基于核磁共振的紅黏土抗剪強度與孔隙關(guān)系研究

衛(wèi)國芳

摘要：為探究多次干濕循環(huán)作用對紅黏土孔隙結(jié)構(gòu)的影響，揭示孔隙結(jié)構(gòu)與抗剪強度的內(nèi)在聯(lián)系，基于核磁共振技術(shù)，測定試樣經(jīng)歷0～8次干濕循環(huán)后的T2曲線，并測定試樣的抗剪強度，以分析不同尺寸的孔隙與抗剪強度的關(guān)系。結(jié)果表明：① 第4次循環(huán)后，試樣黏聚力衰減約54.9%;在第4～8次循環(huán)過程中黏聚力趨于穩(wěn)定。② 隨著循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)摩擦角在一定范圍內(nèi)波動，未見明顯規(guī)律。③ 根據(jù)不同循環(huán)次數(shù)的T2曲線，土體孔隙可分為團?？祝═2<1.52 ms）、粒間孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms），不同尺寸的孔隙對土體抗剪強度的影響不同。④ 團粒孔在干濕循環(huán)作用下幾乎保持不變，粒間孔和裂隙隨著循環(huán)次數(shù)的增大而近似呈對數(shù)增加。⑤ 粒間孔和裂隙都與黏聚力呈良好的線性負相關(guān)，它們是導(dǎo)致黏聚力衰減的主要因素。根據(jù)分析結(jié)果，提出了基于綜合權(quán)重分析的孔隙指數(shù)I，該指數(shù)能綜合體現(xiàn)不同尺寸孔隙（粒間孔和裂隙）對黏聚力的影響;I與黏聚力相關(guān)性良好，可用于多次干濕循環(huán)影響下土體強度的評價。

關(guān)鍵詞：干濕循環(huán); 孔隙結(jié)構(gòu); 核磁共振; 抗剪強度

中圖法分類號： TU443

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.026

0引 言

地表淺層土存在著干濕循環(huán)現(xiàn)象[1]，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程的土體，其抗剪強度會顯著降低，從而導(dǎo)致許多突發(fā)性的自然災(zāi)害[2-3]。了解干濕循環(huán)作用對土體抗剪強度的影響機理，對巖土工程災(zāi)害的防治具有重要意義。許多學(xué)者嘗試利用原狀土或者重塑土，描繪干濕循環(huán)與土體抗剪強度衰減之間的關(guān)系，探索干濕循環(huán)對變形和力學(xué)性能的影響[4-5]。楊和平等[6]對比分析了有上覆荷載和無上覆荷載條件下，干濕循環(huán)對土體抗剪強度的影響規(guī)律，研究認為上覆荷載的存在能有效緩解抗剪強度的衰減，提高土體穩(wěn)定性。 徐丹等[7]的研究顯示，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后，土體的脆性顯著增加，其剪切特性逐漸趨近于超固結(jié)土;干濕循環(huán)作用對土樣殘余剪切強度的影響都不明顯。江強強等[8]探索了干濕循環(huán)影響下滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)滑帶土殘余強度的劣化主要發(fā)生在前3次干濕循環(huán)過程中。

孔隙結(jié)構(gòu)的改變被認為是導(dǎo)致土體宏觀力學(xué)性能改變的深層因素。Skvortsova等[9]認為在外部環(huán)境影響下，土壤結(jié)構(gòu)是復(fù)雜多變的，孔隙的幾何形態(tài)可以作為表征土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一個重要指標。Pan等[10]認為，平均孔喉半徑、孔圓度和孔隙平均長徑比等都會顯著影響土體儲存流體的能力和流體的滲流特性。范婷婷等[11]研究認為，隨著孔隙比增大，砂類土的抗剪強度呈現(xiàn)非線性減小;而且孔隙比越大，其抗剪強度的衰減幅度越小。土壤微觀孔隙結(jié)構(gòu)信息的獲取，通常采用壓汞、電鏡掃描手段等。曾召田等[12]利用壓汞試驗研究土樣經(jīng)歷0～6次干濕循環(huán)后的孔徑分布特性，結(jié)果顯示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣總孔隙體積、孔隙率和平均孔徑均遞增;孔隙結(jié)構(gòu)的變化影響基質(zhì)吸力，也直接導(dǎo)致的土樣抗剪強度的變化。王鐵行等[13]測試了重塑黃土在干濕循環(huán)過程中的動強度和動強度指標變化規(guī)律，并通過掃描電鏡技術(shù)（SEM）獲取了土樣微觀結(jié)構(gòu)信息，建立了微觀結(jié)構(gòu)與宏觀動強度指標之間的內(nèi)在聯(lián)系。

