应变控制式三轴仪(干湿循环作用下老黏土抗剪强度劣化试验研究)

Posted 2023-05-25

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应变控制式三轴仪(干湿循环作用下老黏土抗剪强度劣化试验研究)

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摘要：

为了探究干湿循环作用下老黏土抗剪强度的劣化机制，以引江济淮工程江淮沟通段广泛分布的老黏土为研究对象，开展了0～12次干湿循环试验并记录其开裂过程，利用数字图像处理软件半定量分析老黏土试样表面二维可视裂隙率变化；而后系统开展三轴压缩试验、SEM测试试验，从微细观结构角度揭示了干湿循环作用下老黏土抗剪强度的劣化机制。结果显示：试样的黏聚力在前4次干湿循环内显著下降，随后趋于稳定，而内摩擦角则呈现无规律波动趋势；干湿循环过程中试样表面的裂隙从四周向中间发展，裂隙的数量及宽度逐渐增加；干湿循环作用会使得试样表面的孔隙数量逐渐增加，结构从致密变得松散。结果表明，干湿循环作用下老黏土宏观强度的下降是其内部黏土矿物水化作用的结果，黏土矿物周期性胀缩产生的不均匀应力会反复作用于土体的微细观结构，造成试样内部的裂隙不断扩展和贯通，是试样黏聚力下降的根本原因。

关键词：

老黏土;干湿循环;抗剪强度劣化;微细观结构;劣化机制;

作者简介：

陈小川(1994—),男，工程师，硕士，主要从事岩土体岸坡稳定性评价方面的研究工作。

基金：

国家自然科学基金项目(51979068);

住房和城乡建设部科学技术研究项目(2017-K5-013);

绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室开放基金(2021-JKYL-003);

引用：

陈小川, 郭杨, 张振华, 等. 干湿循环作用下老黏土抗剪强度劣化试验研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(8): 172- 179.

CHEN Xiaochuan, GUO Yang, ZHANG Zhenhua, et al. Experimental study on shear strength degradation of old clay under effect of dry-wet cycle[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(8): 172- 179.

0 引言

老黏土一般指晚更新世及其以前沉积的黏性土，主要分布在我国安徽中部和北部、湖北中部和北部、河南中部等地区，因其矿物成分含有蒙脱石、伊利石等黏土矿物而具有弱～中等膨胀潜势。在周期性干湿作用下，老黏土的体积会发生反复胀缩，强度急剧下降，对工程带来不利影响。安徽境内引江济淮工程江淮沟通段岸坡广泛分布有老黏土，该区域岸坡老黏土会在航道水位变动、降雨-蒸发等条件下经历周期性干湿循环。已有研究表明,干湿循环作用会对土体强度产生不可逆的影响，是诱发老黏土地区边坡失稳的重要原因。因此，明确老黏土在干循环作用下的强度劣化机制极为有必要，可为该地区的岸坡治理及预警提供理论依据。

目前，国内外已有不少学者研究了黏土在干湿循环作用下物理力学性质的变化，主要包括土水特性、静力特性、动力特性、裂隙演化特征及渗透强度特征。陈留凤和彭华针对硬黏土开展了干湿循环试验，研究了其土水特性变化规律；黄少平等、慕现杰等研究了黏土的抗剪强度在干湿循环和浸泡作用下的变化规律，发现其黏聚力随着干湿循环次数及浸泡时间的增加逐渐下降；舒志乐等开展了干湿循环作用下膨胀土的动力特性试验，研究了不同试验条件下膨胀土动弹模量及阻尼比的变化规律；刘俊东等研究了黏性土干缩裂隙网络在干湿循环作用下的演化特征。万勇等研究了干湿循环作用对压实黏土渗透特性的影响。

现有的工作为研究老黏土在干湿交替作用下的劣化机制奠定了基础。但目前的研究在进行试样的室内干湿循环作用模拟时通常未考虑实际水环境对土体的物理化学作用，如慕现杰和张小平在对试样进行湿化时使用的是蒸馏水，未能考虑实际环境中地下水对试样的化学作用；同时对试样进行干燥时用的是高温强制烘干措施，而高温会对黏土的抗剪强度产生显著影响。此外，鲜少有学者从土体的微细观结构角度来揭示老黏土宏观强度劣化的机理。基于此，本文选取引江济淮工程江淮沟通段岸坡广泛分布的老黏土为研究对象，开展室内干湿循环试验，结合三轴压缩试验、扫描电镜试验结果，建立老黏土在干湿循环作用下的强度劣化模型，从水土作用机理等微细观角度揭示老黏土宏观强度劣化的机理。

