花崗巖殘積土雙孔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)脫濕機理

康馨，常文清?，陳仁朋，劉鵬

（1.湖南大學 地下空間先進技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082；2.建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙 410082；3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082）

花崗巖殘積土廣泛分布于我國南方地區(qū)，常用作建筑材料或基礎(chǔ)工程的持力層.由于其地質(zhì)形成過程中復(fù)雜的成土作用，殘積土內(nèi)部存在大量的原生裂隙，剝離的石英顆粒和團聚體、膠結(jié)物等容易形成復(fù)雜的次生結(jié)構(gòu)，使得殘積土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均，常表現(xiàn)出較強的結(jié)構(gòu)性和水敏性［1-2］.在自然環(huán)境下，花崗巖殘積土不可避免地存在著蒸發(fā)脫濕，土體中水分的蒸發(fā)伴隨著負孔隙水壓力的增加和含水量的減少，改變了土體的吸力場、水分場和滲流場的分布，從而引發(fā)巖土體結(jié)構(gòu)的破壞［3-7］.近年來，受全球氣候變暖和頻繁干旱災(zāi)害的影響，蒸發(fā)脫濕誘發(fā)的工程問題愈發(fā)顯著.因此，研究水分在花崗巖殘積土復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的蒸發(fā)過程和脫濕機制具有重要的實際意義.

土體中水分蒸發(fā)的本質(zhì)是孔隙水吸收能量汽化為水蒸氣，通過復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)運移到外界環(huán)境的過程.國內(nèi)外學者對于蒸發(fā)條件下水分在土體孔隙結(jié)構(gòu)中的運移規(guī)律已有了一定的研究成果.Or 等［8］考慮了不同孔隙間的吸力差產(chǎn)生的內(nèi)部流動，提出大孔隙中的水蒸發(fā)時向小孔隙補給，大孔先排空的運移模式；Shokri等［9］測量了水分在土體中的蒸發(fā)速率，發(fā)現(xiàn)水分在土體中的蒸發(fā)過程應(yīng)分為三個階段（恒速率階段、降速率階段、殘余階段）；Teng 等［10］通過簡化的計算模型，探究了土體水分不同蒸發(fā)階段間的過渡過程以及過程中發(fā)生的水力連接中斷；朱青青等［11］研制了非飽和土水分運移監(jiān)測系統(tǒng)，量化了基質(zhì)勢影響下的土體水分運移過程.以上研究均聚焦于均質(zhì)土中的水分蒸發(fā)過程，而對于花崗巖殘積土這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的水分運移機制卻鮮有報道.

與均質(zhì)土不同，花崗巖殘積土的孔隙結(jié)構(gòu)受到內(nèi)部氧化物的膠結(jié)作用和外部氣候條件的強烈影響，攜帶正電的氧化鐵顆粒會與呈電負性的黏土礦物相結(jié)合形成團聚體，改變殘積土原有的孔隙結(jié)構(gòu)［12］，使殘積土進一步在物理力學特性、水力學特性上與均質(zhì)土產(chǎn)生差異.本研究的關(guān)鍵問題是如何無損地獲得花崗巖殘積土的孔隙結(jié)構(gòu)，并精準地捕獲到水分在孔隙間的運移過程.近年來，低場核磁共振技術(shù)已經(jīng)廣泛運用于巖土、環(huán)境等領(lǐng)域的研究［13-14］，低場核磁共振技術(shù)能夠精確地測量土體水分的分布，在飽和狀態(tài)下還可以快速獲得土體的孔隙分布，但目前利用低場核磁共振技術(shù)研究水分蒸發(fā)的報道還較少.

為此，本文采用低場核磁共振技術(shù)對不同孔隙結(jié)構(gòu)的花崗巖殘積土蒸發(fā)脫濕特性展開了一系列蒸發(fā)試驗研究，結(jié)合掃描電鏡試驗和能譜分析探討了花崗巖殘積土的復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用HYPROP水勢儀和WP4C 冷鏡露點儀獲得了蒸發(fā)條件下的土水特征曲線并分析了土體水分運移機制.為復(fù)雜土體結(jié)構(gòu)的水分運移研究提供一定的借鑒方法和思路.

1 試驗材料與制備

1.1 試驗材料

本文試驗土樣取自深圳市南山區(qū)桂廟路某基坑，埋深約為8 m，土體主要表現(xiàn)為褐紅、灰黃夾灰白等色，天然干密度為1.47 g/cm3，天然含水率為28.5%，其他物理參數(shù)如表1 所示.通過X 射線衍射獲得土體礦物組成，見表2.

