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基于CT技术的黄原胶加固土干湿循环条件下力学性能和微观结构劣化机制研究

刘瑾, 车文越, 郝社锋, 马晓凡, 喻永祥, 王颖, 陈志昊, 李婉婉, 钱卫

刘瑾, 车文越, 郝社锋, 马晓凡, 喻永祥, 王颖, 陈志昊, 李婉婉, 钱卫. 基于CT技术的黄原胶加固土干湿循环条件下力学性能和微观结构劣化机制研究[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(5): 1119-1126. DOI: 10.11779/CJGE20230165
引用本文: 刘瑾, 车文越, 郝社锋, 马晓凡, 喻永祥, 王颖, 陈志昊, 李婉婉, 钱卫. 基于CT技术的黄原胶加固土干湿循环条件下力学性能和微观结构劣化机制研究[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(5): 1119-1126. DOI: 10.11779/CJGE20230165
LIU Jin, CHE Wenyue, HAO Shefeng, MA Xiaofan, YU Yongxiang, WANG Ying, CHEN Zhihao, LI Wanwan, QIAN Wei. Deterioration mechanism of mechanical properties and microstructure in xanthan gum-reinforced soil under wetting-drying cycles based on CT scanning technology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(5): 1119-1126. DOI: 10.11779/CJGE20230165
Citation: LIU Jin, CHE Wenyue, HAO Shefeng, MA Xiaofan, YU Yongxiang, WANG Ying, CHEN Zhihao, LI Wanwan, QIAN Wei. Deterioration mechanism of mechanical properties and microstructure in xanthan gum-reinforced soil under wetting-drying cycles based on CT scanning technology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(5): 1119-1126. DOI: 10.11779/CJGE20230165

基于CT技术的黄原胶加固土干湿循环条件下力学性能和微观结构劣化机制研究  English Version

基金项目: 

自然资源部国土(耕地)生态监测与修复工程技术创新中心开放课题 GTST2021-006

国家重点研发计划 2018YFC1508501

详细信息
    作者简介:

    作者简介:刘瑾(1983—),女,福建漳州人,博士,教授,主要从事土壤加固研究的工作。E-mail: Jinliu920@163.com

    通讯作者:

    车文越, E-mail: chewy920728@163.com

  • 中图分类号: TU43

Deterioration mechanism of mechanical properties and microstructure in xanthan gum-reinforced soil under wetting-drying cycles based on CT scanning technology

  • 摘要: 干湿循环对岩土体的工程特性具有重要影响。采用CT扫描技术和力学测试,对加入不同含量黄原胶(0%,0.5%,1.5%)加固的黏土在经历不同次数(0,1,4,8,12次)干湿循环作用下的力学性能和微观结构劣化机制进行了研究,得到结论:①黄原胶能够有效提高土体的抗压强度和耐干湿循环效果。随着黄原胶含量的增加,干湿循环作用后的强度损失逐渐减小,当循环次数从0次增加到4次时,对于加入黄原胶含量分别为0%,0.5%,1.5%的试样,抗压强度分别损失了42.75%,17.2%,14.04%。②加固土的抗压强度与干湿循环次数之间保持指数下降的关系,当循环次数达到4次后,随着循环次数的进一步增加,抗压强度和弹性模量均在较小的变化范围内波动。③随着干湿循环次数的增加,黄原胶加固土的孔隙率表现出先增加后减小的趋势,连通孔隙不断扩展,而孤立孔隙表现出先增加后减小的趋势。④随着试样的干燥,黄原胶在土颗粒间形成网状基质,提高土体的强度和耐干湿循环能力。
    Abstract: The wetting-drying cycle has an important effect on the engineering properties of rock and soil. The CT scanning technology and testing methods for mechanical properties are used to study the deterioration mechanism of clay reinforced with xanthan gum with different contents (0%, 0.5%, and 1.5%) under different times of wetting-drying cycles (0, 1, 4, 8, 12). The main conclusions are as follows: (1) The xanthan gum can effectively improve the compressive strength and wetting-drying resistance of the soil. With the increase of the xanthan gum content, the strength loss after wetting-drying cycles decreases gradually. When the times of cycles increase from 0 to 4, the compressive strength of the soil with the xanthan gum contents of 0%, 0.5% and 1.5% decreases by 42.75%, 17.2% and 14.04%, respectively. (2) There is an exponentially decreasing relationship between the compressive strength of the reinforced soil and the times of wetting-drying cycles. When the times of cycles reach 4, the change values of the compressive strength and the elastic modulus of the samples all fluctuate in a small range with the further increase of the times of cycles. (3) With the increase of the times of wetting-drying cycles, the porosity of the xanthan gum-reinforced soil shows a trend of increasing first and then decreasing. With the increase of the times of the wetting-drying cycles, the connected pores continue to expand, while the isolated pores show a trend of increasing first and then decreasing. (4) With the drying of the sample, the xanthan gum forms a network matrix among the soil particles, which improves the strength of the soil and the capability of resistance to wetting-drying cycles.
  • 生物聚合物作为一种新型土体加固材料,因其具有低碳环保、价格低廉、加固效果好等优点,被应用于土体加固领域。生物聚合物主要由多糖组成,且在产生和分解过程中不产生有害的物质[1]。能够显著提高土体颗粒间的黏结力,增强土体的各项性能[2]

