路用改良红黏土CT-三轴压缩试验及损伤演化

杨朵环, 左双英, 杨兴之, 郭 明, 张彦召

(1.贵州大学 资源与环境工程学院, 贵阳 550025; 2.贵州省建筑设计研究院有限责任公司, 贵阳 550081)

0 引 言

红黏土是碳酸盐岩通过强烈风化作用的产物[1], 在我国广泛分布于云南、四川、贵州、广西、湘西等地, 一般呈红棕色、黄褐色, 具有含水率高、塑性高、分散性高及胶体成分含量多等特征。在贵州多雨的气候环境下, 红黏土的亲水性及胀、缩性会暴露出水稳性差、反射裂缝大等工程劣性。肖桂元等[2]、Horpibulsuk等[3]、Alhassan等[4]利用水泥对红黏土进行加固处理, 研究表明在水泥加固的条件下, 红黏土的土力学强度提高效果明显; 曹豪荣等[5]、刘磊等[6]、刘攀等[7]、胡文华等[8]通过消石灰来改良红黏土的最优含水率, 使得红黏土的渗透性减低, 收缩破裂现象得到约束, 承载能力提高; Al-Amoudi等[9]利用石灰对阿拉伯地区的红黏土进行改良发现, 石灰土的耐久性、强度比原状红黏土的效果要好很多, 以上研究解决了红黏土在路基工程的破坏特性, 但是方法较局限, 而且忽略了它们与红黏土之间的微观结构参数研究； El-Sabbagh等[10]、谈云志等[11]研究发现复合材料能有效地抑制红黏土的收缩效应, 提高其整体强度; 宋宇等[12]基于三轴不排水试验，研究了红黏土损伤特性及损伤演化规律; 谷建晓等[13]基于三轴固结不排水试验并在修正邓肯-张模型的基础上, 通过计算损伤比得到相应的损伤速度, 分析损伤速度与结构性的关系确定了红黏土主要的结构性损伤参数取值范围； 孙星亮等[14]、李贤等[15]利用CT-三轴试验结合CT图像， 研究了膨胀土、冻结粉质粘土的损伤演化过程。

上述研究成果在改良红黏土方面奠定了一定的理论基础, 但仍存在许多问题需要进一步解决：一方面用来改良红黏土的技术过于单一, 特别是采用水泥、石灰等方法处理, 其收缩系数大, 强度提高慢, 稍微处理不当, 易产生收缩裂隙; 另一方面CT技术应用于改良土的研究, 一般是通过CT数和图像的变化来定性评价微孔隙、微裂缝的扩展情况, 并没有对加载过程中损伤演化规律进行定量分析。 因此, 本文采用粒化矿渣、粉煤灰、硅酸盐水泥等形成的固化剂, 对原状红黏土进行改良, 并将CT技术运用于改良红黏土的微观分析, 同时结合三轴压缩试验, 研究原状和改良红黏土应力-应变、CT均值-应变和CT方差-应变的关系，并进一步引入CT损伤变量模型, 定量分析红黏土在三轴压缩状态下, 土样内部裂隙扩展的规律和力学强度变化的特征。

1 试验土样及方案

1.1 试验土样

1.1.1 原状红黏土试样 试验原状红黏土试样为贵阳地区残积红黏土, 采样深度4.4～4.6 m(ZK1-1)、5.6～5.7 m(ZK1-2),母岩为白云质灰岩和白云岩, 矿物成分有高岭石、埃洛石、伊利石等, 具体参数指标见表1。土样饱和度值误差有偏大的现象, 其原因是红黏土存在较多结合水, 其密度比土中纯水的大, 但饱和度计算中把所有水的密度都默认为纯水的密度[16]。取2 kg原状红黏土(ZK1-2)样通过不同的粒径进行颗粒级配试验, 颗粒级配曲线见图1, 测出不均匀系数Cu为3.64, 曲线系数Cc为0.33, 说明颗粒级配不良好, 原因是细颗粒占的比例太多, <0.075 mm的细粒含量为41%左右。

