基于核磁共振技術(shù)的貴陽紅黏土剪切全過程孔隙演變規(guī)律研究*

楊國生 左雙英 莫云川 張亞彬 李加華

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽 550025， 中國)

0 引 言

紅黏土是碳酸鹽巖風(fēng)化和紅土化后的產(chǎn)物，常出現(xiàn)在熱帶與亞熱帶地區(qū)，廣泛分布在我國長江以南地區(qū)，特別是在云貴高原、湖南、廣西等地區(qū)大面積出露，分布面積達(dá)一百萬余平方公里，是我國的主要土類之一(廖義玲等， 2004； 付開隆， 2008； 陳鴻賓等， 2019； Zhang et al.，2020)。大量的試驗(yàn)研究表明，紅黏土擁有高含水率、高液塑限以及高孔隙性和中-低壓縮性(廖義玲等， 1989； 張先偉等， 2011； Wei et al.，2019； 游慶龍等， 2019； 呂擎峰等，2019)，一直以來紅黏土在工程建設(shè)中都占有極其重要的地位，很多學(xué)者對(duì)其開展了諸多有益的探索，推進(jìn)了人們對(duì)紅黏土的認(rèn)識(shí)，這些研究分別從紅黏土的地質(zhì)特征、地球化學(xué)特征、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特性以及水理性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)入手，揭示了紅黏土特殊性的本質(zhì)，闡述了紅黏土具有較好力學(xué)性質(zhì)和較差物理性質(zhì)的內(nèi)在原因(賀珺等， 2009； 廖義玲等， 2006； 唐薇等， 2013； 李劍等， 2014； 趙蕊等， 2015； 張彥召等， 2017)。巖土材料的宏觀變形破壞是細(xì)(微)觀結(jié)構(gòu)累積變化的集中體現(xiàn)，而細(xì)(微)觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律則是宏觀力學(xué)行為的內(nèi)在機(jī)制。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，三維掃描技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)已廣泛運(yùn)用于巖土材料的研究，這為巖土材料的宏觀力學(xué)機(jī)制與細(xì)觀(微觀)結(jié)構(gòu)行為的研究開辟了新的渠道(劉勇健等， 2018； Dong et al.，2020； 孫中光等， 2020； Chen et al.，2021)。譚龍等(2017)在土體微觀孔隙的研究中分析了CT掃描技術(shù)、壓汞測(cè)試、以及核磁共振技術(shù)等試驗(yàn)手段的優(yōu)劣性，指出核磁共振技術(shù)更適用于土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)試。之后，一部分學(xué)者采用核磁共振弛豫譜和掃描電子顯微鏡對(duì)不同干濕循環(huán)作用下的黃土進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析了荷載條件下黃土的細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)變化行為，驗(yàn)證了宏觀力學(xué)作用下土體孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律(江強(qiáng)強(qiáng)等， 2019； 葉萬軍等， 2019； 潘振興等， 2020； Xu et al.，2020)，另一部分學(xué)者采用這兩種試驗(yàn)方法分別探討了改良前后土體的孔隙分布以及顆粒之間的膠結(jié)特性，揭示了細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)土體強(qiáng)度的影響(安愛軍等， 2018； 呂擎峰等， 2019； Wang et al.，2020)。還有學(xué)者借助核磁共振技術(shù)快速、無損、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，探討分析了凍土凍融過程中孔隙水含量和孔徑分布特征曲線的變化規(guī)律，揭示了凍土的強(qiáng)度與變形特性(晏長根等， 2019； Tian et al.，2019； 孔勃文等， 2020； Wan et al.，2020； 葉萬軍等， 2021)。 這些研究成果在很大程度上促進(jìn)了人們對(duì)荷載作用下土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為建立宏-細(xì)(微)觀等效關(guān)系提供了思路，但卻很難克服試樣在細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)上存在的天然差異，往往需要開展較多的試驗(yàn)來獲取較為可靠的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到巖土材料細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 Wang et al. (2018)、Lin et al. (2019)根據(jù)外力作用下巖土材料核磁共振T2譜圖包含的孔隙(裂隙)信息，定義了損傷變量，闡明了巖土材料強(qiáng)度漸進(jìn)劣化的細(xì)觀損傷行為，周科平等(2012)、謝凱楠等(2019)、王琨等(2020)、安然等(2020)基于核磁共振成像技術(shù)分析了不同環(huán)境條件和應(yīng)力狀態(tài)下流體在巖土材料中的形態(tài)分布和孔隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)一步證實(shí)了巖土材料滲流特性、流-固物理化學(xué)作用以及細(xì)觀損傷特性。綜合以上分析，目前基于核磁共振技術(shù)與電子顯微鏡掃描技術(shù)對(duì)荷載作用下紅黏土剪切全過程細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的研究較少，同時(shí)探討分析荷載作用下巖土材料宏觀力學(xué)行為與細(xì)(微)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律是揭示巖土材料強(qiáng)度漸進(jìn)劣化的前提，也是驗(yàn)證一系列細(xì)觀損傷模型合理性的根本。為此，以貴陽紅黏土為研究對(duì)象，通過開展飽和試驗(yàn)、核磁共振測(cè)試、電子顯微鏡掃描測(cè)試以及三軸壓縮試驗(yàn)，研究常規(guī)三軸壓縮條件下貴陽紅黏土剪切全過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，分析荷載作用下土體宏觀破壞形態(tài)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的響應(yīng)，揭示荷載作用下紅黏土的細(xì)觀變形機(jī)制，闡明土體的宏-細(xì)觀之間的相互關(guān)系，為貴陽紅黏土宏-細(xì)觀損傷模型的建立提供一定理論支持。

