原状膨胀土脱湿过程中多层次微细观结构演化特征与概化模型

李甜果; 孔令伟; 周振华

doi:10.11779/CJGE2022S1007

原状膨胀土脱湿过程中多层次微细观结构演化特征与概化模型 English Version

李甜果^{1, 2,},
孔令伟^{1, 2, ,},
周振华^{1, 2}

1.
中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北武汉 430071
2.
中国科学院大学, 北京 100049

基金项目:

国家重点研发计划项目 2019YFC1509901

详细信息

作者简介:
李甜果(1993—)，女，博士，助理研究员，主要从事膨胀土工程特性与微观结构方面研究。E-mail: litianguo16@mails.ucas.edu.cn

通讯作者:
孔令伟, E-mail: lwkong@whrsm.ac.cn

中图分类号: TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2022-09-24
- 网络出版日期: 2023-02-06
- 刊出日期: 2022-11-30

Evolution characteristics and generalized model of multi-level microstructure of undisturbed expansive soils during dehumidification

LI Tian-guo^{1, 2,},
KONG Ling-wei^{1, 2, ,},
ZHOU Zhen-hua^{1, 2}

1.
Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 China

摘要

摘要: 采用多种测试手段，对脱湿至不同含水率膨胀土的微细观结构进行了研究，探究多层次下膨胀土微细观结构的演化特征。试验结果表明：①膨胀土孔隙结构呈双峰分布，随着含水率的降低，孔隙体积逐渐减少。含水率较高时，土体中含有较多的微裂隙和架空孔隙，形成疏松的结构，而随着含水率的降低，片状颗粒单元以面—面接触的方式形成堆叠体，孔隙结构由以团聚体间孔隙为主转变为以团聚体内孔隙为主；②在脱湿初期，试样表面最先出现脱湿裂隙，随着含水率的降低，试样内部的原始裂隙开始衍生出脱湿裂隙，并逐步向外扩展，最终相互贯通，贯通裂隙率与裂隙率呈正相关关系；③随着含水率的降低，膨胀土孔隙和裂隙同步发展，孔隙体积的减小主要发生在脱湿的前期，裂隙的发育在脱湿后期更为明显。
- 含水率 /
- 膨胀土 /
- 孔隙结构 /
- 裂隙 /
- 微细观结构
Abstract: Using a variety of testing methods, the microstructure of the expansive soils dehumidified to different water contents is studied. The evolution characteristics of the multi-level microstructure of the expansive soils are discussed. The test results show that: (1) The pore structure of the expansive soils presents a bimodal distribution. As the water content decreases, the pore volume gradually decreases. At high water contents levels, the soils contain more micro-cracks and overhead pores, forming a loose structure, and as the water content decreases, the flaky particle units form a stack in a surface-surface contact, and the dominant pore structure changes from inter-aggregate pores to intra-aggregate ones. (2) At the initial stage of dehumidification, the dehumidification cracks appear first on the surface of the samples. As the water content decreases, the original cracks inside the samples begin to develop dehumidified ones, and gradually expand outward, and finally penetrate each other. The connective crack rate is proportional to the crack rate. (3) With the decrease of the water content, the pores and cracks of the expansive soils develop synchronously. The decrease of pore volume mainly occurs in the early stage of dehumidification, however, the development of cracks is more obvious in the later stage of dehumidification.
- water content /
- expansive soil /
- pore structure /
- crack /
- microstructure

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0. 引言

跨河大桥常将桥梁基础布置在河道两岸的岸坡上，岸坡稳定与否是桥梁工程整体稳定性评价的重要组成内容，王华^[1]采用物理模型试验对某大桥桥基岸坡进行模拟，研究了在天然状态和加载条件下岸坡岩体的变形破坏过程和模式。费力等^[2]应用工程地质评价和FLAC^3D数值分析方法对某铁路桥基岸坡进行了稳定性分析，确定了岸坡的破坏模式、潜在失稳区域、主滑方向、应力应变特征、应力影响系数和安全系数。丁秀丽等^[3]在奉节南桥头滑坡采用有限差分对三峡库水位涨落条件下的稳定性进行了分析，结果发现三峡水库蓄水后，滑坡安全系数小于1。

