增濕-減濕條件下重塑黃土宏微觀試驗研究

葉萬軍， 強(qiáng)艷紅， 張 文， 吳云濤， 陳義乾

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054； 2.長安大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710064)

黃土特有的水敏性往往是決定建設(shè)工程穩(wěn)定性的重要因素。對于填方工程，降雨與蒸發(fā)的周期性變化使土體長期處于飽和和非飽和的交替狀態(tài)，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變，導(dǎo)致填方工程出現(xiàn)裂縫、塌陷等災(zāi)害。因此研究增濕-減濕交替狀態(tài)下重塑黃土的力學(xué)性質(zhì)具有重要意義。

目前諸多學(xué)者對干濕循環(huán)下黃土類土進(jìn)行了研究，取得了一些成果。Kay等[1]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過干濕循環(huán)作用后土體的抗拉強(qiáng)度降低。Mao等[2]通過研究壓實黃土，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)后壓實黃土的干密度、黏聚力減小而孔隙比增加，說明干濕循環(huán)后壓實黃土有明顯的弱化現(xiàn)象且可能出現(xiàn)二次濕陷。付理想等[3]、劉宏泰等[4]研究了干濕循環(huán)下原狀和重塑黃土的滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)條件下，重塑黃土滲透系數(shù)增大，原狀黃土滲透系數(shù)降低。王飛等[5]研究了干濕循環(huán)下壓實黃土變形特性的影響，得出干濕循環(huán)對初始壓實度高的黃土作用效果較顯著。王飛等[6]利用雙線法測試研究干濕循環(huán)下黃土土樣的濕陷性，得出壓實度越大，循環(huán)次數(shù)越多，試樣的濕陷系數(shù)越大，濕陷變形越顯著。袁志輝等[7-8]研究干濕循環(huán)次數(shù)對原狀黃土抗拉抗壓強(qiáng)度的影響，得出隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。袁志輝等[9]通過常規(guī)三軸試驗，研究干濕循環(huán)下黃土結(jié)構(gòu)與衰減強(qiáng)度的關(guān)系，得出隨著含水率增大黃土結(jié)構(gòu)和衰減強(qiáng)度減小，呈良好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系；隨著圍壓的增大黃土結(jié)構(gòu)和衰減強(qiáng)度增大，呈良好的線性關(guān)系。葉萬軍等[10]研究了干濕循環(huán)下重塑黃土的水分遷移規(guī)律，得出初始含水率越大，水分遷移速率越快；干濕循環(huán)次數(shù)增多，水分向上遷移速率減慢。鄧湘河[11]、吳凱等[12]研究了壓實黃土的孔隙微觀結(jié)構(gòu)，得出不同壓實度的黃土，其微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)不同。沙愛民等[13]研究了壓實黃土濕陷性和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，得出大、中孔隙的含量是引起黃土濕陷性的主要原因。

綜上可知，諸多學(xué)者對黃土的強(qiáng)度、濕陷性、滲透性以及微觀結(jié)構(gòu)等方面均有研究，但主要集中在黃土的力學(xué)性能方面，對干濕循環(huán)下重塑黃土的宏觀、微觀特性研究較少。鑒于此，現(xiàn)以重塑黃土為研究對象，采用無側(cè)限壓縮試驗和掃描電鏡試驗，通過分析側(cè)限壓縮系數(shù)與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系以及不同循環(huán)次數(shù)下微觀結(jié)構(gòu)的定性、定量研究，得出增濕-減濕循環(huán)下重塑黃土的宏觀變形特性和微觀結(jié)構(gòu)特性，為黃土區(qū)填方建設(shè)工程提供理論指導(dǎo)。

1 試驗過程

1.1 試樣簡介

試驗研究用土取自陜北某填方場地，該場地土體為Q2黃土，土體為黃褐色，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核。土體基本物理性質(zhì)試驗按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行，具體統(tǒng)計指標(biāo)如表1所示。

表1 重塑黃土基本物理統(tǒng)計指標(biāo)Table 1 Basic physical statistics of remolded loess

將現(xiàn)場所取土樣烘干、研磨、過篩后，稱取相應(yīng)質(zhì)量的干土料和水進(jìn)行所需含水率試樣的制備，為

防止制樣過程中水分的蒸發(fā)，按略大于最佳含水率15.5%稱取水。將計算所需水量均勻噴灑到土料表面后人工攪拌，置于密封袋中靜置24 h，使水分均勻分布。試驗所用試樣為φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀樣，采用輕型擊實儀進(jìn)行擊實，配置干密度為1.65 g/cm3的試樣，借助脫模器脫模后削取環(huán)刀樣。

