張祖蓮,梁諫杰,黃 英,邱觀貴,袁 強(qiáng)

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

水庫(kù)蓄水改變了庫(kù)岸邊坡的自然平衡條件,而運(yùn)行過程中不可避免的水位升降,又客觀上引起了庫(kù)岸巖土體的干濕循環(huán),這兩方面的共同作用導(dǎo)致了庫(kù)岸巖土體微結(jié)構(gòu)特性的變化,從而引起庫(kù)岸巖土體宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化。研究表明：土體的力學(xué)性質(zhì)是其微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的宏觀反映,即在各種外部作用下,土體的力學(xué)性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前,通過土工試驗(yàn),利用掃描電鏡(SEM)與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)相結(jié)合的研究方法,可對(duì)土體微結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行量化,以獲取土體的顆粒形態(tài)、顆粒排列形式、孔隙性及顆粒接觸關(guān)系的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征參數(shù),提出了微結(jié)構(gòu)要素的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,使土體微結(jié)構(gòu)定量化研究成為可能[1～5]。許多學(xué)者通過對(duì)土體微結(jié)構(gòu)與其宏觀力學(xué)性質(zhì)之間定量關(guān)系的研究,初步建立了二者之間的定量表達(dá)式。例如：針對(duì)太原高階地黃土,通過各夯擊次數(shù)對(duì)應(yīng)土樣的定量化結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析,探討了其動(dòng)力固結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律[6]；通過對(duì)加入水泥和石灰的吹填土的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行定量分析,得出了表征結(jié)構(gòu)單元體和孔隙大小、形態(tài)及定向性等結(jié)構(gòu)要素的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。在土體宏觀力學(xué)性質(zhì)和對(duì)應(yīng)微結(jié)構(gòu)形態(tài)之間的研究方面,通過黃土失陷過程中微結(jié)構(gòu)的變化以及微結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取,建立了飽和、非飽和黃土在濕陷前后微結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)的體系和方法,提出了濕陷性黃土變形的微結(jié)構(gòu)突變模型[8～13]。

相對(duì)于黃土來說,無論是針對(duì)紅土的微結(jié)構(gòu),還是紅土宏觀力學(xué)性質(zhì)與其微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,其研究成果都相對(duì)較少,但還是在紅土顆粒分形特征、紅土土性改良及地基加固填土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、土體微結(jié)構(gòu)與其土水特性關(guān)系之間的量化研究方面取得了相應(yīng)的成果[14～18]。本文分析了干濕循環(huán)作用下紅土抗剪強(qiáng)度及其微結(jié)構(gòu)的變化過程,并通過對(duì)紅土微結(jié)構(gòu)的定量分析,初步探討了干濕循環(huán)次數(shù)、紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)以及紅土微結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,為進(jìn)一步研究云南紅土在干濕循環(huán)作用下的力學(xué)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用土

野外采集的試驗(yàn)紅土經(jīng)晾曬后,將土樣過2 mm的篩,除去土樣中的雜質(zhì)、小石粒等,按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[19]測(cè)得試驗(yàn)紅土的基本特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)紅土的基本特性Table 1 Basic characteristics of the test laterite

1.2 試驗(yàn)土樣制樣

根據(jù)試驗(yàn)用土的基本特性,計(jì)算試驗(yàn)用土達(dá)到既定含水率所需水的質(zhì)量。將水均勻噴灑于試驗(yàn)土樣上,并用塑料布與濕布覆蓋靜置24 h,盡可能減少水分蒸發(fā)造成的含水率誤差。將試樣裝入環(huán)刀,分層擊實(shí),以達(dá)到所需的干密度。紅土雖然有一定的水穩(wěn)性,但加濕吸水后易膨脹破壞,為保證試樣完整,將試樣上下表面用濾紙覆蓋,再用透水石壓蓋濾紙,用塑料繩緊扎。根據(jù)擬定的試驗(yàn)工況和不同的初始干密度,一次全部做好整個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)所需的土樣。