1 研究方案

1.1 试样材料

试验土样取自引江济淮工程江淮沟通段某岸坡，试样取土深度为5 m, 土样表面呈黄褐色，局部含有铁锰结核及高岭土条纹，部分夹有厚度2～10 cm的水平层状淋滤铁锰质浸染，土质均匀。通过室内试验获取土样的基本物理性质如表1所列。

借助合肥工业大学分析测试中心的荷兰帕纳科(X′Pert PRO MPD)X射线衍射仪对现场获取的老黏土试样矿物成分进行鉴定，结果如表2所列。从表2可以看出其矿物成分中富含蒙脱石、高岭石和伊利石等黏土矿物。

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

本文的研究土样为原状试样，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[10]将取来的土样制成直径39.1 mm、高80 mm圆柱形标准试样(见图1)。为保证试样的均匀性，试验前通过智博联ZBL-U3100非金属超声波检测仪筛选出信号波频率接近的试样作为原始试样。

图1 标准试样

1.2.2 干湿循环试验

干湿循环试验共21个试样，分0,1,2,4,6,8,12次共7组，其中0次为参照组，每组3个相同试样。为了使试验环境与实际环境更为接近，本次湿化过程所用水为长江江水，干燥过程为自然风干。具体试验流程如下：为了保持试样在湿化过程中的完整性，将试样置于饱和器中利用真空饱和缸抽真空饱和，具体流程参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)中的相关规定进行；完成试样的饱和后，将其置于26 ℃(26 ℃为该工程段夏季平均气温，此季节蒸发作用较为强烈)的环境下自然风干至恒重；上述过程即称为1次干湿循环处理过程，重复上述步骤，直至对试样完成12次干湿循环处理。

1.2.3 表面裂隙观测

每次干湿循环试验后，利用高清数码相机获取试样表面的裂隙照片，利用Image Pro Plus软件对试样表面裂隙进行数字化处理，主要步骤包括二值化处理、裂隙提取及裂隙率计算。

1.2.4 宏观三轴试验强度测试试验

将完成预定干湿循环的试样用塑料薄膜包裹密封，采用GDS土三轴仪分别开展试样在100 kPa、200 kPa、300 kPa围压下的固结不排水(CU)三轴剪切试验，当轴向应变达到15%时结束试验。

1.2.5 微细观结构测试试验

另取1组3个试样，只经历干湿循环作用不进行三轴剪切试验，每次干湿循环作用后选取典型的新鲜面切片后制样，待其喷金后利用扫描电镜进行微细观结构测试。

2 试验结果

2.1 表面裂隙发展规律

试样在不同次数干湿循环作用后的表面裂隙发展规律如图2所示。由图2可知，试样经历干湿循环作用后，表面裂隙数量及宽度逐渐增加、体缩效应明显。具体表现为：第1次干湿循环作用后，试样表面出现径向短小裂隙，试样边缘体缩效应明显；第2次干湿循环作用后，裂隙持续增加，隙宽加剧，边缘处出现鼓撑破坏现象；第4次干湿循环作用后，裂隙持续增大、增宽；第8次干湿循环作用后，裂隙贯穿，隙长、隙宽增加，大裂隙处演化出小的裂隙分支；第12次干湿循环作用后，试样边缘出现大范围鼓撑破坏现象，试样表面裂隙彻底贯通，体积收缩现象明显。

图2 试样表面裂隙随干湿循环次数变化规律

利用Image Pro Plus软件对试样表面裂隙照片进行二值化处理，提取出裂隙形态的二维图像特征(见图2),通过软件内置的插件计算出每次干湿循环作用后试样表面的裂隙面积与试样表面面积的比值，即获得试样表面的裂隙率随干湿循环作用次数的变化规律如图3所示。由图3可以看出，试样的裂隙率随干湿循环作用次数的增加呈线性增加的趋势：第1次干湿循环作用后，试样的裂隙率为3.2%;第2次干湿循环作用后，试样的裂隙率增加至3.9%;第4次干湿循环作用后，试样的裂隙率为6.3%;第8次干湿循环作用后，试样的裂隙率为8.7%;第12次干湿循环作用后，试样的裂隙率为11.4%,相较于第1次增加了8.2%。