1.2 試驗方案

1.2.1 增濕-減濕循環(huán)試驗

環(huán)刀樣制作完成后將其分為8組每組4個試樣，共計32個試樣進(jìn)行試驗。分別對每組試樣進(jìn)行0、1、3、5、7、10、15、25次增濕-減濕循環(huán)。根據(jù)陜北地區(qū)降雨與蒸發(fā)的實際情況，確定試驗時含水率下限(干燥狀態(tài))約為3%，上限(飽和狀態(tài))約為23%，試樣循環(huán)結(jié)束后將試樣含水率控制到15.5%，即最佳含水率狀態(tài)。減濕過程采用自然風(fēng)干法，增濕過程采用人工噴水增濕法。根據(jù)實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，試樣含水率由上限自然風(fēng)干到下限約36 h，由下限噴水增濕到上限約24 h，因此一個完整增濕-減濕循環(huán)周期約60 h，試驗循環(huán)過程如圖1所示。待每組試樣循環(huán)結(jié)束后分別取3個試樣進(jìn)行壓縮試驗和1個試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗。

圖1 增濕-減濕循環(huán)過程Fig.1 Humidification-dehumidification cycle

1.2.2 壓縮試驗

為了研究增濕-減濕循環(huán)下重塑黃土的力學(xué)性質(zhì)，因此對不同增濕-減濕循環(huán)次數(shù)下的試樣進(jìn)行壓縮試驗。試驗儀器采用西安科技大學(xué)土力學(xué)實驗室的單杠桿固結(jié)儀，加壓等級依次為25、50、100、200、300、400、800 kPa，每級荷載壓縮持續(xù)1 h，最后一級除需要記下1 h后的讀數(shù)外還要記錄24 h后的讀數(shù)。試驗共分8組，每組進(jìn)行3次重復(fù)試驗，以避免試驗的離散性，取3次試驗的平均值作為該循環(huán)次數(shù)下的平均側(cè)限壓縮應(yīng)變。

壓縮試驗數(shù)據(jù)采用割線模量法進(jìn)行整理和分析，割線模量法可以通過應(yīng)變量來直觀反映土體壓縮特性。側(cè)限壓縮應(yīng)變εsi的表達(dá)式為

(1)

式(1)中：h0為土樣的初始高度，mm；hi為第i級垂直壓力下試樣變形穩(wěn)定后的高度，mm；下標(biāo)s為側(cè)限條件。

1.2.3 掃描電鏡試驗

掃描電鏡試驗采用日本生產(chǎn)的JSM-6460LV環(huán)境掃描電子顯微鏡。其放大倍數(shù)能達(dá)到5萬～300萬倍。掃描電子顯微鏡主要通過加速電壓掃描土樣表面，將高能電子束聚焦成極細(xì)電子束，激發(fā)次級電子信號。信號經(jīng)過一系列的處理轉(zhuǎn)換形成圖像。由于土體的導(dǎo)電性差，所以掃描前需要在土體表面鍍膜，試驗采用的鍍膜儀器為小型離子濺射儀。

試驗共分8組，將每組增濕-減濕循環(huán)后的試樣用小刀切成10 mm×10 mm×20 mm的試驗試樣，由于掃描電鏡試驗環(huán)境為干燥環(huán)境，因此將切好的試樣進(jìn)行自然風(fēng)干，將風(fēng)干后吹去表面浮動顆粒的試樣裝入濺射儀器中進(jìn)行噴金處理，最后將不同循環(huán)次數(shù)下噴金后的試樣放入掃描電鏡儀器中進(jìn)行觀察，選取能更好地反映土顆粒及孔隙變化的照片進(jìn)行觀察分析。

2 壓縮試驗結(jié)果分析

2.1 增濕-減濕循環(huán)次數(shù)對壓縮應(yīng)變的影響

通過壓縮試驗，得出側(cè)限壓縮應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示，研究增濕-減濕循環(huán)作用下重塑黃土的壓縮變形特性。

圖2 增濕-減濕循環(huán)次數(shù)與側(cè)限壓縮應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Curve of humidification-dehumidification cycle times and confined compression strain

