膨胀土细观结构变化及与声波波速的关系

韦秉旭，龚　树，刘　斌，刘　雄，欧阳运清

(长沙理工大学 a交通运输工程学院；b道路结构与材料交通行业重点实验室，长沙　410114)



膨胀土细观结构变化及与声波波速的关系

韦秉旭a，龚树a，刘斌a，刘雄a，欧阳运清b

(长沙理工大学a交通运输工程学院；b道路结构与材料交通行业重点实验室，长沙410114)

采用CT技术和TH204型非金属超声波仪测试，探讨了干湿循环作用下膨胀土的细观结构及其平均纵波波速的变化规律，并运用损伤力学的研究方法定义基于CT数的损伤变量，据此建立了干湿循环作用引起的细观结构变化与平均纵波波速变化之间的关系。研究结果表明：第1～4次干湿循环对膨胀土细观结构变化影响较大，内部微裂隙发育明显，第7～8次干湿循环对细观结构影响甚微；膨胀土的平均纵波波速随着循环次数的增加呈非线性衰减，并最终趋于稳定；随着干湿循环次数的增加，膨胀土损伤变量逐渐增加，其细观结构损伤演化是一种非线性累积过程；膨胀土平均纵波波速与基于CT数的损伤变量具有良好的指数衰减关系。

CT技术;膨胀土；干湿循环；细观结构；平均纵波波速

1　研究背景

膨胀土是一种水敏性材料，在季节性干湿循环作用下，土体内部会产生大量杂乱无章的微裂隙。这些微裂隙的萌生、发展和贯通破坏了土体结构完整性，是造成膨胀土边坡失稳滑塌的主要原因。因此，研究干湿循环作用下膨胀土微裂隙结构的变化至关重要。

目前，膨胀土微裂隙的量测方法有X射线衍射法、扫描电镜法、CT法和超声波法等[1]。超声波法一般采用超声波脉冲透射法量测岩土体内的超声波速[2]，利用不同的超声波速反映岩土体内部裂隙的发展状况。目前，国内外利用超声波研究岩石的裂隙性已有报道。A.Lachouri等[3]、S.Saad等[4]基于声学参数谱分析和精确的线性预测分析，描述了岩石的声学特性，通过预计功率谱密度误差变化来诊断岩石试样内部是否存在微裂隙和孔洞；周蓓锐等[5]对某隧道工程的岩体进行声学特性研究，其研究结果表明，岩体的声学特性与岩体结构、破碎程度、风化程度密切相关。然而，土的超声波特性的研究还处于起步阶段，王峥辉[6]通过对原状和扰动状态下的黄土进行声波测试，得到了黄土的声波经验公式，说明了利用岩体中常用的声波波速来了解岩体性质的方法在土体中是可行的；黄震等[7]采用超声波仪对含水率分别为塑限含水率和最佳含水率的碾压膨胀土进行声速测试，研究了等幅干湿循环作用下膨胀土纵波速度的变化规律，提出裂隙萌生和发展是干湿循环作用下膨胀土纵波速度衰减的根本原因；韦秉旭等[8]用纵波波速定义膨胀土疲劳损伤的损伤变量，探讨了干湿循环作用下膨胀土的疲劳损伤变化规律，研究了膨胀土内部裂隙的演化过程。

岩土体声波波速是岩土体内部裂隙结构的综合宏观表现，而宏观表现的本质因素则需要通过微、细观结构研究来揭示。

计算机层析成像技术(简称CT技术)通过扫描试样截面，可定量地量测岩土材料的内部细观结构变化[9]。鉴于此，本文借助CT技术，以南阳膨胀土为研究对象，对0～8次干湿循环后的重塑土样进行CT扫描和超声波测试，以CT数据定义损伤变量，利用土体的损伤变量来反映干湿循环作用后土体的细观结构变化，探讨了干湿循环作用下膨胀土的声波波速与其细观结构之间的关系。

2　计算机层析成像技术原理

放射源发出的X射线束穿透物质时，受物质吸收程度的影响，X射线强度呈指数衰减[10]，衰减方程如式(1)：

(1)