    加固后土体在经历外界复杂的环境变化后的耐久性也需要重点关注。在实际工程中,由于降雨等环境的改变,土体所经历频繁的干燥和湿润的动态变化,从而需要对干湿循环作用下加固后土体的性质进行研究[3]。Chang等[4]研究了干湿循环作用下结冷胶加固后砂土干湿循环作用下的强度和耐久性的变化规律。宋泽卓等[5]揭示了干湿循环作用下XG型生物聚合物加固砂土的宏微观演变规律,以上研究表明,加固后土体在复杂环境条件下的强度损失,主要归因于干湿循环作用对土体结构产生了不可逆的损伤,最终导致土体宏观性质的变化。

    近40年以来,越来越多的学者采用宏微观土力学的研究方式,作为微观联系宏观的桥梁,从本质上探究岩土体复杂宏观特性的微观机理,并开展微观特性的跨尺度关联和多尺度分析[6-7]。CT扫描技术具有结构无损测量、整体性测量、高分辨率等优点,已被应用于岩土材料的微观结构方面的研究。目前,主要聚焦于岩土材料的孔隙率和微观孔隙结构特征、颗粒尺寸与形状特性、多孔介质的单相或多相液体流动以及裂隙发育模式和应变局部化等[6, 8]。通过用CT技术对非饱和砂土的液相拓扑形态及颗粒微观结构及水力行为进行分析[9]。基于CT扫描结果对黄土、膨胀土等非饱和土的微观结构、湿陷机制及渗流特性等进行分析[10-11]。并且,CT技术是揭示干湿循环作用下的微观特征变化的有效手段。例如:Zaidi等[12]采用CT技术对细粒土在干湿循环作用下裂隙的发育过程进行了测试。Ma等[13]通过CT扫描评估在干湿循环作用下土壤孔隙特征的变化及其对其抗拉强度的影响。蔡正银等[14]通过CT扫描结果确定了不同冻融循环次数下的膨胀土试样内部裂隙由表层向内部的发展规律。An等[15]通过CT扫描技术建立了一套有效的干湿循环下的花岗岩残积土渗透特性模拟方法。针对黄原胶的干湿循环作用下微观结构研究较少,并未建立有效的宏观性能变化和微观结构损伤的联系。

    采用黄原胶生物聚合物对黏土进行加固,通过无侧限抗压强度试验研究了干湿循环作用对不同含量下加固土体强度特性的影响,并采用CT扫描技术对加固土的结构性损伤进行监测,揭示了干湿循环作用下加固土的强度性能和微观特性劣化机制。

    试验所采用的黏土取自于南京江宁地区,土样取回后首先进行烘干和破碎,过完2 mm筛后,按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)对土体的基本物理力学性质进行测试,如表 1所示。通过筛分和静水沉降方法获得如图 1所示粒径分布曲线。采用轻型击实试验获得了击实曲线,测得土体最优含水率为18.8%,最大干密度为1.702 g/cm3

    表  1  试验用土物理力学指标
    Table  1.  Physical and mechanical indexes of soil
    指标类别 数值
    相对质量密度 2.70
    液限/% 38.4
    塑限% 21.1
    塑性指数 17.3
    最优含水率/% 18.8
    最大干密/(g·cm-3) 1.7
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    图  1  试验用土粒径分布曲线
    Figure  1.  Grain-size distribution curve of soil

