基于核磁共振技术的贵阳红黏土剪切全过程孔隙演变规律研究*

杨国生 左双英 莫云川 张亚彬 李加华

(贵州大学资源与环境工程学院， 贵阳 550025， 中国)

0 引 言

红黏土是碳酸盐岩风化和红土化后的产物，常出现在热带与亚热带地区，广泛分布在我国长江以南地区，特别是在云贵高原、湖南、广西等地区大面积出露，分布面积达一百万余平方公里，是我国的主要土类之一(廖义玲等， 2004； 付开隆， 2008； 陈鸿宾等， 2019； Zhang et al.，2020)。大量的试验研究表明，红黏土拥有高含水率、高液塑限以及高孔隙性和中-低压缩性(廖义玲等， 1989； 张先伟等， 2011； Wei et al.，2019； 游庆龙等， 2019； 吕擎峰等，2019)，一直以来红黏土在工程建设中都占有极其重要的地位，很多学者对其开展了诸多有益的探索，推进了人们对红黏土的认识，这些研究分别从红黏土的地质特征、地球化学特征、物质组成、结构特性以及水理性质和物理力学性质入手，揭示了红黏土特殊性的本质，阐述了红黏土具有较好力学性质和较差物理性质的内在原因(贺珺等， 2009； 廖义玲等， 2006； 唐薇等， 2013； 李剑等， 2014； 赵蕊等， 2015； 张彦召等， 2017)。岩土材料的宏观变形破坏是细(微)观结构累积变化的集中体现，而细(微)观结构的变化规律则是宏观力学行为的内在机制。近年来，随着科学技术的快速发展，三维扫描技术与计算机图像处理技术已广泛运用于岩土材料的研究，这为岩土材料的宏观力学机制与细观(微观)结构行为的研究开辟了新的渠道(刘勇健等， 2018； Dong et al.，2020； 孙中光等， 2020； Chen et al.，2021)。谭龙等(2017)在土体微观孔隙的研究中分析了CT扫描技术、压汞测试、以及核磁共振技术等试验手段的优劣性，指出核磁共振技术更适用于土体微观孔隙结构的测试。之后，一部分学者采用核磁共振弛豫谱和扫描电子显微镜对不同干湿循环作用下的黄土进行测试，对比分析了荷载条件下黄土的细-微观结构变化行为，验证了宏观力学作用下土体孔隙结构的演化规律(江强强等， 2019； 叶万军等， 2019； 潘振兴等， 2020； Xu et al.，2020)，另一部分学者采用这两种试验方法分别探讨了改良前后土体的孔隙分布以及颗粒之间的胶结特性，揭示了细观结构对土体强度的影响(安爱军等， 2018； 吕擎峰等， 2019； Wang et al.，2020)。还有学者借助核磁共振技术快速、无损、准确的优势，探讨分析了冻土冻融过程中孔隙水含量和孔径分布特征曲线的变化规律，揭示了冻土的强度与变形特性(晏长根等， 2019； Tian et al.，2019； 孔勃文等， 2020； Wan et al.，2020； 叶万军等， 2021)。 这些研究成果在很大程度上促进了人们对荷载作用下土体细观结构的认识，为建立宏-细(微)观等效关系提供了思路，但却很难克服试样在细-微观结构上存在的天然差异，往往需要开展较多的试验来获取较为可靠的数据，进而得到岩土材料细-微观结构与宏观力学统计规律。 Wang et al. (2018)、Lin et al. (2019)根据外力作用下岩土材料核磁共振T2谱图包含的孔隙(裂隙)信息，定义了损伤变量，阐明了岩土材料强度渐进劣化的细观损伤行为，周科平等(2012)、谢凯楠等(2019)、王琨等(2020)、安然等(2020)基于核磁共振成像技术分析了不同环境条件和应力状态下流体在岩土材料中的形态分布和孔隙介质的结构变化，进一步证实了岩土材料渗流特性、流-固物理化学作用以及细观损伤特性。综合以上分析，目前基于核磁共振技术与电子显微镜扫描技术对荷载作用下红黏土剪切全过程细观结构演化的研究较少，同时探讨分析荷载作用下岩土材料宏观力学行为与细(微)观结构的演化规律是揭示岩土材料强度渐进劣化的前提，也是验证一系列细观损伤模型合理性的根本。为此，以贵阳红黏土为研究对象，通过开展饱和试验、核磁共振测试、电子显微镜扫描测试以及三轴压缩试验，研究常规三轴压缩条件下贵阳红黏土剪切全过程中孔隙结构的演化规律，分析荷载作用下土体宏观破坏形态与细观结构之间的响应，揭示荷载作用下红黏土的细观变形机制，阐明土体的宏-细观之间的相互关系，为贵阳红黏土宏-细观损伤模型的建立提供一定理论支持。