然而，壓汞、電鏡掃描方法都要對試樣進行干燥處理。干燥過程會引起試樣內(nèi)的孔隙出現(xiàn)一定程度的收縮和部分封閉;而較高的汞壓力也會對孔隙造成一定的損傷，導(dǎo)致測得的孔隙信息存在一定程度的失真。

可見，現(xiàn)有研究已經(jīng)反映了干濕循環(huán)作用對淺層土體的顯著影響，也嘗試從微觀孔隙的角度解釋宏觀力學(xué)性能的改變。但是，獲取土體孔隙結(jié)構(gòu)信息的方法仍然有待發(fā)展，以爭取獲得更真實的孔隙信息。另外，土體孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同孔徑的孔隙對抗剪強度的貢獻也不同，不同孔徑范圍的孔隙與土體抗剪強度之間的聯(lián)系尚不明確。核磁共振技術(shù)具有測試過程無損、便捷、完整保持孔隙狀態(tài)等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于井水勘探、石油勘探、巖土工程等領(lǐng)域[14-15]，它為揭示土體孔隙與強度的內(nèi)在聯(lián)系提供了新思路。

本文以廣州紅黏土為研究對象，利用核磁共振技術(shù)，測定不同干濕循環(huán)次數(shù)下土體的孔隙信息和抗剪強度;分析干濕循環(huán)次數(shù)對孔隙結(jié)構(gòu)的影響以及不同尺寸的孔隙與土體抗剪強度的關(guān)系，建立基于孔隙結(jié)構(gòu)的土體抗剪強度計算模型。研究結(jié)果將有助于揭示土壤宏觀力學(xué)行為的內(nèi)在機理，也可為工程建設(shè)中土體抗剪強度評價提供一定的借鑒。

1材料及方法

1.1研究用土

文中所用紅黏土取自廣州市北郊某建筑地基現(xiàn)場，取土深度為地表以下1.0～3.0 m。該土呈紅褐色，可塑、黏性強，含有少量未風(fēng)化巖石，未有可見裂隙發(fā)育。通過室內(nèi)土工試驗獲得了其主要物性參數(shù)，如表1所列。

1.2試樣制取

參考取土地原狀土干密度值和擊實試驗結(jié)果，本文干濕循環(huán)試樣的干密度取值為1.7 g/cm3。首先，取用過2 mm篩的風(fēng)干土樣，用分層噴灑水配制含水率約為12%的濕土，并密封保存48 h使其含水率平衡。然后采用靜壓法制取環(huán)刀試樣（直徑61.8 mm，高20.0 mm），共制取24個試樣，每4個試樣為1組;其中5組試樣進行核磁共振和直剪試驗，余下1組試樣備用。為排出金屬材料對磁場的影響，文中采用特制的聚四氟乙烯環(huán)刀（內(nèi)徑61.8 mm，外徑77.8 mm，高20.0 mm）。試樣干濕循環(huán)及核磁共振測試過程都置于特制環(huán)刀內(nèi)。

1.3干濕循環(huán)

為模擬廣州市夏季常有的高溫暴雨極端天氣，干濕循環(huán)幅度設(shè)為約22%（ω=5%～25%），5組試樣分別進行0，2，4，6次和8次干濕循環(huán)試驗。試樣濕潤過程使用真空飽和，空氣壓力為0.1 MPa，抽氣時間為4 h。完成抽真空后注水淹沒試樣24 h以上，使試樣在限制體積條件下充分吸水飽和，試樣飽和含水率約為25%。以試樣第1次達到飽和狀態(tài)為干濕循環(huán)過程的起點。完成濕潤過程后，飽和試樣被置于溫度為40 ℃、相對濕度設(shè)置為45%的恒溫恒濕箱內(nèi)脫水至恒重，此時試樣的含水率約為5%。之后，再對干燥試樣進行抽真空飽和，并再次回到飽和狀態(tài)時完成一次循環(huán)，即試樣由飽和-干燥-飽和狀態(tài)，如此完成一次干濕循環(huán)過程。后續(xù)1～8次干濕循環(huán)過程類似，不再贅述。

