增湿-减湿条件下重塑黄土宏微观试验研究

2020-11-24叶万军强艳红吴云涛陈义乾

科学技术与工程 2020年29期

叶万军，强艳红，张文，吴云涛，陈义乾

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054； 2.长安大学建筑与土木工程学院，西安 710064)

黄土特有的水敏性往往是决定建设工程稳定性的重要因素。对于填方工程，降雨与蒸发的周期性变化使土体长期处于饱和和非饱和的交替状态，土体内部结构发生变化，其力学性质也发生改变，导致填方工程出现裂缝、塌陷等灾害。因此研究增湿-减湿交替状态下重塑黄土的力学性质具有重要意义。

目前诸多学者对干湿循环下黄土类土进行了研究，取得了一些成果。Kay等[1]研究发现经过干湿循环作用后土体的抗拉强度降低。Mao等[2]通过研究压实黄土，发现干湿循环后压实黄土的干密度、黏聚力减小而孔隙比增加，说明干湿循环后压实黄土有明显的弱化现象且可能出现二次湿陷。付理想等[3]、刘宏泰等[4]研究了干湿循环下原状和重塑黄土的渗透系数，发现在干湿循环条件下，重塑黄土渗透系数增大，原状黄土渗透系数降低。王飞等[5]研究了干湿循环下压实黄土变形特性的影响，得出干湿循环对初始压实度高的黄土作用效果较显著。王飞等[6]利用双线法测试研究干湿循环下黄土土样的湿陷性，得出压实度越大，循环次数越多，试样的湿陷系数越大，湿陷变形越显著。袁志辉等[7-8]研究干湿循环次数对原状黄土抗拉抗压强度的影响，得出随着干湿循环次数的增加，抗拉强度和抗压强度都随干湿循环次数的增加而减小。袁志辉等[9]通过常规三轴试验，研究干湿循环下黄土结构与衰减强度的关系，得出随着含水率增大黄土结构和衰减强度减小，呈良好的对数函数关系；随着围压的增大黄土结构和衰减强度增大，呈良好的线性关系。叶万军等[10]研究了干湿循环下重塑黄土的水分迁移规律，得出初始含水率越大，水分迁移速率越快；干湿循环次数增多，水分向上迁移速率减慢。邓湘河[11]、吴凯等[12]研究了压实黄土的孔隙微观结构，得出不同压实度的黄土，其微观结构的参数不同。沙爱民等[13]研究了压实黄土湿陷性和微观结构的关系，得出大、中孔隙的含量是引起黄土湿陷性的主要原因。

综上可知，诸多学者对黄土的强度、湿陷性、渗透性以及微观结构等方面均有研究，但主要集中在黄土的力学性能方面，对干湿循环下重塑黄土的宏观、微观特性研究较少。鉴于此，现以重塑黄土为研究对象，采用无侧限压缩试验和扫描电镜试验，通过分析侧限压缩系数与循环次数之间的关系以及不同循环次数下微观结构的定性、定量研究，得出增湿-减湿循环下重塑黄土的宏观变形特性和微观结构特性，为黄土区填方建设工程提供理论指导。

1 试验过程

1.1 试样简介

试验研究用土取自陕北某填方场地，该场地土体为Q2黄土，土体为黄褐色，含有少量钙质结核。土体基本物理性质试验按照《土工试验方法标准》[14]进行，具体统计指标如表1所示。

表1 重塑黄土基本物理统计指标Table 1 Basic physical statistics of remolded loess

将现场所取土样烘干、研磨、过筛后，称取相应质量的干土料和水进行所需含水率试样的制备，为

防止制样过程中水分的蒸发，按略大于最佳含水率15.5%称取水。将计算所需水量均匀喷洒到土料表面后人工搅拌，置于密封袋中静置24 h，使水分均匀分布。试验所用试样为φ61.8 mm×20 mm的环刀样，采用轻型击实仪进行击实，配置干密度为1.65 g/cm3的试样，借助脱模器脱模后削取环刀样。

