裂隙膨胀土细观结构演化试验

王晓燕，姚志华，党发宁，董忠级（.中国有色金属工业西安勘察设计研究院，西安 70054；　.西安理工大学岩土工程研究所，西安 70048；3.空军工程大学机场建筑工程系，西安 70038）



裂隙膨胀土细观结构演化试验

王晓燕1,2，姚志华3※，党发宁2，董忠级1
（1.中国有色金属工业西安勘察设计研究院，西安 710054；2.西安理工大学岩土工程研究所，西安 710048；3.空军工程大学机场建筑工程系，西安 710038）

摘要：为研究裂隙膨胀土的细观结构特征，对重塑膨胀土进行了干湿循环、三轴浸水和各向等压加载试验。利用CT （computerized tomography）机对试验过程中进行无损实时动态扫描，从细观上分析膨胀土裂隙的产生以及裂隙在水和外力作用下的闭合全过程。将细观扫描数据与宏观物理参数相联系，研究裂隙对膨胀土变形特征的影响。结果表明：无约束情况下对膨胀土进行干湿循环，试样边缘以及孔洞聚集区易形成裂隙；干湿循环造成膨胀土体积收缩存在一个稳定渐近线，体缩会趋于1个稳定值。裂隙膨胀土在浸水初期产生膨胀力并出现湿胀变形；随着浸水量的增加，软化效应产生且膨胀力逐渐减小，在围压和偏应力压缩作用下继而出现体缩现象；浸水后期，在偏应力作用下试样产生剪胀破坏，再次出现轻微剪胀变形。在水和荷载作用下，不规则裂隙和孔洞逐渐演化为较规则的圆形孔洞，且圆形孔洞趋于闭合；仅在外力作用时，裂隙较难完全闭合；水和外力的共同作用使得膨胀土裂隙的闭合效果要优于单纯施加荷载时的闭合效果。裂隙膨胀土在各向等压加载过程中存在明显屈服现象，以屈服点为分界，扫描数据和孔隙比随荷载的增大分为快速体缩段和缓慢体缩段，前者与裂隙在荷载作用下闭合并演化成孔洞有关；后者与加载后期孔洞较难闭合且形成的新结构具备抵御外部荷载的能力有关。研究成果可为进一步认识裂隙对膨胀土力学特性的影响提供参考。

关键词：CT；裂隙；土壤；结构；膨胀土；演化规律

王晓燕，姚志华，党发宁，董忠级. 裂隙膨胀土细观结构演化试验[J]. 农业工程学报，2016，32（3）：92－100.

Wang Xiaoyan, Yao Zhihua, Dang Faning, Dong Zhongji. Meso-structure evolution of cracked expansive soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 92－100. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.014http://www.tcsae.org

0　引　言

膨胀土主要由伊利石和蒙脱石等亲水性黏土矿物组成，具有超固结性、胀缩性和裂隙性等显著特征，以吸水膨胀和失水收缩而得名[1]。反复的湿胀干缩使膨胀土产生裂隙，裂隙直接影响了膨胀土的强度和结构，对其工程特性起到关键影响作用[2-3]，由膨胀土的裂隙而引发的农田水利工程事故不胜枚举[4]。

裂隙为膨胀土中水分运移提供了潜在通道[5]，裂隙也成倍地提高了膨胀土的渗透性，对相应工程产生了负面影响[6]，因此，一些学者着重针对膨胀土的裂隙性展开研究。黎伟等[7]获取了多次湿干循环下的膨胀土裂隙扩展图像，并对图像数字化处理，进而获得了膨胀土裂隙的特征参数；张家俊等[8]利用矢量图技术对南阳膨胀土反复干湿循环后的裂隙照片进行处理，提取裂隙的各种几何要素，继而进行裂隙度计算；Tang等[9]控制温度使膨胀土产生裂隙，获得了膨胀土试样表面裂隙率；Wang等[10]对膨胀土表面裂隙的分布进行统计，建立了裂隙分布模型；Li等[11]建立表面裂隙率与膨胀土含水率、渗透系数等物理参数的相关函数关系。这些研究一定程度上反映了膨胀土表面裂隙生成和闭合的演化规律，然而，这些成果均是在分析膨胀土表面裂隙图像基础上得来，无法获知膨胀土内部裂隙的演化规律。如何了解膨胀土内部裂隙开展闭合演化规律，需要进一步深入研究。