1 材料与方案

1.1 试验土样

试验土样取自贵州大学西校区物探试验区(106°39′30.16″， 26°26′38.40″)，取样深度3～5m，试验土样以褐红色、棕黄色为主，土样呈可塑-硬塑状态，试样土样的天然含水率为32.94%，湿密度为1.736g·cm-3，比重为2.647，塑限为30.59%，液限为48.18%，试样的孔隙比为1.02，压缩指数为0.126，回弹指数为0.016。试样的XRD测试结果显示，试样中主要以石英为主，伊利石和高岭石含量次之，而白云石与正长石等矿物含量最少，试验土样和XRD测试结果，如图1、表1所示。

图1 试验土样及XRD测试结果

表1 试验土样矿物含量百分比

1.2 核磁共振测试基本原理

核磁共振是指“淹没”在恒定外加静磁场中带有自旋磁矩的原子核(氢核)，吸收了某一特定频率f的电磁波，发生能级跃迁，改变能量状态，核自旋系统被极化，达到了新的平衡状态。针对样品开展的核磁共振测试主要涉及到恒定外加静磁场与射频磁场，这两个磁场的频率相同且方向垂直，样品的氢核在恒定外加磁场中发生偏转，形成新的平衡状态； 之后，在射频磁场的作用下，被极化的氢核将再次发生偏转，达到另一种平衡状态。当射频磁场撤出后，氢核将回到静磁场下的平衡状态，这一过程中氢核将在不同的方向上产生不同的弛豫分量，分别为纵向弛豫T1与横向弛豫T2，横向弛豫与纵向弛豫包含相同的信息，一般采用横向弛豫T2分析孔隙流体的性质(刘卫等， 2011)。流体的弛豫时间又可分为体弛豫T2B、表面弛豫T2S以及扩散弛豫T2D，如式(1)所示：

(1)

当试样处于均匀磁场中时，土体的体弛豫与扩散弛豫的影响可以忽略不计，因此，横向弛豫时间可以近似表示为(Zhu et al.，2019)：

(2)

式中：ρ2为横向弛豫率，T2s为表面弛豫时间，(S/V)pore为孔隙比表面积，其大小是孔隙表面积与孔隙体积的比值；Fs是孔隙形状因子，大小等于1、2、3，分别对应平面、柱形孔与球形孔(Godefroy et al.，2001)； 本文考虑孔隙的体积为球形，Fs=3，同时结合以往对红黏土开展的一系列研究成果，横向表面弛豫率取3.0μm·s-1(李彰明等， 2014; Chen et al.，2021)。

试验采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的MesoMR12-060H-I型核磁共振成像分析仪，测试样品允许最大尺寸为φ60mm×100mm，磁体温度控制在32±0.01℃，射频中心频率12MHz，射频偏移频率645.55671kHz，射频延时0.02ms， 90度脉宽为8.52μs， 180度脉宽为16.48μs，模拟增益10dB，数字增益3，前放档位1，等待时间3000ms，累加次数32，回波时间0.15，回波个数12000。

