重塑黄土的湿化变形规律及细观结构演化特性

郭 楠 ，陈正汉 ,2，杨校辉 ，周 勇 ，肖文成

（1. 兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2. 陆军勤务学院军事设施系，重庆 401311；3. 陕西省南郑县卫生计生监督所，陕西 汉中 723100）

近年来，随着城镇化和“一路一带”的实施，城镇化建设用地的大量需求与城区可利用土地资源紧缺的矛盾日益突出，削山填沟造地应运而生，兰州、十堰和延安目前都在进行大规模的平山造地工程.如延安一期工程造地为10.5 km2，最大填土厚度为105 m，是目前世界上黄土地区规模最大的填方工程[1-2]；山西吕梁机场和延安新机场等都建在山区，填土为黄土，最大填土厚度近80 m，随之也产生了一系列岩土工程问题[3]. 高填方工程因压实度不一、降雨入渗或地下水位变化将导致不均匀沉降，为此，有的学者对填方工程进行了探索：程海涛等[4]基于室内一维固结试验，建立了描述重塑黄土变形特性的非线性模型，但由于试验是基于一维固结基础上的，所以无法反应应力状态的影响；关亮等[5]用三轴双线法对非饱和填土的湿化变形进行了研究，提出了计算湿化变形的简化方法；梅源等[6]对黄土高填方地基的沉降变形控制技术进行了试验研究，得出若干有益的结论. 但这些研究主要限于宏观上的现场监测分析和简化拟合，结合宏观和细微观两个方面研究填土湿化变形的成果在文献中报道很少.

沈珠江[7]指出：21世纪土力学的核心问题是土体结构性的数学模型. 观测土体结构损伤的试验方法是建立结构性损伤力学模型的基础，即只有微、细观结构研究才能揭示发生宏观现象的机理和本质.CT技术的引入，为复杂受力条件下岩土体材料内部结构的实时检测和定量描述提供了可能[8]. 陈正汉等[9-12]成功研制了土工CT-三轴仪，并用该仪器做了大量试验，从细观上解释了非饱和原状Q2黄土及原状Q3黄土的三轴浸水过程、屈服硬化过程和软化破坏过程等，分别建立了加载和湿陷过程的细观结构演化方程，进而提出了原状Q3黄土的结构性模型.朱宝龙等[13]采用陈正汉研制的土工CT-三轴仪，对合肥地区重塑黏性土在不同吸力、净围压下进行了非饱和固结排水三轴试验，得出了土体内部结构演化规律；雷胜友等[14]利用CT图像和数据初步分析了应变软化、应变硬化及湿陷过程中黄土细观结构的变化机理；罗爱忠等[15]针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题，通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性，引入谢定义[16]提出的黄土结构参数，分析了黄土结构性损伤的宏观力学反映. 以上试验研究大多针对原状黄土，对重塑黄土的细观结构研究甚少，李晓军等[17]对路基填土进行了单轴压缩试验，利用CT技术分析了不同受力过程中路基填土细观的结构变化，但其试验量较少，没有研究湿化过程中试样细观结构变化.

本文以延安新区的重塑Q2黄土为研究对象，用改进的CT-三轴仪研究了浸水过程中不同干密度、吸力、应力状态下试样的湿化变形规律和细观结构的变化特征.

1 试验仪器及概况

试验设备采用后勤工程学院CT-三轴科研站的CT-湿陷三轴仪. 为了能够更加精确地测量体应变及控制偏应力，对CT-湿陷三轴仪进行了改进升级，配套了3台GDS压力-体积控制器，如图1所示. 其中2台GDS压力/体积控制器分别控制和测量非饱和土三轴仪双层压力室的内、外室压力和体应变，第3台施加偏应力. 压力测量精度可以达到1 kPa，体积测量精度可以达到1 mm3. CT机是陕西省汉中市南郑县医院的医用CT，可在试验过程中对土样内部结构进行动态、定量和无损地测量，其扫描参数见表1.