水分沿着裂隙进入埋深较大的膨胀土中，使得埋深较大的膨胀土产生湿胀干缩变形的几率大为增加[12-13]，因此，研究膨胀土内部裂隙的演化规律显得尤为必要。CT（Computerized Tomography）技术具有实时、无损检测的优势条件，能够对物体内部结构进行非侵入性扫描[14]，因此，CT技术受到研究人员的青睐，进而将其应用在岩石[15]、混凝土[16]等材料裂隙发育和闭合研究上。许多研究人员也尝试着将该技术应用到膨胀土研究领域，并取得了一些有意义的成果。卢再华等[17]，雷胜友等[18]对原状膨胀土在加载和浸水过程中进行了CT实时扫描，但成果没有涉及膨胀土裂隙的生成与闭合相关研究；汪时机等[19]对预先制造孔洞的膨胀土进行加载CT扫描，研究了孔洞在加载过程中的演化规律，但没有涉及膨胀土的裂隙特征；袁俊平等[20]采用模拟降雨和自然风干的试验手段，通过实时CT扫描揭示了裂隙的产生过程，并以变异系数来描述裂隙发育规律，但该研究没有针对受外部荷载情况下的裂隙演化特征。

膨胀土的裂隙演化与干湿循环、荷载状态和浸水条件等因素密切相关，以往成果中鲜有全面涉及这些因素如何影响膨胀土裂隙生成和闭合的全过程，而且内部裂隙结构特征更是鲜有提及。本文旨在利用CT技术，分析膨胀土裂隙在干湿循环过程中的生成以及在浸水和外荷作用下的闭合全过程，为进一步认识裂隙对膨胀土力学特性的影响提供一定的参考，同时也为裂隙引发膨胀土地区农田水利工程事故分析提供一定的借鉴。

1　材料与方法

1.1供试材料

试验所用膨胀土土料取自河南南阳陶岔南水北调中线工程的渠坡，土样呈棕黄色，自由膨胀率为80%。土料以＜0.01 mm的细粒为主，其中＜0.005 mm黏粒质量分数达到24%。矿物组成主要有33%的伊利石、约19%的蒙脱石以及6%的高岭石。土料经过2 mm筛后，重塑制样，试样直径39.1 mm、高度80 mm，其土颗粒相对密度为2.73、干密度为1.55 cm3、初始质量含水率为24.74%、饱和度为88.58%。共做了5个试样，1＃～4＃用于三轴浸水试验、5＃用于各向等压加载试验。

1.2试样干湿循环

对1＃～5＃重塑膨胀土试样进行干湿循环，以形成具有初始裂隙结构的试样。分别采用烘箱烘干和滴水法进行干燥和增湿，其中烘箱温度控制在35℃恒温状态（模拟夏季室外日照环境），滴水法则将干燥试样的饱和度恢复到试样初始状态的值88.58%。

1.3三轴浸水和各向等压加载试验

干湿循环后，1#～4#试样进行控制围压和偏应力的三轴浸水试验，试样的初始物理指标以及浸水过程中应力状态参见表1。净平均应力分级施加（25、50、75、100、150、200、250和350 kPa）。试验过程中仅控制围压和气压，由于排水孔隙水压力为0，施加的气压为50 kPa，因此试样排水稳定后吸力为50 kPa。采用改进的多功能土工三轴仪[21]控制偏应力、围压和吸力。浸水时使用英国GDS公司生产的压力/体积控制器提供反压，实现常水头下的浸水。偏应力稳定过程中剪切速率为0.0167 mm/min；浸水过程中为0.2 mm/min，反压取20 kPa[22]。施加反压时同步提高围压，使净围压保持不变。

表1　试样初始物理参数和应力状态Table 1　Physical parameters and stress states of samples

对干湿循环后的5#试样进行控制吸力为50 kPa的各向等压加载试验，该试样的初始体积92.05 cm3、饱和度88.73%、吸力50 kPa，其他指标见表1。对控制吸力的各向等压加载试验也采用多功能土工三轴仪，试验稳定标准为[21]：在2 h内，试样的体变和排水量分别小于0.0063 和0.012 cm3。

1.4CT扫描

试验中采用ProSpeed AI型X射线单排螺旋CT机（GE公司）（图1）进行CT实时扫描。CT机的基本结构、主要技术指标、工作原理等描述见文献[23]。扫描的图像要选择适当的窗宽、窗位。窗宽是指显示图像时所选用的CT值范围，在此范围内的物质按其密度高低从白到黑分为16个等级（灰阶）。窗位是指窗宽上下限CT值的平均数。窗位的高低影响图像的亮度；窗位低，图像亮度高呈白色，窗位高，图像亮度低呈黑色[23]。不同的窗宽和窗位不影响试样的CT扫描数据，但对图像的清晰程度造成影响。扫描图像统一设置窗宽为400，窗位为1 600，以便对照分析试样的CT图像。