表1 原状红黏土样的物理性质指标Table 1 Physical properties of undisturbed red clay

图1 颗粒级配曲线图Fig.1 Particle gradation curve

1.1.2 改良红黏土样 取扰动的原状红黏土风干后加入固化剂, 各质量配比见表2。 先配置5组不同掺量比K(0%、5%、9%、13%、17%), 进行均匀搅拌混合, 再加入适量的水使改良红黏土样均达到最优含水量38%、36%、33.5%、29.13%、23.21%的状态, 于常温常压下密封保湿若干小时, 试样在最大干密度为1.32、1.55、1.96、2.63、2.05 g/cm3时进行直剪试验,建立不同条件下的抗剪强度(图2)。可知, 在掺量比K=13%和养护期为28 d时, 抗剪强度值达到最大, 并开始稳定。根据以上试验结果, 制备最终三轴压缩试验试样。对改良红黏土样试样进行室内常规试验, 参数指标见表3。

表2 固化剂质量配比Table 2 Reinforcer agent mass ratio

表3 改良红黏土样的制备条件和参数指标Table 3 Preparation conditions and parameters of improvedred clay samples

图2 不同掺量比和养护期龄的红黏土抗剪强度Fig.2 Shear strength of improved red clay with different yield ratio and curing age

1.2 三轴压缩和CT实时扫描试验

三轴压缩试验采用固结不排水剪切方法, 轴向加载速率为0.2 mm/min。试验中对土样预加轴向力为10 kg, 以防止漏气。扫描方法为间断定位扫描法, 整个试验过程中土样内部微结构的特点可以根据土样的变形程度、跟踪原定的扫描位置以及测出的CT数与应变曲线来判别，具体扫描条件见表4。

表4 CT扫描参数Table 4 Parameters of CT Scanning conditions

试验CT机为SIEMENS SOMATOM Plus型X射线螺旋CT机(图3a), 空间分辨率是0.35 mm×0.35 mm, 识别的最小体积为0.12 mm3(层厚1 mm), 密度对比分辨率为0.3%(3 Hu)。扫描过程中, 以轴向应变为横坐标, 不同部位(全区、中区、中心、外环、中环)的CT均值和方差为纵坐标(图3b), 获取三轴压缩荷载作用下土样裂隙扩展的CT实时扫描图和内部结构参数演化图。CT均值与物体的密度有关, 可表征物体密度, CT均值越大, 物体的密度越大, CT方差则用来表征土样某一部位密度分布的均匀性和稳定性[17]。

图3 SOMATOM Plus螺旋CT机及CT扫描部位简图Fig.3 SOMATOM Plus spiral CT machine and different scanning parts

2 试验结果与分析

2.1 原状和改良红黏土样的应力-应变曲线

图4 原状和改良红黏土样在不同围压下的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of undisturbed and improved red clay samples under three confinings

2.2 试样细微观结构和CT参数演化分析

2.2.1 细微观结构变化 利用EDS能谱对土样矿物化学元素的测试如图5所示, 得出原状红黏土由原来含量多的O、Si、Al、Fe等元素变为改良红黏土的O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、S等元素。红黏土加入掺量比K=13%的固化剂后, 除能填充土体颗粒的孔隙起物理填充作用外, 同样粉煤灰中有活性氧化硅和氧化铝会与碱性激发剂水化后的产物Ca(OH)2发生火山灰反应等化学作用, 生成具有胶凝性能的水化产物加强内部结构: 3Ca(OH)2+SiO2+(n-3)H2O→3CaO·SiO2·nH2O。

图5 原状红黏土和改良红黏土能谱图Fig.5 Undisturbed and improved red clay energy spectrum

图6为原状和改良红黏土在扫描电镜(SEM)下的颗粒结构、孔隙形态。可以看出, 原状红黏土颗粒形态有散粒状团体、曲片状薄层体及花朵状椭球体组成。由于红黏土在自然环境中会受到溶蚀作用、红土化作用及置换作用的相互影响, 导致孔隙大, 结构不稳定[19]。改良红黏土试样是在室内养护28 d后制备而成的, 其颗粒形态形成明显的纤维状或丝状胶结物质, 彼此交叉搭接形成结构网, 从而减少红黏土凝结硬化后的总孔隙率, 整体结构变好。由化学元素分析可知, 这是因为改良后红黏土体内增加了Ca、Mg、S等元素, 不同族元素核外电子排布不一样, 导致化学性质差异较大, 固化剂与红黏土颗粒之间形成强烈物理填充以及火山灰反应等, 促使不同粒径颗粒相互融合、填充, 所以颗粒间的连结就更加紧密, 孔隙分布范围相对减小, 宽度降低。