湿陷三轴仪压力室的底座为二元结构，分为内、外两部分（图1）. 底座中部刻有宽为2 mm、深为2 mm的螺旋槽，其上嵌有进气值为500 kPa、直径为21.1 mm的陶土板，陶土板外围是厚为2 mm的环形铝合金隔墙. 隔墙外侧是宽为2 mm、深为2 mm的环形水槽，水槽中有一直径为3 mm的孔，此孔连通浸水阀门，用于浸水，浸水结束后用于排水. 水槽顶端嵌有多孔铜圈，铜圈的内径为27.2 mm，外径为39.1 mm，其上均匀分布两排直径为1 mm的透水孔. 该三轴仪既可做控制吸力的非饱和土试验，又可在加载稳定后浸水，为研究黄土湿陷、膨胀土湿胀和填土湿化过程中的细观结构变化提供了方便.

图1 改进后的CT-湿陷三轴仪及其底座Fig.1 Collapsible triaxial apparatus with improved CT and its base

表1 扫描参数Tab.1 Scanning parameters

试样的轴向变形用位移传感器测量，当三轴仪平卧在CT机床上时能照常测量.

试验用土是取自延安新区的Q2黄土，基本物理指标如表2所示[1]. 制样时，控制试样的干密度分别为 1.52、1.69 g/cm3和 1.79 g/cm3，对应压实度分别为79%、88%和93%，配置全部土样的含水率均为18.6%，试样的直径为39.1 mm，高度为80 mm.

表2 土样的基本物理指标Tab.2 Physical parameters of soil samples

试验按干密度分为3组，共做了17个浸水试验，即8个干密度为1.52 g/cm3，控制吸力、净围压及偏应力为常数的浸水试验，8个干密度为1.69 g/cm3，控制吸力、净围压及偏应力为常数的浸水试验及1个干密度为1.79 g/cm3，控制吸力、净围压及偏应力为常数的浸水试验，试验方案见表3.

试验过程分两个阶段，即控制吸力的偏压固结阶段和浸水阶段. 试验时，先对试样施加一定的净围压和偏应力，控制吸力为常数，让试样排水固结，直到变形和排水量稳定. 固结稳定的标准为两小时内体应变和排水均小于0.01 mL，固结历时40 h以上.固结完成后将气压力卸到0，同步将围压降低相应的数值以保持净围压不变；接着开始浸水，直到出水量等于进水量、试样变形稳定为止. 浸水时需根据试样浸水的难易程度适当调整浸水压力，但必须同步提高围压和浸水压力值，以保证净围压不变. 为了使试样内部的孔隙水压力较快地均匀化并加快浸水速度，给试样周边均匀放置了6条宽约4 mm的滤纸条.

表3 试验研究方案Tab.3 Experimental programs

浸水时水从陶土板外沿钢圈上的小孔进入，从试样帽排出. 试验前计算并测出水充满试样帽到出水阀门这段排水通路所需水量，则总浸水量减去排水量及停留在排水通路中的水就是试样的实际浸水量. 试验是按照序号从1～16的顺序依次进行的，发现2号和4号试样在浸水过程中的轴向变形远大于1号和3号试样，便结束了试验，但此时并未达到“直到出水量等于进水量、试样变形稳定为止”的标准，经计算其饱和度分别只有71.1%和68.8%. 故对后续的全部试验都严格按“直到出水量等于进水量、试样变形稳定为止”的标准执行，并在试验结束后对5个试样的含水率进行了抽样检查，在试样的上、中、下3个部位分别取土烘干，饱和度均达93%以上，与试验过程中测量的进水量和排水量的计算结果相符.

固结稳定后进行第一次扫描，扫描断面分别是距离试样底部1/3高度（下1/3，称为断面a）及距离试样顶部1/3高度（上1/3，称为断面b）两个截面.扫描结束后开始浸水，根据轴向位移调整扫描位置，对断面进行跟踪扫描. 扫描得到的CT图像上任意一个区域的CT数均值（M）和方差（S），分别反映该区域的平均密度和物质分布的均匀程度. M越大，土体越密实，土颗粒间的联结越强；S值越小，土颗粒排列分布越均匀. 观察试样扫描后的图像要选择适当的窗宽、窗位，且不同的试验需根据视觉要求设定不同的窗宽、窗位，不同的窗宽和窗位不影响试样的CT扫描数据.