1.3 试验方案

针对贵阳红黏土分别开展2次饱和试验， 2次核磁共振测试以及1次常规三轴压缩试验，最后使用SEM电镜对不同压缩条件下的红黏土进行扫描测试，其中开展饱和试验是进行核磁共振测试的基础，试验装置如图2所示。为使红黏土的饱和度达到试验要求，针对剪切前后同一个红黏土试样抽真空饱和3h，再静置于极限负压下饱和9h，然后分别开展核磁共振测试，获得剪切前后红黏土试样孔隙结构性参数，试验过程具体如下：(1)按土工试验方法标准(GB/T50123-2019)制作大小为φ39.1mm×80mm的样品，并称取样品的初始质量m0; (2)开展第1次饱和试验和第1次核磁共振测试，如图2a、图2c所示； (3)将处于饱和状态的红黏土试样静置在室温环境中失水，以饱和后样品质量m1=m0±0.2g作为失水标准，之后再开展不同应变量下的常规三轴压缩试验，使得试样发生不同程度的压缩剪切，如图2b所示； (4)对不同压缩后的红黏土试样进行预处理，预处理方法如图3所示，之后进行第2次饱和试验、以及第2次核磁共振测试； (5)最后对部分饱和后的试样进行抽真空冷冻干燥，开展SEM电镜扫描测试，如图2d所示。试验方案如表2所示，

图2 试验仪器

图3 剪切后试样预处理

表2 荷载作用下贵阳红黏土细观损伤行为试验方案

其中上标有#的编号为开展SEM电镜扫描的试样，试验共计18个试样。按照试验方案分别控制不同的应变量对贵阳红黏土开展常规三轴压缩试验，进一步得到了荷载作用下1#-6#样品的应力-应变关系，如图4所示。土体在荷载作用初期的小应变阶段弹性变形较大，而进入塑性阶段后土体的弹性变形往往很小，结合图4分析，当应变ε1≥3%后样品将以塑性变形为主，弹性变形较小，而卸载回弹的实质是弹性变形的恢复。从图4中还可以看出，随着轴向应力的逐渐增大，应力-应变关系曲线的变化趋势基本一致，土体变形主要表现出了应变硬化特征。然而，尽管试验土样取自贵州大学西校区工程物探试验区1m×1m的范围内，但土体的强度与变形却不尽相同。因此，在以往土体细-微观结构与宏观力学强度的研究中往往需要开展大量重复性试验，使试验数据拥有较高的可靠性，这反映了采用先进的无损、快速、准确的技术手段，以及适宜的试验方法开展试验研究的必要性，这也对深入理解贵阳红黏土的变形演化特征和机理具有重要意义。

图4 不同应变量下贵阳红黏土应力-应变关系曲线

2 贵阳红黏土核磁共振测试分析

2.1 贵阳红黏土T2谱图特征

在岩土材料中，幅值的大小代表核磁共振信号量的多少，信号量与孔隙含水量成正相关，横向弛豫时间代表着不同的孔隙类型(Tian et al.，2019)。本文将剪切前后的红黏土试样经饱和后直接开展低场核磁共振测试，分别获得了18个试样三轴剪切前后的核磁共振测试T2谱图，所有样品的测试结果变化趋势类似，只是幅值增加量与弛豫时间移动量不同，这里仅对“σ3=200kPa、ε1=18%”的红黏土样品剪切前后的T2谱图进行分析。如图5所示，剪切前后红黏土试样都表现出“三峰型”，其中第Ⅰ峰处于0.3～4ms之间，第Ⅱ峰处于10.5～100ms左右，第Ⅲ峰处于100～3000ms之间； 试样剪切后第Ⅰ峰信号量增多，第Ⅱ、Ⅲ峰信号量减少，并且T2谱图向坐标右侧发生了移动。结合式(2)分析可知，第Ⅰ峰为试样直径最小的孔隙，第Ⅱ、Ⅲ峰对应中-大型孔隙； 由此表明，随着荷载的增加，红黏土试样中的小孔数量逐渐增多，大孔的数量在逐渐减少，同时小孔的孔径发生了细微的增加，而中-大孔的孔径增加较为明显，这从细观上揭示了红黏土的孔隙类型以及三轴压缩过程中孔隙大小的变化。