式中：I为穿透物体后的射线强度；I0为射线的初始强度；ρ为物体密度；x为射线穿透长度；μm为单位质量物体的X射线吸收系数，通常只与射线波长有关；E为离子能量；Emax为离子能量最大值。

按照Housfield教授提出的算法[11]，以绝对量计算物体对X射线的吸收，则CT数ME与物体密度之间的关系如式(2)：

ME=1 000×(μm-μw)/μw。

(2)

式中μw为纯水的X射线吸收系数。纯水与大气的CT数分别为0Hu和1 000Hu，为CT标尺上的固定点。

3　试验概况

由于受结构性、不均匀性、应力历史等影响，在相同的试验条件下原状膨胀土试样内部裂隙发展和波速变化差异的可比性较差，并且现场很难采集到均匀的原状土样，以及国内外将中、弱膨胀土成功应用于下路堤填料的现实，故本文主要研究简单均匀的重塑膨胀土。

3.1试样制备

试验用土取自河南南阳，取土深度2.0～3.0m(当地的气候影响深度不超过2m)，呈棕黄色。按照《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)测得膨胀土的基本物理性质指标如表1。根据膨胀土膨胀潜势等级判别标准[12]，南阳膨胀土为中膨胀性土。

表1　土样的物理性质指标Table 1　Physical properties of soil samples

3.2CT试验装置

本次试验在长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室进行。试验采用德国YXLON工业CT机，空间分辨率为0.25mm×0.25mm，空间可识别体积为0.06mm3。CT机扫描控制电压为250kV，电流为2.5mA，焦点Foc为1.9，扫描厚度为1mm，扫描层数为19层。CT仪器设备如图1。

图1　YXLON工业CTFig.1　Industrial CT of YXLON

3.3试验方案及过程

将取回的膨胀土样风干、捣碎后过2mm筛，配制成含水率为最优含水率17.9%的土样，密封闷料24h以上，随机抽取2个试样测量含水率，当含水率相差在±0.1%以内，即认为土样含水率均匀。考虑到《公路路基施工技术规范》(JTGF10—2006)中6.1.4规定，3,4级公路下路堤压实度必须在93%以上的要求，本试验采用静压法将土样压制成干密度为1.68g/cm3,其误差限制在±0.02g/cm3以内。环刀试样直径为61.8mm,高为20mm。试件分为9组，每组3个试件，共27个试件。

由于南阳地区夏季最高气温可达40 ℃，为此，本次试验的烘干脱湿控制温度为40 ℃。当土样质量在相邻2h内变化小于0.1g时，即停止烘干。脱湿完成后，对试样进行CT扫描，分析试样内部裂隙发育及闭合情况。每次沿高度方向每1mm为一个断面，共扫描19个断面，并测量每个断面的CT数。 接着采用TH204型非金属超声波仪测定膨胀土试件的纵波速度，TH204型非金属超声波仪如图2。超声波仪接收、发射探头的底面积为254mm2，发射频率为150kHZ，采样间隔0.5μm，用凡士林作为耦合剂，测定每个试件3个不同位置的声速。

图2　TH204型非金属超声波仪Fig.2　TH204 nonmetallic ultrasonic instrument

(3)

(4)

然后将试样装进真空饱和器进行抽气饱和，抽气时间为4h,浸泡时间为12h，保证试样的饱和度不低于95%。为防止饱和过程中透水石被膨胀土胀裂，本试验在环刀试样的上下两端分别垫2块透水石，并将饱和架的盖子拧紧加以固定。饱和完成后，再次进行脱湿，如此反复干湿循环过程0～8次。

4　试验结果及数据分析

4.1CT图像分析

0～8次干湿循环作用下膨胀土试样第10个断面的CT图像见图3 。

图3　膨胀土0～8次干湿循环的CT图像Fig.3　CT images of expansive soil under 0-8drying-wetting cycles

