基于核磁共振的红黏土抗剪强度与孔隙关系研究

卫国芳

摘要：为探究多次干湿循环作用对红黏土孔隙结构的影响，揭示孔隙结构与抗剪强度的内在联系，基于核磁共振技术，测定试样经历0～8次干湿循环后的T2曲线，并测定试样的抗剪强度，以分析不同尺寸的孔隙与抗剪强度的关系。结果表明：① 第4次循环后，试样黏聚力衰减约54.9%;在第4～8次循环过程中黏聚力趋于稳定。② 随着循环次数增加，内摩擦角在一定范围内波动，未见明显规律。③ 根据不同循环次数的T2曲线，土体孔隙可分为团粒孔（T2<1.52 ms）、粒间孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms），不同尺寸的孔隙对土体抗剪强度的影响不同。④ 团粒孔在干湿循环作用下几乎保持不变，粒间孔和裂隙随着循环次数的增大而近似呈对数增加。⑤ 粒间孔和裂隙都与黏聚力呈良好的线性负相关，它们是导致黏聚力衰减的主要因素。根据分析结果，提出了基于综合权重分析的孔隙指数I，该指数能综合体现不同尺寸孔隙（粒间孔和裂隙）对黏聚力的影响;I与黏聚力相关性良好，可用于多次干湿循环影响下土体强度的评价。

关键词：干湿循环; 孔隙结构; 核磁共振; 抗剪强度

中图法分类号： TU443

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.026

0引 言

地表浅层土存在着干湿循环现象[1]，经历多次干湿循环过程的土体，其抗剪强度会显著降低，从而导致许多突发性的自然灾害[2-3]。了解干湿循环作用对土体抗剪强度的影响机理，对岩土工程灾害的防治具有重要意义。许多学者尝试利用原状土或者重塑土，描绘干湿循环与土体抗剪强度衰减之间的关系，探索干湿循环对变形和力学性能的影响[4-5]。杨和平等[6]对比分析了有上覆荷载和无上覆荷载条件下，干湿循环对土体抗剪强度的影响规律，研究认为上覆荷载的存在能有效缓解抗剪强度的衰减，提高土体稳定性。 徐丹等[7]的研究显示，经历多次干湿循环后，土体的脆性显著增加，其剪切特性逐渐趋近于超固结土;干湿循环作用对土样残余剪切强度的影响都不明显。江强强等[8]探索了干湿循环影响下滑带土的黏聚力和内摩擦角衰减规律，发现滑带土残余强度的劣化主要发生在前3次干湿循环过程中。

孔隙结构的改变被认为是导致土体宏观力学性能改变的深层因素。Skvortsova等[9]认为在外部环境影响下，土壤结构是复杂多变的，孔隙的几何形态可以作为表征土壤结构状态的一个重要指标。Pan等[10]认为，平均孔喉半径、孔圆度和孔隙平均长径比等都会显著影响土体储存流体的能力和流体的渗流特性。范婷婷等[11]研究认为，随着孔隙比增大，砂类土的抗剪强度呈现非线性减小;而且孔隙比越大，其抗剪强度的衰减幅度越小。土壤微观孔隙结构信息的获取，通常采用压汞、电镜扫描手段等。曾召田等[12]利用压汞试验研究土样经历0～6次干湿循环后的孔径分布特性，结果显示，随着干湿循环次数的增加，土样总孔隙体积、孔隙率和平均孔径均递增;孔隙结构的变化影响基质吸力，也直接导致的土样抗剪强度的变化。王铁行等[13]测试了重塑黄土在干湿循环过程中的动强度和动强度指标变化规律，并通过扫描电镜技术（SEM）获取了土样微观结构信息，建立了微观结构与宏观动强度指标之间的内在联系。

然而，压汞、电镜扫描方法都要对试样进行干燥处理。干燥过程会引起试样内的孔隙出现一定程度的收缩和部分封闭;而较高的汞压力也会对孔隙造成一定的损伤，导致测得的孔隙信息存在一定程度的失真。

可见，现有研究已经反映了干湿循环作用对浅层土体的显著影响，也尝试从微观孔隙的角度解释宏观力学性能的改变。但是，获取土体孔隙结构信息的方法仍然有待发展，以争取获得更真实的孔隙信息。另外，土体孔隙结构复杂，不同孔径的孔隙对抗剪强度的贡献也不同，不同孔径范围的孔隙与土体抗剪强度之间的联系尚不明确。核磁共振技术具有测试过程无损、便捷、完整保持孔隙状态等优点，已经广泛应用于井水勘探、石油勘探、岩土工程等领域[14-15]，它为揭示土体孔隙与强度的内在联系提供了新思路。