如圖2所示，增濕-減濕循環(huán)次數(shù)與側(cè)限壓縮應(yīng)變成正相關(guān)，在相同荷載作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，側(cè)限壓縮應(yīng)變增加，在7次循環(huán)之后，側(cè)限壓縮應(yīng)變斜率增大，試樣變形增大，說明試樣在7次循環(huán)后強(qiáng)度降低，承載力削弱；相同循環(huán)次數(shù)下，隨著垂直壓力增大側(cè)限壓縮應(yīng)變增大，在0次循環(huán)時試樣變化較小，在25次循環(huán)后，試樣變化最大，說明重塑黃土初始狀態(tài)較穩(wěn)定，經(jīng)過循環(huán)后，土體強(qiáng)度出現(xiàn)一定的弱化或土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

2.2 增濕-減濕循環(huán)次數(shù)與側(cè)限壓縮應(yīng)變的關(guān)系

如圖2所示，各級荷載作用下側(cè)限壓縮應(yīng)變的變化規(guī)律一致，但變化速率及變化值不同。當(dāng)施加荷載為25、50 kPa時側(cè)限壓縮應(yīng)變增加速率緩慢且變化值較小；當(dāng)施加荷載為100、200 kPa時側(cè)限壓縮應(yīng)變增加速率較快但變化值?。划?dāng)施加荷載為300、400 kPa時側(cè)限壓縮應(yīng)變增加速率快且變化值大；當(dāng)施加荷載為800 kPa時側(cè)限壓縮應(yīng)變變化較大但增加速率相比300、400 kPa較緩慢。對比分析發(fā)現(xiàn)施加荷載為300、400 kPa時試樣變化明顯，不僅增加速率快且變化值大，因此選擇施加荷載為300、400 kPa下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)增濕-減濕循環(huán)下側(cè)限壓縮應(yīng)變的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)可采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，增濕-減濕循環(huán)下側(cè)限壓縮應(yīng)變曲線可以用冪函數(shù)擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)趨近1，說明擬合效果良好，表明增濕-減濕循環(huán)下側(cè)限壓縮應(yīng)變規(guī)律可以用冪函數(shù)表示。在擬合公式中N表示循環(huán)次數(shù)，隨著N增大，側(cè)限壓縮應(yīng)變增大，即變形增大，反映出增濕-減濕循環(huán)降低了土體的強(qiáng)度和承載力，在外力作用下易發(fā)生壓縮變形。

圖3 增濕-減濕循環(huán)下側(cè)限壓縮應(yīng)變擬合曲線Fig.3 Fitting curve of lower limit compression strain in humidification-dehumidification

3 增濕-減濕循環(huán)過程重塑黃土微觀結(jié)構(gòu)變化分析

根據(jù)掃描電鏡試驗過程中對圖片的觀察，發(fā)現(xiàn)500倍的圖像所包含的信息更多且清晰，1 500倍的圖像能更加詳細(xì)地體現(xiàn)顆粒和孔隙的變化，所以選取500倍的圖像進(jìn)行定量研究，1 500倍的圖像進(jìn)行定性研究。

采用圖像處理軟件(Image Pro Plus 6.0)對圖像進(jìn)行分析處理，通過空間刻度校正，圖像噪聲過濾處理和圖像分割對微觀圖像進(jìn)行處理。圖像分割中閾值的選取采用手動設(shè)定，通過多次試驗，閾值取192。

3.1 微觀結(jié)構(gòu)定性分析

選取增濕-減濕循環(huán)次數(shù)為0、7、15、25次下試樣的掃描電鏡圖進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 不同增濕-減濕循環(huán)次數(shù)下土樣微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of soil samples under different humidification-dehumidification cycles

