干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)及持水特性研究

付業(yè)揚(yáng)，劉朝暉，高乾豐，曾鈴，余慧聰

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410114)

在炭質(zhì)泥巖廣泛分布的西南地區(qū)進(jìn)行公路建設(shè)時(shí)，為減少開挖棄料，降低建設(shè)成本，將不可避免地采用炭質(zhì)泥巖作為路堤填料[1-3]。由于炭質(zhì)泥巖具有遇水易崩解、強(qiáng)度低和時(shí)效變形顯著等特性，直接用作路堤填料尚不能滿足填筑要求，故在工程上需預(yù)先對(duì)炭質(zhì)泥巖進(jìn)行預(yù)崩解處理，從而得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖，再作為路堤填料進(jìn)行填筑。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤在濕熱環(huán)境下極易發(fā)生沉降，甚至失穩(wěn)破壞。因此，為確保預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤安全運(yùn)營，有必要針對(duì)干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀機(jī)理和持水特性開展系統(tǒng)研究。

許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)干濕循環(huán)作用后的土體微觀結(jié)構(gòu)開展了研究。劉禹陽等[4]通過掃描電鏡、核磁共振測(cè)試和三軸剪切試驗(yàn)研究了不同干濕循環(huán)路徑對(duì)黃土的影響，發(fā)現(xiàn)黃土的劣化作用隨干濕循環(huán)幅度增加而增加；田暉等[5]采用掃描電鏡和圖像處理軟件，研究了干濕循環(huán)對(duì)黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致土體中平均孔徑先減小后增大；葉為民等[6]通過控制溫度和吸力的方法，研究了高壓實(shí)膨脹土微觀結(jié)構(gòu)在不同側(cè)限約束下受干濕循環(huán)影響的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)路徑對(duì)高壓實(shí)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)影響隨溫度增加而更加顯著。土水特征曲線反映了巖土體的持水性能，是進(jìn)行非飽和狀態(tài)下路堤穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)[7]。當(dāng)前，學(xué)者們對(duì)不同土體的持水特性進(jìn)行了大量研究。孫德安等[8]測(cè)試了不同干濕循環(huán)次數(shù)下南陽膨脹土的土水特征曲線，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致試樣含水率和持水性能下降；張俊然等[9]通過引入一個(gè)與干濕循環(huán)相關(guān)的函數(shù)，提出了一種依據(jù)土體塑性指數(shù)和首次脫濕及吸濕曲線預(yù)測(cè)多次干濕循環(huán)作用后土水特征曲線的方法；張芳枝等[10]采用非飽和土三軸儀對(duì)經(jīng)過多次吸濕和脫濕循環(huán)后的土體進(jìn)行研究，揭示了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土變形特性的影響，結(jié)果表明干濕循環(huán)會(huì)改變膨脹土持水特性，導(dǎo)致相同基質(zhì)吸力條件下含水率增大。上述文獻(xiàn)的研究對(duì)象主要是黏性土，而針對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖在干濕循環(huán)作用下微觀結(jié)構(gòu)和持水特性變化的研究不多。付宏淵等[11]利用自制的可考慮荷載和干濕循環(huán)影響的崩解試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)炭質(zhì)泥巖在第一次干濕循環(huán)時(shí)崩解最為強(qiáng)烈，在5次干濕循環(huán)后崩解趨于穩(wěn)定；陳小薇等[12]開展了浸水與荷載同時(shí)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖變形試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的變形過程是持續(xù)的，干濕循環(huán)會(huì)增大其濕化變形；曾鈴等[13]通過CT三軸同步掃描，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度是預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤回彈模量的主控因素。目前大部分研究主要針對(duì)干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的力學(xué)特性變化，對(duì)多次干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致持水特性演變的研究較少。

