三轴循环荷载下土石混合体细观结构劣化实时CT扫描试验研究*

王 宇 李 晓 毛天桥 易雪枫 孙 涛

(①北京科技大学,北京 100083,中国)(②中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029,中国)

0 引 言

土石混合体作为一种典型的基质-块石材料,材料属性介于散体和连续体之间,具有强烈的非均质性、非均匀性、非连续性和环境依赖性等特点,其力学特性与破裂机理区别于岩石与土体(李晓等,2007; 徐文杰等,2008; 王宇等,2015; Wang et al.,2019; 胡瑞林等,2020)。在工程上,土石混合体常作为道路路基填料和路堤路堑边坡的重要物源,往往受到道路交通往复循环荷载的作用,从而导致路基沉降过大或路堤路堑边坡失稳等灾害事故的发生,因此研究循环荷载作用下土石混合体的力学特性和破坏变形规律对维持道路交通长期稳定具有重要意义。

当前已有许多国内外学者对循环荷载作用下土石混合体的动态力学特性进行了研究,取得了一定的成果。徐文杰等(2008)对土石混合体原位样进行了考虑循环荷载作用下的水平推剪试验,获得了土石混合体在循环加载下的剪切位移-剪切应力特征; Kong et al.(2016)通过实验室和数值固结排水循环三轴试验,研究了砂砾土在三轴应力状态下循环荷载作用下的一般应力-剪胀特性; 石章入等(2018)对土石混合体路基填料开展动三轴试验,探究了循环荷载下围压、循环偏应力、含石量和含水状态等因素对土石混合体的动回弹模量的影响; 胡翔翔(2019)采用不排水动三轴试验来对地铁列车荷载作用下土石混合体回填土的动力特性进行研究,建立了与循环次数、固结度以及有效固结围压相关的累积应变模型; Wang et al.(2021a,2021b)通过大型三轴仪研究了块石含量和围压对土石混合体动力特性的影响,分析了土石混合体的轴向应力和应变时程特征,并通过归一化剪切应变的函数来表征土石混合体的动态剪切模量比和归一化阻尼比的变化。

一般来说,土石混合体宏观破裂失效现象是其内部尺度细观结构变化的外在反映,而循环荷载作用下土石混合体与其他较为均质的岩石与土体等岩土材料在强度特性、破裂模式的差异性也很大程度上取决于其内部的细观结构,如块石含量、块石形状、块石尺寸和空间分布等。当前有许多学者尝试通过数值模拟(Xu et al.,2008; 徐文杰等,2009; 丁秀丽等,2012; 陈立等,2017; 金磊等,2018)与物理模型试验(Ding et al.,2018; 江强强等,2020)等手段来对土石混合体的细观结构与细观力学行为进行研究。虽然上述数值模拟与相似模型结果能够与室内试验结果进行较好地匹配,但现有的数值模拟与相似模型试验手段仍存在一定的局限性:一是尚未实现对土石混合体试样内部的真实细观结构进行更加精细、准确的模拟,二是无论是基于数码成像的细观原位模型的生成还是随机结构的生成,都将土石混合体看成两相介质,没有考虑到土石界面差异滑动导致的土石混合体开裂。

要实现对土石混合体细观结构特征的精细识别可以运用并发展现代精细探测技术,如X射线计算机断层(Computed Tomography,CT)扫描技术。当前已经有部分学者开始采用CT扫描技术来对土石混合体内部结构进行重建,Sun et al.(2012)通过CT扫描技术研究了控制土石混合体承受单轴压缩载荷的强度和变形的断裂机制; 苑伟娜等(2013)利用CT扫描技术,实时监测单轴加载作用下土石混合体试样内部结构的变化规律; Wang et al.(2019)采用工业CT扫描技术对含石量为40%的土石混合体试样在单轴作用下进行三维实时扫描,系统分析了块石界面开裂的物理过程和力学行为,揭示了块石存在对裂隙扩展路径的影响机制; 同时,Wang et al.(2019)设计了气囊式围压加载系统,配合工业CT机研究了静态三轴压缩状态下块石含量对土石相互作用的影响,揭示了土石混合体损伤破裂的非均匀应变局部化演化特征。Meng et al.(2020)通过CT扫描技术来跟踪岩块对土石混合体中的局部变形和裂纹损伤演变。Sun et al.(2012)采用实时工业CT扫描技术,对比分析了土样和土石混合体试样在单轴压缩状态下的破裂演化特征。但上述研究大多集中于探究土石混合体在静态单调加载应力路径下的细观结构变化,鲜有学者采用实时CT扫描技术来探究三轴循环荷载下土石混合体的破裂损伤演化过程。