1.2 试验方案

1.2.1 增湿-减湿循环试验

环刀样制作完成后将其分为8组每组4个试样，共计32个试样进行试验。分别对每组试样进行0、1、3、5、7、10、15、25次增湿-减湿循环。根据陕北地区降雨与蒸发的实际情况，确定试验时含水率下限(干燥状态)约为3%，上限(饱和状态)约为23%，试样循环结束后将试样含水率控制到15.5%，即最佳含水率状态。减湿过程采用自然风干法，增湿过程采用人工喷水增湿法。根据实测数据发现，试样含水率由上限自然风干到下限约36 h，由下限喷水增湿到上限约24 h，因此一个完整增湿-减湿循环周期约60 h，试验循环过程如图1所示。待每组试样循环结束后分别取3个试样进行压缩试验和1个试样进行扫描电镜试验。

图1 增湿-减湿循环过程Fig.1 Humidification-dehumidification cycle

1.2.2 压缩试验

为了研究增湿-减湿循环下重塑黄土的力学性质，因此对不同增湿-减湿循环次数下的试样进行压缩试验。试验仪器采用西安科技大学土力学实验室的单杠杆固结仪，加压等级依次为25、50、100、200、300、400、800 kPa，每级荷载压缩持续1 h，最后一级除需要记下1 h后的读数外还要记录24 h后的读数。试验共分8组，每组进行3次重复试验，以避免试验的离散性，取3次试验的平均值作为该循环次数下的平均侧限压缩应变。

压缩试验数据采用割线模量法进行整理和分析，割线模量法可以通过应变量来直观反映土体压缩特性。侧限压缩应变εsi的表达式为

(1)

式(1)中：h0为土样的初始高度，mm；hi为第i级垂直压力下试样变形稳定后的高度，mm；下标s为侧限条件。

1.2.3 扫描电镜试验

扫描电镜试验采用日本生产的JSM-6460LV环境扫描电子显微镜。其放大倍数能达到5万～300万倍。扫描电子显微镜主要通过加速电压扫描土样表面，将高能电子束聚焦成极细电子束，激发次级电子信号。信号经过一系列的处理转换形成图像。由于土体的导电性差，所以扫描前需要在土体表面镀膜，试验采用的镀膜仪器为小型离子溅射仪。

试验共分8组，将每组增湿-减湿循环后的试样用小刀切成10 mm×10 mm×20 mm的试验试样，由于扫描电镜试验环境为干燥环境，因此将切好的试样进行自然风干，将风干后吹去表面浮动颗粒的试样装入溅射仪器中进行喷金处理，最后将不同循环次数下喷金后的试样放入扫描电镜仪器中进行观察，选取能更好地反映土颗粒及孔隙变化的照片进行观察分析。

2 压缩试验结果分析

2.1 增湿-减湿循环次数对压缩应变的影响

通过压缩试验，得出侧限压缩应变与循环次数的关系曲线如图2所示，研究增湿-减湿循环作用下重塑黄土的压缩变形特性。

图2 增湿-减湿循环次数与侧限压缩应变关系曲线Fig.2 Curve of humidification-dehumidification cycle times and confined compression strain

如图2所示，增湿-减湿循环次数与侧限压缩应变成正相关，在相同荷载作用下，随着循环次数的增加，侧限压缩应变增加，在7次循环之后，侧限压缩应变斜率增大，试样变形增大，说明试样在7次循环后强度降低，承载力削弱；相同循环次数下，随着垂直压力增大侧限压缩应变增大，在0次循环时试样变化较小，在25次循环后，试样变化最大，说明重塑黄土初始状态较稳定，经过循环后，土体强度出现一定的弱化或土体结构发生破坏。

2.2 增湿-减湿循环次数与侧限压缩应变的关系

如图2所示，各级荷载作用下侧限压缩应变的变化规律一致，但变化速率及变化值不同。当施加荷载为25、50 kPa时侧限压缩应变增加速率缓慢且变化值较小；当施加荷载为100、200 kPa时侧限压缩应变增加速率较快但变化值小；当施加荷载为300、400 kPa时侧限压缩应变增加速率快且变化值大；当施加荷载为800 kPa时侧限压缩应变变化较大但增加速率相比300、400 kPa较缓慢。对比分析发现施加荷载为300、400 kPa时试样变化明显，不仅增加速率快且变化值大，因此选择施加荷载为300、400 kPa下的数据进行分析。根据增湿-减湿循环下侧限压缩应变的变化规律，发现可采用幂函数进行拟合，拟合结果如图3所示。