图5 荷载作用下贵阳红黏土剪切前后T2谱图

2.2 荷载作用下贵阳红黏土峰面积百分比变化

峰面积在低场核磁共振试验中是一个重要的参数，代表着某一段弛豫时间内的总信号量。结合上述对红黏土试样孔径类型的划分，分别对剪切前后红黏土试样小孔、中孔及大孔的峰面积百分比进行分析，探讨不同应变量下峰面积百分比的变化，获得红黏土剪切全过程中3种类型孔隙的变化规律。如图6所示，图6a、图6b、图6c分别为小孔、中孔和大孔随应变的变化规律，图6d、图6e、图6f、图6g、图6h、图6l分别表示应变量为3%、6%、9%、12%、15%、18%时土体的宏观变化形态。结合图6d～图6l，对贵阳红黏土剪切全过程的孔隙结构进行分析可知，在小应变的情况下红黏土的表面形态没有明显的变化，主要以试样的内部颗粒之间相对位置的调整为主，此时试样的压密变形为主导地位。随着应变的逐渐增加，红黏土开始出现剪胀效应，同时内部的软弱部位开始逐渐形成了肉眼可见的弧形小褶皱，这些褶皱可以视为是土体内部孔隙扩张、延伸、贯通以及新孔隙的形成所导致，因此，在一定范围应变下，小孔隙是逐渐增多的。而中-大型孔隙对应力状态较为敏感，孔隙百分比整体表现出曲折下降，当应变量达到15%时，试样表面褶皱急剧增多，且朝向一个方向倾斜，此时土体内部即将形成贯通剪切滑移面，之后发生滑移面上颗粒之间的滑移错动，进而导致小孔隙百分比减少、中-大型百分比孔隙增多。另外，围压越大，红黏土试样的孔隙百分比变化越大，这从宏观形态上揭示了红黏土试样在三轴压缩过程中3种类型孔隙的演化规律。

图6 贵阳红黏土剪切全过程孔隙演化

2.3 贵阳红黏土剪切全过程孔径分布演化规律

根据贵阳红黏土不同应变量下剪切前后的核磁共振测试结果，同时结合式(2)，以表面弛豫率为3μm·s-1进行计算，获得不同应变量下贵阳红黏土剪切前后的孔径分布，进而求得孔径分布增量ΔPs。再以所有样品未剪切前不同孔径百分比的平均值作为试样的初始孔径分布，进一步得到贵阳红黏土剪切全过程孔径分布的演化规律，如图7a、图7b、图7c与表3所示。可以看出，贵阳红黏土的孔径多分布在0.005～0.1μm之间，其中孔径处于0.01～0.02μm的孔隙最多。随着应变的逐渐增加，红黏土孔径大小在0.002～0.01μm范围内的孔隙数量在逐渐减少； 孔径大小在0.01～0.1μm范围内的孔隙数量在逐渐增加； 孔径大小在0.1～90μm范围内的孔隙数量在不断地减少。这说明在荷载的作用下贵阳红黏土内部的孔隙整体上变小了，大一级尺度的孔隙逐渐向小尺度的孔隙过渡，其中大-中孔隙过渡的量远大于小孔隙过渡的量，小孔隙表现出增加效应，大孔隙对荷载作用最为敏感，中等孔隙次之，小孔隙较为迟钝。同时也可以看出，围压大小对红黏土孔径的大小影响不大。

