基于X射線斷層掃描術(shù)的黏性土-混凝土接觸面剪切-滲流機(jī)理研究

于際凱，劉千惠

（1．徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221116；2．煤炭科學(xué)研究總院有限公司，北京 100013）

1 研究背景

滲透引發(fā)的破壞是土工結(jié)構(gòu)中最常見的一種破壞型式，尤其是在土石壩中[1-2]。由于滲流引發(fā)的侵蝕和沖刷導(dǎo)致土石壩破壞數(shù)量是滑坡等引發(fā)的破壞數(shù)量的數(shù)倍[3-4]。在土石壩中，在防滲體與其他結(jié)構(gòu)接觸的部分，水力坡降會(huì)發(fā)生急劇的變化，因此在這些區(qū)域也更容易發(fā)生滲透破壞[5]。

在我國西南地區(qū)，有大量建成、在建和擬建的土石壩，高度達(dá)到250 m到300 m[6]。在這些高土石壩內(nèi)部，大剪切變形和高水頭同時(shí)存在。尤其是土石壩的心墻和岸坡混凝土墊層接觸處，在上游水壓力的作用下，材料的界面間會(huì)存在大剪切變形。在工程中，可以在心墻與混凝土墊層之間鋪設(shè)一層接觸黏土，用于緩解心墻與混凝土墊層之間的不協(xié)調(diào)變形。例如擬建的如美高心墻堆石壩，壩高315 m，在心墻與混凝土墊層中間，就計(jì)劃設(shè)置一層5 m厚的接觸黏土。相比心墻土料，接觸黏土更軟，能夠在起到防滲作用的同時(shí)承受較大的剪切變形。但同時(shí)也使工程人員產(chǎn)生一個(gè)疑慮，由于高水頭與大剪切變形同時(shí)存在，接觸黏土與混凝土墊層之間是否更容易發(fā)生滲透破壞。

針對(duì)大剪切變形下黏性土與混凝土板的接觸滲透特性，已有的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：黏性土與混凝土板之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)增加，通過接觸面的流量先減小，后幾乎保持不變[7]；即便在大變形的條件下，土體與結(jié)構(gòu)面間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，也不會(huì)直接導(dǎo)致滲透破壞[8]。得到這樣結(jié)果可能的原因是：土體與結(jié)構(gòu)面間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，土體有變得更加密實(shí)的趨勢(shì)，土體的抗?jié)B能力增強(qiáng)。為了研究接觸面在剪切作用下抗?jié)B能力增強(qiáng)的機(jī)理，雷紅軍[7]曾通過在接觸面上構(gòu)造人為缺陷的方式進(jìn)行了試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果表明：即使是在有缺陷的情況下，隨著接觸面剪切變形的產(chǎn)生，接觸面會(huì)自動(dòng)閉合，并不會(huì)繼續(xù)發(fā)展。在一些試驗(yàn)研究和數(shù)值研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[9-11]，但無論是人為構(gòu)造缺陷的試驗(yàn)還是數(shù)值研究，都只能間接驗(yàn)證接觸面抗?jié)B能力增強(qiáng)的機(jī)理。

接觸面處滲透特性的變化與土的微觀結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，基于微觀結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，可以更直觀地揭示滲透特性變化的內(nèi)在機(jī)理。XCT掃描技術(shù)是一種成熟的非接觸式微觀結(jié)構(gòu)掃描技術(shù)，可以用于探知土的三維微觀結(jié)構(gòu)[12]。相比于其他技術(shù)手段，XCT掃描的非接觸性，可以最大程度地避免土體的微觀結(jié)構(gòu)受到取樣過程的影響。在已有的許多研究中，成功借助XCT掃描技術(shù)，在土的固體成分和水力特性[13-14]以及土壤和植物[15]相關(guān)領(lǐng)域取得了較好的研究成果。利用 XCT掃描技術(shù)，可以獲得土體的微觀結(jié)構(gòu)信息，并且有助于深入地理解土體宏觀特性的機(jī)理。

本文基于XCT掃描試驗(yàn)對(duì)黏性土與混凝土接觸面在發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)抗?jié)B能力增強(qiáng)的機(jī)理進(jìn)行研究。通過截取接觸面剪切-滲流試驗(yàn)中加載到不同階段的土樣進(jìn)行掃描，重構(gòu)土體的三維結(jié)構(gòu)，提取不同界面的表觀孔隙率進(jìn)行對(duì)比分析，揭示接觸面在剪切作用滲透特性變化機(jī)理。

2 接觸面剪切-滲流試驗(yàn)