由图3可知，增湿-减湿循环下侧限压缩应变曲线可以用幂函数拟合，拟合的相关系数趋近1，说明拟合效果良好，表明增湿-减湿循环下侧限压缩应变规律可以用幂函数表示。在拟合公式中N表示循环次数，随着N增大，侧限压缩应变增大，即变形增大，反映出增湿-减湿循环降低了土体的强度和承载力，在外力作用下易发生压缩变形。

图3 增湿-减湿循环下侧限压缩应变拟合曲线Fig.3 Fitting curve of lower limit compression strain in humidification-dehumidification

3 增湿-减湿循环过程重塑黄土微观结构变化分析

根据扫描电镜试验过程中对图片的观察，发现500倍的图像所包含的信息更多且清晰，1 500倍的图像能更加详细地体现颗粒和孔隙的变化，所以选取500倍的图像进行定量研究，1 500倍的图像进行定性研究。

采用图像处理软件(Image Pro Plus 6.0)对图像进行分析处理，通过空间刻度校正，图像噪声过滤处理和图像分割对微观图像进行处理。图像分割中阈值的选取采用手动设定，通过多次试验，阈值取192。

3.1 微观结构定性分析

选取增湿-减湿循环次数为0、7、15、25次下试样的扫描电镜图进行分析，如图4所示。

图4 不同增湿-减湿循环次数下土样微观结构Fig.4 Microstructure of soil samples under different humidification-dehumidification cycles

由图4可知，增湿-减湿循环对土体的孔隙和结构影响较大，重塑黄土初始状态结构紧密，颗粒形态主要为扁平状，排列均匀，颗粒之间的连接方式以面-面接触和点-面接触为主。随着增湿-减湿循环次数增加，重塑黄土的结构发生变化，当循环到15次后，孔隙结构分散，颗粒形态变成椭圆形或圆形，分布较分散，颗粒连接逐渐以点-面接触和点-点接触为主；当循环到25次后，孔隙结构已发生破坏，孔隙连接强度降低，颗粒形态以圆形为主，分布分散且排列杂乱，颗粒连接以点-点接触为主，颗粒间的接触面减小，摩擦力降低，在受到外力作用时，易产生错动发生变形。分析土体产生变化的原因，在重塑黄土初始状态，胶结物-盐晶体作为固体形态存在土体中，在反复的增湿过程中，连接颗粒间的盐晶体逐渐溶解，颗粒逐渐分离，颗粒间的接触面积逐渐减小，因此会形成点-点接触；在增湿过程中，土体中的亲水矿物吸收水膨胀，减湿过程中发生失水收缩，而土是典型的塑性材料，失水后体积不能恢复到原状，因此土体间的孔隙增大；每次增湿-减湿循环实际是水的渗流过程，水沿孔隙路径反复渗入，冲刷颗粒，使颗粒形态由棱角分明的扁平状变成圆形或椭圆形。说明在实际工程中，长期的交替循环使土体产生裂缝，水沿裂缝及孔隙渗入，形成渗流通道，增加了水土相互作用，改变了土体内部结构，在上部荷载作用下逐渐发生变形。

3.2 微观结构定量分析

3.2.1 数据提取

计算的定量参数包括孔隙/颗粒平均直径、分布分维、平均丰度。各参数的含义及算法如下[15-16]。

(1)孔隙、颗粒平均直径。由于孔隙、颗粒有不规则的形状，因需要将孔隙或颗粒的面积等效成圆的面积计算平均直径，然后用等效圆的直径代表孔隙或颗粒的平均直径D，计算公式为

(2)

式(2)中：S为孔隙面积。

雷祥义[17]通过压泵法对黄土孔隙大小的特征进行了分类。因此，孔隙大小划分是依据雷祥义定义的孔隙分类方法分为大孔隙(>0.016 mm)、中孔隙(0.004～0.016 mm)、小孔隙(0.001～0.004 mm)、微孔隙(<0.001 mm)。

重塑黄土粒径的分类为微小颗粒(<5 μm)、小颗粒(5～10 μm)、中颗粒(10～50 μm)、大颗粒(>50 μm)[18]。

(2)分布分维。分布分维Dv采用计盒维数计算[19-20]，反映对象的分布密度和复杂性，计算公式为

(3)