1 材料與方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自貴州大學(xué)西校區(qū)物探試驗(yàn)區(qū)(106°39′30.16″， 26°26′38.40″)，取樣深度3～5m，試驗(yàn)土樣以褐紅色、棕黃色為主，土樣呈可塑-硬塑狀態(tài)，試樣土樣的天然含水率為32.94%，濕密度為1.736g·cm-3，比重為2.647，塑限為30.59%，液限為48.18%，試樣的孔隙比為1.02，壓縮指數(shù)為0.126，回彈指數(shù)為0.016。試樣的XRD測(cè)試結(jié)果顯示，試樣中主要以石英為主，伊利石和高嶺石含量次之，而白云石與正長石等礦物含量最少，試驗(yàn)土樣和XRD測(cè)試結(jié)果，如圖1、表1所示。

圖1 試驗(yàn)土樣及XRD測(cè)試結(jié)果

表1 試驗(yàn)土樣礦物含量百分比

1.2 核磁共振測(cè)試基本原理

核磁共振是指“淹沒”在恒定外加靜磁場(chǎng)中帶有自旋磁矩的原子核(氫核)，吸收了某一特定頻率f的電磁波，發(fā)生能級(jí)躍遷，改變能量狀態(tài)，核自旋系統(tǒng)被極化，達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。針對(duì)樣品開展的核磁共振測(cè)試主要涉及到恒定外加靜磁場(chǎng)與射頻磁場(chǎng)，這兩個(gè)磁場(chǎng)的頻率相同且方向垂直，樣品的氫核在恒定外加磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成新的平衡狀態(tài)； 之后，在射頻磁場(chǎng)的作用下，被極化的氫核將再次發(fā)生偏轉(zhuǎn)，達(dá)到另一種平衡狀態(tài)。當(dāng)射頻磁場(chǎng)撤出后，氫核將回到靜磁場(chǎng)下的平衡狀態(tài)，這一過程中氫核將在不同的方向上產(chǎn)生不同的弛豫分量，分別為縱向弛豫T1與橫向弛豫T2，橫向弛豫與縱向弛豫包含相同的信息，一般采用橫向弛豫T2分析孔隙流體的性質(zhì)(劉衛(wèi)等， 2011)。流體的弛豫時(shí)間又可分為體弛豫T2B、表面弛豫T2S以及擴(kuò)散弛豫T2D，如式(1)所示：

(1)

當(dāng)試樣處于均勻磁場(chǎng)中時(shí)，土體的體弛豫與擴(kuò)散弛豫的影響可以忽略不計(jì)，因此，橫向弛豫時(shí)間可以近似表示為(Zhu et al.，2019)：

(2)

式中：ρ2為橫向弛豫率，T2s為表面弛豫時(shí)間，(S/V)pore為孔隙比表面積，其大小是孔隙表面積與孔隙體積的比值；Fs是孔隙形狀因子，大小等于1、2、3，分別對(duì)應(yīng)平面、柱形孔與球形孔(Godefroy et al.，2001)； 本文考慮孔隙的體積為球形，F(xiàn)s=3，同時(shí)結(jié)合以往對(duì)紅黏土開展的一系列研究成果，橫向表面弛豫率取3.0μm·s-1(李彰明等， 2014; Chen et al.，2021)。