    试验中采用的加固材料为黄原胶,是一种由野油菜黄单胞菌通过葡萄糖/蔗糖发酵产生的一种微生物多糖,呈淡黄色粉末状固体,与水混合后形成黏稠溶液。黄原胶详细的物理参数如表 2所示。

    表  2  黄原胶的物理参数
    Table  2.  Physical indexes of xanthan gum
    指标类别 数值
    分子量/104 200~600
    水溶液 中性
    黏度/(Pa·s) 0.9~1.0
    pH耐受范围 3~11
    灰分/% 16
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    黄原胶作为一种五糖重复单元的结构聚合体,其水溶液具有低浓度高黏性的特征,仅为1.0%条件下,黏度高达10600 mPa·s,远高于其他胶类同等浓度下的黏度。并且通过氢键形成的二级棒状螺旋结构结构稳定,使其具备较强的耐热、耐酸、耐碱以及酶稳定性。并且相较于一般多糖加热后黏度变化的特性,黄原胶在10℃~80℃,均表现出稳定的高黏度特性。

    为研究干湿循环条件下黄原胶加固土体的力学特性演变规律,对加固土体在不同循环次数作用后的无侧限抗压强度进行测试。试验中选取的黄原胶含量以干土质量为基准,黄原胶含量分别设置为0%,0.5%,1.5%,控制试样的含水率为19%,干密度控制为1.70 g/cm3,因此,所需的干土和水的质量分别为163.22,31.01 g,黄原胶的质量分别为0,0.82,2.45 g,初始孔隙比为0.25。循环次数分别为0,1,4,8,12次。采用的仪器为YYW-2型无侧限压力仪,试验过程中控制加载速率为0.8 mm/min。

    为研究黄原胶加固土在干湿循环作用下微观结构的演化规律,采用CT扫描技术对不同干湿循环次数条件下的试样进行测试,对试样的不同剖面进行成像分析,并监测试样的孔隙率、连通孔隙和闭合孔隙的演变规律。采用的仪器为NanoVoxel4561型多尺度高分辨X射线三维数字成像分析系统,如图 2所示,仪器的最高空间分辨≤3 μm。在试样过程中CT仪器的测试参数如表 3所示。

    图  2  多尺度高分辨X射线三维数字成像分析系统
    Figure  2.  Multi-scale high resolution X-ray 3D digital imaging analysis system
    表  3  CT扫描仪器参数
    Table  3.  Parameters of CT scanning instruments
    测试电压/kV 250
    测试电流/µA 125
    曝光时间/s 0.32
    图像合并数 2
    像素大小/µm 58.1656
    像素合并数 1
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    在试样制备过程中,采用湿拌法制样,首先称取所需质量的干土、水和黄原胶,接着将黄原胶与水混合,搅拌均匀后倒入干土中,充分搅拌使得黄原胶溶液均匀分布在土体当中,最后将土样分为4份,依次倒入模具内,层间进行刮毛处理,压实后制成高80.0 mm,直径39.1 mm的试样,并将试样用保鲜膜包裹,养护7 d后进行无侧限抗压强度试验。试验过程中共制备4个平行样,其中3个试样用于力学特性测试,剩余试样用于CT扫描测试。

    干湿循环采用的是先增湿后减湿的循环路径,增湿的过程采用抽真空饱和的方法,减湿的过程采用的是烘箱烘干的方法,为了缩短干燥时间且避免高温对土体结构的影响,烘干温度设置为100℃,在烘干过程中记录试样含水率变化,当含水率降低至初始含水率后将试样取出,表明一次循环结束。在经历不同循环次数后,对试样进行力学测试和CT扫描。试样在饱和器中真空饱和,限制了试样的膨胀变形。干燥过程中,不同黄原胶含量试样间体积变化差异不显著。因此,在强度试验时,试样含水率均控制在19%(即初始含水率),避免体积变化带来的影响。

    对加入不同含量黄原胶的试样在循环不同次数后进行无侧限抗压强度测试,试验结果如图 3所示。

    图  3  不同干湿循环次数下黄原胶加固土的抗压强度变化
    Figure  3.  Changes in compressive strength of xanthan gum-reinforced soil under different wetting-drying cycles