图1　CT三轴仪实物图Fig.1　CT-triaxial apparatus

CT扫描位置选定为试样上、下1/3高度处的2个截面，分别代表B和A截面，如图2所示。干湿循环过程中，待试样干燥和增湿后体积稳定，且试样饱和度达到初始状态时，进行CT扫描，每个试样共扫描6次。三轴浸水试验过程中，试样待固结和施加偏应力变形稳定后，进行扫描1次；浸水5、10、15、20 g之后各扫描1次，每个试样共扫描5次。各向等压加载过程中，每次扫描对应的净平均应力为25、50、75、100、150、200、250 和350 kPa，共计8次。

图2　试样CT扫描位置示意图Fig.2　CT scanning position of sample

1.5指标计算

1）三轴应力状态可用式（1）～（3）描述[21]：

式中p、q和s分别为净平均应力、偏应力和吸力，kPa；σ1、σ2和σ3分别是大、中和小主应力，kPa；ua和uw分别为孔隙气压力和孔隙水压力，kPa。

2）体应变和偏应变是研究试样变形的重要力学参数，计算式如下[21]：

式中εv和εs分别表示试样的体应变和偏应变，%；ΔV和V0分别表示试样的体积变化量和试样的初始体积，cm3；ε1和ε3分别是大主应变和小主应变，%；εv与土的孔隙比e相联系，即

式中e0是试样的初始孔隙比，其值等于初始试样的孔隙体积与其固体颗粒体积之比值。

3）CT机得到的物体某断面每个物质点CT数ME，可以通过下式计算[23]：

式中μ1和μ2代表某物质和水的吸收系数；ME为CT数，HU（housfield unit）。空气、水的CT数分别为−1 000、0 HU。

采用统计计算，在一定置信区间上可以得到选定区域物质点的密度差异程度，用方差SD表示。ME反映了选定区域所有物质点的平均密度，SD则反映了该区域所有物质点密度的不均匀程度[23]。ME越大表示密度越大，SD越大则指密度的不均匀程度越高；反之，则密度越小以及不均匀程度越低。

2　结果与分析

2.1干湿循环裂隙生成

干湿循环过程总计3次，干燥和增湿过程中产生不同程度的裂隙和裂纹。所有试样规律相似，以3#试样为例，图3表明湿干循环过程侧面照片。由图可知，经过多次循环，试样主裂隙已经形成。宏观上可以看到试样的主裂隙和次生裂隙相互交错，形成裂隙网格。试样第1次烘干仅是体积缩小，并未出现裂纹或者裂隙；第1次增湿体积膨胀稳定后，基本上均出现了裂纹和裂隙。再次干燥裂隙扩大并延伸，后来的干燥和增湿更是加重这一现象，可以说增湿和干燥对膨胀土裂隙的生成均产生影响。

图3　3#试样部分试样侧面照片Fig.3　Lateral photos of sample 3#

图4表明4#试样B截面在干湿循环过程中裂隙变化情况（其余试样CT图像差异不大，文中不再列出）。由该图可知，反复多次吸水膨胀及失水收缩，造成土样结构疏松，形成很多大小不一、形状各异的裂隙。第2次增湿和干燥后，试样内部孔洞变大，且孔洞之间有了连通的趋势。第2次增湿和第3次烘干后，主裂隙产生。由CT图像可知主裂隙是在原有孔洞聚集区基础上发育而来。孔洞聚集区即试样薄弱区，增湿后水分进入孔洞，而干燥后孔洞中的水分再次流失。孔洞的收缩与扩张，势必对孔洞之间土造成破坏，很容易使孔洞连接、贯通，主裂隙随之而产生。

图4　4#试样截面B裂隙生成过程中CT图Fig.4　CT images of cross section B of sample NO.4#in development of cracks during dry- wet cycle test

图5详尽记录了1#～4#试样在干湿循环过程中湿胀干缩体积变化规律，由该图可知第1次烘干，试样体积收缩较大，4个试样体积基本上减小了15 cm3左右，第2次和第3次烘干后，体积减小已经不是很明显；且3次烘干体积缩小存在一个稳定渐近线，这也说明了膨胀土的体积收缩会趋于一个稳定值。

图5　试样体积随试样扫描状态的变化Fig.5　 Volume change of samples in scanning state

通过CT扫描，获得了截面A和B的扫描数据ME 和SD，将2个截面扫描数据进行平均，平均值作为试样扫描时的代表值，本文中出现的ME和SD均是进过平均处理后的数据。将6次扫描数据与试样体应变进行联系，如图6所示。由图6a可知，前4次扫描，随着体应变的增大和减小，ME值相差不大，但Ⅴ次和Ⅵ次扫描时，ME值变得较为离散（椭圆中数据），说明了此时试样内部断面的平均密度发生较大变化，虽然4个试样体积相差很小（图5），但4个试样内部裂隙发育程度不一（图4），影响了扫描断面的平均密度。