鑒于此，本文以廣西河池某公路路堤炭質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，通過掃描電鏡試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)分析干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征，并開展干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖土水特征曲線試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)，基于Ⅴan Genuchten 模型提出考慮干濕循環(huán)作用的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖土水特征曲線修正模型，預(yù)測(cè)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的非飽和滲透系數(shù)，以期從宏微觀角度揭示干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖劣化機(jī)制，并為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性分析提供計(jì)算參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料

炭質(zhì)泥巖充分崩解為預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖，土樣烘干后過孔徑為2 mm的篩，取篩下土樣作為試驗(yàn)材料。根據(jù)篩分試驗(yàn)得到其細(xì)粒土(粒徑≤0.075 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.95%，粗粒土(粒徑＞0.075 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.05%。通過X 射線衍射和X 射線熒光定量分析測(cè)試預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的礦物成分及化學(xué)成分，可知預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖主要由高嶺石、石英和云母3種礦物組成，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足7%(圖1)；預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖化學(xué)成分以SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3和K2O 為主(表1)。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)得到預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的基本物理性質(zhì)，如表2所示。

表1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖X射線熒光定量分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Results of quantitative X-ray fluorescence analysis of pre-disintegrated carbonaceous mudstone(mass fraction)%

表2 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical properties of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

圖1 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

2 試驗(yàn)方法與步驟

2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

表3所示為試驗(yàn)方案，試驗(yàn)采用高、矮2種環(huán)刀

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Experimental scheme

試樣(直徑為61.8 mm，高度分別為40 mm和20 mm)，試樣干密度和質(zhì)量含水率分別為2.09 g/cm3和8%，通過靜壓法[14]制備而成?？紤]土體在自然環(huán)境中經(jīng)歷降雨和暴曬的真實(shí)工況，采用水膜轉(zhuǎn)移法和光照加熱法[15-17]分別模擬濕干過程。在濕化過程中(圖2(a))，將試樣放置在精度為0.01 g 的天平上，使用滴管將水分均勻滴在試樣表面，當(dāng)含水率達(dá)到(25±1)%后將試樣放置于不銹鋼托盤上，用保鮮膜密封24 h 使土體均勻濕化。在干化過程中(圖2(b))，采用兩盞功率為250 W 的加熱燈照射24 h，同時(shí)采用電子測(cè)溫計(jì)對(duì)加熱燈照射范圍的試樣進(jìn)行溫度測(cè)量，保證各試樣表面溫度在(40±1)℃范圍內(nèi)。制備多個(gè)同一初始條件下的環(huán)刀試樣，同時(shí)按上述步驟進(jìn)行0，2，4，6 和8 次干濕循環(huán)后，分別進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)、土水特征試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)。

圖2 試樣的濕化與干化過程Fig.2 Wetting and drying process of specimens

2.2 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

2.2.1 掃描電鏡試驗(yàn)

為便于觀察干濕循環(huán)作用對(duì)試樣微觀結(jié)構(gòu)特征的影響，采用定點(diǎn)掃描法開展掃描電鏡試驗(yàn)。先將未經(jīng)歷干濕循環(huán)的矮環(huán)刀試樣切割成長×寬×高為9 mm×9 mm×4 mm 的平板狀試樣塊，通過凍干法對(duì)其進(jìn)行干燥。隨后將平板狀試樣放置在與載物臺(tái)外徑相同的自制塑料圈上(圖3)，以防止干濕循環(huán)過程中水分和顆?？焖倭魇?，影響干濕循環(huán)效果。測(cè)試過程中通過導(dǎo)電膠帶輔助以確保每次觀測(cè)的點(diǎn)位一致，拍攝不同放大倍數(shù)下試樣同一位置的圖像并保存，完成一次拍攝后取出試樣進(jìn)行下一次干濕循環(huán)，再對(duì)試樣重新進(jìn)行拍攝，得到不同干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀形態(tài)的變化規(guī)律。

圖3 掃描電鏡試樣固定及觀測(cè)點(diǎn)定位裝置Fig.3 Fixing of samples for scanning electron microscopy and positioning setup of observation points

2.2.2 壓汞試驗(yàn)