本文以广州红黏土为研究对象，利用核磁共振技术，测定不同干湿循环次数下土体的孔隙信息和抗剪强度;分析干湿循环次数对孔隙结构的影响以及不同尺寸的孔隙与土体抗剪强度的关系，建立基于孔隙结构的土体抗剪强度计算模型。研究结果将有助于揭示土壤宏观力学行为的内在机理，也可为工程建设中土体抗剪强度评价提供一定的借鉴。

1材料及方法

1.1研究用土

文中所用红黏土取自广州市北郊某建筑地基现场，取土深度为地表以下1.0～3.0 m。该土呈红褐色，可塑、黏性强，含有少量未风化岩石，未有可见裂隙发育。通过室内土工试验获得了其主要物性参数，如表1所列。

1.2试样制取

参考取土地原状土干密度值和击实试验结果，本文干湿循环试样的干密度取值为1.7 g/cm3。首先，取用过2 mm筛的风干土样，用分层喷洒水配制含水率约为12%的湿土，并密封保存48 h使其含水率平衡。然后采用静压法制取环刀试样（直径61.8 mm，高20.0 mm），共制取24个试样，每4个试样为1组;其中5组试样进行核磁共振和直剪试验，余下1组试样备用。为排出金属材料对磁场的影响，文中采用特制的聚四氟乙烯环刀（内径61.8 mm，外徑77.8 mm，高20.0 mm）。试样干湿循环及核磁共振测试过程都置于特制环刀内。

1.3干湿循环

为模拟广州市夏季常有的高温暴雨极端天气，干湿循环幅度设为约22%（ω=5%～25%），5组试样分别进行0，2，4，6次和8次干湿循环试验。试样湿润过程使用真空饱和，空气压力为0.1 MPa，抽气时间为4 h。完成抽真空后注水淹没试样24 h以上，使试样在限制体积条件下充分吸水饱和，试样饱和含水率约为25%。以试样第1次达到饱和状态为干湿循环过程的起点。完成湿润过程后，饱和试样被置于温度为40 ℃、相对湿度设置为45%的恒温恒湿箱内脱水至恒重，此时试样的含水率约为5%。之后，再对干燥试样进行抽真空饱和，并再次回到饱和状态时完成一次循环，即试样由饱和-干燥-饱和状态，如此完成一次干湿循环过程。后续1～8次干湿循环过程类似，不再赘述。

1.4核磁共振原理及测试

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance），是指原子核在外场的作用下，在能级之间共振跃迁的现象[16]。在外磁场的作用下，测定质子数的总量和使质子自旋轴发生偏转之后恢复初始平衡状态的持续时间T2。这个总和可以表示为T2曲线的一个面积分布，根据曲线的积分面积即可计算得出土中不同大小的孔隙及其占比，并进一步计算出含水量的总和。根据核磁共振弛豫机制，横向弛豫时间T2可表示如下[17]：

1.5直剪试验

完成0，2，4，6，8次核磁共振测试后，试样被安装在应变控制式电动四联直剪仪上，在饱和状态下进行快剪试验。剪切时竖向压力为100，200，300 kPa和400 kPa，剪切速度为0.8 mm/min，剪切试验的实施步骤按文献[19]执行。采集并处理试验数据，获取土体抗剪强度指标c，φ值。

2研究结果与分析

2.1裂隙发育

膨胀性黏土在经历多次干湿循环过程后，通常会有大量的裂隙发育。而本文所用红黏土未检测到大量的膨胀性黏土矿物，其膨胀性较低，多次干湿循环后试样表面未见明显裂隙。但是，通过扫描电镜测试（见图1），结果可以清晰地觀察到干湿循环作用对本文研究土体微观结构的影响。0次循环条件下，土体黏土片多呈卷曲状，黏土片之间几乎都是面-面接触，很少有面-边接触和边-边接触，土体中未观测到微裂隙。6次循环后，黏土片的排列方式仍然以面-面接触为主，但已经可以观测到大量明显的微裂隙。微裂隙的存在会加速土体水分转移，降低土体强度。

2.2抗剪强度

抗剪强度是土体在受到剪切破坏时的极限剪切应力，它是建筑地基、边坡稳定、土石坝等岩土工程设计中的重要指标。图2绘制了0～8次干湿循环作用下，红黏土的黏聚力c和内摩擦角φ随循环次数的变化规律。