图6b描述了方差SD与体应变之间关系。方差SD反映了扫描区域所有物质点密度的差异程度，Ⅴ次和Ⅵ次扫描后，4个试样扫描断面的SD数值变得较为离散（椭圆中），这也进一步说明了裂隙分割了试样断面，造成了各个区域密度差异程度较大。从图6中可以看出，CT 数ME和方差SD值剧烈变化与试样内部裂隙和孔洞生成密切相关，试样的细观扫描数据变化（图6）与干湿循环过程中裂隙发育CT图像（图4）是一致的。

图6　干湿循环过程中扫描数ME与体应变之间关系Fig.6　Relationship between samples’ scanning data ME and volumetric strain

2.2三轴浸水试验中裂隙闭合规律

分别对干湿循环后的1#～4#试样进行三轴浸水试验，并伴随实时CT扫描。图7是试样浸水过程中所得到的CT图像（其余图像未列出）。每个截面CT图像分别代表固结和偏应力平衡后（浸水0 g）、浸水5、10、15和 20 g。限于篇幅，文中重点介绍3#试样。

图7b和图7c是3#试样截面A和截面B的扫描图像。初始扫描可见试样裂隙和孔洞发育明显，各个截面都有裂隙贯通试样，并伴有次生裂隙存在。黑色区域较多，说明试样密度较低。较多的裂隙存在为试验浸水提供良好的通道和条件，在反压作用下水从裂隙处迅速自下而上蔓延。

图7　试样各截面不同浸水量时的CT扫描图像Fig.7　CT images of sample in different soaking water amount

图7b中，浸水后第1次扫描发现，大裂隙闭合较好，尤其是靠近试样外边缘。在窗宽和窗位不变情况下，白色区域明显增多，说明密度有了较大的提高。试样靠近上端的B截面（图7c），大裂隙闭合比较明显，但与下端的A截面相比还是存在差异，裂隙边缘缺口没有完全愈合。

试样浸水10 g时，即第3次扫描后，试样底端A截面裂隙基本全部闭合，只存在小孔洞；而B截面裂隙依然存在并未闭合。试样第4次扫描发现2个截面小孔洞基本消失，这与试样自身压缩与试样浸水土样膨胀有关。试样底部截面面积略微增大，与试样底部湿化体胀有关。靠近上端的B截面裂隙没有愈合，其余裂隙消失。试样第5次扫描后，图片中裂隙已经全部闭合，只有上端B截面微裂隙存在。此时底部A截面面积增大较多，在窗宽窗位不变情况下，说明此时试样底部鼓起，发生了软化效应并产生剪胀破坏。

对比图7中各个试样，3#和4#试样裂隙闭合程度要小于1#试样，由前文表2可知3#和4#试样受到的围压较大。在同一窗宽窗位视图下，4#试样A截面要略大于3#试样A截面，这也与4#试样受到的100 kPa偏应力有关。试样在水的作用下，受到的外荷载越大其变形越大，这也说明了裂隙的闭合与应力状态有关。

由上述分析可知，膨胀土裂隙的闭合与水的作用密不可分，且裂隙的闭合程度与应力状态有关；浸水后，试样的裂隙首先是外边缘闭合，接着内部裂隙和孔洞减小；更小的孔洞随着浸水量的增多，以及湿胀和压缩变形后逐渐闭合。裂隙的闭合因素较多，但水和荷载作用应是至关重要因素。

将浸水过程中扫描数据ME和SD值与浸水量之间关系分别绘于图8。由图可知，试样固结完后（浸水0 g）初次扫描时ME值和SD值相差较大，这与干湿循环造成的初始损失有关。随着浸水的开始，各试样的ME值随着浸水量的增大而近似线性增长，SD曲线则线性下降。

图8　CT数ME及SD与浸水量的曲线图Fig.8　Variation of CT data ME and amount of soaking water

图8a中当浸水约12.7 g时，除了3#试样以外，其余试样曲线相交，说明了此时的试样截面密度趋于一致。试样未进行干湿循环时，截面密度是相同的，但经历了干湿循环后，截面密度相差较大，但随着浸水时的裂隙闭合，相差较大的截面密度趋于相同。然而随着浸水的继续，试样受到的围压和荷载不同，使得后期截面密度再次不同，说明应力状态对试样截面密度影响较为重要。另外，浸水后期，试样所受到的外荷载越大，其压缩变形和剪胀变形也越大，使得密度有了再次提高的趋势。图8中4#试样的截面密度随着围压和偏应力的增大而增大，且明显大于其他试样。

图8b中方差SD类似出现了图8a中曲线变化形态，浸水前试样的密度差异程度较大，随着浸水的进行，截面密度的差异程度逐渐缩小，使得SD曲线出现相交；但浸水后期由于应力状态不同而导致密度差异程度同样出现不同。由此可见应力状态的不同对试样的裂隙闭合以及新结构产生造成较大影响。