通過壓汞試驗(yàn)(MIP)可獲得巖土體的孔隙分布特征和孔隙體積。壓汞試驗(yàn)基本原理如下：汞作為非浸潤性液體進(jìn)入孔隙需施加外部壓力，增加壓力可使汞液進(jìn)入更較小的孔隙，通過測(cè)定不同壓力作用下汞液進(jìn)入土體的體積，從而可測(cè)得土體的孔徑分布[18]。為明確預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖孔隙特征與其持水特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，開展壓汞試驗(yàn)探究不同干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征。采用高×長×寬為10 mm×5 mm×5 mm的棱柱形試樣，測(cè)試儀器為康塔PoreMaster 33 型全自動(dòng)孔徑分析儀，儀器最大汞壓為220 480～227 370 kPa，測(cè)量的最小孔徑為6.5 nm。

測(cè)試時(shí)，先將經(jīng)歷不同干濕循環(huán)的矮環(huán)刀試樣制備成高×長×寬為10 mm×5 mm×5 mm的壓汞試樣，液氮干燥試樣稱質(zhì)量后放入樣品管密封；隨后將密封樣品管放入低壓倉中開始低壓試驗(yàn)，待試驗(yàn)結(jié)束后取出樣品稱質(zhì)量，再使用液壓油密封樣品管并套入高壓試驗(yàn)金屬套管，放入高壓倉開始高壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后取出樣品，最后將廢汞排入廢液桶。

2.3 土水特征試驗(yàn)

測(cè)量土體基質(zhì)吸力的方法有接觸式濾紙法、軸平移法、張力計(jì)法和蒸汽平衡法等，濾紙法由于其成本低、測(cè)試范圍廣且操作簡(jiǎn)易而被廣泛使用[19]。本次試驗(yàn)采用接觸式濾紙法測(cè)量不同含水率條件下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的基質(zhì)吸力。具體步驟如下：取16個(gè)未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的矮環(huán)刀試樣，使用滴水法配制質(zhì)量含水率分別為3%，5%，7%，9%，11%，13%，15%和17%的試樣各2 個(gè)(質(zhì)量含水率低于8%的試樣先風(fēng)干至1%質(zhì)量含水率再配制)，按不同質(zhì)量含水率分裝密封保濕24 h。濾紙法試驗(yàn)裝置如圖4所示。取出3 張濾紙放入2 個(gè)相同質(zhì)量含水率的環(huán)刀試樣中間，上部和下部保護(hù)濾紙直徑為70 mm，中間測(cè)定濾紙直徑為55 mm，保護(hù)濾紙直徑略大于中間測(cè)定濾紙直徑，可避免測(cè)定濾紙沾染土顆粒影響測(cè)試結(jié)果。用保鮮膜將整個(gè)試樣完整包裹并放入密封罐中，置于(20±2)℃的恒溫箱 10 d 使濾紙與試樣間水分達(dá)到平衡狀態(tài)。水分平衡后，通過烘干法得到濾紙和土體平衡時(shí)的含水率。按照相同試驗(yàn)步驟對(duì)經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合濾紙率定曲線得到不同干濕循環(huán)次數(shù)后土樣的土水特征曲線。通過驗(yàn)證試驗(yàn)裝置(圖5)測(cè)得不同初始含水率的土體在10 d 內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)濾紙與試樣間的水分平衡，與其他學(xué)者[20]的研究結(jié)果一致。

圖4 濾紙法試驗(yàn)裝置Fig.4 Test equipment for filter paper method

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)裝置Fig.5 Test equipment for validation

試驗(yàn)使用的測(cè)量濾紙為Whatman No.42 濾紙，其基質(zhì)吸力率定曲線[21-22]方程式為

式中：wfp為平衡時(shí)濾紙含水率；ψ為平衡含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力。

2.4 滲透試驗(yàn)