表1 花崗巖殘積土物理力學性質(zhì)Tab.1 Physical and mechgnical properties of granite residual soil

表2 花崗巖殘積土礦物成分Tab.2 Mineral compositions of granite residual soil

1.2 樣品制備

試驗中通過模具將取出的原狀花崗巖殘積土切割成高100 mm、直徑50 mm 的圓柱樣品.為防止樣品水分流失，樣品表面用保鮮膜包裹.由于孔隙結(jié)構(gòu)是影響土體吸力和水分運移的關(guān)鍵因素，重塑土在礦物組成上與原狀土相似，但孔隙結(jié)構(gòu)更為均勻，因此本試驗制備了一批大小、形狀與原狀樣相同的重塑樣作為對比：將原狀樣風干粉碎后過2 mm 篩，剩余的土塊粉碎后加回樣品中保證礦物組成不變，土樣初始含水率與原狀土天然含水率保持一致，并擊實至相同密度，密封土樣以保持水分均勻分布.試驗前將所有樣品抽氣飽和，并計算獲得飽和含水率，樣品飽和度達到95%以上即可視為飽和.

2 試驗方法

2.1 低場核磁共振試驗方法

低場核磁共振技術(shù)可以通過分析氫原子的弛豫信號來判斷水分子的存在狀態(tài)，土體中水分的橫向弛豫時間T2可以反映出水分所處的孔隙環(huán)境及三相組成，如圖1 所示，孔隙水的橫向弛豫時間越長，水分子的相互作用越弱，孔隙越大.在飽和狀態(tài)下，土體孔隙大小與橫向弛豫時間呈正比關(guān)系［15］.

圖1 孔隙大小與橫向弛豫時間的關(guān)系Fig.1 The relationship between pore size and transverse relaxation time

本試驗使用的試驗設(shè)備為蘇州紐邁公司生產(chǎn) 的MacroMR12-150H-I 型低場核磁共振分析儀，主頻率為12 MHz 左右，磁體強度約0.3 T，探頭內(nèi)徑為60 mm.試驗前將飽和后的樣品側(cè)面和底部密封，放入溫度為45 ℃的恒溫烘箱模擬自然蒸發(fā)過程，干燥至不同的飽和度梯度后將樣品水平放入探測系統(tǒng)中檢測樣品水分分布.樣品在測試過程中覆蓋保鮮膜以防止水分丟失.在測試結(jié)束后重新飽和，作為后續(xù)土水特征曲線試樣繼續(xù)測試，以避免更換樣品導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)差別過大.試驗的射頻脈沖序列采取了CPMG 序列，通過該序列可以獲得土體水分橫向弛豫時間隨信號強度的分布曲線，序列的參數(shù)設(shè)置如表3 所示.此外還采用自旋回波序列對殘積土局部水分分布進行成像，固定樣品的成像位置和角度，以確保每個飽和度梯度下的成像位置相同.截取的界面厚度為5.0 mm，圖像的空間分辨率為每像素0.58 mm.

表3 低場核磁共振主要試驗參數(shù)Tab.3 Main operation parameters of Low-Field NMR

2.2 土水特征曲線試驗方法

傳統(tǒng)的軸平移技術(shù)在脫濕方式、排水路徑上與自然蒸發(fā)過程不同［16］，因此本試驗采用張力計和 冷鏡露點儀的組合測試來獲取蒸發(fā)條件下的土水特征曲線.試驗使用的設(shè)備為德國METER 公司生產(chǎn)的HYPROP 水勢儀和WP4C 冷鏡露點儀，如圖2 所示.HYPROP 水勢儀的測量范圍為-0.3～300 kPa，精度可達±0.25 kPa.WP4C 冷鏡露點儀的測量范圍為0～ 300 MPa，測量值低于5 MPa 時精度可達±0.05 MPa，測量值高于5 MPa時精度為1%.