图9是浸水过程中试样扫描数据ME和SD与体应变之间的变化曲线。2#、3#和4#试样曲线呈“S”型，呈现湿胀－剪缩－剪胀的3个变形阶段，而1#试样仅有湿胀－剪缩2个阶段，没有出现再次体胀现象。试样浸水初期，裂隙为浸水提供了便利通道，水分在压力水头作用下迅速浸入试样中，而膨胀土中富含亲水性矿物，如：伊利石和蒙脱石，这些亲水性矿物遇水使得矿物晶格层间距增大[24]，矿物颗粒之间的结合水膜增厚，结合水膜楔入矿物颗粒之间[25]，试样体积会出现湿胀现象并伴随产生膨胀力。试样浸水后，游离氧化硅、氧化铝和氧化铁等胶结物会遇水溶解，膨胀土颗粒会丧失结构联接[26]，产生了遇水软化效应，且膨胀力会随着含水率的增大而减小[27]，在围压和偏应力作用下，试样继而出现体积剪缩现象。浸水后期，试样在偏应力作用下产生剪胀破坏，使得试样再次出现体胀现象。1#试样所受到的围压和偏应力较小，浸水后期试样并没有出现剪胀破坏，因此仅有湿胀和剪缩2个阶段。

图9　浸水试验中CT数ME及SD与体应变的变化曲线Fig.9　Variation of CT data ME and its SD and volumetric strain during soaking test

图10是浸水过程中各试样CT数ME和方差SD随偏应变（式（5）计算）的变化曲线。总体来看随着偏应变增长初期，ME增长和SD下降均较快；但随着偏应变继续增大，ME增长和SD减小趋于平稳。以偏应变sε等于2%为分界点，可以将ME和SD增大和减小分为两个阶段。第1阶段分别为陡增段和陡降段，该阶段与试样湿胀，矿物颗粒填充裂隙和孔洞，截面平均密度增大、差异程度减小等因素有关；第2阶段称为平稳段，该阶段主要由于试样裂隙基本闭合，截面平均密度趋于稳定且密度差异已经不明显。陡增(降)段说明了试样结构初始损伤较大，裂隙较多；平稳段则说明了试样裂隙闭合明显、密度趋于稳定，土样截面上结构缺陷逐渐消失。

图10　浸水试验中CT数ME与偏应变的变化曲线Fig.10　Variation of CT data ME and deviatoric strain during soaking test

2.3各向等压加载试验中裂隙演化规律

图11是各向等压加载试验中5#试样在净平均应力为25、50、75、100、150、200、250和350 kPa时的扫描图像。由该图可知，净平均应力为25 kPa的截面A和截面B扫描图像都存在裂隙，相互贯通和交织的裂隙以及孔洞破坏了截面的完整性。截面A中的裂隙（图11a）相互交织贯通；截面B中裂隙（图11c）发育没有A截面大，但也贯通整个试样。随着净平均应力的增大，截面A和截面B的边缘裂隙逐渐闭合，并演化为较大的孔洞。当净平均应力＞100 kPa后裂隙闭合现象较为缓慢，这也说明了试样原有破碎结构转化为较为密实的新结构，新结构具备了抵抗外部荷载的能力。随着试样密实度的再次提高，孔洞缩小的幅度也在降低，新产生的结构可以抵御更大的外力作用。

图11　5#试样各级荷载对应的CT扫描图像Fig.11　CT scanning images of sample No.5#in different loading state

另外，由图11可知，裂隙和孔洞闭合呈现不同的规律。裂隙闭合先是从边缘处，再过渡到试样内部，使裂隙逐渐演化为孔洞，较大孔洞在围压作用下很快变小。孔洞较裂隙不容易闭合，原因在于同样的受力状态下，圆形孔洞受力性能优于不规则裂隙，使得试样受力后期部分孔洞不能完全闭合且能承受荷载作用。随着荷载的继续增大，演化后的孔洞也在逐渐变小，但是这些孔洞始终在加载范围内无法完全闭合。这与前文中浸水加载过程中试样裂缝（图7）最终完全闭合现象有区别，这也显示了水的作用在裂缝演化过程中的重要性。单纯的外部荷载对膨胀土变形和裂隙演化起到了一定作用，但裂隙不易完全闭合。

图12是5#试样在各向等压加载过程中扫描数据ME和SD与试样体应变的关系曲线。随着试样体应变的增大，即试样发生体缩时，试样中由于干湿循环造成的裂隙以及孔洞逐渐发生闭合现象。在体应变约为4.5%之前，ME和SD随体应变的增大而线性增大和减小，且线性增大和减小的趋势比较明显，这个阶段可以称为快速体缩段；而体应变在4.5%之后，ME～εv和SD～εv曲线的增长和减小速度变得缓慢，该阶段称之为缓慢体缩段。在试验后期，试样承受较大荷载时，裂隙和孔洞会发生闭合，由于自身密度的增长变缓，使得ME和SD上升和下降变缓，这可以认为试样发生了屈服现象。