从图3可看出：初始状态下的膨胀土试样具有较多的微孔隙；经历第1次干湿循环后，在土样的边缘区域产生了较多微小裂隙；第2次干湿循环后，边缘区域的微小裂隙逐步发育，并逐步向中心发展；第3次干湿循环后裂隙不断扩大并发展，形成裂隙网络。随着干湿循环次数的增加，裂隙网络变得越来越复杂；每1次干湿循环对裂隙的影响程度不同，第1～4次干湿循环对土样开裂的影响比较明显，第7～8次干湿循环对裂隙发育影响逐渐变小。究其原因，在烘箱内，土样脱湿速率的空间分布是不均匀的，试样上部的失水速率高于下部的失水速率，这样，在土样上下层之间形成一个上低下高的含水率梯度。在含水率梯度的作用下，上部土体收缩变形受到下部土体的约束，产生了收缩拉应力，当收缩拉应力大于土体的抗拉强度时，裂隙便随之产生。将完成脱湿过程的土样重新饱和后，微裂隙便会愈合，但这并不意味着裂隙消失，因为裂隙愈合并不能使裂隙处土体的抗拉强度得到恢复[14]。因此，当土样再次经历脱湿过程时，土样最先沿着之前的闭合裂隙开裂，张开后的裂隙面将成为新的临空面，临空面的产生将改变脱湿速率的空间分布，含水率梯度的方向与分布也会随之做出调整，当调整后的含水率梯度所引起的拉应力大于土体抗拉强度时，新的裂隙便会产生。随着干湿循环次数的增加，裂隙网络逐渐发育，土块尺寸越来越小，水分散失路径就越短，水份平衡就越快，土样内部形成较大的含水率梯度就越困难，这也就意味着脱湿过程中产生的拉应力越低。故在第5～6次干湿循环后，由于裂隙充分发育，脱湿过程中产生的拉应力将会低于土块的抗拉强度，裂隙的发育将会停止，裂隙CT图像无明显变化。第7～8次干湿循环后膨胀土的裂隙节点处变化较大，这是因为第7～8次循环后，整个土体特别是裂隙两侧的土体变得松散，一部分颗粒滑落到裂隙中，产生了空洞。

4.2干湿循环作用引起的CT数的变化

膨胀土的CT数ME值代表该断面上全部物质点的平均密度，反映土体密度的相对大小；SD值则表示断面上物质点密度的差异程度。物质点密度的变化可以间接反映土体内部裂隙的发育。为更好地反映土体内部裂隙，即纵向裂隙、斜交于试样纵向的裂隙、横向裂隙发育的发育情况，本文将每个试件19个断面的CT数按照上述波速数据的处理方法进行自身加权平均，得到膨胀土试样的加权平均CT数，作为该试件的CT数代表值。然后求取每组试件代表值的平均值作为该组试件的CT数。随着干湿循环次数的变化，膨胀土试样的平均CT数ME值，方差SD值变化如图4所示。

(a)CT数

(b)CT数方差图4　CT数和CT数方差随循环次数的变化Fig.4　Variations of CT number and CT number variancewith cycle times

从图4中可看出，未经历干湿循环土样的ME值最大，SD值最小，此时膨胀土内部缺陷较少。随着干湿循环次数的增加，膨胀土样的ME值逐渐减小，SD值逐渐增加，前4次干湿循环对ME值和SD值影响较大，随后的循环次数影响逐渐减小并最终趋于一种稳定状态。SD值的变化相对ME值的变化比较敏感。CT数的变化规律和膨胀土裂隙的CT图像显示的规律基本一致。