1.3 試驗(yàn)過程

對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行加濕—風(fēng)干,再加濕—風(fēng)干的干濕循環(huán)試驗(yàn)過程,模擬水庫(kù)水位反復(fù)升降引起的庫(kù)岸邊坡土體的干濕循環(huán)作用。在研究過程中,將試樣1次加濕—風(fēng)干過程視為1次干濕循環(huán)過程,將1次干濕循環(huán)過程模擬為水庫(kù)水位的1次蓄水—上升—下降過程。每個(gè)試樣加濕之前都稱量其質(zhì)量,計(jì)算土樣加濕后的飽和度以判斷其是否飽和,飽和時(shí)間達(dá)24 h以上。加濕過程完成后將試樣取出,暴露在空氣中自然脫濕風(fēng)干。在脫濕風(fēng)干過程中隨時(shí)稱量土樣質(zhì)量,當(dāng)其風(fēng)干土樣的質(zhì)量與加濕前質(zhì)量誤差在0.1%以內(nèi)時(shí),視為1次干濕循環(huán)過程結(jié)束。本次擬定試樣干濕循環(huán)次數(shù)分別為1,2,3,4,5,6,8,10,12,15次共10個(gè)工況。將脫濕風(fēng)干的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn),獲得相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)下紅土的c,φ,τ。

對(duì)經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)的脫濕風(fēng)干紅土試樣進(jìn)行電鏡掃描,獲取試樣的微結(jié)構(gòu)圖像。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)紅土微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,提取微結(jié)構(gòu)特征參數(shù),以研究干濕循環(huán)作用下紅土微結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而研究干濕循環(huán)作用下紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與其微結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系。針對(duì)一定初始干密度的試樣,經(jīng)過一定的干濕循環(huán)次數(shù)后,由于濾紙具有吸附性,在干濕循環(huán)過程中會(huì)帶走試樣表面的一些土顆粒,難免會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差。為了降低濾紙帶來的誤差擾動(dòng),微結(jié)構(gòu)的測(cè)試均取樣于紅土試樣內(nèi)部。

2 結(jié)果與分析

2.1干濕循環(huán)作用下紅土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗剪強(qiáng)度τ的變化

針對(duì)初始干密度1.2,1.3,1.4 g/cm3、初始含水率為26.5%的紅土試樣,分析紅土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和抗剪強(qiáng)度τ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化過程,研究干濕循環(huán)作用的影響。

2.1.1黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

圖1顯示了一定初始干密度的紅土試樣黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化過程。在干濕循環(huán)次數(shù)一定的范圍內(nèi),云南紅土的黏聚力總體上隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈非線性衰減的趨勢(shì),尤其在干濕循環(huán)的前6次內(nèi),隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加黏聚力下降較為明顯,且變化過程有一定的起伏。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到約10次后,黏聚力趨于穩(wěn)定,即黏聚力幾乎不再隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而變化。其原因在于土體黏聚力與土體結(jié)構(gòu)和土顆粒之間的物理化學(xué)膠結(jié)力、分子引力以及基質(zhì)吸力密切相關(guān)。干濕循環(huán)中的加濕過程使得試驗(yàn)土樣的含水率增加而基質(zhì)吸力變小。水分作用使土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)遭到破壞,紅土顆粒間的分子引力不斷減小,導(dǎo)致紅土結(jié)構(gòu)逐漸疏松。脫濕風(fēng)干過程又使土體收縮,導(dǎo)致土顆粒粒間力的變化進(jìn)而引起顆粒位置重組,試驗(yàn)土樣孔隙增加。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,觀察到試樣土體表面裂縫數(shù)量增多,裂縫寬度增大。裂縫導(dǎo)致試樣土體破碎松散,細(xì)小顆粒發(fā)生遷移,土體內(nèi)部顆粒之間的間距逐漸增大,土體的孔隙比變大,土粒結(jié)合水膜連接作用減弱甚至消失,宏觀上就表現(xiàn)為黏聚力下降。經(jīng)過一定次數(shù)干濕循環(huán)后,試樣裂隙、結(jié)構(gòu)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài),黏聚力的衰減也就趨于穩(wěn)定。

圖1 試驗(yàn)土樣黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.1 Changes in the cohesion and internal friction angle in the soil sample under drying and wetting cycles