为此,本文设计了与工业CT机配套的便携式简易加载系统,采用自制的气囊式Hoek压力室施加围压,试验过程施加围压为100kPa,对块石含量为30%、40%、50%的3种土石混合体开展三轴循环实时CT扫描试验,重点分析了三轴循环加载条件下块石含量对土石混合体内部细观结构的损伤劣化的物理过程及力学机制,揭示内部裂纹损伤演化对其宏观力学特性的影响机制。

1 试验方法

1.1 材料与试样制备

试验所用的土体基质材料取自一高速铁路沿线的路堑边坡,属于第四纪形成的残积土。土体的天然密度为1.67g·cm-3,天然含水率为20.2%～23.1%,土体的液限和塑限分别为42.5%和21.6%,属于黏土。通过电子显微镜扫描(SEM)方法与X射线衍射(XRD)方法对土体基质的细观结构与矿物组成进行分析,结果如图1所示。对于放大1000倍的土体基质可以清楚地观察到有大量的黏土矿物附着环绕在一些棒状和不规则的石英颗粒上,XRD结果进一步显示了蒙脱石、高岭石和伊利石这3种黏土矿物的含量,分别占比34.7%、5%与12.9%。试验所用块石为路堑边坡中经过风化后的花岗岩块石,块石粒径多为6～30mm,天然密度为2.67g·cm-3,标准试样的单轴抗压强度为110.23MPa,具体的土体基质与块石的物理参数如表1所示。

图1 土体基质的SEM与XRD结果

试验所制备的不同块石含量的土石混合体重塑样为50mm×100mm的圆柱试样。根据已有文献所明确的土石混合体重塑样的制备工艺,确定土石阈值为2mm,三轴压缩试验块石最大粒径应当小于试样直径的1/5倍,为此从现场获取的块石中筛选出直径范围为4～10mm的块石,即小于试样直径的1/5(Wang et al.,2019)。由于文献所述的土石混合体重塑样制备工艺采用分层击实法对重塑样进行压密,而分层击实法所得试样会存在较明显的分层现象导致试样整体性较差,且控制相同击实次数得到的试样高度误差也较大。因此,本文对原有制备工艺进行改进,采用固结法进行试样制备。样品制备过程中采用液压千斤顶和自制模具对土石混合体重塑样进行压实和脱模,其中液压千斤顶包括手压泵、压力表、输油管和千斤顶4部分,可通过油泵来控制油压对模具内的重塑样进行压实。将试样压制到指定尺寸后继续用千斤顶进行固结,固结压力等同于先期压实的压力,将试样固结1h,这是为了模拟试样的原始受力状态,并且减小试样的回弹。所制备重塑样的高度误差小于1mm,将制备好的试样用塑料薄膜包裹防止水分蒸发,压实过程以及制备完成的土石混合体如图2所示。