試驗(yàn)采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的MesoMR12-060H-I型核磁共振成像分析儀，測(cè)試樣品允許最大尺寸為φ60mm×100mm，磁體溫度控制在32±0.01℃，射頻中心頻率12MHz，射頻偏移頻率645.55671kHz，射頻延時(shí)0.02ms， 90度脈寬為8.52μs， 180度脈寬為16.48μs，模擬增益10dB，數(shù)字增益3，前放檔位1，等待時(shí)間3000ms，累加次數(shù)32，回波時(shí)間0.15，回波個(gè)數(shù)12000。

1.3 試驗(yàn)方案

針對(duì)貴陽紅黏土分別開展2次飽和試驗(yàn)， 2次核磁共振測(cè)試以及1次常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，最后使用SEM電鏡對(duì)不同壓縮條件下的紅黏土進(jìn)行掃描測(cè)試，其中開展飽和試驗(yàn)是進(jìn)行核磁共振測(cè)試的基礎(chǔ)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。為使紅黏土的飽和度達(dá)到試驗(yàn)要求，針對(duì)剪切前后同一個(gè)紅黏土試樣抽真空飽和3h，再靜置于極限負(fù)壓下飽和9h，然后分別開展核磁共振測(cè)試，獲得剪切前后紅黏土試樣孔隙結(jié)構(gòu)性參數(shù)，試驗(yàn)過程具體如下：(1)按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-2019)制作大小為φ39.1mm×80mm的樣品，并稱取樣品的初始質(zhì)量m0; (2)開展第1次飽和試驗(yàn)和第1次核磁共振測(cè)試，如圖2a、圖2c所示； (3)將處于飽和狀態(tài)的紅黏土試樣靜置在室溫環(huán)境中失水，以飽和后樣品質(zhì)量m1=m0±0.2g作為失水標(biāo)準(zhǔn)，之后再開展不同應(yīng)變量下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，使得試樣發(fā)生不同程度的壓縮剪切，如圖2b所示； (4)對(duì)不同壓縮后的紅黏土試樣進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理方法如圖3所示，之后進(jìn)行第2次飽和試驗(yàn)、以及第2次核磁共振測(cè)試； (5)最后對(duì)部分飽和后的試樣進(jìn)行抽真空冷凍干燥，開展SEM電鏡掃描測(cè)試，如圖2d所示。試驗(yàn)方案如表2所示，

圖2 試驗(yàn)儀器

圖3 剪切后試樣預(yù)處理

表2 荷載作用下貴陽紅黏土細(xì)觀損傷行為試驗(yàn)方案

其中上標(biāo)有#的編號(hào)為開展SEM電鏡掃描的試樣，試驗(yàn)共計(jì)18個(gè)試樣。按照試驗(yàn)方案分別控制不同的應(yīng)變量對(duì)貴陽紅黏土開展常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，進(jìn)一步得到了荷載作用下1#-6#樣品的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如圖4所示。土體在荷載作用初期的小應(yīng)變階段彈性變形較大，而進(jìn)入塑性階段后土體的彈性變形往往很小，結(jié)合圖4分析，當(dāng)應(yīng)變?chǔ)?≥3%后樣品將以塑性變形為主，彈性變形較小，而卸載回彈的實(shí)質(zhì)是彈性變形的恢復(fù)。從圖4中還可以看出，隨著軸向應(yīng)力的逐漸增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化趨勢(shì)基本一致，土體變形主要表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化特征。然而，盡管試驗(yàn)土樣取自貴州大學(xué)西校區(qū)工程物探試驗(yàn)區(qū)1m×1m的范圍內(nèi)，但土體的強(qiáng)度與變形卻不盡相同。因此，在以往土體細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)強(qiáng)度的研究中往往需要開展大量重復(fù)性試驗(yàn)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)擁有較高的可靠性，這反映了采用先進(jìn)的無損、快速、準(zhǔn)確的技術(shù)手段，以及適宜的試驗(yàn)方法開展試驗(yàn)研究的必要性，這也對(duì)深入理解貴陽紅黏土的變形演化特征和機(jī)理具有重要意義。