同時(shí),云南紅土內(nèi)摩擦角總體上隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈非線性衰減的趨勢(shì),尤其在干濕循環(huán)的前6次內(nèi),隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加下降較為明顯,但變化過程有一定的起伏。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)約10次以后,內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定,即內(nèi)摩擦角幾乎不再隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而變化。這是因?yàn)橥恋膬?nèi)摩擦角大小與土顆粒之間的摩擦力、咬合力密切相關(guān),決定于土的顆粒結(jié)構(gòu)、顆粒大小、顆粒形狀、顆粒排列及密實(shí)度。干濕循環(huán)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使得顆粒大小、形狀發(fā)生改變,顆粒重新排列,顆粒之間的連接形式和孔隙通道分布也發(fā)生了較大變化。對(duì)紅土而言,在其形成過程中因游離氧化物膠結(jié)物質(zhì)的存在而形成一定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),其團(tuán)粒與團(tuán)粒的結(jié)合狀態(tài)對(duì)紅土內(nèi)摩擦角有一定的影響。干濕循環(huán)作用使得紅土中部分游離氧化物在脫濕風(fēng)干過程中由膠結(jié)態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)[20]。因此,經(jīng)過干濕循環(huán)后,紅土中的氧化物部分以膠結(jié)態(tài)的形式存在,而另一部分以結(jié)晶態(tài)的形式存在。膠結(jié)態(tài)的那部分游離氧化物的膠結(jié)作用使紅土形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu),團(tuán)粒結(jié)構(gòu)相對(duì)于單體顆粒來說，顆粒體積、形狀等有了很大的變化,又由于結(jié)晶態(tài)的那部分游離氧化物在團(tuán)粒的表面形成“包膜”,這就增加了紅土團(tuán)粒表面的粗糙度,加強(qiáng)了團(tuán)粒之間的咬合能力,從而提高了內(nèi)摩擦角,因此在干濕循環(huán)過程的前6次范圍內(nèi),內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化雖然總體上呈下降的趨勢(shì),但前后兩次之間又略有起伏。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,部分游離氧化物不斷由膠結(jié)態(tài)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài),導(dǎo)致團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不斷遭到破壞,且在水體的潤(rùn)滑作用下土體孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大,使得紅土顆粒間距不斷加大,顆粒間咬合能力也不斷削弱,宏觀就表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的降低。反復(fù)的干濕循環(huán)作用使得紅土顆粒不斷相互錯(cuò)動(dòng)、重新排列,逐漸形成了新的相對(duì)穩(wěn)定的摩擦結(jié)構(gòu),摩擦結(jié)構(gòu)的損傷破壞速度放緩,宏觀表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角逐漸趨于穩(wěn)定。

2.1.2紅土抗剪強(qiáng)度τ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

由圖2可知,在一定初始干密度條件下,干濕循環(huán)作用導(dǎo)致紅土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈非線性減小的變化趨勢(shì),即干濕循環(huán)作用導(dǎo)致紅土抗剪強(qiáng)度的衰減非常明顯。在干濕循環(huán)6次范圍內(nèi),隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加紅土抗剪強(qiáng)度下降較快,在干濕循環(huán)6～10次范圍內(nèi),隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加紅土抗剪強(qiáng)度下降幅度變小,當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)超過10次后,紅土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨于穩(wěn)定。其原因在于：在干濕循環(huán)過程中,紅土加濕時(shí)吸水膨脹、風(fēng)干脫水時(shí)體積收縮,都將導(dǎo)致土顆粒粒間力發(fā)生變化。土體反復(fù)膨脹和收縮及膠結(jié)結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致土樣出現(xiàn)裂隙,水分滲入土樣內(nèi)部,破壞土粒間的結(jié)構(gòu)鍵力,紅土結(jié)構(gòu)逐漸松散,孔隙比也隨之增大,直接導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角的衰減,從而抗剪強(qiáng)度也逐漸降低。

圖2也表明,在一定干濕循環(huán)條件下,紅土的初始干密度越大,紅土的抗剪強(qiáng)度也越大。其原因在于：紅土的初始干密度越大,紅土結(jié)構(gòu)越密實(shí),土顆粒之間的膠結(jié)作用、結(jié)構(gòu)鍵力、咬合力、摩擦力等都得到增強(qiáng),顆粒之間相互錯(cuò)動(dòng)越困難,因此在一定干濕循環(huán)條件下,其抗剪強(qiáng)度也越大。

