干湿循环效应下Na2SO4盐渍原状黄土渗透特性与细观机制

2021-06-21许健任畅高靖寓兰伟

中南大学学报（自然科学版） 2021年5期

许健，任畅，高靖寓，兰伟

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安，710055；2.西安建筑科技大学陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安，710055)

黄土是第四纪以来形成的一种多孔隙弱胶结的特殊沉积物，具有强烈的水敏感性，遇水后湿陷和软化，水环境的变化极易诱发黄土灾害。黄土的水敏感性是水的渗透浸润引起的，土体中含水量的增加会降低土体抗剪强度，因而渗透性直接影响黄土体的工程力学特性，是非常重要的设计参数。然而，我国西北黄土高原处于干旱、半干旱地区，降雨、地表蒸发及地下水位变化等因素诱发的干湿循环效应会对黄土的结构性产生显著的影响，从而导致其渗透性和变形特征均发生变化[1]。此外，由于黄土地区特殊的地质环境与自然条件，边坡表层富集Na2SO4等易溶盐，在干湿循环等条件下极易发生反复溶解和结晶的盐蚀作用，使被侵蚀黄土结构损伤扩展，从而诱发边坡盐蚀剥落等病害[2-3]，因此，开展干湿循环效应下含盐黄土的渗透特性和盐蚀劣化等方面的研究具有重要意义。干湿循环效应下盐渍原状黄土渗透特性的演变规律是一个比较复杂的问题。研究人员对干湿循环作用对土体渗透特性的影响规律开展了研究，多集中于干湿循环效应下压实黏土垫层(CCL)渗透特性和细观结构的演变规律。万勇等[4]基于柔性壁渗透仪和扫描电镜(SEM)等微结构特征试验，开展了干湿循环效应下CCL 渗透特性和微结构变化机制研究；赵立业等[5]揭示了不同压实度条件下2 种高低液限CCL 干湿循环过程防渗性能的差异；胡志平等[6]探讨了干湿循环对石灰改良土垫层渗透性、单轴抗压强度及抗剪强度特征的影响规律；LU 等[7]系统地研究了干湿循环条件下CCL 表观裂隙、渗透系数及水分入渗的变化规律；MALUSIS 等[8]探究了具有不同膨润土含量的回填土干湿循环过程渗透系数的演化规律。此外，人们对干湿循环条件下黄土渗透特性进行研究，如：付理想等[9]等探究了原状及重塑黄土干湿循环过程渗透系数、孔隙率及干密度等的变化规律；刘宏泰等[10]基于室内三轴渗透和压缩试验，分析了干湿循环作用对重塑黄土渗透性和强度的影响规律。然而，目前关于干湿循环作用对含盐原状黄土渗透特性和细观结构影响规律的研究成果较少，干湿循环次数及Na2SO4质量分数等因素作用下黄土体渗透特性与细观结构的相互关系尚不清晰。基于CT断层扫描技术，研究者对黄土、盐渍土及膨胀土等特殊土体细观结构演化规律开展了系统研究，如：陈正汉等[11]结合CT 技术和三轴剪切设备，研究了膨胀土和黄土在多应力路径、湿干循环、浸水膨胀和湿陷过程中的细观结构演化规律；卢再华等[12]对干湿循环条件下膨胀土裂隙演化规律进行了CT 断层扫描并定义了其损伤变量；张伟等[13]采用CT-三轴仪探究了硫酸盐渍土的三轴应力-应变关系和剪切过程CT图像。蔡正银等[14-15]基于三维重建技术将二维CT断面图像合成整体三维细观结构图像并进行定量化处理。目前结合CT扫描及三维重建技术、针对干湿循环作用下盐渍原状黄土三维细观结构盐蚀扩展演化机制的研究尚未见报道。干湿循环效应下Na2SO4盐渍原状黄土不仅受到干缩湿胀诱发的干湿劣化作用，还受干湿过程Na2SO4易溶盐相态变化诱发的盐蚀劣化作用(Na2SO4·10H2O 晶体体积为Na2SO4的4.18 倍)。鉴于此，本文作者选用西安Q3原状黄土，采用自行设计的浸润法制备不同Na2SO4质量分数的盐渍原状黄土试样，模拟干湿循环过程，采用三轴渗透、CT 扫描试验并结合三维重构技术探究干湿循环及盐蚀劣化耦合作用对盐渍原状黄土试样渗透系数的影响规律以及渗透系数与细观结构演化的相互关系。