干湿循环作用会导致土体抗剪强度的严重衰减，这已经是被广泛接受的共识。由图2（a）可以看出：黏聚力与循环次数之间可以近似用一元二次方程表示，本文中A=1.82，B=-21.85，C=114.82。经历2次干湿循环后，试样黏聚力从116.32 kPa降低到76.74 kPa，降低了约34%;在第4次循环后，黏聚力降低了约54.9%;第4～8次干湿循环之间，试样黏聚力未显示出大幅度的波动（约7%），即趋于稳定。这与现有研究文献的结论相同[20-21]，即干湿循环作用对红黏土黏聚力的影响主要表现在0～4次循环之间;4次循环之后，黏聚力表现为在小幅度内的波动。干湿循环过程中，土样会产生大量干缩裂隙，它们严重损伤了土样的黏聚力[22]。研究认为[23]：在经历2～4次干湿循环后，土体的裂隙发育也趋于稳定，它对黏聚力的折损也趋于稳定。另外，干湿循环过程中，土样在饱和、非饱和状态之间多次转换。干湿循环过程也是基质吸力的反复加卸载过程，从而导致了土体内部结构产生不可逆的疲劳累积损伤。尽管仅在基质吸力作用下，土体不会出现突然失稳，但经过多次（如4次）干湿循环后土体的力学性质均趋向一种稳定的状态，黏聚力和内摩擦角指标不会再随循环次数的增加而发生剧烈变化。

由图2（b）可以看出：0～8次干湿循环之间，土体内摩擦角表现为在一定范围内上下波动，未见明显规律。这可能是因为在干湿循环过程中产生的裂隙使土体破碎化，破碎体之间相互滑动的阻力减低了，内摩擦角减小;但是，土体干缩过程中细颗粒由于静电作用力而发生聚集，形成团粒填充部分裂隙，从而又导致内摩擦角的增大。上述2种作用同时存在且相互影响，导致了土体内摩擦角随着循环次数增加而上下起伏的现象。由于干湿循环对黏聚力的影响更为显著，而内摩擦角受干湿循环幅度的影响相对较小，故下文重点探究孔隙结构与黏聚力的关系。

2.3核磁共振T2曲线

本文利用1H核磁共振电脑关联分析方法，测定了经历0，2，4，6，8次干湿循环之后试样的T2曲线，并对多条曲线进行对比分析（见图3）。图3中，横坐标为孔隙水的横向弛豫时间，纵坐标为对应幅值（无量纲量）。

由式（2）可知：土体孔隙半径是以横向弛豫时间T2为自变量的单值函数，T2值越大，其对应的孔径也越大。由图3可以看出：在0～8次干湿循环作用下，试样的T2曲线主要分布在0.08～150.00 ms之间，其分布区间跨越3个数量级，说明试样孔隙结构复杂。随着干湿循环次数增加，T2曲线的幅值逐渐增大，且T2最大值也逐渐扩大（右移）。当T2小于1.52 ms时，不同循环次数下的T2曲线之间相互靠近，说明该弛豫时间内的孔隙几乎不受干湿循环的影响。当T2介于1.52～31.64 ms之间时，T2曲线对干湿循环作用十分敏感。随着干湿循环次数的增加，T2曲线幅值增大，且T2曲线表现为向右移动;尤其是0～2次干湿循环之间，T2曲线向右移动幅度最大。当T2大于31.64 ms时，T2曲线的幅值和最大值都依次增大。参照已有的孔隙研究成果[24-25]，可以将本文土样的孔隙分为团粒孔（T2<1.52 ms）、粒间孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms）。团粒孔为聚集体内的孔隙，干湿循环作用很难造成团粒的破坏，故这部分孔隙在不同循环次数的T2曲线上未见明显差异。粒间孔是颗粒之间的孔隙，表征土颗粒之间的间距大小。裂隙可视为孔径很大的孔隙，它是干湿循环过程导致的。2次循环后，T2曲线最大值增大（见图3），这说明土样内产生了裂隙。随着循环次数增加（2～8次），T2≥31.64 ms段的曲线右移，说明土样内裂隙量增加或者裂隙宽度扩大。

T2曲线沿横坐标的积分面积代表着该T2区间内的水的相对含量，这个积分面积也间接地表示了该T2区间内的孔隙相对含量的多少。将图3中3类孔隙的T2曲线积分面积与干湿循环次数的关系列于表2。总孔隙是整条T2曲线的积分面积，团粒孔表示T2<1.52 ms段曲线积分面积，粒间孔表示1.52 ms≤T2<31.64 ms 段的曲线积分面积，裂隙表示T2≥31.64 ms 段曲线积分面积。

由表2可以看出：不同循环次数的土样内，团粒孔隙占比最小，粒间孔占比最大。循环次数增大，土样总孔隙量增加，团粒孔几乎保持不变，粒间孔占比依次降低，裂隙占总孔隙比例逐渐增大。笔者分析认为，干湿循环作用导致土样松散，孔隙总量增大。脱水收缩裂隙將土样分割成大小不等的块体，块体间的空隙（裂隙）在循环过程中扩大;而块体内部则由于反复干缩作用使得颗粒间距减小，粒间孔占总孔隙比例减小。