圖2 試驗(yàn)土樣抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)和干密度的變化Fig.2 Changes in the shear strength in the soil sample >under the drying and wetting cycles and the dry density

2.2 干濕循環(huán)作用下紅土微結(jié)構(gòu)的變化

對(duì)初始干密度1.2,1.4 g/cm3、初始含水率為26.5%的紅土試樣,分別在干濕循環(huán)0,5,10次時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行電鏡掃描,得出放大1 000X的微結(jié)構(gòu)圖像如圖3所示。由圖3可得出,在未進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí),無論干密度大小如何,試樣土顆粒形態(tài)各異,排列沒有明顯規(guī)則,表面呈不規(guī)則的波狀起伏界面。但干密度不同,其微結(jié)構(gòu)也存在差異。初始干密度為1.2 g/cm3的紅土試樣內(nèi)部孔隙相對(duì)較大,而初始干密度為1.4 g/cm3的紅土試樣微結(jié)構(gòu)孔隙變小,土體結(jié)構(gòu)更加完整、密實(shí)。因此,紅土干密度相對(duì)較小時(shí),顆粒連結(jié)更為疏松,顆粒間孔隙更為顯著,使得在干濕循環(huán)過程中水分更容易滲入與排出土體,土顆粒的組織結(jié)構(gòu)也更易發(fā)生變化。

在一定初始干密度條件下,紅土試樣的微結(jié)構(gòu)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化而變化。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試驗(yàn)土樣內(nèi)部孔隙不斷變大,土體結(jié)構(gòu)越來越疏松,表面越來越不平整,顆粒呈現(xiàn)出雜亂無章的排列方式。這是因?yàn)椋杭訚駮r(shí)水分經(jīng)孔隙通道侵入土體,引起了土體內(nèi)部一系列復(fù)雜作用。一方面加濕過程改變了土樣的含水率,甚至形成滲流,再加上反復(fù)干濕循環(huán)產(chǎn)生的裂縫,使得細(xì)小顆粒發(fā)生遷移。在一定初始干密度條件下,試樣中黏粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小,而粉粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加(圖4),從而改變了土顆粒的組成、排列和接觸方式,也改變了土顆粒之間的孔隙形態(tài)；另一方面,水的浸入破壞了土顆粒間的結(jié)構(gòu)鍵力。這兩方面的共同作用,使試樣土體的結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了動(dòng)態(tài)變化,導(dǎo)致土體微結(jié)構(gòu)的重建。脫濕風(fēng)干時(shí),水分從顆粒間孔隙蒸發(fā),顆粒之間又形成了較大的孔隙。

圖3 不同初始干密度下不同干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)紅土微結(jié)構(gòu)圖像Fig.3 Microstructure images of the laterite under the different drying and wetting cycles with the different initial dry densities

圖4 試驗(yàn)土樣黏粒和粉粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.4 Changes in clay and powder contents in the soil sample under drying and wetting cycles

對(duì)初始干密度為1.2,1.4 g/cm3的紅土試樣在干濕循環(huán)0,5,10次時(shí)的微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,提取相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)特征參數(shù),結(jié)果如圖5所示。由圖5可得出：

(1)循環(huán)初始,隨著初始干密度的增加,顆粒平均表面積和平均周長(zhǎng)逐漸減小。隨著干濕循環(huán)過程的進(jìn)行,初始干密度越大,顆粒平均表面積和平均周長(zhǎng)降幅相對(duì)越小。這是因?yàn)椋涸谘h(huán)初始,之所以顆粒平均面積隨著初始干密度的增加而減少,是由于制樣時(shí)人工擊實(shí)土體使得大顆粒產(chǎn)生斷裂破壞,且初始干密度越大的試樣,其擊實(shí)次數(shù)也相對(duì)越多,擊實(shí)功對(duì)大顆粒結(jié)構(gòu)的破壞越嚴(yán)重,顆粒平均面積和平均周長(zhǎng)自然也就越小,因此在循環(huán)初始,顆粒平均面積和平均周長(zhǎng)與紅土初始干密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,水分破壞了顆粒間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu),但是由于初始干密度越大的紅土相對(duì)越密實(shí),顆粒間的咬合能力越強(qiáng),紅土顆粒相對(duì)不容易被水流帶出土體外,干濕循環(huán)作用對(duì)紅土結(jié)構(gòu)的損傷破壞相對(duì)較小,紅土結(jié)構(gòu)的變化也相對(duì)較小,因此干濕循環(huán)過程中初始干密度越大的紅土,其顆粒平均面積與平均周長(zhǎng)降幅也相對(duì)越小,這與干濕循環(huán)作用下試驗(yàn)土樣黏粒含量隨干密度的變化相吻合。