2 试验结果分析

2.1 重塑Q2黄土浸水过程中的变形特性

2.1.1 第Ⅰ组试验的湿化变形分析

表4是干密度为1.52 g/cm3的试样在试验过程中的参数. 从表4可知，试样的固结变形较小，而湿化变形较大；除1号试样外，其余试样在固结稳定后的轴向应变均小于浸水湿化后的轴向应变. 由此可见，对干密度较低的填土，其湿化变形不容忽视.

表4 干密度为1.52 g/cm3的试样在试验过程中的参数Tab.4 Control conditions of test sample with= 1.52 g/cm3 %

试样 固结过程 浸水过程轴向应变 饱和度 轴向应变 饱和度 体应变1号 0.19 59.3 0.08 97.7 -0.58 2号 1.22 60.1 11.80 71.1 3.08 3号 0.26 55.5 0.73 96.2 0.64 4号 3.38 54.3 10.92 68.8 3.305号 0.25 57.9 0.51 97.2 2.49 6号 0.62 59.6 4.99 97.9 4.45 7号 0.49 53.8 1.63 94.1 3.62 8号 1.31 57.0 23.30 96.6 4.66

干密度为1.52 g/cm3的试样在浸水过程中有3个试样发生破坏. 其中8号试样由于轴向应变超过15%而发生破坏. 2号、4号试样轴向应变虽然未达到15%，但在浸水过程中，由于偏应力较大，试样的中下部在浸水过程中鼓胀严重，试样破坏. 从表3可知，2号、4号和8号试样的围压都比较低，而吸力和偏应力都比较大，说明低围压、高吸力和偏应力大的试样在浸水过程中容易发生破坏. 这一点具有实际意义，即干密度较低的填土地基在较大荷载作用下浸水时，其浅层部位很有可能会发生剪切破坏.

从表4中还可以看出，净围压、吸力、偏应力均较小时，试样易发生剪胀，其余均为剪缩. 当净围压较大，吸力、偏应力较小时，试样由少量的剪胀逐渐变为剪缩，其余均表现为剪缩. 可能是当净围压较小时，对试样的轴向应变的约束就越小，试样易发生剪胀. 干密度及其他条件相同时，净围压越大，试样的湿化体应变越大.

2.1.2 第Ⅱ组试验的湿化变形分析

表5是干密度为1.69 g/cm3的试样固结稳定后和浸水饱和后的参数.

表5 干密度为1.69 g/cm3的试样在试验过程中的参数Tab.5 Control conditions of test sample with= 1.69 g/cm3 %

表5 干密度为1.69 g/cm3的试样在试验过程中的参数Tab.5 Control conditions of test sample with= 1.69 g/cm3 %

试样 固结过程 浸水过程轴向应变 饱和度 轴向应变 饱和度 体应变9号 0.19 78.9 0.03 98.6 -0.58 10号 0.24 79.6 21.87 99.2 1.8 11号 0.14 74.4 0.08 99.2 1.18 12号 0.89 68.5 0.88 93.3 1.65 13号 0.13 72.3 0.05 96.6 1.04 14号 0.16 79.5 0.09 97.7 1.78 15号 0.20 78.3 0.05 95.4 1.67 16号 0.53 79.0 0.10 98.5 2.43

由表5可知：除10号试样外，其余7个试样的湿化轴向应变均小于固结轴向应变；该组试验只有10号试样由于净围压小，吸力、偏应力较大而发生破坏，其余试样均未破坏，且有6个试样的轴向湿化应变不超过1‰；10号试样由于压实度较大，固结稳定后轴向应变仅0.24%. 随着浸水的进行，试样饱和度不断提高，试样刚开始浸水时，速度较快，第2次扫描时饱和度已达到91.4%，较固结结束时提高了11.8%，轴向应变提高9.7%. 第3次扫描时饱和度为94.1%，轴向应变增加11.2%，此后，随着浸水量继续增大，轴向应变迅速增大，第4次扫描时已达到21.9%，试样发生湿剪破坏. 由此可见，填土层在含水率较低和承受荷载较大时，遇水浸湿发生破坏的可能性较大，特别是压实度低的填土在浸水时更容易发生破坏.