图3 裂隙率随干湿循环次数的变化规律

2.2 应力—应变曲线

对试样开展三轴剪切试验，获得了试样在不同干湿循环次数下轴向应力与应变在加载过程中的发展规律如图4所示。由图4可知，随着干湿循环作用次数的增加，在相同围压条件下，试样产生相同轴向应变所需的偏应力值峰值逐渐变小，说明干湿循环对老黏土的强度有显著的劣化作用。试样的偏应力在前4次干湿循环作用后下降最为明显，随后劣化幅度逐渐降低。由此可见，前4次干湿循环对试样的强度损伤较为明显，4次干湿循环后，土体强度损失程度明显降低，开始趋于平稳。

图4 不同围压下不同干湿循环次数应力应变曲线

2.3 抗剪强度变化规律

通过三轴试验建立强度包络线获取不同干湿循环次数下老黏土抗剪强度参数的变化规律如图5和图6所示。

图5 黏聚力随干湿循环次数的变化规律

图6 内摩擦角随干湿循环次数的变化规律

从图5可以看出，随着干湿循环次数的增加，试样的黏聚力出现了显著的劣化，呈指数减小的趋势。在未经历干湿循环作用时，试样的黏聚力为79.61 kPa; 第1次干湿循环后降至55.83 kPa; 第2次干湿循环后降至43.01 kPa; 第4次干湿循环后降至35.56 kPa; 第6次干湿循环后降至32.83 kPa; 第8次后降至31.00 kPa; 第12次干湿循环后降至30.87 kPa, 与0次相比劣化了61.22%。试样黏聚力的损失主要集中于前4次干湿循环期间，与0次相比劣化幅度达到了55.83%。

由图6可知，随着干湿循环作用的增加，试样的内摩擦角呈现不规则波动的趋势，但整体波动值不足1°,该规律与黄少平等、涂义亮等的研究成果较为类似。

2.4 微细观结构变化规律

已有研究表明,放大1 000倍的黏土试样图像中蕴含的孔隙和颗粒信息最为丰富，本文利用扫描电镜获得了经历不同次数干湿循环作用的试样在放大1 000倍后的表面微细观结构变化过程如图7所示。

图7 微细观结构随干湿循环次数的变化规律

从图7可以看出，在未经历干湿循环作用时，试样表面整体较为光滑且结构紧密，仅分布有少量的微孔隙和裂隙[见图7 (a)];第1次干湿循环作用后，试样表面开始变得粗糙，孔隙及裂隙数量逐渐增加[见图7 (b)];第2次干湿循环作用后，试样表面与第1次相比无明显变化[见图7 (c)];第4次干湿循环后，试样表面开始变得松散，出现散落分布的片/粒状集合体[见图7(d)];第6次干湿循环作用后，试样表面的片/粒状集合体数量持续增加，表面变得更为松散[见图7 (e)];第12次干湿循环作用后，试样表面出现宽度达到5 μm的裂隙[见图7(f)]。

3 试验结果讨论

老黏土试样在干湿循环作用下抗剪强度的劣化实际是其内部进行的一系列物理、化学、力学综合作用的外在表现。由前文的X射线衍射测试结果可知，老黏土试样中富含蒙脱石、伊利石等黏土矿物，其中蒙脱石和伊利石具备极强的吸水性，已有研究表明,蒙脱石水化膨胀后体积会增加至原来的近十倍，伊利石水化膨胀后体积也会增加至原先的50%～60%。在湿化过程中黏土矿物吸水膨胀，而后在干燥过程中黏土矿物体积又会发生收缩，周期性的体积胀缩会对土体的微细观结构产生显著影响。现结合三轴压缩试验、微细观结构试试验结果，对干湿循环作用下老黏土试样宏观强度的劣化过程讨论如下：