图2 土石混合体试样制备示意图

1.2 试验设备

X-射线计算机断层扫描系统为450kV通用型工业CT机(图3a),扫描精度为0.083mm。便携式简易加载装置由围压系统,反力系统、位移测量系统和荷载量测系统组成(图3b)。围压系统和反力系统是核心部件,材质是尼龙玻璃纤维增强树脂。这种材料添加了30%玻璃纤维增强,其耐热性、强度、刚度性能好,受拉伸时变形小,耐蠕变性和尺寸稳定性、耐磨等性能强,它的最大允许使用温度较高,其物理力学指标为:密度1.38g·cm-3,抗拉强度75.46～83.3MPa,屈服强度约54.88MPa,压缩强度约103.88MPa,弹性模量约330MPa。为尽可能大地减少射线衰减,反力柱直径为2.5cm。自行设计的气囊式Hoek压力室由尼龙树脂筒,增压打气筒,气囊,连接管,气压表和阀门组成,可施加最大围压800kPa,精度0.5kPa,压力由增加器来实现。精确的位移和荷载测量装置,实现试验时宏观特性和其扫描一致的试验记录,加载装置和位移控制系统采用无线智能操控,解决了测试时测量连接系统在CT转台上旋转过程中的线路缠绕问题。

图3 试验设备

1.3 试验方案

试验过程中,首先将加载装置放置在旋转台上的450kV工业CT机的转台上,将土石混合体试样安装在加载装置上后,首先将块石含量为30%、40%和50%的土石混合体试样在100kPa的围压下进行固结,固结时间10min,以达到试样中各组相对稳定的状态。以0.2kN/步的轴向加载速率对试样进行加载,直到达到循环应力的上限值为0.763MPa(静载条件下含石量为30%的土石混合体试样峰值应力的0.86倍); 然后,卸载到轴向偏应力为0kPa时的应力状态,循环加载方案对应的应力路径如图4所示。

加载和卸载过程大约需要1min,并考虑到足够的孔隙水压力的消散。如图5为具体的CT扫描方案,CT扫描仅对试样的顶部,中部和底部3个位置进行图像获取,初始扫描位置分别为H=65mm,50mm和35mm; 随着试样的变形,扫描间距随之变化以确保每次扫描时为同一高度。在CT图像上,每个像素用Hounsfield值(CT值)索引进行表示。该灰度具有动态范围,通过物质放射性密度的改变,可以探测到试样结构的改变,当土石混合体试样出现裂纹时,裂纹处呈现黑色。

图5 实时CT扫描方案

在三轴循环加载试验中,对不同块石含量的试样进行了高应力幅值的循环加载。土石混合体试样在变形过程中进行了6个CT扫描时刻,如图6所示,红色标记点位代表各个CT扫描阶段,各扫描阶段对应的循环周数(N)标记为0、3、6、7、8、10。CT成像过程中,每扫描一个CT断层大约需要1min,重建一个CT图像需要2min,因此得到一个CT切片图像大约需要3min时间。对于一个土石混合体试样,试验过程中总共使得到了64 800个投影并执行了6次CT扫描,为此,应力-应变曲线中每个CT扫描点需要18min。在进行X射线CT扫描时,停止对试样加载,以避免土石混合体试样的移动。每完成一个CT扫描阶段后,以相同的加载速率对试样再次加载。由于试样加载时采用的是位移控制方式,CT扫描过程的各个阶段都会出现应力松弛现象,并且加载过程中试样在变形,每次扫描时CT图像的位置不是恒定的,而是随着试样的变形而变化。因此,为确保每次CT扫描得到的是同一个切片的变形情况,在不同的扫描阶段调整相应的扫描位置和层间隔,从而尽最大可能保证为同一扫描位置。

图6 不同含石量土石混合体试样的循环应力-应变曲线

2 试验结果分析

2.1 轴向压缩循环应力-应变曲线

试验过程中,不同块石含量(30%,40%和50%)的土石混合体试样经过11个加卸载循环(N),土石混合体试样的轴向循环应力-应变曲线如图6所示,图中所示轴向应力为偏应力。从轴向循环应力-应变曲线的规律可以看出,加卸载过程中由于不可逆塑性变形的发生,加载曲线与卸载曲线并不重合,而是形成滞回环。3种含石量试样的滞回环面积均表现为先减小后增大,滞回环呈现出稀疏-密集-稀疏的趋势。塑性变形发生在低循环数时,土石混合体样品的压实导致滞回环面积的减小,当循环次数超过一定值时,滞回环面积开始迅速增加。