图6 原状和改良红黏土的SEM图像对比Fig.6 Comparison of SEM images of undisturbed and improved red clay

2.2.2 CT参数演化分析 原状和改良红黏土在围压300 kPa下的三轴试验过程中, 扫描出的CT均值和方差变化曲线见图7、8。 CT方差越小说明试样越稳定, 所以方差越大是表示指标越差。可知, 各区的CT均值和方差均是不同的, 说明试样不同部位的平均密度大小不同、密度分布不均匀。

图7 原状红黏土样在围压σ3=300 kPa下的各区CT均值和方差变化值Fig.7 CT mean and variance change of undisturbed red clay samples in each area at the confining pressure σ3=300 kPa

原状红黏土样在应变ε1=0～4.0%范围内, 随主应力差(σ1-σ3)的增大, 各区的CT均值和方差同是上升的趋势; 改良红黏土在应变ε1=0～2.2%时, CT均值微增, CT方差先微增后微降, 从CT均值和方差数值的变化可知, 改良红黏土在各区的密度仍不均匀, 但总体内部结构比原状红黏土稳定很多。结合应力-应变曲线和微观结构分析可知, 这是因为改良红黏土的化学元素性质差异较大, 在应力进一步作用下, 颗粒的界面变化大, 使界面粘结强度等变得更强, 内部结构变稳定。

图8 改良红黏土样在围压σ3=300 kPa的各区CT均值和方差变化值Fig.8 CT mean and variance changes of the imporved red clay sample in each area at the confining pressure σ3=300 kPa

原状红黏土样应变ε1>4.0%时, 曲线变化相对平缓, 中心、中区和中环的CT均值微增, 外环CT均值微降, 所以全区CT均值呈现的是基本不变状态, 但CT方差上升幅度一直比较大, 说明密度虽无多大改变，但内部结构一直是处于不稳定状态; 改良红黏土应变ε1=2.2%～4.2%时, 各区CT均值一直是微降, 说明试样原来的孔隙、裂隙等微结构压密到一定程度后, 会在三轴压缩应力持续荷载作用下有新的裂纹产生, 导致试样密度变小, CT方差在试样未屈服破坏前, 只有细微的起伏, 说明试样未达到极限承载力时, 内部微结构一直处于比较稳定的状态。对应力-应变的分析可知, 这是因为改良红黏土的弹性模量比原状红黏土大, 所以变形量小, CT均值和方差变化起伏不大。

原状红黏土在应变ε1=7.6%至峰值点时, 全区和外环的CT均值变小, 中心、中区、中环CT均值变大, 各区之间的CT均值数值拉距增大, 全区、中区和中心的CT方差的变化幅度也大, 结合应力-应变曲线可知，这是由于试样发生变形破坏, 导致试样密度分布不均匀和稳定性降为最低。改良红黏土应变ε1=4.2%时, 各区CT均值下降, 而CT方差上升, 与原状红黏土相比, 破坏后的改良红黏土的稳定性更低, 但应力-应变曲线表现的则是改良红黏土破坏前后的承载力一直比原状红黏土高, 这与杨隆宇[20]对改良红黏土CT扫描参数变化的研究结论类似，说明固化剂的存在, 使改良红黏土破坏后裂隙增多, 导致土体密度变化很大, 同时因为有固化剂保护, 尽管内部微结构没有原状红黏土稳定, 承载力仍大于原状红黏土。