与干密度为1.52 g/cm3的试样相似，净围压、吸力、偏应力均较小时，试样表现出较强的剪胀性，其余均为剪缩. 吸力较大的试样，由于固结过程中排出的水量较大、含水率较低，在开始浸水后试样体应变变化较大.

2.1.3 干密度对湿化变形的影响

以上试验结果表明，干密度、净围压、吸力及偏应力均对试样的湿化变形有影响，但干密度的影响最大，这可从4个方面说明：（1） 对比表4和5可知，无论是固结变形还是湿化变形，干密度大者变形小，而干密度小者变形大；（2） 从变形量级上看，干密度为1.52 g/cm3试样的湿化轴向应变中有5个大于1%，而干密度为1.69 g/cm3试样的湿化轴向应变中只有一个大于1%，其余7个均小于1%，有6个不超过1‰；（3） 从发生破坏的试样数量看，干密度为1.52 g/cm3的试样中有3个发生湿化剪切破坏，而干密度为1.69 g/cm3的试样只有1个发生湿化剪切破坏；（4） 干密度1.79 g/cm3的试样，尽管吸力较高（300 kPa）、偏应力较低（100 kPa），但浸水相当困难，在15 kPa的浸水压力下，历时24 h浸水量仅0.7 g，历时60 h浸水量1.1 g，将浸水压力增加至40 kPa，同时相应的增大围压，使净围压保持不变，再历时30 h，总浸水量也只有1.3 g. 由此可见，提高压实度可有效减小湿化变形量，减轻或避免发生湿化剪切破坏.

2.2 三轴浸水CT图像及细观结构演化分析

为了研究扫描区域大小对CT图像及其数据的影响，在每个试样的两个扫描断面分别随机选取3个半径不同的圆进行扫描. 3个圆在固结后第1次扫描的M和S都很接近，说明在浸水前土样是相当均质的；第2次扫描时水分进入很少，3个圆的M非常接近，S的差别变大；第3次和第4次扫描时，圆2和圆3的数值很接近，而圆1的数值与圆2、圆3相差较大. 鉴于圆1的数据代表整个横断面，故取圆1的扫描数据进行分析.

2.2.1 第Ⅰ组试样湿化过程中的细观结构演化特征

图2是4号试样在不同时刻的CT扫描图像.由图2（a）可知：该试样断面a处在固结结束（即第一次扫描）时，存在明显的高密度区和孔洞；随着水的渗入，土体内的含水量增加，颗粒间吸力减小，土颗粒之间发生滑移、错动、跌落等变形，使得孔隙区域减小. 结合表4可知，该试样在第3次扫描时轴向应变为14.3%（固结过程及浸水过程的轴向应变之和），断面a截面面积显著增大，由固结稳定后的1 133.4 mm2，变为第 3次扫描时的1394.6 mm2，试样破坏，停止试验.

由图2中（b）可以看出：试样在浸水过程中，高密度区域并非从开始就一直减小；由于偏应力的作用，轴向应变不断增大，尽管水还未渗入到断面b处或渗入量比较少，在第2次扫描时试样的高密度区域位置转移，面积有所增加，试样的平均密度增大；而后高密度区域逐渐消失，土颗粒排布趋于均匀，截面积略有增大.

图2 4号试样浸水过程中的CT图像Fig.2 Images of CT scanning of the fourth sample in soaking tests

图3 是干密度为1.52 g/cm3的非饱和Q2重塑黄土在净围压分别为50、100 kPa下，三轴浸水过程的浸水量与CT数、CT方差之间的关系曲线（限于篇幅，仅取试样断面a处的数据进行分析，下同）.