式(3)中：a为矩形盒子的边长；N(a)为含有对象的盒子数目；K为线性部分的斜率。Dv越小，表明研究对象的分布越分散。

(3)平均丰度。平均丰度C是表示颗粒形状接近圆形的程度，计算公式为

(4)

式(4)中：B为颗粒短轴长度，μm；L为颗粒长轴长度，μm。C越大说明颗粒越趋于圆形，C越小说明颗粒越趋于长条形。

3.2.2 孔隙结构分析

增湿-减湿循环作用下土样中各孔隙的含量和孔隙的分布分维变化曲线图如图5、图6所示。

图5 孔隙大小随循环次数的变化Fig.5 Variation of pore size with number of cycles

图6 孔隙分布分维的变化Fig.6 Variation of fractal dimension of pore distribution

由图5可知，在0次循环时，试样的孔隙以中、小孔隙为主。随着循环次数的增加，大、中孔隙的百分含量与循环次数正相关，微、小孔隙的百分含量与循环次数负相关。表明在试样内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化，试样裂隙不断发育演化。由图6可知，随循环次数增加孔隙分布分维减小。说明增湿-减湿循环下孔隙分布越来越分散。分析原因，增湿过程中水使土中的胶结物质被溶解，骨架颗粒连接破坏，土颗粒分散，颗粒重新与其他颗粒连接形成从而使土的原有结构改变，进而孔隙发生改变，使土样中的中、小孔隙向中、大孔隙发展，或中、小被贯通变成大孔隙。孔隙不断地变化使孔隙结构也由集中变得分散。

3.2.3 颗粒结构分析

土体的颗粒形态主要有颗粒大小、颗粒形状。在增湿-减湿循环过程中，含水率的变化使土体结构受到扰动，使土体内的颗粒形状和大小都发生改变，土粒骨架也发生变形和局部塌陷。

根据3.2.1节计算出增湿-减湿循环作用下土样中各粒组的含量和颗粒粒度分布分维变化曲线图如图7、图8所示。

图7 粒组分布变化Fig.7 Variation of grain size distribution

图8 粒度分布分维变化Fig.8 Fractal dimension variation of particle size distribution

由图7可知，大、中颗粒组含量减小，微、小颗粒粒组含量增加，但试样中整体大、中颗粒组含量大于微、小颗粒组含量，说明增湿-减湿循环对颗粒组含量的影响并不大，只有少部分大、中颗粒变为微、小颗粒；在初始循环中，各粒组含量曲线都有小的波动，大中颗粒粒组含量增加，微、小颗粒粒组含量降低；在增湿-减湿循环15次后，每颗粒组含量基本趋于稳定。由图8可知，增湿-减湿循环作用下土样粒度分维总体呈现减小的趋势，说明随增湿-减湿循环次数的增加，粒径分布越来越分散，同时也越来越复杂。

分析颗粒变化的原因：①试样在增湿-减湿循环过程中，产生周期性胀缩，其结构受到扰动造成土体内的颗粒形状发生改变，使原来的片状颗粒变为圆形颗粒，会有少部分微小粒径的颗粒脱落；②试样中有部分微小颗粒通过胶结物质胶结在大颗粒上，由于增湿-减湿循环，胶结物质被水溶解，细粒状颗粒也就脱落，因此大中颗粒组含量减小，微小颗粒组含量增大；③在初始循环过程中，大颗粒上的胶结物质还没有被水溶解，部分微小颗粒就会胶结在大颗粒上，导致大颗粒含量增大，随着循环次数增加，胶结物质被水溶解，微小颗粒脱落，大颗粒含量就会减小而微小颗粒含量相应的增加。由于土体中颗粒在干湿循环作用下发生破裂，溶解等过程，使得颗粒发生改变，其粒径也不同程度的发生变化，因此导致土样中的颗粒粒径变得较复杂。

3.2.4 颗粒丰度

根据3.2.1节计算出不同增湿-减湿循环下颗粒丰度变化曲线如图9所示。

由图9可知，土样的颗粒丰度呈锯齿状增加，在增湿-减湿循环15次后基本趋于稳定。说明在增湿-减湿循环下土样中的颗粒形状在不断变化，由不规则形逐渐变为圆形。分析原因，土样经过干湿循环过程，颗粒间发生破裂、错动，形成不同形状的颗粒，在增湿过程中土颗粒发生移动、摩擦使颗粒形状由长条形变为椭圆形或圆形。