圖4 不同應(yīng)變量下貴陽紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2 貴陽紅黏土核磁共振測(cè)試分析

2.1 貴陽紅黏土T2譜圖特征

在巖土材料中，幅值的大小代表核磁共振信號(hào)量的多少，信號(hào)量與孔隙含水量成正相關(guān)，橫向弛豫時(shí)間代表著不同的孔隙類型(Tian et al.，2019)。本文將剪切前后的紅黏土試樣經(jīng)飽和后直接開展低場(chǎng)核磁共振測(cè)試，分別獲得了18個(gè)試樣三軸剪切前后的核磁共振測(cè)試T2譜圖，所有樣品的測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)類似，只是幅值增加量與弛豫時(shí)間移動(dòng)量不同，這里僅對(duì)“σ3=200kPa、ε1=18%”的紅黏土樣品剪切前后的T2譜圖進(jìn)行分析。如圖5所示，剪切前后紅黏土試樣都表現(xiàn)出“三峰型”，其中第Ⅰ峰處于0.3～4ms之間，第Ⅱ峰處于10.5～100ms左右，第Ⅲ峰處于100～3000ms之間； 試樣剪切后第Ⅰ峰信號(hào)量增多，第Ⅱ、Ⅲ峰信號(hào)量減少，并且T2譜圖向坐標(biāo)右側(cè)發(fā)生了移動(dòng)。結(jié)合式(2)分析可知，第Ⅰ峰為試樣直徑最小的孔隙，第Ⅱ、Ⅲ峰對(duì)應(yīng)中-大型孔隙； 由此表明，隨著荷載的增加，紅黏土試樣中的小孔數(shù)量逐漸增多，大孔的數(shù)量在逐漸減少，同時(shí)小孔的孔徑發(fā)生了細(xì)微的增加，而中-大孔的孔徑增加較為明顯，這從細(xì)觀上揭示了紅黏土的孔隙類型以及三軸壓縮過程中孔隙大小的變化。

圖5 荷載作用下貴陽紅黏土剪切前后T2譜圖

2.2 荷載作用下貴陽紅黏土峰面積百分比變化

峰面積在低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn)中是一個(gè)重要的參數(shù)，代表著某一段弛豫時(shí)間內(nèi)的總信號(hào)量。結(jié)合上述對(duì)紅黏土試樣孔徑類型的劃分，分別對(duì)剪切前后紅黏土試樣小孔、中孔及大孔的峰面積百分比進(jìn)行分析，探討不同應(yīng)變量下峰面積百分比的變化，獲得紅黏土剪切全過程中3種類型孔隙的變化規(guī)律。如圖6所示，圖6a、圖6b、圖6c分別為小孔、中孔和大孔隨應(yīng)變的變化規(guī)律，圖6d、圖6e、圖6f、圖6g、圖6h、圖6l分別表示應(yīng)變量為3%、6%、9%、12%、15%、18%時(shí)土體的宏觀變化形態(tài)。結(jié)合圖6d～圖6l，對(duì)貴陽紅黏土剪切全過程的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，在小應(yīng)變的情況下紅黏土的表面形態(tài)沒有明顯的變化，主要以試樣的內(nèi)部顆粒之間相對(duì)位置的調(diào)整為主，此時(shí)試樣的壓密變形為主導(dǎo)地位。隨著應(yīng)變的逐漸增加，紅黏土開始出現(xiàn)剪脹效應(yīng)，同時(shí)內(nèi)部的軟弱部位開始逐漸形成了肉眼可見的弧形小褶皺，這些褶皺可以視為是土體內(nèi)部孔隙擴(kuò)張、延伸、貫通以及新孔隙的形成所導(dǎo)致，因此，在一定范圍應(yīng)變下，小孔隙是逐漸增多的。而中-大型孔隙對(duì)應(yīng)力狀態(tài)較為敏感，孔隙百分比整體表現(xiàn)出曲折下降，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到15%時(shí)，試樣表面褶皺急劇增多，且朝向一個(gè)方向傾斜，此時(shí)土體內(nèi)部即將形成貫通剪切滑移面，之后發(fā)生滑移面上顆粒之間的滑移錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致小孔隙百分比減少、中-大型百分比孔隙增多。另外，圍壓越大，紅黏土試樣的孔隙百分比變化越大，這從宏觀形態(tài)上揭示了紅黏土試樣在三軸壓縮過程中3種類型孔隙的演化規(guī)律。