    随着循环次数的增加,加入不同含量黄原胶试样的抗压强度出现了先快速下降后趋于稳定的状态,抗压强度与循环次数之间保持指数下降的关系,关系式如图 3所示。其中,当循环次数从0次增加到4次的过程中,抗压强度出现了快速降低,对于加入黄原胶含量分别为0%,0.5%,1.5%的试样,抗压强度分别损失了42.75%,17.2%,14.04%,这也表明随着黄原胶含量的增加,加固土在干湿循环作用下的强度损失逐渐减轻。从图 3还可看出,当循环次数达到4次后,加固土的强度变化幅度开始变缓,其中对于黄原胶含量为0%,1.5%的试样,当循环次数从4次增加到12次的过程中,抗压强度出现了先增加后减小的趋势,而对于黄原胶为0.5%的试样,抗压强度则是出现了先减小后增加的趋势。结果表明,黄原胶的加入能够有效减轻土体干湿循环后的强度损失,且当循环4次后,循环次数的增加对加固土力学特性的影响开始减缓。

    不同含量黄原胶加固土在经历不同干湿循环次数后的弹性模量如图 4所示。本研究中的弹性模量采用割线模量来代替,为50%峰值应力与其对应的轴向应变之间的比值来确定。从图 4中能够看出,对于循环次数为0,1次的试样,随着黄原胶含量的增加,弹性模量表现出逐渐减小的趋势。加固土弹性模量的下降是由于水凝胶的柔韧性引起的,黄原胶基质的伪可塑性使得土颗粒或团聚体之间产生高黏性的软接触,使得加固土的破坏需要更大的应变增量和应力水平,表明黄原胶加固后的土体具有更强的韧性。而当循环次数达到4次后,不同含量黄原胶试样的弹性模量之间的差异变小,整体上黄原胶为0.5%试样的弹性模量最大,而未加入黄原胶试样的特性模量最小。当循环次数达到4次时,试样的弹性模量均出现了明显的下降,随着循环次数的进一步增加,弹性模量波动幅度较小。这是由于干湿作用引起的孔隙水侵蚀作用造成孔隙变化和粒间结构溃散,进而引起裂纹的发育,但由于控制宏观性能的主裂隙在4次循环后趋于稳定,因此,未加固的土体的弹性模量大幅降低,加固土由于黄原胶的掺入,多次干湿循环后,粒间网状基质的胶结作用使其仍具有较好的抗压强度和变形能力。

    图  4  不同干湿循环次数下黄原胶加固土的弹性模量变化
    Figure  4.  Variation of elastic modulus of xanthan gum-reinforced soil under different wetting-drying cycles

    黄原胶溶液加入到土体中后,随着养护过程的进行,黄原胶能够在土颗粒间形成网状基质,土颗粒受其黏结作用,形成较大的团聚体,提高土体的整体性,最终提高土体的强度。当土体再次湿润时,土颗粒间的孔隙被水填充,未加入黄原胶的试样,土颗粒间的黏结力显著减弱。对于加固后的土体,湿润后黄原胶基质转变为黏稠的胶状物质,体积发生膨胀,与土颗粒表面间的有效接触面积减小,黏结力减弱,但依旧包裹在土颗粒表面。当饱和试样在干燥的过程中,由于受到孔隙水的表面张力和基质吸力的作用,在土体中将会产生张拉应力场,从而土体中将会产生裂隙,最终导致试样强度的损失。对于未加固的土体,由于土颗粒间没有黄原胶凝胶的作用,其在干燥过程中形成裂隙的长度和宽度均较大,引起较大的强度损失。

    为研究黄原胶加固黏土在干湿循环作用下微观结构的变化,本文选取了黄原胶含量为1.5%的试样,采用CT扫描技术对其在不同次数干湿循环作用下的微观特性进行了测试。将CT扫描得到的连续灰度图像加载到Avzio中,建立试样三维模型。为了分割前突出图像特征,采用中值滤波法减少图像的噪声和伪影,再采用人工选择和分水岭算法对颗粒的孔隙进行阈值分割。本文使用的阈值分割采用试凑法对二值化的图像进行处理[9],结合室内试验换算得到的样品的真实孔隙率与阈值划分计算的孔隙率对比,调整土颗粒与孔隙的阈值形成各自的灰度值区间,分别计算不同阈值下的孔隙率。当样品的真实孔隙率与计算得到的孔隙率一致时,以该阈值作为最优阈值进行后续图像处理,以保证后续图像信息转化的准确性,本文采用的最优阈值为20664。孔隙率n

    n=VV/VT (1)