由圖4可知，增濕-減濕循環(huán)對土體的孔隙和結(jié)構(gòu)影響較大，重塑黃土初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)緊密，顆粒形態(tài)主要為扁平狀，排列均勻，顆粒之間的連接方式以面-面接觸和點-面接觸為主。隨著增濕-減濕循環(huán)次數(shù)增加，重塑黃土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，當(dāng)循環(huán)到15次后，孔隙結(jié)構(gòu)分散，顆粒形態(tài)變成橢圓形或圓形，分布較分散，顆粒連接逐漸以點-面接觸和點-點接觸為主；當(dāng)循環(huán)到25次后，孔隙結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，孔隙連接強(qiáng)度降低，顆粒形態(tài)以圓形為主，分布分散且排列雜亂，顆粒連接以點-點接觸為主，顆粒間的接觸面減小，摩擦力降低，在受到外力作用時，易產(chǎn)生錯動發(fā)生變形。分析土體產(chǎn)生變化的原因，在重塑黃土初始狀態(tài)，膠結(jié)物-鹽晶體作為固體形態(tài)存在土體中，在反復(fù)的增濕過程中，連接顆粒間的鹽晶體逐漸溶解，顆粒逐漸分離，顆粒間的接觸面積逐漸減小，因此會形成點-點接觸；在增濕過程中，土體中的親水礦物吸收水膨脹，減濕過程中發(fā)生失水收縮，而土是典型的塑性材料，失水后體積不能恢復(fù)到原狀，因此土體間的孔隙增大；每次增濕-減濕循環(huán)實際是水的滲流過程，水沿孔隙路徑反復(fù)滲入，沖刷顆粒，使顆粒形態(tài)由棱角分明的扁平狀變成圓形或橢圓形。說明在實際工程中，長期的交替循環(huán)使土體產(chǎn)生裂縫，水沿裂縫及孔隙滲入，形成滲流通道，增加了水土相互作用，改變了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在上部荷載作用下逐漸發(fā)生變形。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)定量分析

3.2.1 數(shù)據(jù)提取

計算的定量參數(shù)包括孔隙/顆粒平均直徑、分布分維、平均豐度。各參數(shù)的含義及算法如下[15-16]。

(1)孔隙、顆粒平均直徑。由于孔隙、顆粒有不規(guī)則的形狀，因需要將孔隙或顆粒的面積等效成圓的面積計算平均直徑，然后用等效圓的直徑代表孔隙或顆粒的平均直徑D，計算公式為

(2)

式(2)中：S為孔隙面積。

雷祥義[17]通過壓泵法對黃土孔隙大小的特征進(jìn)行了分類。因此，孔隙大小劃分是依據(jù)雷祥義定義的孔隙分類方法分為大孔隙(>0.016 mm)、中孔隙(0.004～0.016 mm)、小孔隙(0.001～0.004 mm)、微孔隙(<0.001 mm)。

重塑黃土粒徑的分類為微小顆粒(<5 μm)、小顆粒(5～10 μm)、中顆粒(10～50 μm)、大顆粒(>50 μm)[18]。

(2)分布分維。分布分維Dv采用計盒維數(shù)計算[19-20]，反映對象的分布密度和復(fù)雜性，計算公式為

(3)

式(3)中：a為矩形盒子的邊長；N(a)為含有對象的盒子數(shù)目；K為線性部分的斜率。Dv越小，表明研究對象的分布越分散。

(3)平均豐度。平均豐度C是表示顆粒形狀接近圓形的程度，計算公式為

(4)

式(4)中：B為顆粒短軸長度，μm；L為顆粒長軸長度，μm。C越大說明顆粒越趨于圓形，C越小說明顆粒越趨于長條形。

3.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)分析

增濕-減濕循環(huán)作用下土樣中各孔隙的含量和孔隙的分布分維變化曲線圖如圖5、圖6所示。

圖5 孔隙大小隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.5 Variation of pore size with number of cycles

圖6 孔隙分布分維的變化Fig.6 Variation of fractal dimension of pore distribution

由圖5可知，在0次循環(huán)時，試樣的孔隙以中、小孔隙為主。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，大、中孔隙的百分含量與循環(huán)次數(shù)正相關(guān)，微、小孔隙的百分含量與循環(huán)次數(shù)負(fù)相關(guān)。表明在試樣內(nèi)部微、小孔隙不斷向中、大孔隙轉(zhuǎn)化，試樣裂隙不斷發(fā)育演化。由圖6可知，隨循環(huán)次數(shù)增加孔隙分布分維減小。說明增濕-減濕循環(huán)下孔隙分布越來越分散。分析原因，增濕過程中水使土中的膠結(jié)物質(zhì)被溶解，骨架顆粒連接破壞，土顆粒分散，顆粒重新與其他顆粒連接形成從而使土的原有結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而孔隙發(fā)生改變，使土樣中的中、小孔隙向中、大孔隙發(fā)展，或中、小被貫通變成大孔隙。孔隙不斷地變化使孔隙結(jié)構(gòu)也由集中變得分散。

3.2.3 顆粒結(jié)構(gòu)分析

土體的顆粒形態(tài)主要有顆粒大小、顆粒形狀。在增濕-減濕循環(huán)過程中，含水率的變化使土體結(jié)構(gòu)受到擾動，使土體內(nèi)的顆粒形狀和大小都發(fā)生改變，土粒骨架也發(fā)生變形和局部塌陷。

