基于MIP的压实作用对“微膨胀性”重塑泥岩微观结构影响分析*

张唐瑜 马丽娜 张戎令②③ 王起才② 李进前

(①兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070)(②道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室 兰州 730070)(③卡迪夫大学工程学院 英国 CF24,3AA)

0 引 言

土体的微观结构影响其强度、渗透性及变形等物理力学特性，各类土体普遍发育有微孔隙与微裂隙，形成了各自特殊的微观结构，正是基于对膨胀土、冻土、红土和黄土等特殊土微观结构研究，认识到各种土的物理力学性质具有较大差异的原因是微观结构的不同(丁建文等， 2011； Chen et al.，2016)。因此，不少学者(沈珠江， 1996； 张英等， 2015a，2015b； Cinelli et al.，2018)认为研究土的微观结构具有重要意义，对各类工程建设具有一定的指导价值。

岩土工程中，压汞法(mercury intrusion poro￣sime￣try，简称MIP)可以定量研究土体微观结构，其测定孔径大小范围较其他方法宽很多，可以反应大多数材料的孔隙结构状况(丁建文等， 2011)。相关学者应用压汞法对各类土体进行了大量研究并取得了颇有价值的理论成果。张英等(2015b)借助压汞技术对青藏铁路沿线重塑粉质黏土不同冻融次数下的孔隙特征进行了研究。李志清等(2018)采用压汞法对页岩的孔隙特征进行了研究，分析发现分形维数可用于评价页岩孔隙的非均质性，且分形维数越大，孔隙的非均质性越强。肖树芳等(2014)采用压汞技术对固结变形过程中淤泥土的微观结构变化特征进行了分析研究，并研究了软土的黏滞系数和结合水膜厚度的关系。而针对微膨胀性泥岩的微观孔隙研究尚不多见。

课题组(马丽娜等， 2015a,2015b； 薛彦瑾等， 2017)对兰新高铁第二双线哈密泥岩地基段进行了前期研究，发现该地区泥岩具有弱膨胀性，相对于一般铁路工程，该膨胀性对列车的安全运行影响较小，而高速铁路无砟轨道对膨胀变形要求极为严格，允许最大膨胀量为4imm，该地区的泥岩膨胀确有高铁平稳运行不可忽视的弱膨胀性。在地基回填过程中会对泥岩进行夯实作用，基于以上原因，本文采用压汞法分析压实作用对该地区泥岩微观孔结构的影响。

1 试验方法

1.1 试样制备

试验泥岩取自兰新高铁第二双线DK1236+550处，采用钻机取样，取样深度8～13im。按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)测得其基本物理力学指标如表 1所示。

表 1 泥岩基本物理力学指标Table 1 Basic physical and mechanical indexes of mudstone

试样制备过程如下：

(1)将现场钻取的泥岩碾细，过2imm筛，在50i℃恒温烘箱内将泥岩烘干后调配成含水率为13%(最优含水率)，为保证试样含水率均匀，将搅拌完的试样用保鲜膜包裹12ih。

(3)将制备好的试样装入饱和器后放入真空饱和缸中进行饱和(因该泥岩具有弱膨胀性，饱和器起饱和及限制膨胀的作用)。

(4)将饱和后的试样切成小块，将小块试样装入试管并加入异丙烷； 将试管浸入到液氮中快速冻结，然后放入冷冻干燥机(如图 1a)使孔隙中的冰晶升华干燥，以避免直接干燥(如烘干法、风干法)引起泥岩体积收缩。

1.2 试验原理

压汞试验分析采用的是毛细管模型，Washburn(1921)根据Young-Laplace公式推导出著名的瓦什伯恩(Washourn)方程，如式(1)所示：

(1)

式(1)中P为作用在液面的压力，γ为液体表面张力，θ为液体与其他物体的接触角。对于水等浸润液体其接触角θ<90°，此时式(1)中液面压力为负数，液体受吸力可以自动进入孔隙； 对于非浸润液体，如汞(90°<θ<180°)，此时液面压力为正，若要使汞进入孔隙，则必须提供一定的压力，压力与孔隙特征成一一对应关系。因此，物体的微观孔结构可以通过汞进入孔中的量与不断增长的进汞压力的关系得出。

本试验采用AutoPore IV 9500 V1.07全自动压汞仪如图 1b，参照论文(张英等， 2015b)，试验中取θ=130°；γ=485idynes·cm-1， 1idynes·cm-1=10-3iN·m-1。