图13是5#试样在各向等压加载过程中孔隙比与净平均应力的变化曲线。e～p曲线以净平均应力为118 kPa为拐点，可以分为2个阶段：第1阶段，孔隙比在较小荷载作用下迅速变小；第2阶段，即使在较大荷载作用下，孔隙比减小的速率降低，直线斜率变小。与图12中体缩相似，以净平均应力118 kPa作为分界点，e～p曲线由快速体缩段和缓慢体缩段共同组成。图13中的净平均应力为118 kPa与图12中的体应变为4.5%前后反应规律基本一致。快速体缩段与裂隙和孔洞的闭合造成了试样密度趋于均匀且变大有关；缓慢体缩段与裂隙闭合后的新结构能够抵御荷载作用而产生变形有关。图13中屈服点发生在净平均应力为118 kPa时，该值也可以作为该试样的屈服应力点。

图12　5#试样扫描数据与体应变之间的变化关系Fig.12　Relationship of ME and SD with volumetric strain of sample 5#

图13　5#试样孔隙比与净平均应力之间的变化曲线Fig.13　Relationship between void ratio and net mean stress of sample 5#

与前文中浸水试验相比，仅在外荷载作用下，裂隙演化为孔洞，土样体积压缩变小，密度提高，但膨胀土中矿物质晶体结构并没有溶解，其联结作用依然存在。没有水的作用，试样不会出现软化现象，且新形成的致密结构会抵御外部荷载。

3　结论与讨论

本文对重塑膨胀土首先进行了干湿循环使其产生裂隙，再对裂隙膨胀土进行了三轴浸水试验和各向等压加载试验，在其干湿循环、三轴浸水和各向等压加载过程中进行实时CT扫描，取得了较多的CT图像，从宏观和细观上分析了裂隙生成以及水和外力作用下裂隙闭合的全过程，主要研究成果包括：

1）无约束情况下的干湿循环过程，膨胀土试样边缘以及孔洞聚集区易形成裂隙；干湿循环造成膨胀土体积收缩存在一个稳定渐近线，体缩会趋于一个稳定值；

2）裂隙膨胀土在浸水初期产生膨胀力并出现湿胀体变；随着浸水量的增加，膨胀土遇水软化效应产生且膨胀力逐渐减小，在围压和偏应力压缩作用下继而出现体缩现象；浸水后期，在偏应力作用下试样产生剪胀破坏，再次出现轻微体胀现象。

3）膨胀土的不规则裂隙和孔洞在水和荷载作用下逐渐演化为较为规则的圆形孔洞，且孔洞趋于闭合；仅在外力作用时，裂隙较难完全闭合，会逐渐演化为孔洞；水和外力共同作用使得膨胀土裂隙闭合效果比单纯施加荷载闭合效果要好。

4）裂隙膨胀土在各向等压加载过程中存在明显屈服现象，以屈服点可以将体变分为快速体缩段和缓慢体缩段。加载初期，试样体缩较为明显，这与裂隙在荷载作用下闭合并演化成孔洞有关；加载后期，孔洞较难闭合且形成的新结果有了抵御外部荷载的能力，使得体缩变得较为缓慢。

[参考文献]

[1] 包承纲. 非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J]. 岩土工程学报，2004，26(1)：1－15. Bao Chenggang. Behavior of unsaturated soil and stability of expansive soil slope[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(1): 1－15. (in Chinese with English abstract)

[2] 殷宗泽，袁俊平，韦 杰，等. 论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响[J]. 岩土工程学报，2012，34(12)：2155－2161. Yin Zongze, Yuan Junping, Wei Jie, at al. Influences of fissures on slope stability of expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(12): 2155－2161. (in Chinese with English abstract)

[3] 龚壁卫，程展林，胡波，等. 膨胀土裂隙的工程特性研究[J].岩土力学，2014，35(7)：1825－1836. Gong Biwei, Cheng Zhanlin, Hu Bo, et al. Research on engineering properties of fissures in expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(7): 1825－1836. (in Chinese with English abstract)

[4] 陆定杰，陈善雄，罗红明，等. 南阳膨胀土渠道滑坡破坏特征与演化机制研究[J]. 岩土力学，2014，35(1)：189－196. Lu Dingjie, Chen Shanxiong, Luo Hongming, et al. Study of failure characteristics and evolution mechanism of canal slope of Nanyang expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(1): 189－196. (in Chinese with English abstract)

[5] Mitchell A R, Genuchten M T V. Flood irrigation of a cracked soil[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57(2): 490－497.