从图3中可以看出，CT数变化有3个特点：（1） 所有CT数曲线的变化趋势均为上升，说明在浸水过程中，土样越来越密实；参考表4可知，这是由于土样在湿化过程中发生了较大的体积压缩所致.（2） 在浸水的初始阶段，CT数变化比较剧烈，特别是偏应力较大的试样更是如此，但随后的变化比较平缓；说明在浸水初期，试样的原有结构发生破坏，但随着湿化变形的发展，又逐渐形成新的结构. （3） 吸力相同的土样，偏应力大者的CT数亦大，参考表4可知，偏应力大者的体积压缩亦大，密实度亦大，其CT数理应较大.

从图3还可看出，CT方差的变化也有3个特点：（1） 所有方差曲线的变化趋势与CT数曲线相反，均呈下降趋势，说明在湿化过程中土样向均质发展；（2） 方差曲线的变化比 CT 数曲线平缓；（3） 试样的吸力和偏应力越大，相应的方差越小.

2.2.2 第Ⅱ组试样湿化过程中的细观结构演化特征

图4是16号试样在不同时刻的CT扫描图像.图中可看出：试样初始存在不均匀性，试样断面a在固结结束时高密度区域面积较小，存在较多孔隙；而断面b处在固结结束时，高密度区域面积较大，孔隙相对较小. 通过CT数及方差可以明显地发现，干密度越大，这种不均匀性就越低. 如图2中，4号试样在浸水前断面a和断面b处的CT数分别为1 345.35 Hu（housfield unit）和1311.36 Hu，两者相差 33.99 Hu；相应的方差分别为75.86和83.13，两者相差7.27.而图4中的16号试样，在浸水前断面a和断面b处的CT数分别为1 536.37 Hu和1 547.08 Hu，两者相差10.71 Hu；相应的方差分别为51.40和55.65，两者相差4.25. 随着土体不断压密，孔隙消失、试样的均匀程度提高.

图3 干密度为1.52 g/cm3试样浸水量与CT数、浸水量与CT方差之间的关系曲线ρd=1.52 g/cm3Fig.3 Curves M and S vs. quantity during wetting of the sample with

图4 16号试样浸水过程中的CT图像Fig.4 Images of CT scanning of the 16th sample in soaking tests

图5 是干密度为1.69 g/cm3的非饱和Q2重塑黄土在净围压分别为50、100 kPa下，三轴浸水过程的浸水量与CT数、CT方差之间的关系曲线.

从图5可以看出，CT数及CT方差变化具有与图3相同的特点. 除上述特点外，参考图3、表4、5可知，浸水初期，试样原有结构发生破坏，CT数变化较剧烈，均能达到总变化量的60%. 干密度越大，CT数及CT方差变化的幅度越小，轴向应变也越小，说明干密度较大的土样在湿化过程中体积压缩较少，CT数增加较为缓慢.

2.2.3 第Ⅲ组试样湿化过程中的细观结构演化特征

图6是干密度为1.79 g/cm3的17号试样在不同时刻的CT扫描图像. 试样固结稳定后的轴向应变为0.01%，饱和度为87.9%. 由于干密度较大，试样浸水很慢，故将浸水压力增加至40 kPa，同时相应地增大围压，使净围压保持不变，90 h后试样内浸水1.3 g. 第3次扫描时试样轴向应变仅0.03%，体应变为0.019%（固结过程与浸水过程轴向应变之和）.从图6中可看出：在第1次扫描时均匀性就比较好，仅存在少量黑点及灰色点；仅第3次扫描图像略白，与调整的窗宽、窗位有关，CT图像没有明显变化. 考虑到试样压实度较高，浸水较为困难，故停止其余相关试验.

图5 干密度为1.69 g/cm3试样浸水量与CT数、浸水量与CT方差之间的关系曲线ρd=1.69 g/cm3Fig.5 The curves M and S vs. quantity during wetting of the sample with

图6 17号试样浸水过程中的CT图像Fig.6 Images of CT scanning of the 17th sample in soaking tests

3 细观结构演化定量分析

3.1 基于CT数据的结构性参数

在浸水过程中，土样在剪应力和水的共同作用下原有结构渐趋破坏，大部分土样发生体缩，又逐渐形成新的均质结构. 为了描述土样在浸水过程中的结构演化，引入描述土细观结构的参数.