圖6 貴陽紅黏土剪切全過程孔隙演化

2.3 貴陽紅黏土剪切全過程孔徑分布演化規(guī)律

根據(jù)貴陽紅黏土不同應(yīng)變量下剪切前后的核磁共振測(cè)試結(jié)果，同時(shí)結(jié)合式(2)，以表面弛豫率為3μm·s-1進(jìn)行計(jì)算，獲得不同應(yīng)變量下貴陽紅黏土剪切前后的孔徑分布，進(jìn)而求得孔徑分布增量ΔPs。再以所有樣品未剪切前不同孔徑百分比的平均值作為試樣的初始孔徑分布，進(jìn)一步得到貴陽紅黏土剪切全過程孔徑分布的演化規(guī)律，如圖7a、圖7b、圖7c與表3所示?？梢钥闯?，貴陽紅黏土的孔徑多分布在0.005～0.1μm之間，其中孔徑處于0.01～0.02μm的孔隙最多。隨著應(yīng)變的逐漸增加，紅黏土孔徑大小在0.002～0.01μm范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量在逐漸減少； 孔徑大小在0.01～0.1μm范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量在逐漸增加； 孔徑大小在0.1～90μm范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量在不斷地減少。這說明在荷載的作用下貴陽紅黏土內(nèi)部的孔隙整體上變小了，大一級(jí)尺度的孔隙逐漸向小尺度的孔隙過渡，其中大-中孔隙過渡的量遠(yuǎn)大于小孔隙過渡的量，小孔隙表現(xiàn)出增加效應(yīng)，大孔隙對(duì)荷載作用最為敏感，中等孔隙次之，小孔隙較為遲鈍。同時(shí)也可以看出，圍壓大小對(duì)紅黏土孔徑的大小影響不大。

圖7 貴陽紅黏土剪切全過程孔徑分布的變化

表3 不同圍壓下貴陽紅黏土剪切全過程孔徑分布匯總

3 貴陽紅黏土MRI圖像分析

采用核磁共振技術(shù)對(duì)剪切前后相同飽和條件下的貴陽紅黏土樣分16層進(jìn)行切割，形成MRI成像，并取第9層剪切前后的圖像進(jìn)行分析，如圖8所示，其中紅色和黃色代表孔隙，綠色代表土顆粒。從剪切前貴陽紅黏土MRI成像圖中可以看出，盡管同一區(qū)域同一深度取出的土體，仍然不可避免土體之間存在的差異性，這也說明本文采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)同一試樣剪切前后的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究是合理的。未剪切前的紅黏土中含有大量的孔隙，孔隙分布較為廣泛，并且這些孔隙結(jié)構(gòu)不具有明顯的方向性，排列散亂，孔隙尺度不一； 隨著應(yīng)力的逐漸增大，試樣的剪切變形不斷增加，紅黏土內(nèi)部孔隙不斷延伸、擴(kuò)張和貫通，形成局部孔隙密集分布區(qū)。土體的強(qiáng)度逐漸損失，孔隙集中分布方向也發(fā)生了不同程度的調(diào)整，分析認(rèn)為這主要是兩方面原因造成的，一是紅黏土顆粒與顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度不同、顆粒形狀各異、土骨架與孔隙交錯(cuò)組合形式復(fù)雜，使得土體內(nèi)部存在架空結(jié)構(gòu)與潛在軟弱帶； 二是應(yīng)力狀態(tài)的施加使得紅黏土發(fā)生了不同程度的損傷，這種損傷主要表現(xiàn)為顆粒之間的滑移，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙集中分布方向發(fā)生了調(diào)整。