图 1 试验设备Fig. 1 Test equipmenta. 冷冻干燥机；b. 压汞仪

2 试验结果与分析

2.1 进退汞曲线

图 2 进-出汞曲线Fig. 2 Enter-outflow mercury curvea. 干密度试样进退汞曲线；b. 干密度试样进退汞曲线

表 2 不同干密度试样压汞信息Table 2 Mercury intrusion information for different dry density samples

由图 2可知：

(1)不同干密度重塑泥岩试样的进退汞曲线在数值上存在高低差异，在形态上呈现较好的一致性，均近似呈“L”型曲线，在压力较小时斜率较大，随着压力的增加，进退汞曲线均逐渐变得平缓，说明在较低压力条件下，有较多的汞进入了试样孔隙中。

(2)进退汞曲线并不重合，在压力一定时，退汞曲线高于进汞曲线，解释这一现象较为成熟的理论是瓶颈孔的存在(James， 1935)。汞进入某一直径的孔隙之前必须要穿过直径更小的孔口，进汞压力对应的孔隙往往是小孔，从而导致进汞量较小； 瓶颈孔的存在使得进退汞路径不同，导致汞线条发生断裂，使得汞珠在瓶颈孔中有一定的截留，从而产生了退汞曲线滞后现象。

同理可得其他干密度试样的压汞信息，如表 2所示：

由表 2可知，随着干密度增大，试样内部总孔隙含量与瓶颈孔的占比均逐渐减小； 不同干密度试样中瓶颈孔占总孔隙的比例最大达到81.59%，最小为67.47%，均大于50%，由此可知，压实泥岩中存在较多的瓶颈孔。

2.2 压实作用对孔径的影响

不少学者对土体孔隙划分标准进行了大量分析及探索(Shear et al.， 1992; 张英等， 2015b； 李志清等， 2018)。其中Shear et al.(1992)依据孔径的不同将孔隙分为颗粒内孔隙(d<14inm)、颗粒间孔隙(14inm70i000inm)。据此，以孔径分布为横坐标，孔径占比为纵坐标，绘制试样不同干密度状态下的孔隙分布图(图3)。

图 3 孔隙分布占比图Fig. 3 Ratio of pore distribution

由图 3可以看出，干密度不同，孔隙分布不同； 颗粒间孔隙最多，在不同干密度重塑泥岩中平均含量达到38.91%； 团粒内孔隙含量次之，其平均含量为26.54%； 颗粒内孔隙较少，最大含量为20.66%； 团粒间的宏观孔隙最少，最大含量为8.245%。随着干密度的增大，存在于团粒间的宏观孔隙和团粒内的孔隙均呈现减少的现象，其中团粒内孔隙减少较为明显，其含量由45.31%减少至16.48%，减幅达28.83%； 存在于颗粒内及颗粒间的孔隙含量均随着干密度的增大而逐渐增大，其中颗粒间孔隙增大显著，其含量由34.25%增大至56.29%，增幅达22.04%。

基于上述分析可知，泥岩的压实在微观上表现为对团粒内和团粒间较大孔隙的压缩导致大孔隙向小孔隙的转化，从而导致重塑泥岩的孔隙比变小； 在宏观上表现为土体密实度变大，强度增大。

2.3 压实作用对孔隙面积的影响

孔隙的面积大小可以表示介质(如水)通过泥岩时的接触情况。通过压汞试验可以得到重塑泥岩孔隙面积分布状况，在双对数坐标上绘制孔径与孔隙面积关系曲线(图 4a、图4b)。其中图 4a表示孔隙的累计面积，图 4b表示不同孔径所对应的孔隙面积。

图 4 不同干密度重塑泥岩试样孔隙面积与孔径关系Fig. 4 Relationship between pore area and pore size of remodeled mudstone samples with different dry densitya. 孔隙累计面积；b. 孔隙面积

由图 4a可知，随着压汞法所测孔径的减小，不同干密度重塑泥岩试样的孔隙累计面积呈非线性增加； 各不同干密度试样的孔隙总面积分别为 13.12im2·g-1、12.94im2·g-1、12.67im2·g-1、12.83im2·g-1、13.20im2·g-1和13.09im2·g-1，由此可知，尽管干密度增加，试样内孔隙总面积基本恒定； 在团粒间、颗粒间、颗粒内的孔隙面积变化曲线基本一致，在团粒内的孔隙分布曲线较为离散，表明压实作用对颗粒间的孔隙面积影响较大。