由于軟巖孔隙易受炎熱氣溫和降雨環(huán)境影響，導(dǎo)致其滲透特性變化。為明確干濕循環(huán)對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖滲透性能的影響，并預(yù)測(cè)其非飽和滲透系數(shù)，確定不同干濕循環(huán)后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的飽和滲透系數(shù)十分重要。試驗(yàn)采用變水頭法[14]測(cè)定預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的飽和滲透系數(shù)。首先將經(jīng)歷不同干濕循環(huán)作用后的高環(huán)刀試樣進(jìn)行真空飽和，再采用滲透儀測(cè)量其飽和滲透系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后將試驗(yàn)結(jié)果修正為20 ℃時(shí)的飽和滲透系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響

圖6所示為不同干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖同一位置的微觀圖像。由圖6可知，未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用時(shí)，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖主要以片狀黏?；虔B聚體的形式存在，顆粒間以面-面或面-邊接觸的方式緊密結(jié)合，定向性排列不明顯，部分顆粒間有堆孔存在。1次干濕循環(huán)后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中大量存在的石英使試樣對(duì)水分較為敏感，且高嶺石屬于親水性黏土礦物，在干濕循環(huán)作用下脹縮開裂[23]，使試樣表面出現(xiàn)少量微裂隙與孔洞，黏粒脫落，但顆粒間結(jié)合仍然緊密。2次干濕循環(huán)后，土顆粒結(jié)構(gòu)變化明顯，土體中高嶺石繼續(xù)崩解為小粒徑顆粒，并形成大小不一的裂隙，少量相互貫通的裂隙網(wǎng)格出現(xiàn)，孔洞擴(kuò)大，顆粒表面膠結(jié)物有所減少，總孔隙率呈增大趨勢(shì)。3次干濕循環(huán)后，部分土顆粒崩解劇烈，之前產(chǎn)生的個(gè)別孔洞被崩解后的小顆粒填堵，土顆粒崩解產(chǎn)生孔徑更大的孔洞；大顆粒崩解后周圍土體呈蜂窩狀，孔隙數(shù)量顯著增大且開始出現(xiàn)大孔隙，大量裂隙繼續(xù)發(fā)育形成相互貫通的裂隙網(wǎng)格，顆粒間結(jié)合較為松散；濕化過程中水分將土中原有的細(xì)長條形、長條形顆粒逐漸改造為圓形、近圓形以及似橢圓形顆粒，導(dǎo)致顆粒磨圓度變好[24]。4次干濕循環(huán)后，高嶺石進(jìn)一步崩解，周圍產(chǎn)生大量新增孔洞，土體顆粒間結(jié)合極為松散，大孔隙數(shù)量顯著增加，土體整體結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀，孔隙率繼續(xù)增大。5次干濕循環(huán)作用后，土體中起定位作用的大顆粒因受干濕循環(huán)的影響而崩解消失。

圖6 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.6 Microstructural change of pre-disintegrated carbonaceous mudstone with number of wetting and drying cycle

土體中孔隙按孔徑d可分為微孔隙(d＜0.01 μm)、小孔隙(0.01≤d＜0.1 μm)、中孔隙(0.1≤d＜1.0 μm)、大孔隙(d＞1.0 μm)四類[25]。表4所示為壓汞試驗(yàn)所得不同干濕循環(huán)后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣的孔隙結(jié)構(gòu)信息。表4中，孔隙體積以汞壓入量表征。孔隙累計(jì)體積分布曲線如圖7所示，不同干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的孔隙分布均為單峰。由表4可知，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖受干濕循環(huán)作用后崩解產(chǎn)生大孔隙，孔隙總體積和總孔隙率持續(xù)增加，且在第2次干濕循環(huán)時(shí)二者增加幅度最大，孔隙總體積增大0.028 mL/g，孔隙率增大5.4%；在干濕循環(huán)作用達(dá)到6 次后孔隙率趨于穩(wěn)定。6 次干濕循環(huán)作用共使孔隙總體積增大0.043 mL/g，孔隙率增大約7.5%。這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致土中高嶺石崩解，裂隙擴(kuò)張，大孔隙數(shù)量增多，小孔隙數(shù)量減少，整體孔隙率保持增大趨勢(shì)。土體在進(jìn)行多次濕化過程后，滲透力和顆粒內(nèi)外部的溶液濃度壓力差[26]會(huì)導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中的高嶺石產(chǎn)生膨脹，顆粒裂開產(chǎn)生新的裂隙；在干化過程中土中裂隙發(fā)生收縮，但不能恢復(fù)至崩解之前的形態(tài)，大量顆粒間出現(xiàn)孔洞和相互貫通的裂隙網(wǎng)格，導(dǎo)致總孔隙率和大孔隙增加(圖8)。土體大孔隙體積和總孔隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，土體結(jié)構(gòu)越發(fā)疏松，對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線產(chǎn)生影響。