对于不同块石含量的样品,轴向累积应变和循环次数(N)之间的关系如图7所示,当循环次数超过一定值时,可以发现累积应变随着块石含量的增加而减少。这一结果表明,土石混合体试样的刚度随着块石含量的增加而增加,这说明土石混合体中块石与块石之间相互接触形成了一个可以抵抗变形的骨架。

图7 不同块石含量下各阶段的轴向累计应变与循环次数的关系图

从宏观的循环应力滞回环来看,滞回环的面积随变形和块石含量的变化而变化。应力-应变曲线上的滞回环面积反映了土石混合体中塑性变形的大小。由图8可知,当循环次数较低时,土石混合体试样的压实导致了滞回环面积的减小; 而当循环次数超过一定值时,滞回环的面积开始迅速增加,滞回环的形状也受块石含量的影响。对于相同循环加载阶段的样品,滞回环面积随着块石含量的增加而减少。这表明,对于具有高块石含量的土石混合体试样,塑性应变较小。这说明与块石含量较低的试样相比,含量较高的土石混合体试样,抵抗循环载荷的能力更强。

图8 不同块石含量下各阶段的滞回环面积与循环次数的关系图

2.2 CT重构图像

图9为不同块石含量下土石混合体试样变形过程的二维CT重构图像,图中仅给出了中间CT切片在不同加载时刻的重构图像。图9中展示的本研究的感兴趣区域,它涵盖了整个样本截面的有效区域。随着循环次数的增加,CT图像中逐渐出现大量深色或黑色区域。根据CT成像原理,这些低密度区域的出现说明样品中出现了高度损伤。随着变形的逐渐增大,这些低密度区域最终演变成裂缝。从图像中可以看出,裂缝在土石界面处起裂,并向土体基质中扩散,并且裂纹的传播路径受块石分布的影响,在块石高度集中的区域出现互锁现象,制约了裂纹的进一步扩展。此外,块石的分布决定了土石混合体试样的非均匀损伤特征,块石含量直接影响着土石混合体在循环荷载作用下的损伤劣化程度。随着含石量的增大,低密度区域的尺度和密度逐渐减小,当块石含量为50%时,裂纹规模最小; 然而,对于块石含量为30%的试样,低密度区域的规模是最高的。

图9 不同循环次数下土石混合体试样二维CT重构图像(其中块石用绿色表示,裂纹用紫色表示)

研究还表明,不同块石含量的土石混合体试样裂纹起裂的时间也不尽相同,并且受块石含量的影响明显。对于块石含量为30%和40%的土石混合体试样,裂纹在第7个循环阶段时开始开裂; 然而,对于块石含量为50%的试样,开裂发生在第6个加载周数。这一结果与土石混合体结构有关:块石含量高时,试样的土石界面随机分布规模较大,因为土石界面是试样内部最薄弱的区域,开裂的规模较多。尽管块石含量为50%的试样开裂比其他两个试样要提前,但随着加载循环次数的增加,裂缝数量相对较少,这一结果再次强调了块石在土石混合体承受外部载荷时抵抗变形的重要性。在循环荷载作用下,试样的整体刚度随着块石含量的提高而提高,塑性变形的演变受到岩块间互锁的影响,从宏观应力-应变曲线中的滞回环演化过程,也可以得出类似的结论。

在土石混合体试典型切片中,从低密度区域的演化情况分析,当土石混合体试样出现裂缝时,会出现体积膨胀现象,不同块石含量的土石混合体试样在循环加载过程中由剪切收缩到剪切膨胀的转变时刻是不同的,裂纹的起裂时刻也证明了这一结论。土石混合体中的块石形态及含量均会影响试样开裂及剪胀特性,由于本文中采用小试样进行三轴疲劳测试,块石的尺寸要小于现场尺寸。然而,本文采用实时CT扫描,对疲劳加载过程进行了可视化和数字化表征,从土石相互作用机理及互馈致灾的物理过程及力学行为分析可推断,小尺寸试样的开裂和剪胀力学效应可在一定程度上反映现场尺度的试验结果。