岸坡稳定性计算分析时，岩土力学参数取值对稳定分析结果的影响很大。目前主要依据室内及现场试验、工程类比、经验强度准则、参数反演等方法来确定岩土力学参数。曹培等^[4]采用室内三轴压缩试验方法获得了某高速公路红砂岩风化料湿化后的抗剪强度指标。童军等^[5]基于GDS非饱和土直剪系统对原状膨胀土进行了室内直剪试验，研究了不同吸力条件对剪切强度指标的影响。郭喜峰等^[6]通过现场直剪试验研究了三峡库区碎石土变形破坏特征和物理状态指标对力学强度的影响。汤劲松等^[7]通过原位直剪试验分析了组成材料的性质、颗粒大小、粒径组成、粗糙程度、充填物胶结程度和密实程度对卵砾石土抗剪强度指标的影响。李红英等^[8]在获得临近地区工程岩土参数的基础上，采用工程类比分析方法确定了滑坡体可靠性计算参数的分布类型及参量，并基于Bayes统计理论对“上田”滑坡体岩土参数进行优化确定。卢阳等^[9]运用Hoek-Brown经验强度准则，提出一种利用钻孔测试成果获取岩体抗剪强度参数的新方法和新途径。阮永芬等^[10]基于粒子群算法优化小波支持向量机反演出了岩土力学参数。

由于大型原位剪切试验试样尺寸大，能将土体中的大粒径组分模拟进去，同时对土体扰动小，使材料处于接近真实的环境状态，因此试验结果能较好地体现岩土材料的变形强度特性。本文通过原位直剪试验，对某长江大桥桥基岸坡的原状土进行了剪切力学特性研究，为岸坡的稳定性评价提供取值依据。

1. 工程概况

某市政长江大桥在运行期发现辅桥下部结构桥墩出现倾斜、上部结构局部破损及渗水等病害，主要原因为桥梁基础岸坡在三峡库水位升降作用下出现较大位移的缓慢滑动。为对大桥进行有针对性的病害综合整治，需对桥基岸坡稳定性重新进行评价。该大桥桥基位于斜坡地带，属构造—剥蚀丘陵斜坡地貌。主要地层是褐灰色—褐黄色的粉质黏土，夹含少量长石砂岩块石。块石呈次棱角状及棱角状，块径约3~10 cm，含量约占10%~20%。粉质黏土呈可塑—硬塑状，干强度中等，断面稍有光泽，厚度约10~23 m，最厚达28 m。

2. 土体原位直剪试验方法

2.1 试验原理

土的强度是土体抵抗外荷载的能力，由于土是散体材料，土体的破坏模式为土颗粒之间的相对滑移，该特点决定了剪切破坏为土体破坏的主要表现形式。其中原位直剪试验试验是较常用的测定土的抗剪强度方法，该方法以库仑破坏准则为依据：

τ = σ \tan (φ) + c = σ f + c 。

$\tau = \sigma \tan (\varphi {\text{) + }}c = \sigma f{\text{ + }}c 。$

(1)

在土体原位制备试验预剪面，分级施加竖向应力 $\sigma$ 和水平应力 $\tau$ ，如所示，测定土体抗剪强度，再按库仑公式拟合抗剪强度指标（ $\varphi$ 和c）。

图 1 直剪试验原理示意图

Figure 1. Schematic diagram of direct shear tests

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2.2 试样制备

在原位用挖土机开挖5 m深的试验基坑，开挖至距试验位置50 cm时，改用人工精细制样，减小对原状土扰动。用50 cm×50 cm×35 cm的剪切钢模套在试样上，将含速凝剂的水泥砂浆注入钢模与试样缝隙中。天然状态试样在水泥砂浆养护24 h后，即可进行试验。饱和状态试样，采取现场泡水48 h进行饱和处理后进行试验。