2.3 试样CT扫描微宏观裂隙扩展规律

改良红黏土初始和破坏状态的CT图片见图9。 图10是改良红黏土全区部位在围压σ3=300 kPa下, 随应变ε1变化具体过程的CT扫描图, 其中白色部分表示土的空隙、裂隙、裂纹。对试样CT实时扫描宏观裂隙扩展规律分析如下:ε1=0时, 白色区域比较多, 且分布不均匀;ε1=0.45%时, 闭合不太明显, 直至ε1=0.85%～2.2%时才基本闭合, 此时试样内部结构分布均匀且基本无空隙、裂隙等结构缺陷, 对改良红黏土应力-应变曲线的分析可知, 图10a—d是在压密、弹性变形阶段扫描出来的; 过弹性阶段后, 试样压密到一定程度不能再压密, 见图10e, 白色部分变多, 说明有少量微裂纹的生成, 并且在应力作用下试样受到损伤, 开始出现永久性的破坏, 进入塑性变形阶段; 图10f中, 裂纹进一步增多, 和CT参数演化分析中的改良红黏土在应变ε1=3.4%～4.2%的全区部位, 密度减小是对应的, 又由应力-应变曲线可知, 应变ε1=4.2%时, 试样开始已发生屈服破坏, 同样说明裂纹会变多; 当应变ε1=10.4%(图10g)时, 试样完全破坏，成一条大纹, 这是因为在应力作用下, 试样发生剪胀作用, 破裂程度变大。

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图9 改良红黏土初始和完全破坏的CT图片Fig.9 CT pictures of improved red clay under original and destructed states

图10 改良红黏土损伤演化的CT图片Fig.10 CT images in damage evolution of improved red clay

3 改良红黏土损伤特性力学模型

3.1 损伤变量D

改良红黏土中的土颗粒、固化剂、水、气体的密度分别用ρt、ρf、ρl、ρg表示,则改良土土样的整体平均密度为

(1)

式中:Vt、Vf、Vl、Vg是改良土样的土颗粒、固化剂、水、气体的体积。若忽略气体的质量,变为

(2)

改良红黏土试样整体对X射线的吸收系数u=unρ,而un符合下面的关系

(3)

式中:mt、mf、ml、mg是改良土样中的土颗粒、固化剂、水、气体的质量,u、ut、uf、ul、ug为改良红黏土试样、土颗粒、固化剂、水、气体的吸收系数,忽略气体对X射线的吸收,则

(4)

由CT扫描原理可知,CT数与X射线的吸收系数成正比关系(C=K1u),则有

(5)

式中:C、Ct、Cf、Cl分别是改良土样、土颗粒、固化剂、水的CT数,则三轴压缩试验开始ta时刻

(6)

三轴压缩试验过程中的tb时刻

(7)

因此,以CT数定义改良土样的损伤参数为

(8)

由于空间分辨率是衡量CT图象质量的重要参数指标,最初张全胜等[21]定义CT岩石损伤和《岩体损伤与检测》均考虑到CT空间分辨率对损伤的影响,于是式(8)变为

(9)

式中:m02为空间分辨率,其值为0.35 mm×0.35 mm;Ca、Cb分别为改良土试验开始和过程的CT数。

3.2 损伤变量验证

郑剑锋等[22]推导并证明CT均值数定义损伤变量与同密度变化定义的损伤变量具有相同的形式。现用改良红黏土在围压σ3=100、200、300 kPa扫描出的全区CT均值, 代入式(9)中求损伤变量。损伤变量D一般在0～1(D=0时, 无损伤变量；D=1时, 完全损伤), 大多数冻土[21]和岩石[23]都在范围内。然而在图11中, 损伤变量出现负值, 是不符合常规的, 又由应力-应变曲线可知, 改良红黏土在应变4.2%是屈服破坏点, 一定有损伤存在, 但该点的应损伤变量小于0。将本文测试数据代入后得出的结果突破了常理, 说明不适用于式(9)。用损伤力学理论的密度变量来定义损伤变量的具体公式为

图11 改良红黏土损伤演化曲线Fig.11 Improved red clay damage evolution curve

(10)

式中:ρa、ρb表示试样在试验前和过程变化的密度。现用式(10)解释改良红黏土的损伤过程,试验开始时,土样的孔隙、裂隙等会被压密,ρa>ρb,算出来的D同样小于0。CT扫描图片同样显示, 试验一开始时是试样本身孔隙、裂隙等微结构被压缩过程, 但并无损伤, 当应变为3.4%的时候, 才出现永久性的破坏现象, 说明试验开始点并不是损伤初始点, 而是新的裂纹产生时, 密度下降点, 由于在实际试验中, 密度变化的过程是很难实时测出来的, 密度变化点同样是难以界定, CT扫描数能解决这一难点, 说明式(9)有很大的意义。

