压缩过程中饱和原状和饱和重塑黄土孔隙分布变化特征

孔金鹏, 胡海军, 樊恒辉

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

压缩过程中饱和原状和饱和重塑黄土孔隙分布变化特征

孔金鹏, 胡海军, 樊恒辉

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

为从微观孔隙分布角度上解释饱和原状黄土与饱和重塑黄土在相同应力状态下宏观变形的差异、在相近孔隙比下孔隙分布的差异以及所经历应力路径的差异,针对这二个目的，对泾阳崔师饱和原状黄土和饱和重塑黄土进行一维压缩和等向压缩试验并进行相同应力状态及相近孔隙比下的压汞试验。研究结果表明:泾阳崔师黄土孔隙分布呈三峰分布,重塑黄土孔隙分布呈两峰分布;相同应力状态下,两者粒间孔隙差异大而粒内孔隙基本相同,随着压力的增加,两者粒间孔隙逐渐相近,宏观变形的差异体现在粒间孔隙的差异;相近孔隙比下,二者孔隙分布差异不大但经历的应力路径差异很大。

黄土; 孔隙分布; 粒间孔隙; 粒内孔隙

0 引言

由于原状黄土存在结构性,其与重塑黄土相比受荷过程中宏观变形上存在差异[1-2]。在荷载作用下,原状黄土的胶结结构逐渐向非胶结结构变化,在此过程中产生的变形可视为微结构由胶结结构失稳产生的塌陷变形[3];而饱和重塑黄土的力学特性较符合修正剑桥模型,且在等应力比下颗粒间孔隙体积的调整随平均应力变化符合指数变化规律。那么原状黄土与重塑黄土在相同应力状态下宏观变形的差异体现在微观孔隙分布上有何不同？两者在相近孔隙比下的孔隙分布及其所经历的应力路径有何差异？本文拟借助压汞试验测试孔隙分布来研究这些问题。压汞试验是基于汞这种非浸润性液体在真空下随着压力的升高侵入孔隙的原理[4]进行的。已有很多学者应用其研究土的微观结构,如雷祥义[5]利用压汞试验分析了西安附近黄土孔隙特征;谈云志等[6]利用压汞试验分析不同压实度下红黏土孔隙分布的异同点;蒋明镜等[7]利用压汞试验对不同应力路径前后黄土孔隙变化进行了研究。

1 试样与试验方案

1.1 试样土体及土体物理特性

选取陕西泾阳太平镇崔师村某砖厂的晚更新世Q3黄土作为试验土体,其取土深度约3～4 m。该土体物理性质指标如表1所列。重塑土料采用对原状黄土风干、粉碎、过筛并配至17%含水率,静置2天后用击实法制备相同干密度的重塑土环刀样和三轴样。

表1 泾阳崔师黄土的物理性质指标

1.2 试验方案

对抽真空饱和后的原状样和重塑样进行一维压缩和等向压缩试验,在结构屈服之前荷载施加增量小,结构屈服之后施加荷载增量增大。压汞试验选择相同应力状态下的饱和原状黄土和饱和重塑黄土试样,以及加、卸载后相近孔隙比的饱和原状黄土和饱和重塑黄土试样。

对进行微观试验的试样,用很薄的刀片切出1 cm×1 cm×1 cm大小的土样作为压汞试验备用样。进行压汞试验的试样必须保持干燥,而饱和黄土压缩后其含水率仍然较高,因此使用液氮干燥法干燥试样。首先将试样放入盛有液氮的皿盒里,由于液氮的温度(-210 ℃)是在水的冰点之下,因此试样中的水迅速变成冰,使得样品的体积发生极其微小的变化[8],然后在真空缸里面抽真空,使得冰升华。

压汞试验分低压分析和高压分析。

压汞试验分析采用毛细管模型。根据拉普拉斯方程推导出进汞压力与孔隙孔径的关系:

(1)

其中:PC为进汞压力;σ为毛细管内两相界面上的界面张力,本试验取480 dyn/cm;θ为水银的湿润接触角,取130°。试验使用的是AutoPoreIV9500压汞仪,其量测的孔隙直径范围为0.005～180 μm。

2 试验结果及分析

2.1 宏观试验结果

图1给出了饱和原状土和重塑土一维压缩试验中的e-lgp和等向压缩的v-lnp曲线。从图中可以看出饱和原状黄土具有转折点而饱和重塑黄土基本不具有转折点,这与已有试验资料结果相同。根据Gasagrande法可以得到饱和原状黄土先期固结压力PC[9],其中一维压缩中竖向屈服应力PC为61.3 kPa,等向压缩中等向固结屈服应力PC为59.8 kPa。