圖7 干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的孔隙累計(jì)體積分布曲線Fig.7 Cumulative pore volume distribution curves of pre-disintegrated carbonaceous mudstone under wetting and drying cycles

表4 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的孔隙信息Table 4 Pore information of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的各類孔隙體積分?jǐn)?shù)如圖8所示。預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖試樣中大孔隙初始體積較大，達(dá)到了總孔隙體積的55.16%。干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體大孔隙體積穩(wěn)定增大，8次干濕循環(huán)后，大孔隙體積達(dá)到了總孔隙體積的67.72%；中孔隙體積分?jǐn)?shù)在4 次干濕循環(huán)前保持穩(wěn)定狀態(tài)，均為30%～31%，6次干濕循環(huán)作用后下降至20.36%后保持穩(wěn)定；小孔隙體積分?jǐn)?shù)呈先下降后增大趨勢(shì)；土體中微孔隙體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)較小，說明干濕循環(huán)對(duì)其影響不大。8次干濕循環(huán)作用后，大孔隙體積分?jǐn)?shù)增量為12.56%，中孔隙體積分?jǐn)?shù)減少7.84%，小孔隙體積分?jǐn)?shù)減少3.58%，微孔隙體積分?jǐn)?shù)減少1.14%。由此可見，干濕循環(huán)通過影響土體的孔隙結(jié)構(gòu)來改變預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的持水性能。

圖8 干濕循環(huán)下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖各類孔隙體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Ⅴolume fractions of different pores in predisintegrated carbonaceous mudstone under wetting and drying cycles

3.2 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)土水特征曲線的影響

由真空飽和法得到0 次、2 次、4 次、6 次和8次干濕循環(huán)后土體的飽和體積含水率θs分別為0.383，0.396，0.408，0.417 和0.418。結(jié)合濾紙法試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線，如圖9所示。由圖9 可知：不同干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖體積含水率均隨基質(zhì)吸力的增加而減小，其曲線均呈單峰反“S”型，干濕循環(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致其曲線整體向左偏移且更為陡峭。在基質(zhì)吸力小于10 kPa 時(shí)，土體處于接近飽和狀態(tài)，在相同基質(zhì)吸力條件下，體積含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而增加，此時(shí)土樣受飽和含水率影響較大。這是由于干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體中高嶺石崩解，出現(xiàn)孔洞和裂隙網(wǎng)絡(luò)，大孔隙體積和總孔隙率增加，需要更多水分充滿土體孔隙。當(dāng)基質(zhì)吸力大于10 kPa 時(shí)，在相同基質(zhì)吸力情況下，體積含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)增大而減小，結(jié)合微觀試驗(yàn)可知其主要原因是：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖顆粒間的緊密性與干密度密切相關(guān)，由于其遇水易崩解的特性，導(dǎo)致土體在干濕循環(huán)過程中孔隙率增加，孔徑擴(kuò)張，經(jīng)過多次干濕循環(huán)后土體干密度變小，當(dāng)基質(zhì)吸力增大時(shí)，崩解產(chǎn)生的孔洞使土體持水特性減弱，具有較高的失水速率，土體易失水。