图7 贵阳红黏土剪切全过程孔径分布的变化

表3 不同围压下贵阳红黏土剪切全过程孔径分布汇总

3 贵阳红黏土MRI图像分析

采用核磁共振技术对剪切前后相同饱和条件下的贵阳红黏土样分16层进行切割，形成MRI成像，并取第9层剪切前后的图像进行分析，如图8所示，其中红色和黄色代表孔隙，绿色代表土颗粒。从剪切前贵阳红黏土MRI成像图中可以看出，尽管同一区域同一深度取出的土体，仍然不可避免土体之间存在的差异性，这也说明本文采用低场核磁共振技术对同一试样剪切前后的孔隙结构进行研究是合理的。未剪切前的红黏土中含有大量的孔隙，孔隙分布较为广泛，并且这些孔隙结构不具有明显的方向性，排列散乱，孔隙尺度不一； 随着应力的逐渐增大，试样的剪切变形不断增加，红黏土内部孔隙不断延伸、扩张和贯通，形成局部孔隙密集分布区。土体的强度逐渐损失，孔隙集中分布方向也发生了不同程度的调整，分析认为这主要是两方面原因造成的，一是红黏土颗粒与颗粒之间的胶结强度不同、颗粒形状各异、土骨架与孔隙交错组合形式复杂，使得土体内部存在架空结构与潜在软弱带； 二是应力状态的施加使得红黏土发生了不同程度的损伤，这种损伤主要表现为颗粒之间的滑移，进而导致孔隙集中分布方向发生了调整。

图8 贵阳红黏土剪切前后核磁共振成像分析

4 常规三轴荷载下贵阳红黏土细-微观结构分析

4.1 贵阳红黏土细-微观形态特征

在土体细-微观结构的研究中，最关注的是测试样品的代表性，因此，在制作标准三轴试样的过程中保留了SEM测试样品两端多余的土样。同时，为尽可能避免人为因素对试样的扰动，采用薄刀片从保留土样的上部、中部、下部分别分割出了3块约为1cm3的土样，并在其中间刻出一条深为1mm左右的槽，之后迅速进行抽真空冷冻干燥处理，再采用“掰断法”使土块沿刻槽产生新鲜断面，然后选取较为平整的新鲜断面切取薄片进行喷金处理，并开展SEM电镜扫描试验，最后分别在×200、×500、×1000倍电镜下对新鲜断面进行观察，如图9所示。可以看出，红黏土内部天然存在着凹槽、空腔以及狭长的缝隙，颗粒重叠交错形成架空结构，土颗粒松散，孔隙形态较为直观，这些结构是导致红黏土形成高孔隙性的内在原因。另外，在红黏土表面存在大量的薄片状、片状、叠层状结构以及大小尺度不一的球形团聚体和絮凝结构，土颗粒多以边-面接触和面-面接触为主，存在少量的点-面接触和点-点接触。土颗粒之间相互交错嵌入，紧密胶结，颗粒排序不具有方向性，并伴有巨块状、板块状、棱体状和扁平状矿物颗粒出露。结合红黏土的矿物形态以及XRD测试结果，我们认为这些矿物颗粒主要是石英，这也是红黏土强度较大的一个内在原因之一。

图9 不同放大倍数下贵阳原状红黏土的细-微观结构

4.2 荷载作用下贵阳红黏土细-微观结构量化分析

结合4.1中论述的方法，采用SEM扫描电镜分别获取了所有测试样品保留土样在×1000倍时的初始孔隙结构图像，再采用同样的方法分别获取了剪切后样品的孔隙结构图像，尽可能保证了样品的一致性与可对比性。针对贵阳红黏土剪切前后的扫描电镜图像，采用南京大学刘春等研发的颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)，同时结合Liu et al.(2011)、汤强等(2017)对黏土细-微观结构研究中建议的方法，通过调节不同的阈值分别对剪切破坏前后的贵阳红黏土扫描图像进行多次矢量化处理，获得不同应变下贵阳红黏土剪切前后的平均形状因子、概率熵、分形维数等孔隙结构参数平均值，如图10、表4所示。其中图10b中彩色部分代表孔隙，黑色部分代表颗粒。