2.3 裂纹损伤演化分析

在原始CT数据的基础上,采用一系列图像处理方法提取试样中的块石和随机分布的裂缝(Wang et al.,2018)。在裂缝和块石的提取过程中,为了更好地检测到目标边界,首先采用中值滤波算法来减少斑点噪声。该算法的边缘保持特性使其能够有效地检测出土石混合体中不规则裂纹等的模糊边缘,该滤波算法能将每个输出像素的值作为对应输入像素周围值的邻域的统计中值进行分析。然后,利用边缘检测算法和统计分析方法得到裂纹的几何特征。图10为含石量为50%的土石混合体试样在第10个加载周数下CT底层切片中块石和裂缝的识别和提取结果。

图10 从原始CT图像中提取块石和裂缝

图11～图13为经过图像处理后的CT图像。由二值图像估算出试样中块石的含量,体积块石含量分别为28.4%、37.7%和48.9%; 相应的质量块石含量分别约为31.3%、42.4%和51.9%,与试验设计值基本一致。可以看出,裂缝密度随循环次数的增加而增加,块石含量为30%和40%的土石混合体试样从第7循环开始开裂; 然而,对于块石含量为50%的土石混合体试样,开裂发生在第6个循环。同时可以发现,由于土石混合体内部存在块石,裂缝在与块石相遇后,其传播路径受到岩块的影响较明显。块石之间的互锁作用限制了裂缝的扩展,这可能有助于提高土石混合体的强度。从裂缝形态分析可以总结出两类典型的裂缝特征,一种是主裂缝,主裂缝扩展到土基中,且裂缝长度较大; 另一种被称为次级裂缝,它们中的大多数围绕着块石传播,裂缝的形态与块石的分布和形态密切相关。另外,由于块石周围的互锁作用,也由于试样变形过程中导致的块石运动和旋转,所以一些已有的裂缝会被压闭合。从裂缝提取结果来看,试件中随机分布的块石是影响试件在循环荷载作用下细观开裂特性和滞回环演化的控制因素。

图11 块石含量为30%的土石混合体试样块石和裂纹提取结果

图12 块石含量为40%的土石混合体试样块石和裂纹提取结果

图13 块石含量为50%的土石混合体试样块石和裂纹提取结果

在相同的加载周数下,在给定的应力幅值条件下,土石混合体试样呈现出不同的损伤演化程度。裂缝密度和规模随块石含量的增加而减小,说明在土基中加入块石不仅提高了试件的整体刚度,而且改善了试样在循环荷载作用下的抗压性能。对于块石含量为30%的试样,在第10个加载周期,试样内部分布有大量裂缝,裂缝长度和宽度较大; 而对于相同循环加载条件下块石含量为50%的试样,裂缝长度和宽度减小,局部变形没有块石含量为30%的试样那样明显。这一结果表明,土石混合体作为一种特殊的地质材料,块石的存在可以提高其抵抗循环荷载的能力,同时也有利于土石混合体结构的稳定性。

为了实现损伤识别和提取从细观尺度向宏观尺度的自然过渡,分析变形试样裂纹的几何特征是科学、简单和可行的。根据图14的裂纹分割结果,进一步计算了不同含石量下土石混合体试样裂纹的几何参数,使用长度,宽度,面积和分形维数的参数来描述裂纹表征。分别从CT图像中提取裂缝,定量获取几何参数。图15为裂纹几何参数随加载周期的变化情况。随着循环次数的增加,裂纹长度、宽度和面积均增大。对6个关键循环阶段(N=0、3、6、7、8、10)进行X射线CT扫描,随着变形的增加,采用箱形计数法计算分形维数(Guo et al.,2014; Wang et al.,2018),随着循环次数和块石含量的增加而增大。结果表明,随着循环次数和块石含量的增加,裂纹分布变得越来越复杂。