本文的分析根據(jù)如美接觸土料-混凝土板接觸面剪切滲流試驗(yàn)[8]展開。圖1為裝置的試驗(yàn)原理示意圖[16]，該裝置是由常規(guī)三軸試驗(yàn)裝置改裝而成，由上帽、套筒、混凝土板、兩塊土樣和底座組成試驗(yàn)單元。兩塊土樣的尺寸一致，為9 cm×4．5 cm×11 cm。土樣是按照試驗(yàn)土的最大干密度在特制的模具中分層壓實(shí)后，經(jīng)抽真空飽和制成的。混凝土板是由普通硅酸鹽水泥混合中砂和碎石，參照C30混凝土配合比制成。試驗(yàn)單元由橡皮膜包裹，置于壓力室中。試驗(yàn)時(shí)，試樣先在一定的壓力下固結(jié)，然后通過加載桿推動(dòng)混凝土板下移。同時(shí)，通過反壓系統(tǒng)向試樣施加滲透壓力。滲壓水從試樣頂部進(jìn)入，從混凝土板與試樣的接觸面部分流出。

圖1 接觸面剪切滲流試驗(yàn)原理示意圖

圖2為試驗(yàn)使用的接觸土料的級(jí)配曲線。土料的平均粒徑為0．064 mm，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最優(yōu)含水量為10．96%，最大干密度為1．98 g/cm3。圖3給出了接觸黏土接觸面大變形剪切-滲流試驗(yàn)的結(jié)果。圖3（a）為單面上的剪應(yīng)力隨著剪切位移的變化，可以看出在不同固結(jié)壓力下，均出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，這對(duì)應(yīng)著滲流量從快速變化到較慢變化的過渡，也伴隨著土樣結(jié)構(gòu)的調(diào)整。當(dāng)位移小于10 mm時(shí)，無論是在高圍壓下還是在低圍壓下，流量均迅速減小。位移大于10 mm時(shí)，對(duì)于100 kPa和200 kPa下固結(jié)的試樣，通過試樣的流量緩慢減小；對(duì)于500 kPa和900 kPa下固結(jié)的試樣，通過試樣的流量幾乎保持不變。這樣的結(jié)果表明，當(dāng)土體與混凝土板面間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，土體呈現(xiàn)更加密實(shí)的趨勢(shì)，土體整體的抗?jié)B能力增強(qiáng)。

圖2 接觸土料的級(jí)配曲線

圖3 接觸面剪切-滲流試驗(yàn)的典型結(jié)果

3 XCT掃描試驗(yàn)

XCT掃描試驗(yàn)的原理是利用X射線照射并穿透待測(cè)樣品，在成像面上形成灰度圖像。圖像上的明暗是由待測(cè)樣品內(nèi)部不同成分的密度不同，對(duì)X射線的吸收能力有差異導(dǎo)致的。對(duì)于土而言，土顆粒、水和空氣之間的密度差異很大，因此在XCT掃描圖像中可以有效區(qū)分。XCT掃描的優(yōu)勢(shì)在于可以在不與試樣接觸的情況下測(cè)得土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。對(duì)于接觸面剪切-滲流試驗(yàn)的試樣而言，接觸面很薄，容易因外界擾動(dòng)發(fā)生變化，因此使用非接觸式的測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果能夠最大程度地反映接觸面原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

（1）截取試驗(yàn)試樣。掃描樣品共有3個(gè)，分別取自在500 kPa下固結(jié)后，剪切位移加載到0 mm、3 mm和7 mm時(shí)的試樣。取樣使用的是特制的取樣器。圖4為取樣的示意圖。取樣時(shí)，從土樣與混凝土面板接觸的一側(cè)，沿著垂直于土樣表面的方向向內(nèi)取樣。取樣器是一個(gè)內(nèi)徑1 cm、長(zhǎng)4 cm的石英管。為了方便取樣，取樣器的一側(cè)有倒角。取樣前在取樣管中涂抹凡士林，以減少取樣器邊壁摩擦對(duì)樣品的影響。取出待掃描試樣后，用α-氰基丙烯酸乙酯涂抹試樣的四周，對(duì)試樣四周進(jìn)行固化處理。

圖4 取樣示意圖

（2）掃描試樣。使用Micro XCT-400設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行掃描，如圖5所示，左側(cè)為X射線生成和發(fā)射裝置，右側(cè)為X射線接收裝置。該設(shè)備的最大電壓為140 kV，理論最大分辨率為1μm。根據(jù)待掃描試樣的尺寸以及需要的掃描精度，掃描時(shí)設(shè)定射線發(fā)射功率為60 kV×40μA。

圖5 XCT掃描設(shè)備

（3）三維圖像重建。掃描后得到的是試樣不同角度的二維截面圖像，需要進(jìn)行三維重建后，才能得到三維圖像。使用Avizo軟件對(duì)圖像進(jìn)行三維重建，重建后的圖像大小為2200×2200×2000像素，單位像素精度為2．5μm?？紤]到試樣邊緣受取樣影響較大，且有固化劑滲入，土顆粒邊緣不清晰，截取中心直徑5 mm的部分進(jìn)行分析。