1 试验材料与试样制备

1.1 试验土样

试验土样取自陕西西安某基坑工程现场，取样深度为6～8 m，属Q3原状黄土。按照GB/T 50123—2019“土工试验方法标准”测定其基本物理性质指标，试验结果见表1。粒度为大于0.05 mm，[0.01，0.05) mm，[0.005，0.010) mm 和小于0.005 mm 的黄土质量分数分别为2.95%，54.42%，20.55%和22.08%。进一步利用离子色谱仪和滴定法对试验用土进行初始易溶盐离子质量分数测定，结果见表2。由表2可见：试验用黄土初始易溶盐离子质量分数较低，试样制备过程中可不考虑初始易溶盐离子质量分数的影响。

表1 试验黄土基本物理指标Table 1 Physical indexes of test soil

表2 试验黄土初始离子质量分数Table 2 Initial ion mass fractions of test soil %

1.2 试样制备

首先，削制直径为39.1 mm、高度为80 mm的标准三轴渗透和CT扫描圆柱体试样，然后，采用自行设计的浸润法向试样中浸入不同质量分数的Na2SO4盐水以制备含水量为20%，Na2SO4质量分数w分别为0，0.5%，1.0%和1.5%的盐渍原状黄土试样，如图1所示。具体制作流程如下：人工制作孔间距为8 mm、孔径为2 mm的均匀带孔薄膜，其宽度为土样高度的1.5倍，包裹于标准原状土样的侧面，使薄膜两侧超出试样的长度相近，薄膜搭接长度不小于5 mm；剪裁中密海绵，其宽度为原状土样高度的2倍，并将其用不同浓度的盐水浸润，然后包裹于带孔薄膜的外侧；在海绵外侧再放一层薄膜，以固定海绵的位置；浸润一段时间后，取出试样称质量，当质量接近目标值时，用滴管滴加同浓度盐水至目标值。为减小试验误差，需反复试验，严格控制土样浸润时间，保证试验结果的准确性。将制备好的试样用薄膜包裹，防止水分散失。

图1 浸润法装置示意图Fig.1 Diagrams of device for infiltration method

2 试验方案

2.1 干湿循环试验

干湿循环试验采用DHG-9140(10/A)型电热恒温鼓风干燥箱，该试验箱恒温范围为10～300 ℃，温度波动范围为±1 ℃。为模拟自然干湿循环过程，尽量减小温度变化幅度过大对试样结构性的扰动，综合考虑将环境温度设置为40 ℃。为进一步确定40 ℃环境温度下将含水量为20%盐渍原状黄土试样充分干燥所需的时间，首先进行恒温箱干燥效果试验。选取4个采用上述浸润法制备的标准三轴圆柱试样，其含水量均为20%，Na2SO4质量分数分别为0，0.5%，1.0%和1.5%。然后，将试样依次编号并放入恒温干燥箱进行干燥试验，分别在6，12，18，24 和30 h 时后取出并测定其含水量，试验结果如图2所示。从图2可以看出：干燥初期阶段试样含水量显著减少，但随干燥时间增长，其含水量变化幅值显著减小；24 h后，含水量几乎保持不变且低至1.0%以下。因此，最终确定最佳干燥时间为24 h。