3.3 改良红黏土损伤变量修正

针对3.2节问题, 陈驰等[24]对损伤初始点进行过相关研究, 即用应变与CT数均值的半对数曲线来找初始损伤点。如图12所示, CT均值在试样前期是变大的, 应变ε1为一定值时, CT均值变小, 其中CT均值降低点就是改良土样损伤发展的起点(黑色箭头圈起来的点)。

图12 改良红黏土应变和CT数半对数关系曲线Fig.12 Semi-logarithmic relationship between strain and CT number of modified red clay

记图中CT均值数的初始损伤点为Ca′,将式(9)中初始损伤点的Ca变为Ca′,于是损伤变量公式变为

(11)

根据上式重新计算修正后的损伤变量, 结果如图13所示。损伤无发展前默认为0, 随应力应变的增大, 损伤变量D由0开始增长到破坏时呈直线上升, 但损伤变量均在0.32以下, 且围压从σ3=300 kPa下降到200 kPa时, 损伤变量D增加15%; 围压σ3=300 kPa下降到100 kPa时, 损伤变量D增加18%, 说明围压越小, 损伤变量越大, 它们之间呈反比关系, 以上分析说明围压对改良红黏土试样有“约束损伤”的作用, 符合郑剑锋等[22]研究出的围压与损伤变量的关系。

图13 改良红黏土修正损伤演化曲线Fig.13 Damage evolution curves of modified red clay after correction

图11中的损伤变量随围压增大而增大, 与图13正好相反, 原因是其计算的初始损伤点默认为CT扫描的第一点, 然而试样在试验初期会有孔隙、裂隙等初步压缩过程, 对试样本身无影响, 说明并不会有损伤发生, 因此导致结果和郑剑锋等[22]以及本文最终的结果相反。

4 结 论

(1)原状和改良红黏土在不同围压下的应力-应变曲线分析中得出， 改良红黏土的弹性模量、承载力比原状红黏土大, 且承载力大小和围压成正比。

(2)由试样细-微观结构变化可知, 改良红黏土内化学元素种类总量增多, 导致土体内会有一系列复杂的物理填充和火山灰化学反应等, 使土内矿物发生转变, 土颗粒的粘结能力变强, 进而改良红黏土孔隙变小、变少; 结合CT参数的演化分析, 改良红黏土在试验破坏前CT均值和方差并无较大波动, 这是因为试验进行时土体内微结构在不断调整、糅合, 说明改良红黏土能起到维持承载, 改性材料优化作用。

(3)由CT实时扫描图片, 得出改良红黏土样在三轴压缩试验各阶段的微观和宏观裂隙扩展规律为: 试验开始, 土体内微结构的孔隙、裂隙逐渐压密; 当应变达到一定时, 土样才有裂纹生成; 随着应力、应变增大, 土样逐渐破坏; 同时, 以上扩展规律与应力-应变曲线、CT参数演化分析的变化特征相对应。

(4)以CT数来定义改良红黏土损伤变量, 由原公式计算出的损伤变量不符合常规后, 继续研究发现并引用相关学者的研究, 即通过曲线突变点找出初始损伤点, 对损伤变量进行修正。在改良红黏土修正后的损伤变量与围压曲线变化研究表明, 围压对改良红黏土样的损伤有一定的约束和抑制作用, 围压越高, 损伤变量D越小。这个研究结果就能同时解释结论(1)中的承载力和围压成正比关系, 因为围压对损伤有约束作用, 围压越大, 试样越不容易破坏, 所以承载力大。

通过对原状和改良红黏土在宏观、微观等方面的对比研究中得出其变形破坏方式、颗粒间微结构运动的异同点, 并借助CT扫描仪器实时研究试样在三轴压缩试验的密度、孔隙、裂纹以及损伤等变化全过程, 从而更全面地了解三轴压缩试验中试样的不同变化特性。以上研究成果为红黏土路基施工中存在的问题提供一种解决方案, 通过改良红黏土, 可减小其路基沉降量, 提高稳定性。