冻融对土石料渗透性影响的CT试验研究

徐卫卫 石北啸 傅中志 吉恩跃

（1.南京水利科学研究院 岩土工程研究所, 南京 210024；2.水利部 土石坝破坏机理与防控技术重点实验室, 南京 210024）

我国高寒地区的土石建筑物,因常年处于冻土区域,会因冻融循环作用导致建筑物的局部冻融破坏,其强度、变形、渗透性等变化直接影响其安全与稳定,因此,冻融引起结构破坏方面的试验必须得受到重视.近年来,关于土冻融循环试样方面的研究主要围绕冻融循环次数、冻结温度、含水率等外界条件变化下引起土的抗剪强度、应力-应变曲线、固结状态以及弹性模量的变化[1-12]进行.而冻融引起土体的破坏常常是以上影响因素的耦合.关于土石料的试验方面,王红雨等[13]在研究宽级配砾质土的冻融循环试验时,发现冻融作用对土样的直接影响反映在土体的变形上,随着冻融次数的逐渐增加,总的冻胀率逐渐增大；且前3次冻融作用对土样变形影响较明显,随着冻融循环次数的增加,土样变形情况逐渐趋于稳定.然而,随着试验制样技术的提高和电子技术的发展,CT 以及扫描电镜(SEM)技术因其能够从微观结构的角度出发,研究土体孔隙结构因冻融循环的影响产生的变化,进而探究土力学特性变化的影响机制与冻融循环之间的关系,因此,在冻土试验中得到了一定的应用.如叶万军等[3]对黄土进行CT 扫描试验,发现冻融环境下黄土体完整性降低,黄土体结构性出现了损伤,其内部结构损伤产生的主要原因与初始含水率、冻融循环次数以及二者之间的耦合相关.左永振等[14]利用医用CT 研究了不同围压下粗粒土的内部结构的排列情况,粗粒土试验的结果较为清晰可靠,可以准确地观察CT 图像中各颗粒的位置和分布状态.这就为CT 技术在岩土方面的研究提供了参考.此外,程展林等[15]介绍近些年所利用的CT 技术在粗颗粒的组构、砾石土浸润试验、水力劈裂试验、膨胀土干湿循环试验、加筋土试验研究等方面研究的初步成果,并且展示了不同种类试验的岩土试验CT 图像效果,展现了CT 扫描技术在我国岩土工程试验中的作用,并且引起了岩土工作者的关注,推动了岩土工程试验的发展.文献[16-17]中都有介绍CT 在岩土工程方面的应用,并且可以很好地扫描出试样内部结构的排列情况等.关于图像处理方面,冯怀平等[18]提出了一种基于SEM 扫描电镜二维图像确定土体三维视孔隙率的计算方法.李敏等[19]利用IPP 软件对压实土的CT 扫描图像进行增强处理.提出了一种比较理想的土微观结构图像处理方法即锐化处理、高低帽变换等三种图像增强技术,为试样内部结构的细观研究提供了技术支持.土石料经历长期冻融循环作用,其内部结构破坏需要探索,随着冻融循环次数的增加,土体渗透性的变化将影响土石体正常运营.因此,研究冻融引起土石体的损伤进而影响其渗透性的变化很有必要.

本文就高寒地区工程土石料进行了不同掺砾石量与不同冻融次数下的中型渗透试验,通过CT 扫描进行了试样的细观结构分析,利用Image Pro Plus(IPP)图像处理软件对扫描后试样的横断面进行损伤统计,研究不同冻融循环次数、不同掺砾石量所引起的结构渗透系数的变化规律,以建立冻融损伤与渗透性的相关关系.

1 室内试验方案

针对高寒地区土石料开展了9组中型渗透试验,试样尺寸为Φ101 mm×200 mm,土石料所掺砾石量分别为25%、35%和45%,冻融次数为0、3、10次.试验所用某水电站2号场料弱卸荷英安岩,设计干密度2.07 g/cm3,比重2.64.试样为自然风干状态,设计的级配曲线如图1所示,分为(20,10]、(10,5]、(5,2]、(2,1]、(1,0.5]、(0.5,0.25]、(0.25,0.075]、(0.075,0.005]mm 共8种粒径范围.根据《土工试验方法标准》[20]加入2%的水后搅拌均匀,并采用振动击实法分4层进行击实成样,试样压实后的制样密度为1.89 g/cm3.

图1 土石料试验颗粒级配曲线

本次中型渗透试验装置如图2所示,装置包含底座、固定装置、有机玻璃、进出水口、排气口、盖板、透水石等几个组成部分.采用该渗透试验装置,可进行常规渗透试验,也可以开展固定上覆应力条件下的渗透试验,还可进行试样的冻融循环试验、CT 扫描等.