图4展示了上述3类孔隙与循环次数之间的关系。随着循环次数的增加，粒间孔、裂隙、总孔隙都近似呈对数增长，而后趋于稳定。粒间孔在经历2次循环后，其含量趋于稳定;裂隙含量则是在第4次循环后才趋于稳定。说明第2次循环之后，土样孔隙主要表现为裂隙的延长和宽度增长。

2.4孔隙与黏聚力关系

为了更好地分析孔隙尺寸对土体抗剪强度的影响，图5中绘制了粒间孔量、裂隙量与黏聚力的关系。

粒间孔、裂隙都与土样黏聚力存在良好的相关性（见图5），这2类孔隙量增加都会导致土样黏聚力的线性衰减。基于孔隙组成数据，可以对土体抗剪强度性能提出更准确的评价。然而，随着干湿循环次数的增加，粒间孔占总孔隙的比例是逐渐减小，而裂隙占比逐渐增大（见表2）。自然界中的土壤孔隙也不止包含一种孔隙类型，基于上述2种孔隙（粒间孔、裂隙）的总和指标才能更真实地反映土体孔隙结构与黏聚力的关系，也与工程实际更相符。基于组合权重思想，提出使用孔隙指数I来表述孔隙组成与土体黏聚力的关系（见式3）。

由图6可以看出：随着孔隙指数I的增加，土样黏聚力线性减小，二者相关性高（R2=0.9783）。相比与单独采用粒间孔或者裂隙来预测土样黏聚力，采用孔隙指数I来预测黏聚力的可靠性得到提升。而且，孔隙指数是土体中不同孔径大小的孔隙的综合体现，其物理意义更明确。若要更详细地表达各孔径区间对黏聚力的折损作用，可将T2曲线分割成n段，在式（3）中加入相应T2区间的fn，Pni，则可计算出个循环次数下的Ii，得出对土体黏聚力的预测模型。

3结 论

基于核磁共振技术，测定了0～8次干湿循环后试样的T2曲线。将T2曲线各区段差异解释为3类不同的孔隙，建立3类孔隙与强度之间的关系，得到以下主要结论。

（1） 对文中所用红黏土，前4次干湿循环后，黏聚力衰减了54.9%，第4次循环之后，黏聚力趋于稳定。内摩擦角随循环次数的增加而在一定范围内波动，未表现出明显规律。

（2） 根据核磁共振T2曲线特征，将本文土样的孔隙分为团粒孔（T2<1.52 ms）、粒间孔（1.52 ms≤T2<31.64 ms）、裂隙（T2≥31.64 ms）。团粒孔含量在干湿循环过程中相对稳定，粒间孔、裂隙都随循环次数的增加而增大。粒间孔量、裂隙量与黏聚力之间线性负相关，它们是导致土体抗剪强度减小的主要因素。

（3） 基于组合权重思想，提出的孔隙指数I，它是反映土体孔隙组成的综合指标。孔隙指数I与黏聚力之间存在良好的线性关系，基于I建立的数学模型可准确地预测干湿循环过程中黏聚力的衰减情况。

（4） 本文试验是针对广州红黏土进行的，所得结果的广泛适用性仍有待研究。基于T2曲线的孔隙划分方法，尚未形成统一认识，仍需深入探索。

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（编辑：赵秋云）

Abstract：To explore the impact of multiple dry-wet cycles on the pore structure of lateritic clay and to reveal the internal relationship between pore structure and shear strength，we tested the T2 curve and shear strength of specimen that experienced 0～8 cycles，and analyzed the relationship between pore size and shear strength.The results showed that after the 4th cycle，cohesion of the specimen decreased about 54.9%，while it tended to be stable in following cycles.As the cycle number increased，the friction angle fluctuated irregularly within a certain range.Based on T2 curves under different cycles，pore of soil was divided into three types： aggregate pore （where T2<1.52 ms），intergranular pore （1.52ms31.64 ms）.The influence of pore sizes on the shear strength of soil was different.The aggregate pore almost remained unchanged after 0～8 cycles，and the intergranular pore and fissure increased logarithmically with the increase of cycle number.As the main factor leading to the attenuation of cohesion，the intergranular pores and fissures showed a good linear negative correlation with cohesion.A pore index based on comprehensive weight analysis was proposed，which comprehensively reflected the influence of intergranular pore and fissure on cohesion.The proposed index showed a good correlation with cohesion，which can be used to evaluate the influence of dry-wet cycles on soil strength.

Key words：dry-wet cycle;nuclear magnetic resonance （NMR）;pore structure;shear strength