基于X射线断层扫描术的黏性土-混凝土接触面剪切-渗流机理研究

于际凯，刘千惠

（1．徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221116；2．煤炭科学研究总院有限公司，北京 100013）

1 研究背景

渗透引发的破坏是土工结构中最常见的一种破坏型式，尤其是在土石坝中[1-2]。由于渗流引发的侵蚀和冲刷导致土石坝破坏数量是滑坡等引发的破坏数量的数倍[3-4]。在土石坝中，在防渗体与其他结构接触的部分，水力坡降会发生急剧的变化，因此在这些区域也更容易发生渗透破坏[5]。

在我国西南地区，有大量建成、在建和拟建的土石坝，高度达到250 m到300 m[6]。在这些高土石坝内部，大剪切变形和高水头同时存在。尤其是土石坝的心墙和岸坡混凝土垫层接触处，在上游水压力的作用下，材料的界面间会存在大剪切变形。在工程中，可以在心墙与混凝土垫层之间铺设一层接触黏土，用于缓解心墙与混凝土垫层之间的不协调变形。例如拟建的如美高心墙堆石坝，坝高315 m，在心墙与混凝土垫层中间，就计划设置一层5 m厚的接触黏土。相比心墙土料，接触黏土更软，能够在起到防渗作用的同时承受较大的剪切变形。但同时也使工程人员产生一个疑虑，由于高水头与大剪切变形同时存在，接触黏土与混凝土垫层之间是否更容易发生渗透破坏。

针对大剪切变形下黏性土与混凝土板的接触渗透特性，已有的试验研究结果表明：黏性土与混凝土板之间的相对错动增加，通过接触面的流量先减小，后几乎保持不变[7]；即便在大变形的条件下，土体与结构面间的相对错动，也不会直接导致渗透破坏[8]。得到这样结果可能的原因是：土体与结构面间发生相对错动时，土体有变得更加密实的趋势，土体的抗渗能力增强。为了研究接触面在剪切作用下抗渗能力增强的机理，雷红军[7]曾通过在接触面上构造人为缺陷的方式进行了试验。其试验结果表明：即使是在有缺陷的情况下，随着接触面剪切变形的产生，接触面会自动闭合，并不会继续发展。在一些试验研究和数值研究中也发现了类似的现象[9-11]，但无论是人为构造缺陷的试验还是数值研究，都只能间接验证接触面抗渗能力增强的机理。

接触面处渗透特性的变化与土的微观结构变化有关，基于微观结构对现象进行解释，可以更直观地揭示渗透特性变化的内在机理。XCT扫描技术是一种成熟的非接触式微观结构扫描技术，可以用于探知土的三维微观结构[12]。相比于其他技术手段，XCT扫描的非接触性，可以最大程度地避免土体的微观结构受到取样过程的影响。在已有的许多研究中，成功借助XCT扫描技术，在土的固体成分和水力特性[13-14]以及土壤和植物[15]相关领域取得了较好的研究成果。利用 XCT扫描技术，可以获得土体的微观结构信息，并且有助于深入地理解土体宏观特性的机理。

本文基于XCT扫描试验对黏性土与混凝土接触面在发生相对错动时抗渗能力增强的机理进行研究。通过截取接触面剪切-渗流试验中加载到不同阶段的土样进行扫描，重构土体的三维结构，提取不同界面的表观孔隙率进行对比分析，揭示接触面在剪切作用渗透特性变化机理。

2 接触面剪切-渗流试验

本文的分析根据如美接触土料-混凝土板接触面剪切渗流试验[8]展开。图1为装置的试验原理示意图[16]，该装置是由常规三轴试验装置改装而成，由上帽、套筒、混凝土板、两块土样和底座组成试验单元。两块土样的尺寸一致，为9 cm×4．5 cm×11 cm。土样是按照试验土的最大干密度在特制的模具中分层压实后，经抽真空饱和制成的。混凝土板是由普通硅酸盐水泥混合中砂和碎石，参照C30混凝土配合比制成。试验单元由橡皮膜包裹，置于压力室中。试验时，试样先在一定的压力下固结，然后通过加载杆推动混凝土板下移。同时，通过反压系统向试样施加渗透压力。渗压水从试样顶部进入，从混凝土板与试样的接触面部分流出。

图1 接触面剪切渗流试验原理示意图

图2为试验使用的接触土料的级配曲线。土料的平均粒径为0．064 mm，室内击实试验测得最优含水量为10．96%，最大干密度为1．98 g/cm3。图3给出了接触黏土接触面大变形剪切-渗流试验的结果。图3（a）为单面上的剪应力随着剪切位移的变化，可以看出在不同固结压力下，均出现了软化现象，这对应着渗流量从快速变化到较慢变化的过渡，也伴随着土样结构的调整。当位移小于10 mm时，无论是在高围压下还是在低围压下，流量均迅速减小。位移大于10 mm时，对于100 kPa和200 kPa下固结的试样，通过试样的流量缓慢减小；对于500 kPa和900 kPa下固结的试样，通过试样的流量几乎保持不变。这样的结果表明，当土体与混凝土板面间发生相对错动时，土体呈现更加密实的趋势，土体整体的抗渗能力增强。