    式中:VVVT分别为孔隙体积和土壤总体积(um3)。

    不同循环次数下加固前后试样的孔隙率变化如图 5所示。随着循环次数的增加,素土试样的孔隙率表现出持续上升的现象,而加固后试样的孔隙率表现出先增大后减小的规律。其中,当试样经历首次干湿循环后,其孔隙率的增加幅度最大,素土试样的孔隙率增幅为4.16%,而黄原胶加固土试样增加了1.9%。说明黄原胶的掺入可以有效地抵抗孔隙水的侵蚀作用。当循环次数增加到8次时,黄原胶加固试样的孔隙率达到最大,为25.50%,随着循环次数的进一步增加,试样的孔隙出现了减小。而干湿循环次数为12次时,素土试样的孔隙率达到最大,为29.3%。在干湿作用下,试样内部出现了离散的裂缝。当裂缝随着干湿循环次数的进一步增加,试样内部裂隙逐渐扩展,长度和宽度均持续地增加,从而出现贯通连续的裂缝,降低土体的土体性能。而黄原胶的掺入一定程度阻碍了裂缝的形成,导致孔隙率的增幅显著小于素土试样。

    图  5  加固前后试样的孔隙率和分形维数与干湿循环次数之间的关系
    Figure  5.  Relationship between porosity and fractal dimension of untreated and treated samples with times of wetting-drying cycles

    土体是一种具有自相似结构的多孔介质,具有一定的分形特征,引入分形维数对其孔隙的特征进行定量研究,盒计数法是目前最为广泛的方法,且适用于空间分布研究[16]。因此,本文采用该算法对加固土孔隙结构的分形维数进行计算。如图 5所示,加固土的孔隙分形维数均小于素土试样,其变化幅度也明显低于素土试样,加固土试样孔隙分形维数随干湿循环次数变化是先减小后增大的趋势,其发育的模式与裂隙的扩展过程相一致。由于干湿循环次数的增加,素土试样中的新裂缝不断生成和连通,所以其孔隙率不断上升,而加固土由于黄原胶的掺入,提高了粒间黏结力,阻碍了干湿裂缝的出现和扩展。0次循环时,素土的分形维数明显高于加固土试样,这是由于黄原胶的掺入导致试样内部存在较多的小孔径的孔隙。首次干湿循环后,素土试样和加固土试样均出现降低,可能是由于干湿作用下,小孔隙连通形成大孔隙或裂隙,孔隙率出现大幅上升,造成了孔隙的分选和复杂程度降低。但随着干湿循环的增加,裂隙逐渐扩展和贯通形成主裂缝,引起了大孔隙体积增大和复杂程度上升,引起了分形维数的逐渐增加。但4次循环后,素土试样的孔隙分形维数处于下降趋势,这是由于主裂隙在干湿作用下未出现进一步的扩展,干湿循环作用形成裂隙,引起了孔隙的分选程度持续降低。而12次干湿循环后,加固试样的孔隙分型维数仅出现小幅度下降,说明黄原胶具备一定的耐久性,可以在多次干湿循环后仍能减缓土体试样干湿裂缝的产生,保证整体结构的稳定和宏观力学性能提升。

    通过对加固试样(1.5%黄原胶)中孔隙的体积进行统计得到如图 6所示的不同干湿循环次数下孔隙体积分布曲线。对于加固试样中孔隙体积小于8000 nm3的孔隙,当循环次数从0次增加到1次的过程中,孔隙体积的分布区间显著增加,而当循环次数从1次增加到8次时,孔隙体积的分布区间逐渐减小,而当循环次数增加到12次时,孔隙体积的分布区间出现了再次减小的趋势。而对于孔隙体积大于8000 nm3的孔隙,其体积随着干湿循环次数的增加表现出先增加后减小的趋势,与加固试样的总孔隙率的变化趋势保持一致,这也说明了试样中大孔隙的体积对试样总孔隙率的分布起到决定作用。