图2 试样含水量随干燥时间变化Fig.2 Variations of water content with drying time

干湿循环试验具体流程如下：将浸润法制备的盐渍原状黄土试样置于保湿缸内，静置24 h，使其水分与盐分均匀扩散；然后，将试样放置在电热恒温干燥箱内充分干燥于(40 ℃下干燥24 h)；再采用与前述浸润法类似的增湿方法，制备与干燥前有相同含水量(20%)的试样，并将试样置于保湿缸内，静置24 h，视为第1次干湿循环；反复则可得到第2次、第3次等干湿循环试样。本次试验控制干湿循环次数N分别为0，1，2，5和10。

2.2 三轴渗透试验

三轴渗透试验采用TSS-1 型柔性壁三轴渗透仪，具体操作如下：先将干湿循环后的试样放在饱和器中进行真空饱和(试样抽气1 h，浸泡12 h)，然后放入柔性壁三轴渗透仪中，逐级施加围压15，50，100和150 kPa进行变水头三轴固结渗透试验。试验过程中，记录变水头管起始水头和终止水头的高度以及测读时间，进而换算得到试样的渗透系数。

2.3 CT扫描试验与三维重构

CT扫描试验采用YXLON Y.CT Modula高分辨率显微工业CT系统，该系统具体参数如下：最大测量截面直径为100 mm，最大测量高度为200 mm；最大放大倍数为200，空间分辨率为10 μm；最大扫描电压225 kV，最大功率为320 W。盐渍原状黄土试样的CT 扫描过程分别在干湿循环的第0，1，2，5 和10 次后进行，从x轴、y轴和z轴3 个方向对试样进行全身段扫描，进一步将CT扫描得到的细观结构图像结合三维图像重构算法，获得试样的完整三维孔(裂)隙等细观结构。

CT 图像三维重构技术基于OTSU 算法[16]和三维图像处理软件，其具体算法流程如下：首先对CT 扫描图像进行伪彩色处理，以识别出圆柱体试样部分；然后对图像进行降噪处理，以排除非试样部分的干扰。利用OTSU算法确定所有图像的最佳分割阈值，并按试样高度方向对分割阈值进行分组。进一步利用三维图像软件对CT图像进行分组多截面重构，并对模型进行优化；最后，基于三维图像处理软件的统计分析算法，可以方便地识别试样的孔(裂)隙及土颗粒体积进而终确定其三维细观结构孔隙率。

3 试验结果与分析

3.1 三轴渗透试验结果分析

图3所示为渗透系数随干湿循环次数变化规律。从图3可以看出：渗透系数随干湿循环次数的增加显著增大，但其增幅逐渐减缓，5次干湿循环后其增长速率显著减小，并逐渐趋于稳定。这是由于在干湿循环作用下，试样受温度和水的影响发生干缩湿胀，试样内部孔隙和微裂隙不断扩展，孔(裂)隙结构损伤演化无法恢复，导致黄土体结构和强度逐渐弱化，从而为水分提供了良好的渗流通道，渗透系数相应增大。经多次干湿循环后，土颗粒排列趋于平衡状态，试样结构强度趋于稳定的残余强度，渗透特性亦趋于稳定，即反复干湿循环效应下渗透系数趋于1个稳定值。

图3 渗透系数随干湿循环次数变化Fig.3 Variations of hydraulic conductivity with dry-wet cycles

图4所示为渗透系数随Na2SO4质量分数变化规律。从图4可以看出：干湿循环效应下试样渗透系数随Na2SO4质量分数的变化规律与未经受干湿循环试样(N=0)的变化规律显著不同，其随Na2SO4质量分数增加近似表现出线性增大特征。由于在干湿循环条件下，试样内部Na2SO4可溶盐的结晶—溶解—重结晶过程的反复盐蚀劣化作用使土体结构受到破坏并变得较为松散，即试样内部孔隙或微裂隙的张开度变大，从而导致渗透系数增大；未经受干湿循环试样的渗透系数整体随Na2SO4质量分数增大无显著变化，这主要是由于未经受干湿循环试样内部的Na2SO4无相态变化，即原状黄土体结构未遭受盐蚀劣化作用，因而其渗透系数无明显变化。