2.3 试验过程

法向荷载反力措施：常规的试验堆载法反力措施工作量大，难以满足应急抢险工期紧迫的要求；土质锚杆反力措施锚固力小，达不到试验最大反力要求。根据现场条件情况，采用挖土机自重作为反力，将法向荷载的千斤顶及配套装置作用在挖土机的底盘上，如图 2所示。

图 2 试验场景照片

Figure 2. Photo of test scene

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加载及测试：①试验采用平推法，剪应力方向平行于岸坡滑动方向；②法向应力范围为12.1~103.1 kPa，各试点的法向荷载分2~4级施加，每级荷载施加后，立即测读位移，当施加到目标法向应力时，每隔10 min测读一次位移，当垂直位移达到相对稳定（0.01 mm/h）后，即可开始施加剪切荷载；③在整个施加剪切荷载过程中保持法向荷载不变，剪切荷载按照预估剪切强度分10级逐级施加，直至极限剪切破坏，每一级剪切荷载加载到目标值后立即测读位移，并立即施加下一级荷载，控制试验在20 min内剪完；④试验结束后对剪切面进行描述，确定剪切面破坏形态和有效剪切面积。

3. 试验结果及分析

对岸坡土体分别进行了4点/组饱和状态下和天然状态下的原位直剪试验，剪应力与切向位移关系曲线分别见图 3，4。根据剪应力-位移关系曲线，确定抗剪断试验的峰值强度、屈服强度及残余强度，获得剪切强度指标，见图 5。

图 3 饱和状态直剪试验

τ

$\tau$ -u关系曲线

Figure 3.

τ

$\tau$ -u relationship curves of direct shear tests in saturated state

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图 4 天然状态直剪试验

τ

$\tau$ -u关系曲线

Figure 4.

τ

$\tau$ -u relationship curves of direct shear tests in natural state

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图 5 直剪试验

τ

$\tau$ -

σ

$\sigma$ 关系曲线

Figure 5.

τ

$\tau$ -

σ

$\sigma$ relationship curves of direct shear tests

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3.1 变形破坏特征

由图 3，4可见，在抗剪断试验时，原状土在压剪作用下，历经3个变形破坏阶段：①试样受力较小时，变形较小，表现为近似的线弹性变形阶段，在剪切荷载作用下土体产生内部孔隙的压缩。②随着剪切荷载加大，变形产生屈服点，进入塑性变形阶段，土颗粒发生滑移运动，试样变形先增速后趋于平缓，但依然具有一定的承载力，主要依靠土体颗粒之间的结构效应提供承载力。从试件外观看到整个土体试样的剪切破坏面已基本发展成形，经过一定的变形积累后，破裂面全部贯通，应力达到峰值强度。③峰值后，土体损伤至整体结构完全破坏，变形迅猛增长，剪切荷载推动着整个土体上盘试件沿剪切面滑移，同时应力表现出软化过程，降低至与土体上下剪切面之间的摩擦力平衡为止，此时应力为残余强度。

3.2 强度参数取值

如所示，饱和状态组试样基本沿预剪面剪断破坏，其中3个试样剪切面都分布个别较小的块石，剪断面起伏差最大仅为3 cm，而另一个试样剪切面含有一块20 cm大的块石，贯通在预剪面上下盘中，剪断面起伏差达到13 cm，导致试验结果严重偏高，对该点进行剔除后，剩余的3个试样用最小二乘法拟合出 $\tau {\text{ - }}\sigma$ 关系曲线具有较高的相关性，得到峰值强度参数为 $\varphi$ =17.1°，c=22.1 kPa。而天然状态组试样基本沿预剪面剪断破坏，4个试样剪切面都分布个别块石，造成剪断面起伏差较大，最大达到5 cm左右，但4个样本剪切面含石率的影响呈现出随机分布的特性，用最小二乘法拟合出 $\tau {\text{ - }}\sigma$ 关系曲线具有较高的相关性，得到峰值强度参数为 $\varphi$ =20.6°，c=29.3 kPa。