    图  6  不同干湿循环条件下孔隙的体积分布
    Figure  6.  Distribution of pore volume of samples under various wetting-drying cycles

    利用连续横剖面CT扫描图像,对不同循环次数作用下加固试样(1.5%黄原胶)的三维结构进行重建,得到如图 7所示的三维重建图,其中图像中较亮的部分代表孔隙的分布。通过对每一层横剖面的孔隙率进行计算得到了如图 7所示试样的面孔隙率变化曲线。其中,层数为0的表示试样的顶层。对试样面孔隙率的分析能够进一步掌握孔隙的总体分布情况,对研究试样的变形破坏特征具有重要意义。

    图 7中能够观察到试样的每一层的孔隙率变化,随着层数的增加,面孔隙率变化表现出一定的变化规律,面孔隙率的变化曲线出现了5个波峰,平均每350层出现一组波峰。从图 7中还可以观察到,随着干湿循环次数的增加,试样每一层的面孔隙率整体上表现出先增加后减小的趋势,其中,当循环次数从0增加到8的过程中,每一层的面孔隙率保持增加,而当循环次数从8次增加到12次时,面孔隙率出现了减小趋势,这也与试样总孔隙率的变化趋势保持一致。从不同循环次数下试样的面孔隙率变化曲线中还能够看出,不同层试样的面孔隙率存在较大的差异,最大差值可达15%,这主要归因于试样的制备方式和干湿循环过程中裂隙发展的优势方向。

    图  7  不同干湿循环次数下加固试样的各层面孔隙率
    Figure  7.  Surface porosities of every layer in treated samples under different wetting-drying cycles

    为更加直观地观察黄原胶加固土在干湿循环作用下试样裂隙的演变过程,采用CT技术对试样的纵剖面和横剖面进行扫描,得到如图 8所示CT扫描图。从图 8(a)试样的纵剖面图中可以观察到,当试样经历1次干湿循环后,裂隙从试样的底部和试样的分层处开始发育。随着循环次数的进一步增加,当循环次数达到4次时,能够观察到层间的裂隙进一步发育,并出现了一条自下而上裂隙,几乎将试样分为6个部分;当循环次数达到8次时,水平方向裂隙的变化较小,竖直方向上裂隙的宽度和连通性有进一步的扩展。而当试样经历12次干湿循环作用后,其间的裂隙并未出现进一步的扩展,相反,竖直方向上的主裂隙在一定程度上出现了闭合现象,且水平方向上裂隙的连续性也出现了减小。从试样的横剖面图中也能够观察到裂隙的发育过程(图 8(b))。在干湿循环作用下,试样横剖面的外围首先出现了一些分散的裂隙,当循环次数增加到4次时,裂隙进一步发育,最终形成了一条自左上向右下扩展的主裂隙;而当循环次数增加至12次的过程中,试样裂隙的整体分布特征变化较小,仅剖面下方的裂隙出现了一定范围的减小。

    图  8  不同次数干湿循环作用下黄原胶加固土的CT扫描图
    Figure  8.  CT scanning of xanthan gum-reinforced soil under different wetting-drying cycles

    由于控制宏观性能的主裂隙在干湿循环4次后变化较小,造成黄原胶加固土4次循环后的抗压强度趋于稳定。但随着干湿循环作用,土体的孔隙率和分形维数并未稳定,由于干湿循环下裂隙两侧局部细小土颗粒的剥离会形成微裂隙,引起了分形维数上升。而8次循环后,主裂隙未继续扩展,堆积土颗粒进一步填充孔隙,造成了孔隙率和大孔隙体积先上升后下降。