4.3纵波波速的变化

干湿循环作用下膨胀土试样的平均纵波波速随干湿循环次数变化曲线如图5所示。

图5　平均纵波波速随循环次数的变化Fig.5　Variation of average P-wave velocity with cycle times

从图5可看出：膨胀土的平均纵波波速随着循环次数的增加呈非线性衰减，曲线整体呈现出3个阶段变化。第1阶段为第1～4次循环段，曲线的斜率较大，平均纵波波速衰减较快；第2个阶段为第5～6次循环段，曲线的斜率较缓，平均纵波波速衰减较慢；第3个阶段为第7～8次循环段，曲线趋于直线，声波波速趋于稳定值。这主要是由于压实膨胀土裂隙的萌生主要集中在第1～4次循环段，随着循环次数的增加，裂隙的发育逐渐趋于稳定[14-15]。经历干湿循环作用后的膨胀土试样出现不同程度的破坏损伤，并形成了大量的微裂隙等缺陷。当声波在膨胀土试样中传播遇到这些缺陷界面处时，会发生反射、透射和折射等现象，使得声波传播路径增长，波束扩散，波速减弱。随着膨胀土内部的微裂隙的发育程度的增大，声波波速会相应减小；当裂隙数量足够多时，便会因为土块尺寸过小导致裂隙的萌生和发展停止[14]。所以，当微裂隙的数量随着干湿循环次数增大而趋于稳定时，相应的声波波速也将趋于稳定。

5　　　　基于CT数的损伤变量与波速关系

干湿循环作用导致波速的变化可以用基于CT数的损伤变量D来进行解释。由于方差SD值对细观结构变化比ME值敏感，不能代表整个试样断面的细观结构变化，所以一般计算损伤变量时均采用CT数ME值[9]。CT扫描条件下，为了体现CT试验机分辨率的影响，通常定义损伤变量为[16]

(5)

式中：m0为YXLON工业CT机的空间分辨率；Δρ为膨胀土的密度变化；ρ为膨胀土的实时密度;ρ0为膨胀土初始密度;损伤变量D是一个相对值，试件在制作过程中即存在损伤，不存在完全无损伤的理想材料。D=0，即为第0次干湿循环时试件的损伤变量；D=1，即膨胀土试样结构发生完全破坏。

由CT原理可知[17]

(6)

式中：ME为膨胀土的实时CT数；ME0为膨胀土的初始CT数。

由式(5)和式(6)可得最终的损伤变量方程为

(7)

根据式(7)的损伤变量方程，计算膨胀土样的基于CT数的损伤变量，计算结果见表2。

表2　膨胀土损伤变量DTable 2　CT damage variable D of expansive soil

从表2中可以看出，干湿循环作用后膨胀土的损伤变量均为正值，说明了干湿循环作用破坏了土体颗粒间的联接，土体内部产生疲劳裂隙；随着循环次数的增加，损伤变量基本上呈非线性增大，土体联接破坏加大，微裂隙逐步发育，超声波在土体内部传播时遇到裂隙发生反射和绕射，导致平均纵波波速逐渐衰减[6]。

膨胀土经干湿循环的损伤变量与平均纵波波速之间的关系如图6所示。

图6　平均纵波波速与损伤变量之间的关系Fig.6　Relationship between average P-wave velocity andCT damage variable

由图6可以看出，膨胀土各层的损伤变量与平均纵波波速均呈良好的指数函数关系，其表达见式(8)。

Vp=A×exp(BD)。

(8)

式中A，B均为回归参数，分别为825.64，-0.650 1，其中拟合系数R2=0.977 8。

6　结　语

(1)从细观上看，随着干湿循环次数的增加，膨胀土的各向异性越来越明显，主要表现为CT数方差逐渐增大。

(2)膨胀土的平均纵波波速在第1～4次干湿循环作用段时变化幅度较大，而后随循环次数的增加变化逐渐减小并趋于平缓。

(3)CT数ME值代表该断面上全部物质点的平均密度，反映土体密度的相对大小；SD值则表示断面上物质点密度的差异程度。引入基于CT数的损伤变量可以反映膨胀土内部结构的损伤程度，同时损伤变量与其平均纵波波速具有良好的指数关系。

[1]袁俊平，殷宗泽，包承纲.膨胀土裂隙的量化手段与度量指标研究[J].长江科学院院报，2003，20(6):27-30.

[2]翟小洁.岩石在单轴受荷条件下的超声波特性研究[D].成都：成都理工大学,2008.

[3]LACHOURIA,DOGHMANEN,BENOUARETHM.StudyofRockAcousticCharacteristicsbyParametricSpectraAnalysis[C]∥Proceedingsof2004InternationalConferenceonInformationandCommunicationTechnologies:FromTheorytoApplications,IEEE.Thailand,November18-19,2004:

[4]SAADS,HEROUSL,DOGHMANEN,et al.ALaboratoryStudyofRockAcousticCharacteristicsbyParametricSpectralEstimation[J].ActaGeodaeticaetGeophysicaHungarica,2013,34(1/2):101-110.