图2 试验装置图

2 冻融循环及CT扫描试验

为加快试样的饱和速度,将土石料按要求装入中型渗透试验装置后,采用抽气饱和法进行饱和.试样抽气饱和后如图3(a)所示,在试验之前进行了预冻融实验,以确定试样冻融制度.将饱和试样及装置放入DW 型低温试验箱进行冻结,如图3(b)所示,冻结温度为-15℃,冻结后如图3(c)所示,融化温度为室内温度25℃,对冻结和融化均为8 h的试样拆除,观察后判断试样满足全部冻结和融化的标准,因此,本试验的冻结时间和融化时间均确定为8 h.

图3 渗透试样及冻融装置

按试验设计完成不同冻融循环次数后的试样,将其依次放入CT 扫描系统(如图4所示)进行细观结构的分析.CT 扫描试验采用的是德国菲尼克斯工业X-ray CT 扫描系统,其机器参数配置为:最大管电压240 k V,最大管功率320 W,细节分辨能力为1μm,最大像素分辨率＜2μm(3D),利用X 射线穿透试样的断面进行360°旋转扫描,基本部件组成如图5所示:射线源、辐射探测器和准直器、数据采集系统、样品扫描机械系统、计算机系统(硬件和软件)及辅助系统(如辅助电源和辐射安全系统等)等.

图4 CT 扫描系统

图5 CT 系统组成示意图

该工业CT 扫描系统的技术特色是:采用锥束扫描工业CT 系统、利用锥束滤波反投影重建算法重建断层图像.扫描后的四段进行重构图(如图6所示).

图6 试样CT 扫描图的提取与横向图片切取

3 试验结果及渗透系数变化规律

冻融试验和CT 扫描试验完成后,对各掺砾石量试样进行渗透系数的测量.按照《土工试验方法标准》[20]对试样进行初始坡降0.05、水头差1 cm 测定渗透系数.

不同掺砾石量与不同冻融次数的试样渗透系数测量结果如图7所示.从图7可看出,随着冻融循环次数的增加,25%、35%和45%掺砾石量土石料的渗透系数均逐渐增大,且45%掺砾石土石料的渗透系数变化较为明显,10 次冻融后渗透系数是原来的4倍.35%与45%土石料的试样随着冻融循环次数的增加,试样的渗透系数增大,且冻融循环10次后增加缓慢.另外,从图7上还反映出,掺砾石量对试样的渗透系数影响也比较大,随着掺砾石量的增加,不同冻融循环次数下的渗透系数均逐渐增大.

图7 相同掺砾石量冻融不同次数后渗透系数

造成上述结果的主要原因可能是,对于掺砾石量为25%的土石料,试样内部砾石含量较少,未在试样内部形成骨架,起骨架支撑作用的仍以较细的黏土颗粒为主.内部含量较多的细颗粒为红色黏土,试样在遇水及冻融循环后,原来粘结在一起的黏土颗粒逐渐松散.冻结时的冰压力作用会破坏试样内部结构,试样内部孔隙结构发生变化,试样融化产生的水会在试样内部孔隙流动并进一步扩张形成水流通道,当自重作用无法让已形成的渗流通道进一步缩小时,为下一次的冻融循环通道扩张创造了有利条件.

图8为25%掺砾石量冻融后的试样外观,该图反映出来的裂纹及细小孔洞,是导致其渗透系数增加的主要原因.35%掺砾石量较25%情况下砾石含量多,试样的骨架结构有所增强,但试样内部仍近乎65%的细颗粒含量作为主要骨架,冻融作用对土石料渗透系数的影响可以从图7中看出,渗透系数逐渐增加,说明砾石含量的提高,虽然在试样的内部形成一定的骨架作用,但因砾石间的孔隙不能被小颗粒完全填充,同样会在试样表面形成许多细小孔洞(如图9所示).45%掺砾石量的试样,其内部砾石含量较多,砾石起到一定骨架作用,内部孔隙增大增多,渗透性逐渐增强,渗透系数逐渐增大.冻融循环导致试样内部通道逐渐增多,试样中的自由水含量增大,冻结后产生的冰压力增大,融化时造成试样表面细小孔洞明显增多(如图10 所示),渗透系数也就随之增大.此外,随砾石含量增加渗透系数逐渐增大的规律,在未经历冻融循环的掺砾土石料中表现一致(如图7 所示),是因为随着砾石含量的增加,试样中的大颗粒增多,而填充到大颗粒间的细颗粒含量相对减小,导致内部渗流孔道增多.