1.4核磁共振原理及測試

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance），是指原子核在外場的作用下，在能級之間共振躍遷的現(xiàn)象[16]。在外磁場的作用下，測定質(zhì)子數(shù)的總量和使質(zhì)子自旋軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)之后恢復(fù)初始平衡狀態(tài)的持續(xù)時間T2。這個總和可以表示為T2曲線的一個面積分布，根據(jù)曲線的積分面積即可計算得出土中不同大小的孔隙及其占比，并進一步計算出含水量的總和。根據(jù)核磁共振弛豫機制，橫向弛豫時間T2可表示如下[17]：

1.5直剪試驗

完成0，2，4，6，8次核磁共振測試后，試樣被安裝在應(yīng)變控制式電動四聯(lián)直剪儀上，在飽和狀態(tài)下進行快剪試驗。剪切時豎向壓力為100，200，300 kPa和400 kPa，剪切速度為0.8 mm/min，剪切試驗的實施步驟按文獻[19]執(zhí)行。采集并處理試驗數(shù)據(jù)，獲取土體抗剪強度指標c，φ值。

2研究結(jié)果與分析

2.1裂隙發(fā)育

膨脹性黏土在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)過程后，通常會有大量的裂隙發(fā)育。而本文所用紅黏土未檢測到大量的膨脹性黏土礦物，其膨脹性較低，多次干濕循環(huán)后試樣表面未見明顯裂隙。但是，通過掃描電鏡測試（見圖1），結(jié)果可以清晰地觀察到干濕循環(huán)作用對本文研究土體微觀結(jié)構(gòu)的影響。0次循環(huán)條件下，土體黏土片多呈卷曲狀，黏土片之間幾乎都是面-面接觸，很少有面-邊接觸和邊-邊接觸，土體中未觀測到微裂隙。6次循環(huán)后，黏土片的排列方式仍然以面-面接觸為主，但已經(jīng)可以觀測到大量明顯的微裂隙。微裂隙的存在會加速土體水分轉(zhuǎn)移，降低土體強度。

2.2抗剪強度

抗剪強度是土體在受到剪切破壞時的極限剪切應(yīng)力，它是建筑地基、邊坡穩(wěn)定、土石壩等巖土工程設(shè)計中的重要指標。圖2繪制了0～8次干濕循環(huán)作用下，紅黏土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

干濕循環(huán)作用會導(dǎo)致土體抗剪強度的嚴重衰減，這已經(jīng)是被廣泛接受的共識。由圖2（a）可以看出：黏聚力與循環(huán)次數(shù)之間可以近似用一元二次方程表示，本文中A=1.82，B=-21.85，C=114.82。經(jīng)歷2次干濕循環(huán)后，試樣黏聚力從116.32 kPa降低到76.74 kPa，降低了約34%;在第4次循環(huán)后，黏聚力降低了約54.9%;第4～8次干濕循環(huán)之間，試樣黏聚力未顯示出大幅度的波動（約7%），即趨于穩(wěn)定。這與現(xiàn)有研究文獻的結(jié)論相同[20-21]，即干濕循環(huán)作用對紅黏土黏聚力的影響主要表現(xiàn)在0～4次循環(huán)之間;4次循環(huán)之后，黏聚力表現(xiàn)為在小幅度內(nèi)的波動。干濕循環(huán)過程中，土樣會產(chǎn)生大量干縮裂隙，它們嚴重損傷了土樣的黏聚力[22]。研究認為[23]：在經(jīng)歷2～4次干濕循環(huán)后，土體的裂隙發(fā)育也趨于穩(wěn)定，它對黏聚力的折損也趨于穩(wěn)定。另外，干濕循環(huán)過程中，土樣在飽和、非飽和狀態(tài)之間多次轉(zhuǎn)換。干濕循環(huán)過程也是基質(zhì)吸力的反復(fù)加卸載過程，從而導(dǎo)致了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的疲勞累積損傷。盡管僅在基質(zhì)吸力作用下，土體不會出現(xiàn)突然失穩(wěn)，但經(jīng)過多次（如4次）干濕循環(huán)后土體的力學(xué)性質(zhì)均趨向一種穩(wěn)定的狀態(tài)，黏聚力和內(nèi)摩擦角指標不會再隨循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生劇烈變化。