定义基于CT数的结构参数 m 为

式中：Mi为试样浸水前的CT数；Mf为试样在浸水结束时的CT数.

当M=Mi时， m=1 ； 当M=Mf时， m=0.m从0～1，表示土样结构逐渐演化的过程. 由此定义的结构演化参数是一个相对值，可用以分析土样的结构演化规律.

定义 εw为含水率变化量，即

式中： w0为初始状态含水率； w 为浸水过程中任意时刻的试样含水率.

图7为干密度分别为1.52 g/cm3和1.69 g/cm3的试样含水率增量与结构参数之间的关系曲线，呈现3个特点：（1） 所有曲线的初始段急剧下降，这与开始浸水时土样原有结构发生破坏相吻合. （2） 曲线的前半部分近似于直线，而曲线后半段变化平缓，各曲线趋于水平线，反映试样趋于饱和，其原有结构已经基本破坏，压密变形趋于停止. （3） 干密度、净围压、吸力、偏应力和含水率变化均对结构性有显著影响. 在其他条件相同时，净围压越大，初始结构参数越大，当干密度、净围压及偏应力相同时，吸力较大的试样，固结后含水率较低，原有结构性保存较完整，故其初始结构参数较大；浸水后，其湿度改变量大，试样体应变就越大，相应的结构参数改变幅度也越大.

图7 试样含水率增量与结构参数之间的关系Fig.7 Curves ε w vs. m of the sample

3.2 结构损伤演化

为了描述浸水湿化过程中结构损伤演化，定义结构损伤变量为

式中： m0为土样初始状态的结构参数； D 的变化范围为从初始状态时的0到湿化破坏的1.

图8为浸水过程中试样体应变与结构演化变量之间的关系曲线. 由图可知，与结构参数变化规律相似，随着体应变的增加，结构损伤变量在初始阶段变化较快，且趋于直线，后半段趋于平缓.

图8 试样体应变与结构演化变量之间的关系εvFig.8 Curves vs. D of the sample

同结构性参数类似，结构损伤变量受干密度、净围压、吸力、偏应力和含水率的影响均较大，在建立结构演化方程时必须同时考虑以上因素，其具体形式有待今后进一步研究.

4 结 论

利用CT-三轴仪，从宏观湿化变形和CT图像及CT数3方面分析了非饱和重塑Q2黄土在浸水过程中的湿化变形规律和细观结构变化的过程，得出以下结论：

（1） 改进升级的CT-三轴仪不仅能在加载过程中浸水和实时观测试样结构的变化，而且能方便地施加/控制内、外压力室的压力、偏应力、进水压力和进水量，显著提高了测量试样体应变和浸水量的精度.

（2） 干密度、净围压、基质吸力和偏应力均对试样的湿化变形有显著影响. 低围压、高吸力和偏应力大的试样在浸水过程中容易发生破坏；净围压、吸力、偏应力均较小时，试样易发生剪胀；净围压越大，吸力对试样湿化变形的影响就越来越小；提高干密度可有效减小湿化变形量和降低发生湿剪破坏的风险.

（3） Q2重塑黄土浸水湿化过程的宏观力学特性与其细观结构变化密切相关：在浸水过程中，所有试样的CT数均增大，反映由于湿化变形试样越来越密实；浸水初期，试样原有结构发生破坏，CT变化较剧烈，特别是偏应力大的试样更是如此；随后CT数的变化趋于平缓，土样逐渐形成新的结构.

（4） 基于CT数定义了土的结构参数和结构损伤演化变量，含水率增量-结构参数关系曲线及体应变-结构演化变量关系曲线前半部分均近似于直线，后半段变化平缓，趋于水平，反映了在湿化过程中土样结构的变化特征.

（5） 结构性参数和结构损伤演化变量均受干密度、净围压、吸力、偏应力和含水率改变量的影响均较大，在建立结构损伤演化方程时必须同时考虑以上因素.

本文的研究结果对填土工程的设计具有重要参考价值，也为今后建立重塑黄土的损伤演化方程及结构性模型提供了科学依据.