合肥地区重塑黏性土细观结构演化三轴CT 试验

朱宝龙， 巫锡勇， 李晓宁，， 魏久平

(1. 西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳621010;2. 西南交通大学地质工程系，四川 成都610031)

高速铁路无砟轨道对地基土的要求较高.分布于合肥地区的更新统(Q2～Q3)冲积型黏性土，含水量w=19% ～21%，孔隙比e=0.6 ～0.7，压缩模量Es0.1-0.2=7 ～10 MPa，黏聚力c =40 ～70 kPa，内摩擦角φ=16° ～20°，固结比为1 ～5，呈硬塑状，孔隙比小，压缩模量较高，具超固结特性及弱—中膨胀性.对高速铁路工程建设来说，掌握此类黏性土的工程性质尤为重要. 微、细观结构研究能揭示宏观现象产生的机理和本质［1］，因此，为掌握合肥地区此类黏性土的变形机理，探讨其细观结构演化规律是十分必要的.

20 世纪90 年代以来，计算机断层扫描技术(CT)在岩土介质细观结构及损伤机理研究中发挥着越来越重要的作用［2-3］. 多位学者对不同土体进行了CT 扫描细观研究［4-8］，均取得了重要成果.最具代表性的是陈正汉教授率领的团队，不仅研制了CT-三轴仪［9］，为深人探讨非饱和土的力学特性提供了有力工具，而且系统研究了膨胀土和黄土在不同条件下的细观结构演化规律和损伤机理［10-14］，为掌握膨胀土、黄土的工程特性提供了重要支撑.

本文利用后勤工程学院研制的CT-多功能土工三轴仪，研究合(肥)-福(州)高速铁路合肥地区重塑黏性土在非饱和固结排水剪切条件下内部细观结构的演化特性，为掌握该地区非饱和黏性土在扰动状态下的工程特性提供试验基础.

1 试验方案

1.1 试验设备及试验试样

试验在后勤工程学院CT-三轴试验研究工作站完成，CT 机为陕西省南郑县医院的Prospeed AI卧式螺旋扫描机，GE 公司生产，扫描参数见表1.

表1 CT 机扫描参数Tab.1 Scanning parameters of CT machine

试验用土为合-福高速铁路合肥地区长临河试验段地基土，为第四系上更新统黏性土，冲积成因，褐黄色，硬塑状.制样时，将室内自然风干的原状土粉碎，过2.0 mm 筛，放入烘箱烘干，加水制成高度80 mm、直径39.1 mm 的试样.试样的初始参数见表2.

表2 试样初始参数Tab.2 Original states of samples

1.2 试验方案

试验为控制吸力的固结排水三轴试验，共2 组，每组3 个试样，试验条件见表3(pa为孔隙气压;1#～6#为试样编号). 在三轴压力室内，先将制备的试样在一定吸力下进行等压固结，待变形和排水稳定后进行控制吸力和净室压力为常数的三轴排水剪切试验.固结稳定的标准为每2 h 体积变化不超过0.006 3 cm3，排水每2 h 不超过0.012 cm3.三轴剪切速率为0.016 mm/min. 在剪切达到预定的轴向应变时，对试样进行CT 扫描. 预设扫描次数为6 次，每次扫描2 个断面，各扫描时刻的轴向应变值分别为0、2.50%、6.25%、10.00%、12.50%和15. 00%，扫描断面位置分别距离试样底端1/4 高度和1/2 高度处.

表3 试验条件Tab.3 Test conditionskPa

2 CT 图像及损伤演化分析

图1 为1#试样的CT 扫描图像. 图中标示:“1/4”表示扫描断面位于距试样底部1/4 高度处，“1/2”表示扫描断面在试样的中间断面处;a、b、c、d、e、f 表示扫描时试样的状态，其中a 表示固结结束时的状态，b 表示轴向应变为2.50%时的状态，c 表示轴向应变为6.25%时的状态，d 表示轴向应变为10. 00% 时的状态，e 表示轴向应变为12.50%时的状态，f 表示轴向应变为15.00%时的状态.