圖9 干濕循環(huán)作用下預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線Fig.9 Soil water characteristic curves of pre-disintegrated carbonaceous mudstone under wetting and drying cycles

Ⅴan Genuchten(ⅤG)模型是目前應(yīng)用最為廣泛的土水特征曲線模型[27]，對(duì)各種土體的擬合效果較為理想。為定量表征非飽和預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖持水特性，采用ⅤG模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：

式中：θ為體積含水率；θr為殘余體積含水率；a，m和n均為擬合參數(shù)，其中m=1-1/n。

按式(2)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，不同干濕循環(huán)作用后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線試驗(yàn)與ⅤG模型擬合結(jié)果如圖10所示，擬合參數(shù)見表5。ⅤG模型中飽和體積含水率θs擬合值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，即干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致θs增大。由圖10和表5可知，上述影響會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而削弱，6 次和8 次干濕循環(huán)后ⅤG 模型中各擬合參數(shù)基本一致，且土水特征曲線基本重合，可知6次干濕循環(huán)過后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線的變化趨于一致。由表5 可知，0 次、2 次、4 次、6次和8次干濕循環(huán)后土體的殘余體積含水率分別為0.034，0.016，0.010，0.005 和0.005。未經(jīng)干濕循環(huán)的土體殘余含水率θr較高，這是因?yàn)榇藭r(shí)土體顆粒間結(jié)合緊密，土體具有良好的持水特性；經(jīng)過干濕循環(huán)作用后由于土體中顆粒崩解使孔隙率增加，導(dǎo)致殘余含水率θr明顯降低，土體的持水特性變差。根據(jù)文獻(xiàn)[28]可知，當(dāng)m和n的比值較小時(shí)，a等于土體進(jìn)氣值。由表5 可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，進(jìn)氣值a會(huì)減小，這是因?yàn)槎啻胃蓾裱h(huán)后土體中存在大量孔洞，在基質(zhì)吸力小于10 kPa 時(shí)土體會(huì)快速失水，導(dǎo)致土體進(jìn)氣值較小。土體在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用時(shí)，干化過程使土體中水分逐漸排出，土顆粒間的孔隙體積發(fā)生改變，在濕化過程中，由于膠結(jié)物溶解和高嶺石的崩解，土顆粒間聯(lián)結(jié)能力減弱，孔隙數(shù)量增加。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體結(jié)構(gòu)性變差，持水性能隨之變差。

圖10 ⅤG模型對(duì)土水特征曲線的擬合Fig.10 Fitting of soil-water characteristic curves with theⅤG model

表5 ⅤG模型的擬合參數(shù)Table 5 Fitting parameters of the ⅤG model

3.3 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)飽和滲透系數(shù)的影響

預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的飽和滲透系數(shù)見圖11。由圖11 可知：預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的飽和滲透系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。干濕循環(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)快速增大，經(jīng)歷0次干濕循環(huán)作用時(shí)試樣飽和滲透系數(shù)為2.74×10-7cm/s，6 次干濕循環(huán)作用后試樣飽和滲透系數(shù)達(dá)到了3.76×10-6cm/s，相較于0次時(shí)約增大13倍。6次干濕循環(huán)后，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的飽和滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定，表明此時(shí)干濕循環(huán)作用對(duì)土體滲透特性影響較小，結(jié)合微觀孔隙結(jié)構(gòu)可知6次干濕循環(huán)后土體孔隙程度也趨于穩(wěn)定，滲透系數(shù)變化較小。8次循環(huán)相較于6次循環(huán)后的飽和滲透系數(shù)變化幅度在-4%以內(nèi)，可認(rèn)為其飽和滲透系數(shù)穩(wěn)定，土體孔隙結(jié)構(gòu)在6次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

圖11 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的飽和滲透系數(shù)Fig.11 Saturated permeability coefficient of predisintegrated carbonaceous mudstione