第1次干湿循环作用后，老黏土试样的黏聚力出现了较大程度的劣化(见图5),试样外表面开始出现裂隙[见图2(a)],微观形态较原始试样也出现了显著改变，表面开始变得粗糙不平[见图7(b)]。这是由于在湿化过程中，试样内部的黏土矿物与水发生了水化反应。黏土矿物(主要为蒙脱石和伊利石)与水发生水化反应后体积急剧膨胀，而后在干燥过程中失水体积收缩，这种体积胀缩效应使得试样内部产生了不均匀的拉应力。这在微观上即表现为试样的孔隙及裂隙增加，在宏观上即表现为试样黏聚力的下降。

随着干湿循环作用次数的持续增加(第2～4次),老黏土试样黏聚力下降的幅度逐渐变小(见图7);与此同时，试样表面的微观形态差异也在逐渐变小[见图7(c)和图7(d)]。这表明干湿循环引起的土体微细观结构损伤效应在逐渐减弱。但试样的裂隙率仍接近于线性增长(见图3),这是由于裂隙的发展和扩展不仅受控于试样内部矿物与水的物理化学作用，还与很多其他因素有关。如在湿化过程中，试样内部的原生裂隙及孔隙在水压力作用下易出现应力集中现象，加速原有裂隙的扩展和发育。

在第6次干湿循环作用后(第6～12次),老黏土试样的黏聚力下降幅度逐渐趋于0(见图5);试样微观表面结构变得松散，出现大量的片/粒状集合体[见图7(e)和图7(f)],说明体积胀缩效应给试样表面造成的不均匀应力已经大幅超过其抗拉强度阈值，试样黏聚力不再随着干湿循环次数的增加发生显著下降。

基于上述分析和讨论，可以概化出干湿循环作用下老黏土试样表面微细观结构损伤的演化过程(见图8),并将其机制归纳如下：干湿循环作用引起土体内部黏土矿物体积反复胀缩，体积胀缩产生的不均匀张拉应力会直接作用于土体表面，给土体微细观结构带来不可逆的损伤(孔隙、裂隙等),当该应力超过土体的抗拉强度阈值时，会加速裂隙和孔隙的发展，直至其完全贯通，最终导致土体宏观强度发生劣化。

图8 干湿循环作用下老黏土结构损伤演化过程示意

值得注意的是，虽然试样的黏聚力在干湿循环作用下发生了显著劣化，但内摩擦角却呈现出波动的趋势，该规律同黄少平等、涂义亮等的研究结果类似。笔者认为出现此规律的主要原因有以下几点。以往有研究表明,土体内摩擦角与其内部颗粒的摩擦特性表现出密切的相关性，干湿循环作用一方面加快了试样内部裂隙的扩张，降低了内摩擦角；另一方面，土体内部颗粒会在基质吸力作用下被不断挤密，增大了颗粒间的咬合摩擦力。土体内摩擦角变化受以上两种作用的综合影响，本次试验中内摩擦角的变化呈现波动的趋势，表明两种作用对土体摩擦角的影响效果几乎相当。

4 结论

(1)在干湿循环作用下，老黏土试样的黏聚力发生明显劣化，内摩擦角则几乎保持稳定。老黏土的黏聚力在前4次干湿循环期间下降最为明显；4次干湿循环作用后黏聚力下降幅度逐渐接近于0。

(2)通过对老黏土试样裂隙照片进行二值化处理发现，试样裂隙率随着干湿循环作用次数的增加呈线性增加趋势；周期性的干湿循环作用会导致老黏土试样表面结构从致密变得松散，对试样表面结构造成不可逆的损伤，且该损伤随着干湿循环次数的增加逐渐累积。

(3)通过数据拟合获得了老黏土黏聚力与干湿循环作用次数之间关系的方程式，能够为设计提供理论依据。

(4)干湿循环作用下老黏土黏聚力的下降是黏土矿物水化作用的结果，黏土矿物周期性膨缩产生的不均匀应力会反复作用于土体的微细观结构，造成试样内部的裂隙不断扩展和贯通，是试样黏聚力下降的根本原因。

水利水电技术（中英文）

水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

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0 引 言

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2 试验结果

3 试验结果讨论

4 结 论

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4 结论