圖8 貴陽紅黏土剪切前后核磁共振成像分析

4 常規(guī)三軸荷載下貴陽紅黏土細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)分析

4.1 貴陽紅黏土細(xì)-微觀形態(tài)特征

在土體細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)的研究中，最關(guān)注的是測(cè)試樣品的代表性，因此，在制作標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣的過程中保留了SEM測(cè)試樣品兩端多余的土樣。同時(shí)，為盡可能避免人為因素對(duì)試樣的擾動(dòng)，采用薄刀片從保留土樣的上部、中部、下部分別分割出了3塊約為1cm3的土樣，并在其中間刻出一條深為1mm左右的槽，之后迅速進(jìn)行抽真空冷凍干燥處理，再采用“掰斷法”使土塊沿刻槽產(chǎn)生新鮮斷面，然后選取較為平整的新鮮斷面切取薄片進(jìn)行噴金處理，并開展SEM電鏡掃描試驗(yàn)，最后分別在×200、×500、×1000倍電鏡下對(duì)新鮮斷面進(jìn)行觀察，如圖9所示?？梢钥闯觯t黏土內(nèi)部天然存在著凹槽、空腔以及狹長的縫隙，顆粒重疊交錯(cuò)形成架空結(jié)構(gòu)，土顆粒松散，孔隙形態(tài)較為直觀，這些結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致紅黏土形成高孔隙性的內(nèi)在原因。另外，在紅黏土表面存在大量的薄片狀、片狀、疊層狀結(jié)構(gòu)以及大小尺度不一的球形團(tuán)聚體和絮凝結(jié)構(gòu)，土顆粒多以邊-面接觸和面-面接觸為主，存在少量的點(diǎn)-面接觸和點(diǎn)-點(diǎn)接觸。土顆粒之間相互交錯(cuò)嵌入，緊密膠結(jié)，顆粒排序不具有方向性，并伴有巨塊狀、板塊狀、棱體狀和扁平狀礦物顆粒出露。結(jié)合紅黏土的礦物形態(tài)以及XRD測(cè)試結(jié)果，我們認(rèn)為這些礦物顆粒主要是石英，這也是紅黏土強(qiáng)度較大的一個(gè)內(nèi)在原因之一。

圖9 不同放大倍數(shù)下貴陽原狀紅黏土的細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)

4.2 荷載作用下貴陽紅黏土細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)量化分析

結(jié)合4.1中論述的方法，采用SEM掃描電鏡分別獲取了所有測(cè)試樣品保留土樣在×1000倍時(shí)的初始孔隙結(jié)構(gòu)圖像，再采用同樣的方法分別獲取了剪切后樣品的孔隙結(jié)構(gòu)圖像，盡可能保證了樣品的一致性與可對(duì)比性。針對(duì)貴陽紅黏土剪切前后的掃描電鏡圖像，采用南京大學(xué)劉春等研發(fā)的顆粒(孔隙)及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)(PCAS)，同時(shí)結(jié)合Liu et al.(2011)、湯強(qiáng)等(2017)對(duì)黏土細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)研究中建議的方法，通過調(diào)節(jié)不同的閾值分別對(duì)剪切破壞前后的貴陽紅黏土掃描圖像進(jìn)行多次矢量化處理，獲得不同應(yīng)變下貴陽紅黏土剪切前后的平均形狀因子、概率熵、分形維數(shù)等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)平均值，如圖10、表4所示。其中圖10b中彩色部分代表孔隙，黑色部分代表顆粒。

圖10 貴陽紅黏土掃描電鏡圖像的PCAS處理

表4 貴陽紅黏土剪切前后孔隙結(jié)構(gòu)定量化參數(shù)