图8 25%掺砾石量试样冻融后的外观

图9 35%掺砾石量试样冻融后的外观

图10 45%掺砾石量试样冻融后的外观

从以上分析可以看出,砾石含量的不同会直接影响土石料的渗透特性.在相同冻融循环次数下,随着掺砾石量的增加,试样的渗透系数逐渐增大,表明掺砾石量的大小对土石料的渗透系数影响较大；在相同掺砾石量的情况下,随着冻融循环次数的增加,试样的渗透系数均逐渐增大,表明冻融循环会造成土石料渗透系数增大,因此,土石混合料中砾石掺入量应进行严格控制.

4 试样冻融损伤计算

为研究冻融循环对试样造成的损伤,并通过试样损伤变化研究冻融循环与渗透系数的关系,采用Image-Pro-Plus获取内部所需要计算的AOI值,即内部截面裂纹扩展后的孔隙面积,并分析试样掺砾石量、裂纹扩展规律等与渗透系数之间的关系.各不同掺砾石量试样中上部1/3位置横断面的CT 扫描如图11所示.

图11 不同掺砾石量试样横断面扫描图

4.1 不同掺砾石量试样损伤计算

由前面分析可以看出,土石料经历冻融后,内部颗粒间孔隙结构会发生变化.为此,将扫描完成的CT图片导入到IPP软件中,并进行统一的单位设置,然后对图片中的固体颗粒和孔隙进行灰度值设定(二值化处理)；将图片中黑白分明的图像面积分别计算,就可以得出孔隙在该图中所占的比例.

45%掺砾石量的CT 扫描图片按上述方法进行图像处理,0、3、10次冻融循环后,试样中上部1/3位置横断面的CT 扫描如图12～15所示.

图12 0次冻融后的损伤面积计算结果

图13 3次冻融后的损伤面积计算结果

图14 10次冻融后的损伤面积计算结果

图15 圆组织面积

为便于对比分析,定义有效损伤面积为冻融循环作用后试样截面有效裂缝面积之和,有效损伤率为截面各损伤部位有效面积的总和与横截面总面积的比值.其中,有效损伤率采用式(1)计算:

式中:Dd为横断面有效损伤率；Ai为各部位的有效损伤面积；Ac为横断面面积.计算得到的45%掺砾石量试样有效损伤率见表1.

表1 45%掺砾石量有效损伤率统计结果

采用同样方法可以得出25%与35%掺砾石量的有效损伤率统计结果见表2.

表2 25%、35%掺砾石量有效损伤率统计结果(单位:%)

4.2 不同掺砾石量下有效损伤率与渗透系数的关系

根据表1和表2中各掺砾石量横断面有效损伤率计算结果,绘制出有效损伤率-冻融次数-渗透系数之间的关系如图16所示.

由图16可以看出,45%土石料的渗透系数随着有效损伤率的增大而增大.3次的横断面有效损伤率较0次横断面有效损伤率显著增大.10次后,横断面的有效损伤率较冻融3 次增加缓慢.冻融循环后,45%掺砾石量的试样横断面有效损伤率的变化规律与渗透系数的变化规律相一致.即冻融循环引起试样内部孔洞的增多,进而引起横断面有效损伤率增加,试样渗透系数增大.25%与35%掺砾石量试样在冻融循环后的渗透系数随有效损伤率的增加也逐渐增大,表现出了相同的规律.

图16 有效损伤率-冻融次数-渗透系数关系图

5 结 论

本文开展了不同掺砾石量与不同冻融次数下土石料的冻融循环试验,测定了不同条件下试样的渗透系数,并采用IPP软件对试样的CT 扫描图像分析了有效损伤率与渗透系数的关系,得到以下结论:

1)相同掺砾石量情况下,随着冻融循环次数的增加,试样的渗透系数均表现逐渐增大的规律,表明冻融循环会造成土石料渗透系数增大.

2)通过分析25%、35%和45%不同掺砾石量与冻融后有效损伤率的关系发现,掺砾石量相同情况下,随着冻融循环次数增多,25%、35%和45%掺砾石量试样的有效损伤率均呈逐渐增大规律趋势,且掺砾石量越大,冻融循环后有效损伤率的增大趋势越明显.

3)25%、35%和45%掺砾石量试样土石料的有效损伤率随冻融次数的增加而增大和渗透系数随有效损伤率的增大而增加的规律,说明试样的渗透系数是其内部有效损伤率的外在表现.冻融引起土石料内部结构的破坏进而影响其渗透性的变化.