圖2 WP4c冷鏡露點儀和HYPROP水勢儀Fig.2 Chilled-mirror dew point device（WP4c）and HYPROP water potontial meter

試驗前，HYPROP 水勢儀的兩根張力軸都需要真空飽和.試驗時將張力軸插入重新飽和的樣品內(nèi)，保持45 ℃恒溫干燥，樣品與測量裝置一同放在精密天平上以記錄干燥過程中的質(zhì)量變化，HYPROP 水勢儀中的兩根張力計可以獲得土體內(nèi)部的平均基質(zhì)吸力，天平測得的失水質(zhì)量可計算土體含水率，相關(guān)數(shù)據(jù)以規(guī)則的間隔時間記錄以獲得土體吸力與含水率間的關(guān)系.蒸發(fā)進行一段時間后，土體內(nèi)部的水分開始空化，孔隙水的連通性開始降低，張力計無法繼續(xù)測量土體基質(zhì)吸力，將測試土樣從水勢儀卸下并繼續(xù)保持相同環(huán)境下的蒸發(fā)，按照規(guī)則的間隔時間將試樣放入WP4C 繼續(xù)測試，WP4C 通過測量密閉樣品室內(nèi)的飽和蒸氣壓換算為土體的基質(zhì)吸力，結(jié)合天平測得樣品的失水質(zhì)量，獲得完整的土水特征曲線.

2.3 微觀結(jié)構(gòu)測試方法

為研究花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)的存在形態(tài)及對水分運移的影響，本文采用掃描電鏡試驗和能譜分析獲得殘積土的微觀表面結(jié)構(gòu)和元素分布.用鋼絲鋸將未經(jīng)飽和、蒸發(fā)的原狀土樣和初始重塑土樣切割成1 cm3的小方塊，通過冷凍干燥法將土塊脫濕，土塊表面涂覆金粉以收集微觀圖像.

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 花崗巖殘積土雙孔結(jié)構(gòu)下的T2曲線分布

飽和狀態(tài)下花崗巖殘積土的橫向弛豫時間（T2）分布曲線如圖3 所示，試驗結(jié)果表明重塑樣的T2分布曲線只存在一個單峰，而原狀樣的T2分布曲線呈現(xiàn)雙峰分布.由于孔隙水的分布可以歸一化為所有信號幅度的總和，每個信號幅度可以表示為對應(yīng)孔徑所占的孔隙水體積，因此從飽和殘積土的T2曲線分布可知原狀花崗巖殘積土內(nèi)存在雙孔結(jié)構(gòu)，而重塑花崗巖殘積土孔隙結(jié)構(gòu)均一.

圖3 飽和重塑樣和原狀樣T2分布曲線對比Fig.3 Comparison of T2 distribution curves between saturated undisturbed samples and saturated re-compacted samples

切取尺寸、形狀相同的兩組樣品，一組樣品由高嶺石、石英和極少的赤鐵礦組成，外觀呈白色；一組由高嶺石、石英和較多的赤鐵礦組成，外觀呈白紅相間.兩組樣品的核磁試驗結(jié)果表明：“含赤鐵礦”樣品的T2曲線呈雙峰結(jié)構(gòu)，“不含赤鐵礦”樣品的T2曲線呈單峰結(jié)構(gòu).為避免樣品不同帶來的試驗誤差，再將“含赤鐵礦”的樣品沿圓形截面逐層切除，每層厚度約為5 mm，直到樣品只剩下白色區(qū)域，核磁試驗結(jié)果如圖4 所示，殘積土T2曲線由雙峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏宸植?這表明土體中的微孔結(jié)構(gòu)在去除紅色區(qū)域后消失，殘積土中紅褐色區(qū)域是氧化鐵等膠結(jié)物的聚集區(qū)域［17］，因此殘積土中的微孔結(jié)構(gòu)可能與氧化鐵等膠結(jié)物存在一定的相關(guān)性，為進一步確定花崗巖殘積土的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，還需微觀試驗進一步驗證.

圖4 含赤鐵礦的原狀樣、不含赤鐵礦的原狀樣和去除紅色區(qū)域的原狀樣T2分布曲線對比Fig.4 Comparison of T2 distribution curves among the undisturbed samples containing hematite and the undisturbed samples without hematite and the samples which removed the red region