由图 4b可知，不同干密度重塑泥岩试样孔隙面积分布规律呈现较好的一致性。随着孔径的减小，孔隙面积分布规律几近相同； 不同孔径对应的孔隙面积不同，颗粒内的孔隙面积最大，团粒间孔隙面积最小，面积相差量级达106； 随着干密度的增加，团粒间、颗粒间和颗粒内孔隙面积曲线基本重合； 团粒内孔隙面积曲线较为离散，干密度越大，曲线越低，也即外界荷载作用越大，团粒内孔径所对应的孔隙面积越小，在宏观上表现为泥岩持水性能变强，渗透性及通气性变弱，证明压实作用改变泥岩的宏观物理力学特性主要是团粒内孔隙的影响。

2.4 压汞法的评价

压汞试验可以测定试样的孔隙率，在已知土体干密度和土粒比重(如表 1)的情况下也可以通过三相草图计算得其孔隙率。表 3为重塑泥岩试样孔隙率试验值与理论对比表。

表 3 孔隙率实测值与理论值比较Table 3 Comparison of measured values of porosity with theoretical values

由表 3可知，应用压汞法实测试样孔隙率与理论计算所得孔隙率有所差距，各不同干密度试样孔隙率实测值均小于孔隙率计算值； 随着干密度的增加，两者的差值逐渐减小。

图 5 实测孔隙率与计算孔隙率关系Fig. 5 Relationship between measured porosity and calculated porosity

分析实测孔隙率与理论计算孔隙率存在差距原因如下：(1)试样中的宏观孔隙在较小的进汞压力下即可测定，在这阶段所得各项孔隙指标偏于离散，因此压汞试验忽略了真实大孔隙含量； (2)由于压汞法假定试样中孔隙为圆柱形孔隙，而经分析重塑泥岩试样中存在大量瓶颈孔； (3)理论计算假定土体中孔隙相互连通，汞只能进入开口的孔隙，但重塑泥岩中确有一些独立存在的密闭孔隙。以上3点导致孔隙率实测值与理论计算值不相同。

通过进一步分析发现，压汞法试验量测所得的孔隙率与三向草图计算得到的孔隙率呈现良好的线性关系，如图 5所示，对两者关系进行了线性拟合，拟合方程如式(2)所示，拟合曲线如图 5中黑线所示，图中拟合系数为0.82>0.75，可以认为两者线性相关，因此可以通过拟合方程在已知某一孔隙率时，较为精确地计算另一孔隙率。

y=2.04x-13.25

(2)

虽然压汞法实测孔隙率与理论计算孔隙率之间存在一定的差异，但这对采用压汞法研究重塑泥岩微观孔隙结构影响甚微。首先，大孔的不同对实际工程性质如强度和渗透性影响极小； 再者，本次试验进汞最大压力为35i000ipsia(约241i325ikPa)，在此压力下，液态汞还不能进入某些孔隙，说明这些孔隙对重塑泥岩的强度及渗透特性影响极小，进而对工程特性影响极小。

3 结 论

(1)采用压汞法研究压实作用对膨胀泥岩微观结构的影响是成功的。

(2)通过分析试验的进退汞曲线可知，不同干密度重塑泥岩中均存在较多的瓶颈孔，导致汞进退孔隙路径不同，从而引起使得进退汞曲线不重合。

(3)采用shear提出的孔径划分标准对重塑泥岩孔隙进行了分类，发现孔隙多存在于颗粒间和团粒内； 压实作用对大孔隙的影响较大，致使团粒内孔隙逐渐向颗粒间孔隙转化。

(4)对不同压实状态下的重塑泥岩孔隙面积进行了分析研究，发现尽管压实度不同，但重塑泥岩试样内孔隙总面积基本恒定； 孔隙面积多存在于颗粒内。

(5)利用瓶颈孔和闭合孔的概念对压汞法实测孔隙率与理论计算孔隙率有所偏差这一现象进行了合理的分析及说明，并分析得出了实测孔隙率与计算孔隙率的关系式。

(6)尽管本文试验所采用的试样是重塑泥岩，但对实际泥岩微观特性的认识仍有重要的参考价值。