4 土水特征曲線與非飽和滲透系數(shù)預(yù)測(cè)模型

4.1 現(xiàn)有土水特征曲線模型的修正

ⅤG 模型中的各參數(shù)變化見圖12。由圖12 與表5可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)變化，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線和擬合參數(shù)呈一定規(guī)律變化，表明土水特征曲線與干濕循環(huán)次數(shù)存在相關(guān)性。為明確二者之間的關(guān)系，基于ⅤG模型，引入干濕循環(huán)次數(shù)N，提出可考慮干濕循環(huán)次數(shù)的改進(jìn)ⅤG模型。圖12所示為ⅤG 模型各擬合參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。由圖12可知，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，進(jìn)氣值a呈線性減小趨勢(shì)，飽和含水率θs呈線性增加趨勢(shì)，兩者均在6次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定，其他參數(shù)受干濕循環(huán)的影響較小，取其平均值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)a和θs分別進(jìn)行線性擬合可得：

圖12 ⅤG模型中的各參數(shù)變化Fig.12 Ⅴariations in parameters of the ⅤG model

式中：b，c，d和e均為擬合參數(shù)，b=27.207，c=2.551，d=0.385，e=0.005；N為干濕循環(huán)次數(shù)，且當(dāng)N大于等于6時(shí)取值為6。

將式(3)和式(4)代入式(2)中，得到考慮干濕循環(huán)次數(shù)的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖土水特征曲線修正公式：

根據(jù)式(5)重新對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖土水特征曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖13所示。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)點(diǎn)均處于擬合曲線周圍，說明該模型對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的土水特征曲線擬合結(jié)果較好。

圖13 修正ⅤG模型體積含水率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.13 Comparison between the predicted values of volumetric water content by the modified ⅤG model and the measured data

4.2 非飽和滲透系數(shù)預(yù)測(cè)

非飽和滲透系數(shù)通常依靠試驗(yàn)測(cè)量和間接計(jì)算兩種方法獲得，由于土體非飽和滲透系數(shù)的測(cè)量過程較為復(fù)雜，觀測(cè)周期長且易出現(xiàn)誤差，采用間接計(jì)算方法確定土體非飽和滲透系數(shù)更為準(zhǔn)確便捷。Ⅴan Genuchten-Mualem(ⅤG-M)模型是常用的非飽和滲透系數(shù)計(jì)算模型，該模型基于土水特征曲線中孔隙的相關(guān)水力參數(shù)，結(jié)合MUALEM等[29]提出的滲透方程和ⅤG模型擬合參數(shù)，得到土體的非飽和滲透系數(shù)ku，其表達(dá)式為

式中：ks為土體飽和滲透系數(shù)；ku為基質(zhì)吸力為ψ時(shí)的非飽和滲透系數(shù)；Se為有效飽和度。

在最大干密度條件下，未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖飽和滲透系數(shù)為2.744×10-6cm/s，結(jié)合表5 中0 次干濕循環(huán)對(duì)應(yīng)的ⅤG 模型擬合參數(shù)a，m和n，代入式(7)可得0次干濕循環(huán)條件下，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系；將修正后ⅤG 模型的擬合參數(shù)代入ⅤG-M 模型中，可得修正后未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖非飽和滲透系數(shù)。