3.2 花崗巖殘積土雙孔結(jié)構(gòu)的微觀分析

掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）的測試結(jié)果如圖5 所示，從圖5（a）中可以發(fā)現(xiàn)，原狀花崗巖殘積土中存在著密集的團聚體堆積，團聚體內(nèi)部形成了大量的微小孔隙，在團聚體聚集區(qū)外以及團聚體間存在著較大的裂隙和孔洞，相比之下圖5（i）中重塑土的微觀結(jié)構(gòu)并未發(fā)現(xiàn)明顯的大孔和微孔結(jié)構(gòu)，重塑土的孔隙結(jié)構(gòu)較為單一.由圖5（b）可知，在更高的放大倍率下，可觀察到高嶺土層與氧化物顆粒間的顯著結(jié)合，這些顆粒包裹在高嶺土片層表面，將各自分散的高嶺土片層膠結(jié)堆覆.從圖5（c）的結(jié)果中可以看出，包覆有氧化物顆粒的高嶺土片層表面粗糙程度不均，且存在著大量絮狀孔洞結(jié)構(gòu)，而未被氧化物包裹的高嶺土片層有著明顯的層狀結(jié)構(gòu).對圖5（c）所示區(qū)域進行EDS 能譜分析，所得結(jié)果如圖5（d）所示，圈外區(qū)為鐵元素分布區(qū)域，圈內(nèi)區(qū)為鋁元素分布區(qū)域，鐵鋁元素分布明顯不均，如圖5（e）和圖5（f）所示.鐵元素分布區(qū)域集中在粗糙疏松的團聚體表面，未被顆粒狀物質(zhì)包裹的高嶺土片層則表現(xiàn)出明顯的鋁元素堆積.對重塑土進行掃描電鏡測試，可以發(fā)現(xiàn)重塑土內(nèi)雖然也有高嶺土片層和顆粒狀物質(zhì)的 分布，但并未形成密集的堆積，圖5（g）展示了重塑土中觀察到的大孔結(jié)構(gòu).此外，對天然氧化鐵粉末進行掃描電鏡測試可以發(fā)現(xiàn)氧化鐵顆粒的形狀和尺寸與殘積土內(nèi)高嶺土片層表面的膠結(jié)顆粒較為接近，如圖5（h）所示.

圖5 原狀土、重塑土和氧化鐵顆粒的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 SEM micrographs of undisturbed soil samples，re-compacted soil samples and iron oxide particles

由上述結(jié)果可知，氧化鐵的膠結(jié)作用是形成殘積土雙孔結(jié)構(gòu)的重要因素，土體中的氧化鐵在團聚體和黏土片層表面的包覆使得微孔的孔隙體積增大，這與既有研究結(jié)果相近［18］.膠結(jié)物與黏土片層密集堆積形成了微孔結(jié)構(gòu)，使得原狀花崗巖殘積土存在著兩套孔隙結(jié)構(gòu)，在蒸發(fā)條件下，花崗巖殘積土內(nèi)水分將從兩個孔隙結(jié)構(gòu)中發(fā)生運移.

3.3 花崗巖殘積土雙孔結(jié)構(gòu)下的水分運移規(guī)律

圖6 所示為花崗巖殘積土原狀樣和重塑樣的水分分布成像圖.由圖6 可知重塑樣水分分布極為均勻，隨著飽和度降低，切片范圍內(nèi)的水分均勻減少，成像圖逐漸變暗.而原狀土的水分分布明顯不均，不同亮度的區(qū)域變暗（即孔隙水蒸發(fā)）的先后順序不同，含水率最高的亮色區(qū)域最早消失，意味著大孔隙的水優(yōu)先流動，水分較少的暗色區(qū)域位置不斷變化，意味著水分在土體孔隙內(nèi)存在再分布.

圖6 重塑樣和原狀樣水分分布成像圖Fig.6 Images of water distribution in re-compacted and undisturbed samples

此外，通過低場核磁共振測試，獲得了花崗巖殘積重塑土在不同飽和度下的橫向弛豫時間分布曲線（T2），如圖7所示.隨著飽和度的降低，重塑土的T2分布曲線逐漸向左移動，這表明隨著蒸發(fā)的進行，大孔隙內(nèi)的水分優(yōu)先蒸發(fā).重塑土的T2分布曲線存在著明顯的轉(zhuǎn)折點和終止點，說明蒸發(fā)過程中較大的孔隙內(nèi)水分會全部排空，而較小的孔隙會保持飽和.既有研究表明，水分的蒸發(fā)本質(zhì)上是水分子的動能克服液體中分子間吸引力的過程，由于分子運動不規(guī)則，土體中的水可能在空氣-水界面的任何位置蒸發(fā)，由Young-Laplace 方程可知孔徑較小的孔隙水具有更高的吸力，因此在連通的孔隙中大孔隙中的水會受到吸力差的影響向小孔隙補給［19］.這種水分運移模式如圖8［20］所示，在理想的連通模型中，小孔的空氣-水界面幾乎不動，而大孔的彎液面會隨著蒸發(fā)的進行而下降，小孔中損失的水由大孔進行補給.