3.3 含水状态对强度参数的影响

直剪试验完成后，对每个试样，在剪切面取3个土样进行含水率试验，然后对每1组试样剪切面处土样的含水率进行平均统计，试验结果如表 1所示。该原状土的天然含水率较高，达到21.2%；泡水48 h后，试样的含水率为24.3%。饱和状态下比天然状态下的抗剪断峰值强度参数f值降低了0.07，降低幅度为18.4%；c值降低了7.2 kPa，降低幅度为24.6%。强度参数f和c值降低的幅度在18.4%~24.6%，均值为21.5%。可见水的作用下，土质发生了软化，导致抗剪强度参数出现劣化。

表 1 含水率与剪切强度参数结果对比

Table 1. Comparison of water content and shear strength parameters

试组编号	试验条件	含水率/%	剪切强度参数
试组编号	试验条件	含水率/%	f	$\varphi$ /(°)	c/kPa
${\tau _1}$ 组	原位，饱和	24.2	0.31	17.1	22.1
${\tau _2}$ 组	原位，天然	21.2	0.38	20.6	29.3

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4. 结论

本文通过对某长江大桥桥基处夹少量块石粉质黏土的原位剪切试验及力学特性分析，得到了以下2点结论。

（1）饱和状态下原状土的抗剪断峰值强度参数为 $\varphi$ =17.1°，c=22.1 kPa；天然状态下原状土的抗剪断峰值强度参数为 $\varphi$ =20.6°，c=29.3 kPa。

（2）土体饱和使土质变软，抗剪强度参数降低，建议本工程应用时可将天然状态下土体的强度参数折减20%后作为饱和状态下土体的强度参数。

图 1 MIP试验结果分析

Figure 1. Analysis of MIP test results

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图 2 孔隙率随含水率的变化曲线

Figure 2. Relationship between porosity and water content

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图 3 孔隙体积密度分布曲线

Figure 3. Pore size distribution curves

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图 4 不同含水率试样的SEM图像（放大200倍）

Figure 4. SEM images of soils with different water contents

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图 5 不同含水率试样的SEM图像

Figure 5. SEM images of soils with different water contents

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图 6 不同含水率试样的SEM图像（放大17000倍）

Figure 6. SEM images of soils at different water contents

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图 7 不同含水率下膨胀土表面的裂隙的发育形态

Figure 7. Development patterns of cracks on surface of expansive soils with different water contents

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图 8 脱湿过程中膨胀土的二维图像

Figure 8. 2D images of expansive soils during dehumidification

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图 9 不同含水率下裂隙的三维模型

Figure 9. 3D model for cracks under different water contents

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图 10 联通裂隙的三维模型

Figure 10. 3D models for connective cracks

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图 11 裂隙率和联通裂隙率变化

Figure 11. Variation of cracks and connective cracks

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图 12 膨胀土微细观结构概化模型

Figure 12. Generalized model for microstructure of expansive soils

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图 13 脱湿过程中土体微细观结构变化示意图

Figure 13. Schematic diagram of microstructural evolution of soils during dehumidification process

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参考文献(11)

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1. 工程概况
2. 土体原位直剪试验方法
2.1 试验原理
2.2 试样制备
2.3 试验过程
3. 试验结果及分析
3.1 变形破坏特征
3.2 强度参数取值
3.3 含水状态对强度参数的影响
4. 结论

原状膨胀土脱湿过程中多层次微细观结构演化特征与概化模型 English Version

作者简介: 李甜果(1993—)，女，博士，助理研究员，主要从事膨胀土工程特性与微观结构方面研究。E-mail: litianguo16@mails.ucas.edu.cn

通讯作者: 孔令伟, E-mail: lwkong@whrsm.ac.cn

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