由圖2（b）可以看出：0～8次干濕循環(huán)之間，土體內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)上下波動，未見明顯規(guī)律。這可能是因為在干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生的裂隙使土體破碎化，破碎體之間相互滑動的阻力減低了，內(nèi)摩擦角減小;但是，土體干縮過程中細顆粒由于靜電作用力而發(fā)生聚集，形成團粒填充部分裂隙，從而又導(dǎo)致內(nèi)摩擦角的增大。上述2種作用同時存在且相互影響，導(dǎo)致了土體內(nèi)摩擦角隨著循環(huán)次數(shù)增加而上下起伏的現(xiàn)象。由于干濕循環(huán)對黏聚力的影響更為顯著，而內(nèi)摩擦角受干濕循環(huán)幅度的影響相對較小，故下文重點探究孔隙結(jié)構(gòu)與黏聚力的關(guān)系。

2.3核磁共振T2曲線

本文利用1H核磁共振電腦關(guān)聯(lián)分析方法，測定了經(jīng)歷0，2，4，6，8次干濕循環(huán)之后試樣的T2曲線，并對多條曲線進行對比分析（見圖3）。圖3中，橫坐標為孔隙水的橫向弛豫時間，縱坐標為對應(yīng)幅值（無量綱量）。

由式（2）可知：土體孔隙半徑是以橫向弛豫時間T2為自變量的單值函數(shù)，T2值越大，其對應(yīng)的孔徑也越大。由圖3可以看出：在0～8次干濕循環(huán)作用下，試樣的T2曲線主要分布在0.08～150.00 ms之間，其分布區(qū)間跨越3個數(shù)量級，說明試樣孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，T2曲線的幅值逐漸增大，且T2最大值也逐漸擴大（右移）。當T2小于1.52 ms時，不同循環(huán)次數(shù)下的T2曲線之間相互靠近，說明該弛豫時間內(nèi)的孔隙幾乎不受干濕循環(huán)的影響。當T2介于1.52～31.64 ms之間時，T2曲線對干濕循環(huán)作用十分敏感。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，T2曲線幅值增大，且T2曲線表現(xiàn)為向右移動;尤其是0～2次干濕循環(huán)之間，T2曲線向右移動幅度最大。當T2大于31.64 ms時，T2曲線的幅值和最大值都依次增大。參照已有的孔隙研究成果[24-25]，可以將本文土樣的孔隙分為團?？祝═2<1.52 ms）、粒間孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms）。團?？诪榫奂w內(nèi)的孔隙，干濕循環(huán)作用很難造成團粒的破壞，故這部分孔隙在不同循環(huán)次數(shù)的T2曲線上未見明顯差異。粒間孔是顆粒之間的孔隙，表征土顆粒之間的間距大小。裂隙可視為孔徑很大的孔隙，它是干濕循環(huán)過程導(dǎo)致的。2次循環(huán)后，T2曲線最大值增大（見圖3），這說明土樣內(nèi)產(chǎn)生了裂隙。隨著循環(huán)次數(shù)增加（2～8次），T2≥31.64 ms段的曲線右移，說明土樣內(nèi)裂隙量增加或者裂隙寬度擴大。

T2曲線沿橫坐標的積分面積代表著該T2區(qū)間內(nèi)的水的相對含量，這個積分面積也間接地表示了該T2區(qū)間內(nèi)的孔隙相對含量的多少。將圖3中3類孔隙的T2曲線積分面積與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系列于表2?？偪紫妒钦麠lT2曲線的積分面積，團粒孔表示T2<1.52 ms段曲線積分面積，粒間孔表示1.52 ms≤T2<31.64 ms 段的曲線積分面積，裂隙表示T2≥31.64 ms 段曲線積分面積。

由表2可以看出：不同循環(huán)次數(shù)的土樣內(nèi)，團?？紫墩急茸钚?，粒間孔占比最大。循環(huán)次數(shù)增大，土樣總孔隙量增加，團?？讕缀醣３植蛔儯ｉg孔占比依次降低，裂隙占總孔隙比例逐漸增大。筆者分析認為，干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土樣松散，孔隙總量增大。脫水收縮裂隙將土樣分割成大小不等的塊體，塊體間的空隙（裂隙）在循環(huán)過程中擴大;而塊體內(nèi)部則由于反復(fù)干縮作用使得顆粒間距減小，粒間孔占總孔隙比例減小。

圖4展示了上述3類孔隙與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，粒間孔、裂隙、總孔隙都近似呈對數(shù)增長，而后趨于穩(wěn)定。粒間孔在經(jīng)歷2次循環(huán)后，其含量趨于穩(wěn)定;裂隙含量則是在第4次循環(huán)后才趨于穩(wěn)定。說明第2次循環(huán)之后，土樣孔隙主要表現(xiàn)為裂隙的延長和寬度增長。