[6] Albrecht B A, Benson C H. Effect of desiccation on compacted natural clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(1): 67－75.

[7] 黎伟，刘观仕，汪为巍，等. 湿干循环下压实膨胀土裂隙扩展规律研究[J]. 岩土工程学报，2014，36(7)：1302－1308. Li Wei, Liu Guanshi, Wang Weiwei, et al.Crack propagation law of compacted expansive soils under wetting-drying cycles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014，36(7)：1302－1308. (in Chinese with English abstract)

[8] 张家俊，龚壁卫，胡波，等. 干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J]. 岩土力学，2011，32(9)：2729－2734. Zhang Jiajun, Gong Biwei, Hu Bo, et al. Study of evolution law of fissures of expansive clay under wetting and drying cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(9): 2729－2734. (in Chinese with English abstract)

[9] Tang C S, Cui Y J, Tang A M, et al. Experiment evidence on the temperature dependence of desiccation cracking behavior of clayey soils[J]. Engineering Geology, 2010, 114(3/4): 261－266.

[10] Wang Y, Feng D, Ng C W W, et al. Modeling the 3D crack network and anisotropic permeability of saturated cracked soil[J]. Computers & Geotechnics, 2013, 52(7): 63－70.

[11] Li Xiongwei, Wang Yong, Yu Jingwei et al. Unsaturated expansive soil fissure characteristics combined with engineering behaviors[J]. J Cent South Univ, 2012, 19(12): 3564－3571.

[12] Miller S M, Stanley M. Geotechnical and environmental indicators for characterizing expansive soils[J]. Geotechnical Special Publication, 2008, 178(5): 263－270.

[13] Tabbagh J, Samoueliana, Tabbagh A, et al. Numerical modelling of direct current electrical resistivity for the characterisation of cracks in soils[J]. Journal of Applied Geophysics, 2007, 62(4): 313－323.

[14] Heeraman D A, Hopmans J W, Clausnitzer V. Three dimensional imaging of plant roots in situ with X-ray computed tomography[J]. Plant Soil, 1997, 189(2): 167－179.

[15] Ge XR, Ren JX, Pu YB, et al. Real-in time CT test of the rock meso-damage propagation law[J]. Science in China, 2001, 44(3): 328－336.

[16] Darma I S, Sugiyama T, Promentilla M A B. Application of X-Ray CT to study diffusivity in cracked concrete through the observation of tracer transport[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2013, 11(10): 266－281.

[17] 卢再华，陈正汉，蒲毅彬，等. 膨胀土湿干循环胀缩裂隙演化的CT试验研究[J]. 岩土力学，2002，23(4)：417－422. Lu Zaihua, Chen Zhenghan, Pu Yibin, et al. A CT study on the crack evolution of expansive soil during drying and wetting cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2002, 23(4): 417 －422. (in Chinese with English abstract)

[18] 雷胜友，许瑛. 原状膨胀土三轴浸水过程的细观分析[J].兰州理工大学学报，2005，31(1)：119－112. Lei Shengyou, Xu Ying. Microscopic analysis of triaxial soaking process in original expansive soils[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2005, 31(1): 119－112. (in Chinese with English abstract)

[19] 汪时机，陈正汉，李贤，等. 土体孔洞损伤结构演化及其力学特性的CT-三轴试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28(7)：150－154. Wang Shiji, Chen Zhenghan, Li Xian, et al. Pore-damage evolution and mechanical properties of remolded soil by CT-triaxial test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 150－154. (in Chinese with English abstract)

[20] 袁俊平，杨国俊，王敏. 土体孔洞损伤结构演化及其力学特性的CT：三轴试验研究[J]. 科学技术与工程，2013，13(12)：3509－3519. Yuang Junping, Yang Guojun, Wang Min. CT study on the fissures of expansive soil during drying and wetting cycles[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(12): 3509－3519. (in Chinese with English abstract)

[21] 陈正汉，孙树国，方祥位，等. 多功能土工三轴仪的研制及其应用[J]. 后勤工程学院学报，2007，23(4)：34－38. Chen Zhenghan, Sun Shuguo, Fang Xiangwei, et al. Development and application of multi-function triaxial apparatus for soil[J]. Journal of Logistical Engineering University, 2007, 23(4): 34－38. (in Chinese with English abstract)

[22] 朱元青，陈正汉. 研究黄土湿陷性的新方法[J]. 岩土工程学报，2008，30(4)：524－528. Zhu Yuanqing, Chen Zhenghan. A new method of studying collapsibility of loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(4): 524－528. (in Chinese with English abstract)

[23] 曹丹庆，蔡祖农. 全身CT诊断学[M]. 北京：人民军医出版社，1996.