一般来说，CT 图像的灰度与该部位试样的密度成正比，图中白色明亮区域为试样中密度较大处，黑色区域为试样中裂隙、微裂隙、微裂纹或孔洞存在的地方.

图1(a)为1#试样1/4 高度断面处的CT 扫描结果.初始扫描时，试样断面上存在较多微小孔洞和孔隙，并隐显一贯通的裂隙面，初始损伤明显.当轴向应变达到2.50%(“1/4b”)时，断面内一些较小的孔洞消失，而较大的孔洞依然存在，断面内土颗粒被挤密，白色高亮区域面积增大，并出现新的孔洞(“1/4b”矩形框内).继续剪切时，又有新孔洞出现(“1/4d”三角形框内)，原先贯通的裂隙面的两端进一步发展(“1/4d”矩形框、椭圆框内)，同时试样外周其他部位也出现了从外至内的裂隙;随剪切进行，这些裂隙进一步发展.试验停止时，断面内裂隙沿周边发育明显，几条裂隙局部贯通，但没有整体贯通;而中心区域一定范围内亮度略有增强，即这个范围内的土体处于持续微压密状态.

图1(b)为1#试样1/2 高度断面处的CT 扫描结果.初始扫描时，试样断面上也存在较多微小孔洞.继续剪切时，白色高亮区域面积增大，试样被压密，试样中心位置(矩形框内)的孔洞减小，外周部分区域出现微裂隙与微孔洞. 停止试验时，只在试样边缘处有一些短的微裂隙产生，与1/4 高度断面处的情形相差较大. 这是因为在设计吸力下，水分从底部的陶土板进入试样，1/4 高度处离陶土板较近，土粒中含水量高于1/2 高度处，土颗粒在较多水分润湿下更容易发生相互滑动，产生裂隙［15］.

图2 为4#试样的CT 扫描图，前2 次扫描图像与1#试样差别不大，断面内存在若干微小的孔洞和密度相对较大的区域(白色高亮区)，土体处于微压密状态.第3 次扫描时，断面内有几条孤立、狭长的裂纹出现，宽度较窄，长度较短，沿断面周边分布(“1/4c”图示).第4 次扫描时，原有裂纹逐渐展开，宽度增大，长度向中心区域纵向延伸，并伴随新裂纹产生.第5 次扫描时，裂纹宽度进一步扩大，长度继续增大，且有相互联通趋势(“1/4e”椭圆区域)，最终形成2 条主裂纹(“1/4f”图示)，主裂纹贯穿整个断面(图中白色虚线). 剪切过程中，在1/2 高度断面处也有少量裂纹产生，且其位置能很好地与1/4 高度断面上的裂纹对应，可以将其看作1/4 高度断面处的裂纹在试样轴线方向的延伸.

图2 4#试样CT 图像Fig.2 CT images of No.4 sample

比较1#试样和4#试样剪切完成后的断面扫描图发现，4#试样裂纹的展开性和联通性比1#试样明显得多.原因是1#试样固结时设定的吸力比4#试样小(分别为50 和100 kPa)，吸水程度更充分［15］.在相同净围压和轴向应变下，颗粒之间充分润湿使土体更容易产生相对滑移运动，故1#试样的裂纹比4#试样短，连通趋势也没有4#试样明显.

2#和3#试样由于固结围压更大，土体结构朝均匀致密的趋势发展.5#和6#试样在剪切过程中变化不大，均处于持续压密状态下，无裂纹产生.限于篇幅，2#、3#、5#和6#试样的CT 图像略.