圖14所示為不同干濕循環(huán)次數(shù)后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖非飽和滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)值。由圖14 可知，隨基質(zhì)吸力增加，修正與未修正不同干濕循環(huán)次數(shù)后預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值均急劇減小；當(dāng)試樣未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，基質(zhì)吸力從0增加到100 kPa 時(shí)，修正與未修正ⅤG 模型的非飽和滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值均減小至原來的1/1 000；經(jīng)歷6次干濕循環(huán)作用后，當(dāng)基質(zhì)吸力從0 增加到100 kPa 時(shí)，修正與未修正ⅤG模型的非飽和滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值均減小至原來的1/10 000。當(dāng)基質(zhì)吸力小于100 kPa時(shí)，土體含水率較高，此時(shí)，非飽和滲透系數(shù)主要受飽和滲透系數(shù)控制，修正與未修正ⅤG模型預(yù)測(cè)的非飽和滲透系數(shù)基本一致；在相同基質(zhì)吸力條件下，干濕循環(huán)次數(shù)增加使土顆粒崩解，內(nèi)部孔隙數(shù)量增多，滲透系數(shù)隨之增大。當(dāng)基質(zhì)吸力大于100 kPa時(shí)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力呈線性相關(guān)，修正與未修正ⅤG模型預(yù)測(cè)的滲透系數(shù)變化幅度均比基質(zhì)吸力小于100 kPa時(shí)的低。當(dāng)基質(zhì)吸力大于100 kPa時(shí)，吸附在土顆粒表面的水分以薄膜流動(dòng)的形式在土中遷移，遷移速度與薄膜厚度呈正相關(guān)[30]。隨基質(zhì)吸力不斷增加，土體含水率逐漸降低，土顆粒表面的薄膜厚度減小，水分受到更大的吸附作用，孔隙水遷移速度逐漸減緩，滲透系數(shù)均隨基質(zhì)吸力增加而緩慢減小。已有學(xué)者[31]提出，大氣壓對(duì)毛細(xì)水的影響存在一個(gè)界限值ψc，當(dāng)基質(zhì)吸力大于ψc時(shí)，土中只有吸附水存在，吸附作用僅受土體含水率影響，可不考慮干密度和孔隙分布對(duì)其非飽和滲透系數(shù)的影響。在基質(zhì)吸力大于100 kPa 時(shí)，未修正ⅤG模型預(yù)測(cè)的不同干濕循環(huán)次數(shù)后滲透系數(shù)曲線出現(xiàn)交叉(圖14(a))，而修正ⅤG模型預(yù)測(cè)的不同干濕循環(huán)次數(shù)后滲透系數(shù)曲線高度重合(圖14(b))，此時(shí)干濕循環(huán)作用導(dǎo)致土體中顆粒崩解帶來的孔隙分布變化對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖非飽和滲透系數(shù)影響甚微，這與李燕等[32-33]的試驗(yàn)結(jié)果一致。由此可見，修正后的ⅤG模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的非飽和滲透系數(shù)。

圖14 預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖非飽和滲透系數(shù)預(yù)測(cè)值Fig.14 Prediction of unsaturated permeability coefficients of pre-disintegrated carbonaceous mudstone

5 結(jié)論

1)干濕循環(huán)作用會(huì)加劇預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的崩解效應(yīng)，使土體內(nèi)部大孔隙體積增加、小孔隙體積先減小后增加、中孔隙體積先小幅增加后減小，崩解產(chǎn)生的孔洞和裂隙網(wǎng)絡(luò)使土體整體孔隙率穩(wěn)定增大，但6 次干濕循環(huán)作用后對(duì)孔隙率影響有限，總孔隙率基本趨于穩(wěn)定。

2)干濕循環(huán)作用對(duì)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖持水特性影響顯著。當(dāng)基質(zhì)吸力小于10 kPa 時(shí)，在相同基質(zhì)吸力條件下，土體體積含水率與干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)；當(dāng)基質(zhì)吸力大于10 kPa 時(shí)，在相同基質(zhì)吸力條件下，土體體積含水率和進(jìn)氣值與干濕循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

3)基于ⅤG模型提出了考慮干濕循環(huán)次數(shù)的土水特征曲線修正模型，該模型可提升高基質(zhì)吸力階段預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖土水特征曲線的擬合精度，結(jié)合ⅤG-M模型可預(yù)測(cè)預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的非飽和滲透系數(shù)。當(dāng)基質(zhì)吸力一定時(shí)，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，低基質(zhì)吸力階段土體滲透系數(shù)逐漸增大，高基質(zhì)吸力階段土體滲透系數(shù)基本不變。