图14 CT扫描阶段含石量为30%,40%和50%时试样中间加载过程中裂纹形态提取

图15 三轴循环荷载作用下不同块石含量的土石混合体试样裂纹几何形态描述

2.4 应力剪胀特性分析

从试件的循环应力-应变曲线可以看出,塑性变形随加载次数的增加而增大,随块石含量的增加而减小。在相同的周期内,滞回环面积随块石含量的增大而减小。循环应力-应变曲线显示了试件在循环加载过程中的宏观应变响应。本节着重从细观的角度分析土石混合体的局部变形,来研究土石混合体的应力膨胀行为。CT图像中低密度区域的传播间接反映了土石混合体的体积变化。试样的局部变形影响滞回环的形成。表2～表4为3张CT扫描图像在不同加载阶段的切片面积。在同循环阶段下,特别是从第7个循环,CT图像的部分区域随块石含量的增加,扩张行为变得明显。

表2 块石含量为30%的土石混合体应力剪胀特性分析

表3 块石含量为40%的土石混合体应力剪胀特性分析

表4 块石含量为50%的土石混合体应力剪胀特性分析

通过表2～表4中扫描截面面积变化量可以对各扫描阶段下土石混合体试样的平均径向应变进行计算。根据体积应变计算公式可以得出如图16所示的各扫描阶段下的体积应变与循环次数之间的关系。由图16可以看出,随着循环次数的增加,试样的变化趋势从剪缩到剪胀。对于块石含量为30%的土石混合体试样在第7次循环加载(对应于第4次CT扫描阶段)时体积从压缩变为膨胀,并且在拐点之后,土石混合体的剪胀行为变得越来越明显。对于不同块石含量的试样,体积剪胀特性随着块石含量的增加而减弱,由图16知当处于相同的加载阶段时,块石含量越高其体积越容易被压缩,这是因为块石含量越高块石与块石之间的孔隙更容易被土体基质填满; 当处于相同的加载阶段时,块石含量越低其体积剪胀特性越明显,这是因为块石含量越低,块石与块石之间形成的骨架系统越脆弱块石之间更容易发生滑移错动。

图16 不同块石含量下土石混合体体积应变与循环次数的关系

3 结 论

本文通过三轴循环试验研究了不同块石含量的土石混合体试样的疲劳损伤特性,结合CT扫描的手段重点分析三轴循环加载条件下块石含量对土石混合体内部细观结构的损伤劣化过程,探究内部裂纹损伤演化对其宏观力学特性的影响。主要结论如下:

(1)滞回环面积随着块石含量的增加而减少,与块石含量较低的试样相比,含量较高的土石混合体试样,抵抗循环载荷的能力更强。

(2)CT重构图像揭示了起裂点主要集中于土石界面处,裂纹的传播路径受块石分布的影响,在块石高度集中的区域出现互锁现象,制约了裂纹的进一步扩展; 块石的分布决定了土石混合体试样的非均匀损伤特征,块石含量直接影响着土石混合体在循环荷载作用下的损伤劣化程度。

(3)破裂过程中土石混合体主要产生两类典型的裂缝,一种是扩展基质中且裂缝长度较大的主裂缝,另一种为围绕着块石传播的次级裂缝,通过长度,宽度,面积和分形维数等参数来描述裂纹表征发现上述参数皆随着循环次数和块石含量的增加而增大。

(4)土石混合体体积剪胀特性随着块石含量的增加而减弱,块石含量越高其体积越容易被压缩,这是因为块石含量越高块石与块石之间的孔隙更容易被土体基质填满。块石含量越低,块石与块石之间形成的骨架系统越脆弱块石之间更容易发生滑移错动。