圖7 蒸發(fā)過程中重塑土T2變化Fig.7 Variation of T2 distribution curves during evaporation in re-compacted samples

圖8 孔隙連通時的水分蒸發(fā)概念模型［20］Fig.8 Conceptual model of two connected capillaries during evaporation［20］

對于雙孔結(jié)構(gòu)的原狀花崗巖殘積土，由圖9 可知，兩種孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分同時發(fā)生了左移，蒸發(fā)在兩種孔隙結(jié)構(gòu)中同步發(fā)生，且分別向各孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的較小孔隙補給蒸發(fā)失去的水分，微孔結(jié)構(gòu)并未從大孔結(jié)構(gòu)中得到足夠的水分補給，這表明殘積土的雙孔結(jié)構(gòu)間的連通性實際較差.比較蒸發(fā)過程中大孔結(jié)構(gòu)和微孔結(jié)構(gòu)的減小比例，結(jié)果如圖10 所示，微孔結(jié)構(gòu)的水分損失先慢后快，而大孔結(jié)構(gòu)的水分損失先快后慢，這表明殘積土的雙孔結(jié)構(gòu)在蒸發(fā)初期土體飽和度較高時連通性也較高，大孔中的水分會向微孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移補給，在蒸發(fā)后期水分的內(nèi)部補給逐漸減少，小孔結(jié)構(gòu)得不到足夠的水分補給，加快了水分損失.結(jié)合圖10 中的土水特征曲線可知，當土體飽和度降低到0.8左右時，土體吸力達到140 kPa，并開始隨著蒸發(fā)的繼續(xù)快速增加，大量土體水分空化，HYPROP 的測量中斷，土體內(nèi)孔隙水連通性降低，雙孔結(jié)構(gòu)間水力連接逐漸斷開，該過程持續(xù)至飽和度0.2 左右，此時蒸發(fā)進入末期殘余階段，土體基質(zhì)吸力達到4 400 kPa左右.對應(yīng)概念模型見圖11.

圖9 蒸發(fā)過程中原狀土T2變化Fig.9 Variation of T2 distribution curves during evaporation in undisturbed samples

圖10 大孔結(jié)構(gòu)與微孔結(jié)構(gòu)水分蒸發(fā)比例對比及原狀土的土水特征曲線Fig.10 Comparison of reduction proportion of water volume in the macropores and micropores，and SWCC of undisturbed sample

圖11 考慮蒸發(fā)過程雙孔結(jié)構(gòu)水分連通性變化的運移概念模型Fig.11 Conceptual model of water migration considering the change of connectivity of dual pore structure with evaporation

4 結(jié)論

1）原狀花崗巖殘積土中存在著連通性較低的雙孔結(jié)構(gòu)，其中微孔結(jié)構(gòu)由氧化鐵膠結(jié)物和黏土片層及團聚體相互膠結(jié)形成，重塑土中只存在均一的大孔結(jié)構(gòu)，評價原狀花崗巖殘積土的水分運移特征需考慮微孔結(jié)構(gòu)的影響.

2）原狀花崗巖殘積土內(nèi)水分分布不均，在脫濕過程中存在著水分優(yōu)先流動和再分布，重塑土中大孔隙的水分優(yōu)先排出，小孔隙蒸發(fā)損失的水分由大孔隙進行補給，小孔隙保持飽和.

3）花崗巖殘積土雙孔結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)同步進行，大孔結(jié)構(gòu)在蒸發(fā)初期向微孔結(jié)構(gòu)補給水分，在蒸發(fā)至飽和度為0.8左右時水分補給明顯減少，基質(zhì)吸力達到140 kPa時大量孔隙水空化，雙孔結(jié)構(gòu)間的水力連接發(fā)生中斷，同時土體基質(zhì)吸力快速增加，該過程持續(xù)到飽和度0.2 左右，基質(zhì)吸力達到4 400 kPa 左右.雙孔結(jié)構(gòu)的脫濕排水過程與均質(zhì)土單孔結(jié)構(gòu)的排水過程存在明顯差異，兩套孔隙結(jié)構(gòu)間的階段性水分運移不應(yīng)被忽視.