    在前4次循环中,黄原胶加固土的力学强度发生较大幅度的损失,这种强度降低可能是由于黏土矿物容易受到干湿效应的影响,表现出劣化现象。在孔隙水侵蚀作用下,土壤形成大量的粒间孔隙,这极大地增加了土壤的非均质性,这种效应可以在图 56中观察到孔隙率和大孔隙体积的快速上升。并且在渗透水的作用下,颗粒间相互作用降低造成了微观结构的溃散,短期内造成强度和刚度的损失,提高了微裂纹形成的可能性。如图 8所示,微裂纹在前4次循环中迅速发育,快速形成主裂缝。而黄原胶加固土比素土试样具备高抗压强度和低强度损失的特征。①一方面可能是由于黄原胶提供大量的黏胶形式的水凝基质,可以牢牢黏附土壤颗粒并提供粒间连接。②另一方面,高吸水性的黄原胶基质增加了孔隙水的黏度,降低了干湿循环效应。4次循环后,黄原胶加固土的力学强度的损失快速减缓。这是由于控制土壤性能的优势裂隙已形成,干湿循环对优势裂隙的几乎不产生影响,但持续性的干湿循环作用,促进了微裂纹的发育。如图 8所示,横纵剖面中的主裂隙土在第四次循环时已形成。在进一步渗水作用下,土颗粒的团聚体在遇水时会继续发生崩解,分散的细颗粒会向大孔隙中迁移,并且微裂隙的形成也会加剧了这一过程。由图 5~7所示,土壤的孔隙率和分形维数在4次循环后持续上升。

    为进一步对试样内部的孔隙特征进行分析,采用AVIZO软件对孔隙的空间分布规律和孔隙类型进行了进一步确定。考虑到计算机的图像处理能力以及孔隙的代表性,需要从试样中分割出具有代表性的单元体,单元体尺寸为35 mm×35 mm×35 mm。不同循环次数条件下代表性单元体中孔隙的分布情况如图 9所示。在Z轴方向,对孔隙连通性进行分析,能够将试样的孔隙分为连通孔隙和孤立孔隙。

    图  9  不同循环次数条件下加固试样的三维重建图像
    Figure  9.  3D reconstruction images of treated samples under various wetting-drying cycles

    图 9中可以看出,对于未经历干湿循环作用的试样,该代表性单元体中出现了少量连通孔隙。而当试样经历第一次干湿循环作用后,单元体中连通孔隙的数量明显增多,且随着循环次数的增加,连通孔隙进一步扩展,连接形成一条贯穿的裂隙面。当循环次数达到8次后,随着循环次数的进一步增加,连通孔隙的变化并不明显。对于单元体中的孤立孔隙,当循环次数从0次增加到1次的过程中,孤立孔隙的数量逐渐增多,而当循环次数从1次增加到8次的过程中,整体上孤立孔隙的数量有所减小,而当循环次数达到12次时,孤立孔隙数量则出现再次增加的趋势。

    图 10为素土和黄原胶加固试样在不同干湿循环条件下的SEM图像。如图 10(a)所示,初始干湿循环前,粒间胶结较弱,导致粒间的结构松散,孔隙空间的分布较为广泛。当干湿循环12次后,由于孔隙水的侵蚀作用,粒间胶结薄弱的部位发生溃散,导致孔隙空间变大,引起较大的宏观抗压强度降幅(图 3)。

    图  10  素土和黄原胶加固后土体的微观扫描电镜
    Figure  10.  SEM images of natural soil and soil stabilized with xanthan gum

    图 10(b)所示,对黄原胶加固土在干湿循环条件下的微观结构进行分析后能够发现,在初次干燥后,黄原胶凝胶均匀分布在土颗粒孔隙间,硬化后的黄原胶呈现玻璃状,起到黏结颗粒的作用,从而试样中孔隙相对较小且分散,均未形成孤立孔隙。当试样再次浸水时,玻璃状黄原胶基质吸收水分,体积发生膨胀强度,与土颗粒之间的黏结力减弱[17]。然而在黄原胶基质吸水膨胀的过程中,能够与土颗粒表面有更多的接触,使得黄原胶基质能够在土颗粒间发生重新分布,更加均匀的分布在土颗粒间,而颗粒间分布的黄原胶厚度则有所减小。随着干燥过程的进行,吸水膨胀后的黄原胶基质再次发生收缩,而由于颗粒间的桥接作用减小,收缩过程中将会在黏结的薄弱处发生断裂,最终形成一条贯通的裂隙。随着干湿循环作用的不断进行,黄原胶基质经历反复的膨胀和收缩过程,然而当干湿循环达到一定次数后(循环12次),黄原胶基质在土体间的重新分布现象减缓,分布情况达到稳定,从而裂隙始终在最初的位置发育。但颗粒间的结构由于黄原胶的包裹和黏附效应,粒间结构仍处于稳定状态。除此之外,随着干湿循环作用的进行,试样中裂隙两侧的土颗粒将会剥落,进入裂隙当中,从而一定程度上填充原有裂隙,裂隙出现了闭合现象。