[5]周蓓锐,简文斌,陈晓贞，等.某隧道工程围岩声学特性研究[J].水利与建筑工程学报,2012,10(3):25-29.

[6]王峥辉.下蜀黄土超声波波速与物理力学性质实验研究[D].南京：河海大学,2007.

[7]黄震, 韦秉旭.碾压膨胀土波速变化规律及声波技术应用探讨[J].路基工程,2014,(4)160-163.

[8]韦秉旭,黄震,周海波，等.基于波速变化的膨胀土疲劳损伤规律研究[J].长江科学院学报,2014,31(9):54-58.

[9]姚志华，陈正汉.重塑膨胀土干湿过程中细观结构变化试验研究[J].地下空间与工程学报,2009,5(3):429-434.

[10]尹小涛，党发宁，杨红喜，等.图像测量技术在岩土工程CT图像定量分析中的应用[J].岩土力学,2004,25(22):429-432.

[11]HOUNSFIELDGN.ComputerizedTransverseAxialScanning(Tomography)[J].BritishJournalofRadiology,1973,46(562):1016-1022.

[12]陈善雄,余颂,孔令伟,等.膨胀土判别与分类方法探讨[J].岩土力学,2005,26(12):1895-1900.

[13]CECS21—2000.超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].北京:化学工业出版社2000.

[14]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(09):2729-2734.

[15]杨和平,刘艳强,李晗峰.干湿循环条件下碾压膨胀土的裂隙发展规律[J].交通科学与工程,2012,28(1):1-5.

[16]郑剑锋,马巍,赵淑萍,等.三轴压缩条件下基于CT实时监测的冻结兰州黄土细观损伤变化研究[J].冰川冻土,2011,33(4):839-845.

[17]杨更社,张长庆.岩体损伤及检测[M].西安:陕西科学技术出版社,1998:79-80.

(编辑：赵卫兵)

Changes of Expansive Soil’s Meso-structure and Its Relation withAcoustic Velocity

WEIBing-xu1,GONGShu1,LIUBin1,LIUXiong1,OUYANGYun-qing2

(1.CollegeofTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China;2.KeyLaboratoryofRoadStructureandMaterialofMinistryofTransport,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China)

Thevariationlawofmeso-structureandaverageP-wavevelocityofexpansivesoilundertheconditionofdrying-wettingcycleswasstudiedthroughCTtechnologyandTH204nonmetallicacoustictest.Throughdefining

CTtechnology;expansivesoil;drying-wettingcycles;meso-structure;averageP-wavevelocity

2015-07-22;

2015-08-17

道路结构与材料交通行业重点实验室开放基金项目(kfj110205)

韦秉旭(1970-)，男,陕西户县人，教授，博士，研究方向为特殊土路基,(电话)18684907814(电子信箱)weibingxu555@163.com。

10.11988/ckyyb.20150616

2016,33(09):93-97,106

U416

A

1001-5485(2016)09-0093-05

CT-damagevariablebyresearchmethodsofdamagemechanics,therelationshipbetweenthechangesofmeso-structureandtheaverageP-wavevelocityresultedfromdrying-wettingcycleswasestablished.Resultsshowthatthefirsttothefourthdrying-wettingcycleshavebiginfluenceonthemeso-structureofexpansivesoil,andthedevelopmentofinternalmicro-crackwasobvious;whereastheseventhandtheeighthdrying-wettingcycleshavelittleinfluenceonthemeso-structure.TheaverageP-wavevelocityofexpansivesoilattenuatesnon-linearlywiththeincreaseofcycletimes,andfinallytendstobestable.Withtheincreaseofdrying-wettingcycletimes,thedamagevariableofexpansivesoilincreasesgradually,andtheevolutionofmeso-structuredamageisanon-linearaccumulatingprocess.CTdamagevariableisinagoodexponentialattenuationrelationshipwithaverageP-wavevelocity.