2.4孔隙與黏聚力關(guān)系

為了更好地分析孔隙尺寸對土體抗剪強度的影響，圖5中繪制了粒間孔量、裂隙量與黏聚力的關(guān)系。

粒間孔、裂隙都與土樣黏聚力存在良好的相關(guān)性（見圖5），這2類孔隙量增加都會導(dǎo)致土樣黏聚力的線性衰減?；诳紫督M成數(shù)據(jù)，可以對土體抗剪強度性能提出更準確的評價。然而，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粒間孔占總孔隙的比例是逐漸減小，而裂隙占比逐漸增大（見表2）。自然界中的土壤孔隙也不止包含一種孔隙類型，基于上述2種孔隙（粒間孔、裂隙）的總和指標才能更真實地反映土體孔隙結(jié)構(gòu)與黏聚力的關(guān)系，也與工程實際更相符。基于組合權(quán)重思想，提出使用孔隙指數(shù)I來表述孔隙組成與土體黏聚力的關(guān)系（見式3）。

由圖6可以看出：隨著孔隙指數(shù)I的增加，土樣黏聚力線性減小，二者相關(guān)性高（R2=0.9783）。相比與單獨采用粒間孔或者裂隙來預(yù)測土樣黏聚力，采用孔隙指數(shù)I來預(yù)測黏聚力的可靠性得到提升。而且，孔隙指數(shù)是土體中不同孔徑大小的孔隙的綜合體現(xiàn)，其物理意義更明確。若要更詳細地表達各孔徑區(qū)間對黏聚力的折損作用，可將T2曲線分割成n段，在式（3）中加入相應(yīng)T2區(qū)間的fn，Pni，則可計算出個循環(huán)次數(shù)下的Ii，得出對土體黏聚力的預(yù)測模型。

3結(jié) 論

基于核磁共振技術(shù)，測定了0～8次干濕循環(huán)后試樣的T2曲線。將T2曲線各區(qū)段差異解釋為3類不同的孔隙，建立3類孔隙與強度之間的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論。

（1） 對文中所用紅黏土，前4次干濕循環(huán)后，黏聚力衰減了54.9%，第4次循環(huán)之后，黏聚力趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)的增加而在一定范圍內(nèi)波動，未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。

（2） 根據(jù)核磁共振T2曲線特征，將本文土樣的孔隙分為團粒孔（T2<1.52 ms）、粒間孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms）。團粒孔含量在干濕循環(huán)過程中相對穩(wěn)定，粒間孔、裂隙都隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大。粒間孔量、裂隙量與黏聚力之間線性負相關(guān)，它們是導(dǎo)致土體抗剪強度減小的主要因素。

（3） 基于組合權(quán)重思想，提出的孔隙指數(shù)I，它是反映土體孔隙組成的綜合指標?？紫吨笖?shù)I與黏聚力之間存在良好的線性關(guān)系，基于I建立的數(shù)學(xué)模型可準確地預(yù)測干濕循環(huán)過程中黏聚力的衰減情況。

（4） 本文試驗是針對廣州紅黏土進行的，所得結(jié)果的廣泛適用性仍有待研究?；赥2曲線的孔隙劃分方法，尚未形成統(tǒng)一認識，仍需深入探索。

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（編輯：趙秋云）

Abstract：To explore the impact of multiple dry-wet cycles on the pore structure of lateritic clay and to reveal the internal relationship between pore structure and shear strength，we tested the T2 curve and shear strength of specimen that experienced 0～8 cycles，and analyzed the relationship between pore size and shear strength.The results showed that after the 4th cycle，cohesion of the specimen decreased about 54.9%，while it tended to be stable in following cycles.As the cycle number increased，the friction angle fluctuated irregularly within a certain range.Based on T2 curves under different cycles，pore of soil was divided into three types： aggregate pore （where T2<1.52 ms），intergranular pore （1.52ms31.64 ms）.The influence of pore sizes on the shear strength of soil was different.The aggregate pore almost remained unchanged after 0～8 cycles，and the intergranular pore and fissure increased logarithmically with the increase of cycle number.As the main factor leading to the attenuation of cohesion，the intergranular pores and fissures showed a good linear negative correlation with cohesion.A pore index based on comprehensive weight analysis was proposed，which comprehensively reflected the influence of intergranular pore and fissure on cohesion.The proposed index showed a good correlation with cohesion，which can be used to evaluate the influence of dry-wet cycles on soil strength.

Key words：dry-wet cycle;nuclear magnetic resonance （NMR）;pore structure;shear strength