根據(jù)3.2.1節(jié)計算出增濕-減濕循環(huán)作用下土樣中各粒組的含量和顆粒粒度分布分維變化曲線圖如圖7、圖8所示。

圖7 粒組分布變化Fig.7 Variation of grain size distribution

圖8 粒度分布分維變化Fig.8 Fractal dimension variation of particle size distribution

由圖7可知，大、中顆粒組含量減小，微、小顆粒粒組含量增加，但試樣中整體大、中顆粒組含量大于微、小顆粒組含量，說明增濕-減濕循環(huán)對顆粒組含量的影響并不大，只有少部分大、中顆粒變?yōu)槲?、小顆粒；在初始循環(huán)中，各粒組含量曲線都有小的波動，大中顆粒粒組含量增加，微、小顆粒粒組含量降低；在增濕-減濕循環(huán)15次后，每顆粒組含量基本趨于穩(wěn)定。由圖8可知，增濕-減濕循環(huán)作用下土樣粒度分維總體呈現(xiàn)減小的趨勢，說明隨增濕-減濕循環(huán)次數(shù)的增加，粒徑分布越來越分散，同時也越來越復(fù)雜。

分析顆粒變化的原因：①試樣在增濕-減濕循環(huán)過程中，產(chǎn)生周期性脹縮，其結(jié)構(gòu)受到擾動造成土體內(nèi)的顆粒形狀發(fā)生改變，使原來的片狀顆粒變?yōu)閳A形顆粒，會有少部分微小粒徑的顆粒脫落；②試樣中有部分微小顆粒通過膠結(jié)物質(zhì)膠結(jié)在大顆粒上，由于增濕-減濕循環(huán)，膠結(jié)物質(zhì)被水溶解，細(xì)粒狀顆粒也就脫落，因此大中顆粒組含量減小，微小顆粒組含量增大；③在初始循環(huán)過程中，大顆粒上的膠結(jié)物質(zhì)還沒有被水溶解，部分微小顆粒就會膠結(jié)在大顆粒上，導(dǎo)致大顆粒含量增大，隨著循環(huán)次數(shù)增加，膠結(jié)物質(zhì)被水溶解，微小顆粒脫落，大顆粒含量就會減小而微小顆粒含量相應(yīng)的增加。由于土體中顆粒在干濕循環(huán)作用下發(fā)生破裂，溶解等過程，使得顆粒發(fā)生改變，其粒徑也不同程度的發(fā)生變化，因此導(dǎo)致土樣中的顆粒粒徑變得較復(fù)雜。

3.2.4 顆粒豐度

根據(jù)3.2.1節(jié)計算出不同增濕-減濕循環(huán)下顆粒豐度變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，土樣的顆粒豐度呈鋸齒狀增加，在增濕-減濕循環(huán)15次后基本趨于穩(wěn)定。說明在增濕-減濕循環(huán)下土樣中的顆粒形狀在不斷變化，由不規(guī)則形逐漸變?yōu)閳A形。分析原因，土樣經(jīng)過干濕循環(huán)過程，顆粒間發(fā)生破裂、錯動，形成不同形狀的顆粒，在增濕過程中土顆粒發(fā)生移動、摩擦使顆粒形狀由長條形變?yōu)闄E圓形或圓形。

圖9 顆粒豐度變化Fig.9 Particle abundance change

4 結(jié)論

根據(jù)重塑黃土增濕-減濕條件下壓縮試驗和掃描電鏡試驗研究，所得如下結(jié)論。

(1)通過壓縮試驗，得出側(cè)向壓縮應(yīng)變與增濕-減濕循環(huán)次數(shù)正相關(guān)。并且增濕-減濕循環(huán)下側(cè)限壓縮應(yīng)變規(guī)律可以用冪函數(shù)表示。

(2)通過微觀結(jié)構(gòu)定性分析，得出增濕-減濕循環(huán)對重塑黃土的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒形態(tài)及顆粒接觸方式產(chǎn)生影響。增濕-減濕循環(huán)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，顆粒間的摩擦力降低，孔隙連接強(qiáng)度削弱，在荷載作用下，易發(fā)生變形。

(3)通過微觀結(jié)構(gòu)定量分析，得出在增濕-減濕循環(huán)下，孔隙含量變化與顆粒粒徑含量變化相反，大、中孔隙含量增加，微、小孔隙含量減小，大、中顆粒粒徑含量減小，微、小顆粒粒徑含量增大；孔隙和顆粒粒度分布分維減小；顆粒豐度增加。