2.2 相同压力下原状和重塑黄土孔隙分布分析

为分析原状土结构屈服前后与重塑土在相同压力下的孔隙分布差异,选取初始样、50、100及400 kPa压力下的试样进行压汞分析。图2给出了原状和重塑土一维压缩各个压力下的孔隙分布曲线,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表原状黄土的峰;①、②代表重塑黄土的峰。

从图2中可以看到天然黄土呈三峰分布,分别对应粒内孔隙、粒间孔隙和孤立孔隙,这与已有试验资料中双峰分布对应的粒间孔隙和粒内孔隙[7]不同,这源于土样有较多直径较大的孤立孔隙(图3)。原状黄土表面存在一些肉眼可以清晰分辨的孔隙,而重塑黄土表面则没有,这些孔隙与通常所说的粒间孔隙尺寸有所差异,因此呈现第三峰分布。图2中重塑黄土孔隙分布测试数据有些波动,从规律上看基本呈双峰分布,体现了粒內孔隙和粒间孔隙特性。在一维压缩过程中,原状黄土初始时Ⅰ、Ⅱ峰移动不大,随着竖直压力的增大,原状黄土的Ⅲ峰峰值逐渐减少,在400 kPa竖向压力作用时消失,说明孤立的大直径孔隙逐渐减少,直至其消失[图2(d)];而重塑黄土的②峰则在越来越大的应力作用下明显向左、向更小的孔隙移动,具体体现为竖向压力0 kPa时的②峰对应的是孔径30.2 μm的孔隙,而竖向压力400 kPa时的②峰对应的是2.5 μm孔径的孔隙;此外,在压缩过程中原状黄土Ⅰ峰和重塑黄土①峰峰值几乎重合,且在粒内孔隙的孔径范围<0.08 μm时二者孔隙分布几乎重合。0.08 μm可以定义为粒内孔隙与粒间孔隙的分界孔径，也即研究的粒内孔隙的孔径范围是0.005～0.08 μm时,粒间孔隙的孔径范围是0.08～180 μm。

图1 原状和重塑黄土压缩回弹曲线Fig.1 Curves of e-lgp and v-lnp of intact and remoulded loess

图2 一维压缩下原状和重塑黄土孔隙分布曲线Fig.2 Pore size distribution curves of intact and remoulded loess under one-dimensional compression

图3 100 kPa固结压力后的原状土和重塑土Fig.3 Intact and remoulded loess surfaces under consolidation pressure of 100 kPa

表2给出了饱和原状黄土和饱和重塑黄土粒内和粒间孔隙的分布密度。这里将分布密度定义为

每克土中某一孔径的孔隙的体积。由表2可见,原状黄土和重塑黄土的粒内孔隙的分布密度基本位于0.058 mL/g左右,粒间孔隙的分布密度随着压力的增加变化明显,说明在一维压缩过程中二者的粒间孔隙塌陷,而粒内孔隙基本不变。竖直压力从0变化到100 kPa时原状黄土的粒间孔隙从0.326 mL/g减少到0.285 mL/g,变化了12.6%,而重塑黄土的粒间孔隙从0.307 mL/g减少到0.144 mL/g,变化了53.1%;竖直压力从100 kPa变化到400 kPa时,原状黄土的粒间孔隙从0.285 mL/g减少到0.235 mL/g,变化了17.5%,而重塑黄土从0.144 mL/g减少到0.113 mL/g,变化了21.5%,说明了原状黄土的粒间孔隙结构在低压力下较为稳固,而在压力升高的趋势下逐渐失稳。

表2 一维压缩下原状和重塑黄土粒间和粒内孔隙分布特征

等向压缩试验呈现出类似的结果,为节省篇幅,这里仅给出等向固结压力50 kPa和400 kPa下的孔隙分布曲线,如图4所示。等向压缩下原状黄土在低应力作用下呈三峰分布,σ3=400 kPa时Ⅲ峰消失;原状黄土Ⅰ峰与重塑黄土①峰依旧重合,从粒内孔隙分布密度来看,二者基本在0.058 mL/g左右浮动,这与一维压缩相同压力状态下其孔隙分布特征相同。