[24] 李生林，秦素娟，薄遵昭，等. 中国膨胀土工程地质研究[M].南京：江苏科学技术出版社，1992.

[25] 高国瑞. 膨胀土的微结构和膨胀势[J]. 岩土工程学报，1984，6(2)：40－48. Gao Guorui. Microstructures of expansive soil and swelling potential[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1984, 6(2): 40－48. (in Chinese with English abstract)

[26] 王小军，方建生. 膨胀土(岩)湿化性的影响因素及降低湿化性的途径和方法[J]. 铁道学报，2004，12(6)：100－105. Wang Xiaojun, Fang Jiansheng. Factors influencing the slaking of expansive soil (rock) and methods to reduce slaking[J]. Journal of The China Railway Society, 2004, 12(6): 100－105. (in Chinese with English abstract)

[27] 谢 云，陈正汉，孙树国，等. 重塑膨胀土的三向膨胀力试验研究[J]. 岩土力学，2007，28(8)：1636－1642. Xie Yun, Chen Zhenghan, Sun Shuguo, et al. Test research on three-dimensional swelling pressure of remolded expansive clay[J]. Rock and Soil Mechanics 2007, 28(8): 1636－1642. (in Chinese with English abstract)

Meso-structure evolution of cracked expansive soils

Wang Xiaoyan1,2, Yao Zhihua3※, Dang Faning2, Dong Zhongji1
(1. Xi’an Engineering Investigation and Design Research Institute of China National Non-ferrous Metals Industry, Xi’an 710054, China; 2. Xi’an University of Technology, Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an 710048, China; 3. Department of Airdrome Construction Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

Abstract:The crack property of expansive soil is one of the important characteristics, which is different from other types of soils. The development of cracks greatly affects the engineering properties of expansive soils. In order to study the meso-structural characteristic of cracked expansive soil, the dry-wet cycle test, triaxial soaking test and isotropic loading test were carried out on the remolded expansive soil in scientific research station of Logistics Engineering University in Hanzhong city, Shanxi province, China. The data including volumetric strain and deviatoric strain were obtained by these tests. Using CT (computerized tomography), test samples were scanned nondestructively in real-time to obtain CT images. The whole evolving process of cracks in expansive soils was investigated under the action of water and external force from the microscopic view. The effect of the crack on the macro-meso deformation behavior of expansive soil was studied by the relationship between the micro data and macro physical parameters. Test results showed that, under unconstrained conditions of dry-wet cycles, the edges and the gathering holes area of expansive soil sample were easy to form crack. Volume shrinkage caused by dry-wet cycle of expansive soil had a stable asymptote line and would tend to a stable value. The volume change of the expansive soil had experienced 3 stages in triaxial soaking test with the water and external force. Firstly, in the initial stage of triaxial soaking test, expansive force caused by soaking water led to wetting expansive deformation of cracked expansive soil. Secondly, the softening effect appeared and the expansion force gradually decreased with the increase of water content, under the influence of confining pressure and deviatoric stress, the shearing shrinkage was followed. Thirdly, in the late period of soaking test, the shear failure of the specimen under the effect of deviatoric stress caused the phenomenon of slight dilation. Cracked expansive soil during isotropic loading process had obvious yield phenomenon, taking yield point as the cut-off point, the curve of scanning data and pore ratio with the load increases was divided into rapid and slow volume shrink period. The rapid volume shrinkable period was related to cracks and holes closure, and the slow volume shrinkable period was related to the formation of the new structure which had ability to resist the external load. From the CT-scanning images of triaxial soaking test and isotropic loading test, under the action of water and external load, the irregular cracks and holes were gradually evolved into a regular circular hole, and the circular hole tended to close. With only the action of the external force, the crack was more difficult to complete closure. The interaction of water and external force made the expansive soil crack closure effect better than that of only external loading. Therefore, water plays a key role in the effect of the crack ’development of expansive soil. The results would provide valuble information for the further understanding of the influence of cracks on the mechanical properties of expansive soil.

Keywords:computerized tomography; cracks; soils; structure; expansive soil; evolution laws

通信作者：※姚志华，男，甘肃成县人，讲师，博士，主要从事非饱和土力学及特殊土地基处理方面研究.。西安空军工程大学机场建筑工程系，710038。Email：lightbright@163.com

作者简介：王晓燕，女，河南漯河人，工程师，博士生，主要从事黄土力学及相关工程设计研究。西安中国有色金属工业西安勘察设计研究院，710054。Email：48962982@qq.com

基金项目：国家自然科学基金项目（10672182、10902091、51509257）

收稿日期：2015-09-12

修订日期：2015-12-10

中图分类号：TU458；TU443

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0092-09

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.014 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.014http://www.tcsae.org