图10 贵阳红黏土扫描电镜图像的PCAS处理

表4 贵阳红黏土剪切前后孔隙结构定量化参数

在采用PCAS研究土体细-微观孔隙结构性参数时，概率熵可用于表征孔隙排列的方向性与混乱程度，其值在0-1区间，取值越大则孔隙越无序，越混乱。由表4可以发现，随着应变的逐渐增加，土样的概率熵整体上不断增加，表明孔隙在方向上越来越混乱； 当应变达到15%时，概率熵出现了较大幅度降低，相对而言，此时孔隙形态表现出了一定的方向性。之后，孔隙形态再次变得复杂，说明此时土体内部形成了贯通的剪切面，孔隙形态具有方向性，这一过程也与2.2节中不同应变下贵阳红黏土宏观破坏形态与孔隙形态演化相符。面积概率分布指数主要描述孔隙面积的分布特征，反映的是土体中不同类型孔隙数量的演化规律。在贵阳红黏土整个剪切破坏过程中，面积概率分布指数表现出了先增大后减小，说明小孔隙经历了先增大后减少，而大孔隙先减少后增大。这与核磁共振测试结果不太相符，我们分析认为产生这种差异的原因主要在于两种测试方法对孔隙尺度的界定不一致，中低场核磁共振测试的孔径范围为0～90μm，而SEM扫描电镜获取的孔径范围约在1～50μm的范围内，因此，低场核磁共振测试获得试样的孔径尺度更小，而电镜扫描以高倍镜成像为基础，获得土体孔径的尺度较大，两者划分的大、小孔隙类型并不相同，经PCAS矢量化处理后所划分的孔隙类型有一定的模糊性，其本质是扫描电镜对红黏土孔径分布的分析上存在局限性，只能反映局部孔隙类型的变化规律。平均形状系数用来表征孔隙的磨圆度，取值在0～1之间，形状系数越小，孔隙形状越不均一，越狭长，反之，孔隙越接近于圆形。贵阳红黏土剪切全过程中孔隙的平均形状系数整体表现出增大的趋势，说明荷载作用下红黏土颗粒之间狭长的缝隙被逐渐压实，颗粒不断靠拢聚合，颗粒团粒化程度提高，孔隙形态逐渐变得圆滑，孔隙形态越相似。此外，分形维数是描述孔隙的规则程度与孔隙轮廓的复杂性指标，其值大小为1～2，分形维数越大，孔隙越不规则，孔隙轮廓越复杂。随着土体变形破坏的逐渐发展，贵阳红黏土的分形维数表现出了先减小后增大，分析认为这是由于土颗粒重新调整、排列及交错嵌入使土体孔隙变得规则化，孔隙轮廓逐步向单一化发展，而之后颗粒之间的滑移错动与潜在软弱面贯通导致孔隙的规则程度降低，孔隙轮廓变得较为复杂，这一过程与土体在宏观上表现出的压硬性和鼓胀变形具有密切联系。

5 结 论

(1)低场核磁共振测试结果显示贵阳红黏土剪切前后的T2谱图表现出三峰型，按不同的峰型可以将孔隙划分为大孔隙、中孔隙、小孔隙，荷载作用下贵阳红黏土小孔隙数量逐渐增加，大-中孔隙数量逐渐减少，孔径尺寸逐渐增加。

(2)受力状态的改变是导致红黏土细观结构变化的原因，在小应变情况下红黏土以内部颗粒之间相对位置的调整为主，随着应变的逐渐增加，红黏土内部孔隙不断扩张、延伸、贯通、形成新的小孔隙，以及形成剪切滑移面是贵阳红黏土细观结构参数变化的具体体现。

(3)荷载作用下贵阳红黏土内部孔隙体积整体表现出变小的趋势，大尺度孔隙逐渐向小尺度的孔隙发展，大孔隙对荷载作用最为敏感，中等孔隙次之，小孔隙较为迟钝。围压对红黏土的孔径大小影响不大。

(4)红黏土内部存在天然凹槽、空腔以及狭长的缝隙，表面存在大量薄片状、片状、叠层状结构以及大小尺度不一的球形团聚体和絮凝结构，并伴有巨块状、板块状、棱体状和扁平状矿物颗粒出露，土颗粒多以边-面接触和面-面接触为主，颗粒排序不具有方向性。荷载作用下贵阳红黏土的孔隙在方向上越来越混乱； 当形成贯通的剪切面时，孔隙形态表现出短暂的方向性，同时，荷载作用下红黏土的孔隙形态越相似，分形维数越来越大，孔隙边界越来越复杂。