2.3 相近孔隙比下原状和重塑黄土孔隙分布分析

为研究等向压缩下原状黄土和重塑黄土在相近孔隙比下的孔隙分布差异,首先选定原状土三个压力,然后参照v-lnp曲线找出与原状土孔隙比相同时重塑土对应的压力值。但压汞试验需要卸载取样,土体在卸载时会回弹。通过处理原状土和重塑土回弹数据,得到两者的κ基本相同,所以取原状土回弹线与重塑土压缩线的交点对应的压力值即为与原状土孔隙比相近时重塑土对应的压力值。由此得到相近孔隙比下,饱和原状土200、400及800 kPa分别对应重塑土15、68和250 kPa。为验证此方法的适用性,根据饱和土在压缩和回弹过程中依旧饱和,按式(2)计算卸载后试样的孔隙比,得到上述固结试样卸载后的孔隙比(表4)。可见上述方法可基本得到孔隙比相近的试样。

(2)

表4 回弹后原状土与重塑土孔隙比的比较

图5 相近宏观孔隙比下孔隙分布曲线Fig.5 Curves of pore size distribution of intact and remoulded loess under similar macro-void ratio

表5给出了原状和重塑土粒间孔隙分布密度差异。从结果上来看,相近孔隙比下二者的粒內孔隙基本相同,而粒间孔隙有一定的差异,但差异不大。比较原状土与重塑土在受荷过程中粒间孔隙密度的差值,发现其从大到小依次为0.046 mL/g、0.040 mL/g、0.030 mL/g,差异不大。然而达到相近孔隙比时,饱和原状黄土和饱和重塑黄土经历的应力路径却相差较远。

表5 相近孔隙比下原状和重塑黄土粒间、粒内孔隙分布特征

3 总结

通过分析一维压缩和等向压缩下饱和原状黄土和饱和重塑黄土的微观孔隙分布特征(0.005～180 μm),得到如下结论:

(1) 天然黄土呈三峰分布,重塑黄土呈两峰分布;在压缩受荷过程中,原状黄土的第三峰随着应力的增大逐渐减小,最后消失。对于最高峰而言,重塑黄土的最高峰向左移动明显(向更小孔隙方向),原状黄土的变化没有重塑黄土突出;最低峰而言,原状黄土和重塑黄土变化都不大。

(2) 分析相同应力路径下的原状黄土和重塑黄土的孔隙分布特征,可以发现粒内孔隙的分布密度在压缩过程中几乎没有变化,而粒间孔隙的分布密度随应力的增大而减小。

(3) 对比相近孔隙比下的原状黄土和重塑黄土的粒间孔隙分布密度,可以得到两者具有相近的孔隙分布,但饱和原状黄土和饱和重塑黄土经历的应力路径有很大差异。

References)

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Pore Distribution Characteristics of Saturated Intact and Saturated Remolded Loess under Compression

KONG Jin-peng, HU Hai-jun, FAN Heng-hui

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,Shaanxi,China)

This study analyzes differences in macro-deformation between saturated intact loess and saturated remolded loess under the same stress state from the perspective of micro-pore distribution. Moreover, the study analyzes differences in the micro-pore size distribution between saturated intact loess and saturated remolded loess in a similar void ratio. Mercury intrusion tests are conducted on saturated intact and remolded loess in Cuishi village, Jingyang county, after one-dimensional and isotropic compression under the state of same stress and a similar void ratio. Results show that (1) The pore distribution of Jingyang intact loess has three peaks while that of remolded loess has two peaks. Moreover, there are differences in the highest peak changes in the remolded loess as compared with that of the intact loess. (2) Under the same stress state, the volume of intra-particle pores is similar in both loess samples but that of the interparticle pores is different. With an increase in stress, the volume of interparticle pores of both specimens becomes more similar, and differences in the macro-deformation are reflected in the differences between the interparticle pores. (3) Under a similar void ratio state, the pore distribution of the two loess samples are similar, but their stress paths are considerably different.

loess; pore size distribution; interparticle pore; intraparticle pore

2016-09-27 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51409220)；西北农林科技大学基本科研业务费专项资金项目(2014YB049)

孔金鹏(1994-)，男，在读硕士，研究方向为桩土相互作用。E-mail：414065204@qq.com。

胡海军(1982-)，男，博士，讲师，主要从事结构性黄土的宏微观特性、离散元宏微观数值试验方面的研究。 E-mail:hu.hai-jun@163.com。

TU411

A

1000-0844(2016)06-0903-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0903