    通过对加入不同含量黄原胶的黏土在经历不同次数干湿循环作用下的力学特性进行了测试,并采用CT扫描技术对1.5%黄原胶加固土在循环过程中微观特征进行分析,得到5点结论。

    (1)黄原胶的加入能够有效提高土体的抗压性能和耐干湿循环效果。干湿循环导致的强度损失随黄原胶含量增加逐渐降低。干湿循环4次时,1.5%黄原胶加固土较素土抗压强度提升140.27 kPa,减少约28.71%的强度损失。

    (2)不同含量黄原胶加固土的抗压强度均随干湿循环次数呈指数下降的关系,4次干湿循环后,随干湿循环次数的增加,抗压强度的变化开始减缓,弹性模量均在较小的变化范围内波动。

    (3)黄原胶加固土的微观特征对不同干湿循环次数的响应是不同的。随着干湿循环次数的增加,黄原胶加固土的孔隙率和面孔隙率均呈先增加后减小,当干湿循环8次时,孔隙率达到最大值25.5%,面孔隙率最大差值可达15%。

    (4)干湿循环次数对黄原胶加固土裂隙呈不同演变模式。4次干湿循环时,连通孔隙不断扩展,连接形成一条贯穿的裂隙面,但随次数继续增加,主要以微裂纹的为主,试样裂隙的整体分布特征变化较小。

    (5)加固土体的强度和耐干湿循环性能受黄原胶网状基质影响。干湿循环过程中,黄原胶基质的接触黏结和粒间重分布,减少孔隙水的侵蚀作用,增强土体微观结构稳定。

  • 图  1   试验用土粒径分布曲线

    Figure  1.   Grain-size distribution curve of soil

    图  2   多尺度高分辨X射线三维数字成像分析系统

    Figure  2.   Multi-scale high resolution X-ray 3D digital imaging analysis system

    图  3   不同干湿循环次数下黄原胶加固土的抗压强度变化

    Figure  3.   Changes in compressive strength of xanthan gum-reinforced soil under different wetting-drying cycles

    图  4   不同干湿循环次数下黄原胶加固土的弹性模量变化

    Figure  4.   Variation of elastic modulus of xanthan gum-reinforced soil under different wetting-drying cycles

    图  5   加固前后试样的孔隙率和分形维数与干湿循环次数之间的关系

    Figure  5.   Relationship between porosity and fractal dimension of untreated and treated samples with times of wetting-drying cycles

    图  6   不同干湿循环条件下孔隙的体积分布

    Figure  6.   Distribution of pore volume of samples under various wetting-drying cycles

    图  7   不同干湿循环次数下加固试样的各层面孔隙率

    Figure  7.   Surface porosities of every layer in treated samples under different wetting-drying cycles

    图  8   不同次数干湿循环作用下黄原胶加固土的CT扫描图

    Figure  8.   CT scanning of xanthan gum-reinforced soil under different wetting-drying cycles

    图  9   不同循环次数条件下加固试样的三维重建图像

    Figure  9.   3D reconstruction images of treated samples under various wetting-drying cycles

    图  10   素土和黄原胶加固后土体的微观扫描电镜

    Figure  10.   SEM images of natural soil and soil stabilized with xanthan gum

    表  1   试验用土物理力学指标

    Table  1   Physical and mechanical indexes of soil

    指标类别 数值
    相对质量密度 2.70
    液限/% 38.4
    塑限% 21.1
    塑性指数 17.3
    最优含水率/% 18.8
    最大干密/(g·cm-3) 1.7
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    表  2   黄原胶的物理参数

    Table  2   Physical indexes of xanthan gum

    指标类别 数值
    分子量/104 200~600
    水溶液 中性
    黏度/(Pa·s) 0.9~1.0
    pH耐受范围 3~11
    灰分/% 16
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    表  3   CT扫描仪器参数

    Table  3   Parameters of CT scanning instruments

    测试电压/kV 250
    测试电流/µA 125
    曝光时间/s 0.32
    图像合并数 2
    像素大小/µm 58.1656
    像素合并数 1
    下载: 导出CSV
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    其他类型引用(6)

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-26
  • 网络出版日期:  2023-10-17
  • 刊出日期:  2024-04-30

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