在采用PCAS研究土體細(xì)-微觀孔隙結(jié)構(gòu)性參數(shù)時(shí)，概率熵可用于表征孔隙排列的方向性與混亂程度，其值在0-1區(qū)間，取值越大則孔隙越無序，越混亂。由表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變的逐漸增加，土樣的概率熵整體上不斷增加，表明孔隙在方向上越來越混亂； 當(dāng)應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，概率熵出現(xiàn)了較大幅度降低，相對(duì)而言，此時(shí)孔隙形態(tài)表現(xiàn)出了一定的方向性。之后，孔隙形態(tài)再次變得復(fù)雜，說明此時(shí)土體內(nèi)部形成了貫通的剪切面，孔隙形態(tài)具有方向性，這一過程也與2.2節(jié)中不同應(yīng)變下貴陽紅黏土宏觀破壞形態(tài)與孔隙形態(tài)演化相符。面積概率分布指數(shù)主要描述孔隙面積的分布特征，反映的是土體中不同類型孔隙數(shù)量的演化規(guī)律。在貴陽紅黏土整個(gè)剪切破壞過程中，面積概率分布指數(shù)表現(xiàn)出了先增大后減小，說明小孔隙經(jīng)歷了先增大后減少，而大孔隙先減少后增大。這與核磁共振測(cè)試結(jié)果不太相符，我們分析認(rèn)為產(chǎn)生這種差異的原因主要在于兩種測(cè)試方法對(duì)孔隙尺度的界定不一致，中低場(chǎng)核磁共振測(cè)試的孔徑范圍為0～90μm，而SEM掃描電鏡獲取的孔徑范圍約在1～50μm的范圍內(nèi)，因此，低場(chǎng)核磁共振測(cè)試獲得試樣的孔徑尺度更小，而電鏡掃描以高倍鏡成像為基礎(chǔ)，獲得土體孔徑的尺度較大，兩者劃分的大、小孔隙類型并不相同，經(jīng)PCAS矢量化處理后所劃分的孔隙類型有一定的模糊性，其本質(zhì)是掃描電鏡對(duì)紅黏土孔徑分布的分析上存在局限性，只能反映局部孔隙類型的變化規(guī)律。平均形狀系數(shù)用來表征孔隙的磨圓度，取值在0～1之間，形狀系數(shù)越小，孔隙形狀越不均一，越狹長，反之，孔隙越接近于圓形。貴陽紅黏土剪切全過程中孔隙的平均形狀系數(shù)整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，說明荷載作用下紅黏土顆粒之間狹長的縫隙被逐漸壓實(shí)，顆粒不斷靠攏聚合，顆粒團(tuán)粒化程度提高，孔隙形態(tài)逐漸變得圓滑，孔隙形態(tài)越相似。此外，分形維數(shù)是描述孔隙的規(guī)則程度與孔隙輪廓的復(fù)雜性指標(biāo)，其值大小為1～2，分形維數(shù)越大，孔隙越不規(guī)則，孔隙輪廓越復(fù)雜。隨著土體變形破壞的逐漸發(fā)展，貴陽紅黏土的分形維數(shù)表現(xiàn)出了先減小后增大，分析認(rèn)為這是由于土顆粒重新調(diào)整、排列及交錯(cuò)嵌入使土體孔隙變得規(guī)則化，孔隙輪廓逐步向單一化發(fā)展，而之后顆粒之間的滑移錯(cuò)動(dòng)與潛在軟弱面貫通導(dǎo)致孔隙的規(guī)則程度降低，孔隙輪廓變得較為復(fù)雜，這一過程與土體在宏觀上表現(xiàn)出的壓硬性和鼓脹變形具有密切聯(lián)系。

5 結(jié) 論

(1)低場(chǎng)核磁共振測(cè)試結(jié)果顯示貴陽紅黏土剪切前后的T2譜圖表現(xiàn)出三峰型，按不同的峰型可以將孔隙劃分為大孔隙、中孔隙、小孔隙，荷載作用下貴陽紅黏土小孔隙數(shù)量逐漸增加，大-中孔隙數(shù)量逐漸減少，孔徑尺寸逐漸增加。

(2)受力狀態(tài)的改變是導(dǎo)致紅黏土細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的原因，在小應(yīng)變情況下紅黏土以內(nèi)部顆粒之間相對(duì)位置的調(diào)整為主，隨著應(yīng)變的逐漸增加，紅黏土內(nèi)部孔隙不斷擴(kuò)張、延伸、貫通、形成新的小孔隙，以及形成剪切滑移面是貴陽紅黏土細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的具體體現(xiàn)。

(3)荷載作用下貴陽紅黏土內(nèi)部孔隙體積整體表現(xiàn)出變小的趨勢(shì)，大尺度孔隙逐漸向小尺度的孔隙發(fā)展，大孔隙對(duì)荷載作用最為敏感，中等孔隙次之，小孔隙較為遲鈍。圍壓對(duì)紅黏土的孔徑大小影響不大。

(4)紅黏土內(nèi)部存在天然凹槽、空腔以及狹長的縫隙，表面存在大量薄片狀、片狀、疊層狀結(jié)構(gòu)以及大小尺度不一的球形團(tuán)聚體和絮凝結(jié)構(gòu)，并伴有巨塊狀、板塊狀、棱體狀和扁平狀礦物顆粒出露，土顆粒多以邊-面接觸和面-面接觸為主，顆粒排序不具有方向性。荷載作用下貴陽紅黏土的孔隙在方向上越來越混亂； 當(dāng)形成貫通的剪切面時(shí)，孔隙形態(tài)表現(xiàn)出短暫的方向性，同時(shí)，荷載作用下紅黏土的孔隙形態(tài)越相似，分形維數(shù)越來越大，孔隙邊界越來越復(fù)雜。