图4 渗透系数随Na2SO4质量分数变化Fig.4 Variations of hydraulic conductivity with mass fraction of Na2SO4

盐渍原状黄土试样渗透系数与围压之间的变化关系如图5所示。从图5可以看出：围压对试样渗透系数的影响显著；随围压增大，渗透系数显著减小，但其衰减幅度逐渐减小；当围压为150 kPa时，渗透系数趋于1个稳定值。由于在三轴固结渗透条件下，围压越高，试样固结度越高，其密实度相应越高，使试样中的孔(裂)隙被压缩甚至封闭，从而阻塞了渗流通道，导致渗透系数显著降低；此外，当围压达100 kPa后，不同干湿循环次数条件下的渗透系数基本一致，即干湿循环效应对渗透系数的影响较小，这是由于在较高围压条件下，试样固结度较高，从而导致渗流路径基本封闭，渗透系数相应趋近于零。

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图5 渗透系数随围压变化Fig.5 Variations of hydraulic conductivity with confining pressures

3.2 CT三维重构试验结果分析

3.2.1 三维重构模型

待干湿循环结束后(干湿循环10次)，采集试样表面裂隙形态如图6(a)所示。同时基于前述所述的OTSU 算法及三维图像软件，对干湿循环10 次后试样CT扫描图像直接进行三维重构，其最终效果如图6(b)所示。从图6可以看出：CT 三维重构模型能够直观形象地揭示干湿循环条件下试样表面裂隙形态分布规律，且与试样实物图表面裂隙形态表现出高度的相似性，由此说明该三维重构方法是合理、可行的。

图6 试样三维重构模型及实物图对比Fig.6 Comparisons of 3D reconstruction model and sample

3.2.2 孔（裂）隙演化规律

图7所示为不同干湿循环次数条件下盐渍原状黄土试样的三维重构模型及其典型横纵断面图。断面图中绿色区域代表土骨架颗粒，颜色越深代表试样密度越大；黄色区域代表试样中孔洞和裂隙发育的位置。从图7可以看出：干湿循环前试样表面及内部已存在一定的大孔隙及微裂隙且无序分布，这揭示出原状黄土试样存在一定的初始损伤效应。经历1次干湿循环后，试样表面产生显著的不规则细小干缩裂隙，但试样内部结构无明显变化。随干湿循环次数增加，试验表面继续产生新的干缩裂隙，同时已有裂隙继续扩展；此外，干缩裂隙亦从试样表面逐渐向中心扩展并与试样内部的大孔隙或微裂隙贯通。经10次干湿循环后，裂隙在水平及垂直方向几乎贯穿整个试样。这也正揭示了前述渗透系数随干湿循环次数显著增大的细观机制。

图7 三维重构模型随干湿循环次数变化(w=1.0%)Fig.7 Variations of 3D reconstruction models with number of dry-wet cycles(w=1.0%)

图8所示为不同Na2SO4质量分数条件下盐渍原状黄土试样的三维重构模型及其典型横纵断面图变化规律。从图8可以看出：在干湿循环条件下，Na2SO4质量分数变化亦可对试样细观结构产生显著的影响；当Na2SO4质量分数为0.5%时，试样表面已经产生显著的不规则干缩裂隙且裂隙已经从试样周边开始向中心逐渐扩展演化与汇聚；随Na2SO4质量分数继续增大，试样表面及内部干缩裂隙直径及数量进一步增加且局部贯通；当Na2SO4质量分数为1.5%时，裂隙几乎完全贯穿整个试样，从而导致土体结构产生显著的盐蚀损伤效应，这亦很好地揭示了前述干湿循环条件下渗透系数随Na2SO4质量分数显著增大的细观机理。

图8 三维重构模型随Na2SO4质量分数变化(N=10)Fig.8 Variations of 3D reconstruction models with mass fraction of Na2SO4(N=10)