3 CT 数据及剪切试验结果分析

试验获得了6 个试样在剪切过程中不同扫描时刻的CT 数据，CT 数平均值反映断面上物质点的平均密度，CT 数方差反映断面上物质点密度的差异程度.随土体内部缺陷发育程度增大，CT 数平均值减小，CT数方差则增大. 图3 为6 个试样1/4高度断面处的CT 数平均值和方差随轴向应变的变化情况.

图3 CT 数与轴向应变的关系Fig.3 Relationship of CT data and axial strain

对于1#试样，由于剪切初期的微压密作用，1/4 高度断面处的CT 数平均值在第2 次扫描时达到最大，此后因裂纹的出现，CT 数平均值逐渐下降，并趋于一个稳定值;相反，CT 数方差在第2 次扫描时最小，说明此时断面上土体密度分布相对于其他扫描状态最均匀，而后不均匀性逐渐增大，CT数方差亦增大. 剪切完成时，断面的CT 数平均值比试验刚开始时减小0.26%，方差增大37.80%.可见，剪切过程中，断面上裂纹的出现导致CT 数方差的变化比均值的变化敏感得多.

剪切过程中其他试样的CT 数平均值、方差的变化情况类似，不再赘述.

4 剪切过程中特殊区域CT 数变化规律分析

从CT 扫描图可以看出，试样扫描断面上不同区域内土体结构的变化并不完全一致，既有裂纹开展区，又存在不同程度的压密区. 为了更细致地观察断面上某些特殊区域CT 数据的变化规律，有必要选取特定区域分析.下面以1#试样1/4 高度断面处的CT 扫描图像为例分析.

图4 为1#试样1/4 高度断面处剪切前、后的扫描图，特殊区域编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，断面上整个区域命名为全区域.图5 为1#试样1/4 高度断面上4 个特殊区域和全区域的CT 数据与轴向应变的关系曲线. 试样剪切前，区域Ⅰ、Ⅱ内土体较均匀，孔洞较少;剪切完成后，这2 个区域内的土体结构几乎没有变化——区域Ⅰ内CT 数平均值增大0.47%，方差减小9.5%;区域Ⅱ内CT 数平均值减小0.4%，方差增大6.02%.而剪切前区域Ⅲ、Ⅳ内孔洞相对较多，但剪切完成后，区域Ⅲ内CT 数平均值减小1.2%，方差增大66.89%;区域Ⅳ初始扫描时虽然孔洞较多，但由于其位于断面中心区域，变形受周围土体的约束，裂纹扩展很困难，故剪切完成后，区域Ⅳ内CT 数平均值增大(5.28%)，方差减小(6.5%). 而区域Ⅲ位于断面边缘位置，区域内本身包含有较多孔洞，同时外侧围压又较小，当克服结构抗力后，这部分土体很容易产生侧向位移，从而形成大的孔洞和裂纹. 在剪切的任何一个阶段，全区域的CT 数方差都比4 个区域大得多.

图4 1#试样1/4 高度断面处特定区域Fig.4 Specific areas in the section at 1/4 sample height

图5 1#试样特定区域CT 数随轴向应变的变化Fig.5 Change of CT data in the specific areas of No.1 sample with axial strain

5 结 论

分布于合肥地区的冲积型黏性土呈硬塑状，孔隙比小，压缩模量较高，具超固结特性及弱—中膨胀性，对其在剪切过程中细观结构的演化规律进行CT 试验研究，可为掌握这类土的工程特性提供试验基础.

CT 试验结果表明，当净围压较低时，经过短暂的压密阶段后，试样周边很快产生裂纹，吸力越大，裂纹贯通程度越明显，反之则越不明显. 剪切完成后，CT 数平均值比剪切刚开始时都有不同程度的减小，方差增大较多，说明截面密度在剪切完成后下降，且由于裂纹扩展引起密度分布不均匀. 当净围压较高时，剪切完成后试样一般无裂纹产生，且整个截面区域内试样都有被压密的现象，截面CT数平均值增大较多，方差减小，高围压和偏应力的作用使截面密度分布变得更均匀、土体更致密.

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