4 接觸面剪切-滲流微觀機(jī)理分析

對(duì)重建并截取后的圖像進(jìn)行孔隙比分析，得到了位移加載到不同大小時(shí)接觸面附近的孔隙比分布，如圖6（a）所示。圖6中還給出了典型位置的XCT掃描截面圖。在圖6（a）中，三條曲線分別為固結(jié)完成、剪切位移加載到3 mm和剪切位移加載到7 mm時(shí)，距離接觸面0～7 mm的表觀孔隙率。根據(jù)圖2（b）所示的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于500 kPa下固結(jié)的土樣，剪切位移在0～7 mm時(shí)通過試樣的流量變化最大，0～3 mm流量降低了64．2%，3～7 mm流量降低了30．1%。因此，這一段的微觀結(jié)構(gòu)變化最能反映剪切對(duì)接觸面滲流特性的影響。

圖6 XCT孔隙比分布及典型位置圖像

圖6（a）的結(jié)果顯示，在距離接觸面0～3 mm范圍內(nèi)，表觀孔隙率的變化沒有規(guī)律。在距離接觸面2 mm處，接觸面相對(duì)錯(cuò)動(dòng)為3 mm時(shí)，出現(xiàn)表觀孔隙率明顯較高的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的截面圖顯示此處出現(xiàn)了集中的大孔隙。在剪切錯(cuò)動(dòng)為7 mm時(shí)，同一位置的表觀孔隙率小于相對(duì)錯(cuò)動(dòng)為3 mm時(shí)的表觀孔隙率。在距離接觸面3 mm以外的區(qū)域，表觀孔隙率的分布出現(xiàn)一定的規(guī)律，即剪切錯(cuò)動(dòng)越大，表觀孔隙率越小。圖6（b）—圖6（d）分別為固結(jié)完成、剪切位移加載到3 mm和剪切位移加載到7 mm時(shí)，距離接觸面5 mm處的XCT掃描截面圖。從圖6中也可以看出，在距離接觸面5 mm處，孔隙分布均勻，且隨著剪切位移的增加，單個(gè)孔隙在截面上的面接減小，整體表觀孔隙率減小。這些微觀現(xiàn)象驗(yàn)證了土體在剪切作用下整體變得更加密實(shí)的假設(shè)。

XCT掃描的結(jié)果可以為土體在接觸面大剪切變形下透水能力逐漸減小并維持穩(wěn)定的現(xiàn)象提供兩種可能的解釋：一是土體可能會(huì)因?yàn)榻佑|面大剪切變形產(chǎn)生較大的孔隙，但這些孔隙在持續(xù)剪切的過程中，又發(fā)生了閉合現(xiàn)象。這與構(gòu)造人為缺陷后進(jìn)行剪切滲流試驗(yàn)觀察到的結(jié)果具有一致的機(jī)理[6]，微觀掃描結(jié)果則從另一個(gè)維度驗(yàn)證了這一機(jī)理。第二種可能的解釋是土體在接觸面大剪切變形下，孔隙比持續(xù)減小，導(dǎo)致土體的透水能力持續(xù)減小。

接觸黏土樣在500 kPa圍壓下固結(jié)后變得比較密實(shí)，因而滲透性會(huì)很小。但在剪切作用下有可能產(chǎn)生裂隙或孔洞從而導(dǎo)致局部滲透性增大，甚至產(chǎn)生劈裂效應(yīng)等隱患。本文的試驗(yàn)結(jié)果表明，繼續(xù)增加剪切位移后所產(chǎn)生的大孔隙又有閉合的趨勢(shì)，因而接觸黏土具有一定的自愈能力。實(shí)際工程比較復(fù)雜，還需根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

本文對(duì)黏性土-混凝土接觸面進(jìn)行了一組剪切-滲流試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)土體與混凝土板面間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，土體呈現(xiàn)更加密實(shí)的趨勢(shì)，土體整體的抗?jié)B能力增強(qiáng)。對(duì)圍壓500 kPa下固結(jié)的土樣在不同剪切位移加載階段的接觸面附近取樣，利用XCT試驗(yàn)，進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)掃描和三維重構(gòu)，分析了在試驗(yàn)過程中接觸面附近土樣的孔隙分布規(guī)律及表觀孔隙率變化，揭示了在一定固結(jié)壓力下黏性土-混凝土接觸面在大剪切變形下抗?jié)B能力增強(qiáng)的機(jī)理：一是對(duì)于接觸面附近的土體，在大剪切錯(cuò)動(dòng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的孔隙，但這些孔隙在持續(xù)剪切的過程中又發(fā)生了閉合，而最終沒有形成大的水流通道；二是對(duì)于距離接觸面較遠(yuǎn)的土體，在剪切作用下孔隙比持續(xù)減小，土體的透水能力持續(xù)減小。這兩方面的作用，使得接觸面在大剪切變形下抗?jié)B能力增強(qiáng)。