔隙面積分布規(guī)律幾近相同； 不同孔徑對應(yīng)的孔隙面積不同，顆粒內(nèi)的孔隙面積最大，團(tuán)粒間孔隙面積最小，面積相差量級達(dá)106； 隨著干密度的增加，團(tuán)粒間、顆粒間和顆粒內(nèi)孔隙面積曲線基本重合； 團(tuán)粒內(nèi)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(tuán)粒內(nèi)孔徑所對應(yīng)的孔隙面積越小，在宏觀上表現(xiàn)為泥巖持水性能變強(qiáng)，滲透性及通氣性變?nèi)?，證明壓實(shí)作用改變泥巖的宏觀物理力學(xué)特性主要是團(tuán)粒內(nèi)孔隙的影響。

2.4 壓汞法的評價(jià)

壓汞試驗(yàn)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(jì)算得其孔隙率。表 3為重塑泥巖試樣孔隙率試驗(yàn)值與理論對比表。

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

圖 5 實(shí)測孔隙率與計(jì)算孔隙率關(guān)系Fig. 5 Relationship between measured porosity and calculated porosity

分析實(shí)測孔隙率與理論計(jì)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(jìn)汞壓力下即可測定，在這階段所得各項(xiàng)孔隙指標(biāo)偏于離散，因此壓汞試驗(yàn)忽略了真實(shí)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(jīng)分析重塑泥巖試樣中存在大量瓶頸孔； (3)理論計(jì)算假定土體中孔隙相互連通，汞只能進(jìn)入開口的孔隙，但重塑泥巖中確有一些獨(dú)立存在的密閉孔隙。以上3點(diǎn)導(dǎo)致孔隙率實(shí)測值與理論計(jì)算值不相同。

通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，壓汞法試驗(yàn)量測所得的孔隙率與三向草圖計(jì)算得到的孔隙率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖 5所示，對兩者關(guān)系進(jìn)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(shù)為0.82>0.75，可以認(rèn)為兩者線性相關(guān)，因此可以通過擬合方程在已知某一孔隙率時(shí)，較為精確地計(jì)算另一孔隙率。

y=2.04x-13.25

(2)

雖然壓汞法實(shí)測孔隙率與理論計(jì)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(jié)構(gòu)影響甚微。首先，大孔的不同對實(shí)際工程性質(zhì)如強(qiáng)度和滲透性影響極小； 再者，本次試驗(yàn)進(jìn)汞最大壓力為35i000ipsia(約241i325ikPa)，在此壓力下，液態(tài)汞還不能進(jìn)入某些孔隙，說明這些孔隙對重塑泥巖的強(qiáng)度及滲透特性影響極小，進(jìn)而對工程特性影響極小。

3 結(jié) 論

(1)采用壓汞法研究壓實(shí)作用對膨脹泥巖微觀結(jié)構(gòu)的影響是成功的。

(2)通過分析試驗(yàn)的進(jìn)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(dǎo)致汞進(jìn)退孔隙路徑不同，從而引起使得進(jìn)退汞曲線不重合。

(3)采用shear提出的孔徑劃分標(biāo)準(zhǔn)對重塑泥巖孔隙進(jìn)行了分類，發(fā)現(xiàn)孔隙多存在于顆粒間和團(tuán)粒內(nèi)； 壓實(shí)作用對大孔隙的影響較大，致使團(tuán)粒內(nèi)孔隙逐漸向顆粒間孔隙轉(zhuǎn)化。

(4)對不同壓實(shí)狀態(tài)下的重塑泥巖孔隙面積進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)盡管壓實(shí)度不同，但重塑泥巖試樣內(nèi)孔隙總面積基本恒定； 孔隙面積多存在于顆粒內(nèi)。

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

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