3.2.3 三维重构孔隙率演化方程

为进一步深入揭示干湿循环条件下Na2SO4盐渍原状黄土试样渗透系数变化的细观机制，基于前述三维图像处理软件的统计分析算法，分别定量化确定试样的孔(裂)隙体积及土骨架颗粒体积，进而最终确定其三维细观结构孔(裂)隙率，结果如图9所示。为定量化分析和描述问题方便，将三维重构孔(裂)隙率统一表示为孔隙率。从图9可以看出：干湿循环条件下干湿循环次数和Na2SO4质量分数对孔隙率均产生显著影响，但变化规律不同；随干湿循环次数增加，孔隙率逐渐增大，但增速逐渐减缓，趋于1个稳定值；在干湿循环条件下孔隙率随着Na2SO4质量分数增加近似呈线性增大特征。由于未经受干湿循环(N=0)条件下试样中的Na2SO4易溶盐无法表现出相态变化即盐蚀损伤作用，因而，三维细观结构孔隙率随Na2SO4质量分数增加无显著变化且变化幅值很小。分析上述三维重构孔隙率随干湿循环次数的变化规律曲线，发现孔隙率n与干湿循环次数N具有如下函数关系：

图9 三维重构孔隙率变化Fig.9 Variations of porosity for 3D reconstruction model

式中：N为干湿循环次数；n0为试样初始孔隙率；a和b为拟合参数。

图10 三维重构孔隙率演化方程的确定Fig.10 Establishment of equation for porosity of 3D reconstruction model

对式(1)进行求导，可得

当干湿循环次数N=0 时，式(2)即表示初始斜率，即

式中：I0为初始斜率。

当干湿循环次数N→∞时，由式(1)可推得

式中：nult为孔隙率n的极限值，即孔隙率干湿循环过程的最终稳定值。

拟合参数a和b与Na2SO4质量分数的变化关系如图10(b)所示。从图10(b)可以看出：拟合参数a和b与Na2SO4质量分数w近似表现出线性变化特征。基于此，可进一步建立拟合参数与Na2SO4质量分数的定量关系：

式中：a0和b0分别为拟合参数a和b直线方程的截距；α和β分别为拟合参数a和b直线方程的斜率。

将式(5)和(6)分别代入式(1)，可最终确定三维重构孔隙率n与干湿循环次数N及Na2SO4质量分数η的定量化关系，即干湿循环效应下Na2SO4盐渍原状黄土试样的孔隙率演化方程：

式中：相关参数可通过三维重构孔隙率试验结果的最优化拟合分析得到，其中，a0=200.511，b0=53.101，α=-78.537，β=-22.558。

试样CT三维重构孔隙率试验值与采用上述方程(7)所得计算值的对比如图10(c)所示。从图10(c)可以看出：孔隙率试验值与计算值数据点随机分布于y=x直线附近，即试验值与计算值基本一致，由此表明该模型能够较好地定量化描述干湿循环效应下盐渍原状黄土试样孔隙率的演化规律且，对进一步揭示其干湿过程渗透系数变化的细观机理具有一定参考意义。

4 讨论

干湿循环效应下Na2SO4盐渍原状黄土试样的渗透特性在宏观层面上表现为渗透系数的变化，其细观机制在于试样内部(孔)裂隙的扩展演化，CT扫描试验可以定量化描述细观结构的变化规律。基于此，选取围压σ3为15 kPa时的三轴渗透系数与CT三维重构孔隙率进行对比分析，结果如图11所示。从图11可以看出：三轴宏观渗透系数和细观结构孔隙率呈现相似的变化规律，干湿循环初始阶段渗透系数和孔隙率均增速较大，随干湿循环次数增大，逐渐趋于稳定值；而在干湿循环条件下，渗透系数和孔隙率随Na2SO4质量分数增大均近似表现出线性增大特征，未经受干湿循环(N=0)条件下均无明显变化规律且变化幅度很小。由此可知，在干湿循环效应下，宏观三轴渗透系数和细观CT三维重构孔隙率表现出的一致变化规律反映了细观结构孔隙率，能准确揭示宏观三轴渗透系数演化规律的细观机理。