图2 接触土料的级配曲线

图3 接触面剪切-渗流试验的典型结果

3 XCT扫描试验

XCT扫描试验的原理是利用X射线照射并穿透待测样品，在成像面上形成灰度图像。图像上的明暗是由待测样品内部不同成分的密度不同，对X射线的吸收能力有差异导致的。对于土而言，土颗粒、水和空气之间的密度差异很大，因此在XCT扫描图像中可以有效区分。XCT扫描的优势在于可以在不与试样接触的情况下测得土体内部的结构。对于接触面剪切-渗流试验的试样而言，接触面很薄，容易因外界扰动发生变化，因此使用非接触式的测试方法，测试结果能够最大程度地反映接触面原有的内部结构。

试验按照以下步骤进行：

（1）截取试验试样。扫描样品共有3个，分别取自在500 kPa下固结后，剪切位移加载到0 mm、3 mm和7 mm时的试样。取样使用的是特制的取样器。图4为取样的示意图。取样时，从土样与混凝土面板接触的一侧，沿着垂直于土样表面的方向向内取样。取样器是一个内径1 cm、长4 cm的石英管。为了方便取样，取样器的一侧有倒角。取样前在取样管中涂抹凡士林，以减少取样器边壁摩擦对样品的影响。取出待扫描试样后，用α-氰基丙烯酸乙酯涂抹试样的四周，对试样四周进行固化处理。

图4 取样示意图

（2）扫描试样。使用Micro XCT-400设备对试样进行扫描，如图5所示，左侧为X射线生成和发射装置，右侧为X射线接收装置。该设备的最大电压为140 kV，理论最大分辨率为1μm。根据待扫描试样的尺寸以及需要的扫描精度，扫描时设定射线发射功率为60 kV×40μA。

图5 XCT扫描设备

（3）三维图像重建。扫描后得到的是试样不同角度的二维截面图像，需要进行三维重建后，才能得到三维图像。使用Avizo软件对图像进行三维重建，重建后的图像大小为2200×2200×2000像素，单位像素精度为2．5μm。考虑到试样边缘受取样影响较大，且有固化剂渗入，土颗粒边缘不清晰，截取中心直径5 mm的部分进行分析。

4 接触面剪切-渗流微观机理分析

对重建并截取后的图像进行孔隙比分析，得到了位移加载到不同大小时接触面附近的孔隙比分布，如图6（a）所示。图6中还给出了典型位置的XCT扫描截面图。在图6（a）中，三条曲线分别为固结完成、剪切位移加载到3 mm和剪切位移加载到7 mm时，距离接触面0～7 mm的表观孔隙率。根据图2（b）所示的试验结果，对于500 kPa下固结的土样，剪切位移在0～7 mm时通过试样的流量变化最大，0～3 mm流量降低了64．2%，3～7 mm流量降低了30．1%。因此，这一段的微观结构变化最能反映剪切对接触面渗流特性的影响。

图6 XCT孔隙比分布及典型位置图像

图6（a）的结果显示，在距离接触面0～3 mm范围内，表观孔隙率的变化没有规律。在距离接触面2 mm处，接触面相对错动为3 mm时，出现表观孔隙率明显较高的点，对应的截面图显示此处出现了集中的大孔隙。在剪切错动为7 mm时，同一位置的表观孔隙率小于相对错动为3 mm时的表观孔隙率。在距离接触面3 mm以外的区域，表观孔隙率的分布出现一定的规律，即剪切错动越大，表观孔隙率越小。图6（b）—图6（d）分别为固结完成、剪切位移加载到3 mm和剪切位移加载到7 mm时，距离接触面5 mm处的XCT扫描截面图。从图6中也可以看出，在距离接触面5 mm处，孔隙分布均匀，且随着剪切位移的增加，单个孔隙在截面上的面接减小，整体表观孔隙率减小。这些微观现象验证了土体在剪切作用下整体变得更加密实的假设。

XCT扫描的结果可以为土体在接触面大剪切变形下透水能力逐渐减小并维持稳定的现象提供两种可能的解释：一是土体可能会因为接触面大剪切变形产生较大的孔隙，但这些孔隙在持续剪切的过程中，又发生了闭合现象。这与构造人为缺陷后进行剪切渗流试验观察到的结果具有一致的机理[6]，微观扫描结果则从另一个维度验证了这一机理。第二种可能的解释是土体在接触面大剪切变形下，孔隙比持续减小，导致土体的透水能力持续减小。

接触黏土样在500 kPa围压下固结后变得比较密实，因而渗透性会很小。但在剪切作用下有可能产生裂隙或孔洞从而导致局部渗透性增大，甚至产生劈裂效应等隐患。本文的试验结果表明，继续增加剪切位移后所产生的大孔隙又有闭合的趋势，因而接触黏土具有一定的自愈能力。实际工程比较复杂，还需根据实际条件进行进一步的研究。

5 结论

本文对黏性土-混凝土接触面进行了一组剪切-渗流试验，结果表明，当土体与混凝土板面间发生相对错动时，土体呈现更加密实的趋势，土体整体的抗渗能力增强。对围压500 kPa下固结的土样在不同剪切位移加载阶段的接触面附近取样，利用XCT试验，进行了微观结构扫描和三维重构，分析了在试验过程中接触面附近土样的孔隙分布规律及表观孔隙率变化，揭示了在一定固结压力下黏性土-混凝土接触面在大剪切变形下抗渗能力增强的机理：一是对于接触面附近的土体，在大剪切错动的作用下，会产生较大的孔隙，但这些孔隙在持续剪切的过程中又发生了闭合，而最终没有形成大的水流通道；二是对于距离接触面较远的土体，在剪切作用下孔隙比持续减小，土体的透水能力持续减小。这两方面的作用，使得接触面在大剪切变形下抗渗能力增强。