圖5 不同初始干密度下紅土微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)變化曲線Fig.5 Changes in clay and powder contents in the soil sample under drying and wetting cycles

(2)在干濕循環(huán)次數(shù)一定的條件下,黏粒含量隨初始干密度的增加而增加,即初始干密度越大,在干濕循環(huán)次數(shù)一定時(shí),其黏粒含量越多,因此其微結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)為顆粒平均表面積和平均周長(zhǎng)隨初始干密度增加而逐漸減小的變化趨勢(shì)。

(3)初始干密度不同的紅土在干濕循環(huán)初始,其顆粒平均圓形度及顆粒數(shù)量隨干密度的變化無顯著規(guī)律,但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,紅土顆粒的平均圓形度總體上呈下降趨勢(shì)。紅土顆粒數(shù)量隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而不斷下降,其中初始干密度分別為1.2,1.3,1.4 g/cm3的紅土顆粒數(shù)量降幅依次為45.4%,38.2%,35.7%,可見降幅與初始干密度大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)椋撼跏几擅芏仍酱蟮募t土,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,干濕循環(huán)作用對(duì)土體的破壞損傷也相對(duì)較小,導(dǎo)致產(chǎn)生的裂隙數(shù)量也相對(duì)較少,故粒徑較小的黏粒和粉粒被帶出土體的數(shù)量也相對(duì)較少。

(4)在干濕循環(huán)初始,初始干密度越大的紅土,其內(nèi)部孔隙率與孔隙面積均越小。其原因在于：在土體擊實(shí)過程中,試樣土樣的天然結(jié)構(gòu)受到了破壞,原狀土體結(jié)構(gòu)大部分經(jīng)擊實(shí)變得更加密實(shí)。在擊實(shí)后,大孔隙變成了小孔隙,小孔隙可能彌合,因此隨著初始干密度的增加,土體顆粒的孔隙數(shù)量減少,孔隙面積減少,孔隙直徑減小,自然孔隙率也降低。

圖5也表明,在同一初始干密度條件下,紅土孔隙率與孔隙面積均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加,初始干密度為1.2,1.3,1.4 g/cm3的紅土孔隙率增幅依次為52.6%,45.9%,40.4%,紅土孔隙面積增幅依次為64.4%,58.2%,50.8%,可見增幅大小與初始干密度大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)橄鄬?duì)于初始干密度較小的紅土來說,干濕循環(huán)作用對(duì)干密度較大的紅土結(jié)構(gòu)損傷相對(duì)較小,顆粒間孔隙的擴(kuò)大和細(xì)小顆粒的流失也相對(duì)較小。

2.3 干濕循環(huán)作用下紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與微結(jié)構(gòu)關(guān)系

運(yùn)用SPASS軟件,采用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)中的逐步回歸分析方法,綜合考慮各微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。對(duì)初始干密度為1.2,1.3,1.4 g/cm3的紅土試樣分別在干濕循環(huán)0,5,10次的微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行處理,提取相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析,其結(jié)果如表2所示。

表2 干濕循環(huán)作用下不同初始干密度紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與微結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)系數(shù)(R)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Corresponding coefficient of shear strength index and microstructure parameters of the red soil of different initial dry densities under drying and wetting cycles

從表2可以看出,不同初始干密度的紅土在干濕循環(huán)作用下,對(duì)黏聚力影響顯著的微結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為定向度與平均圓形度,二者與黏聚力呈正相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)R分別為0.985與0.923。對(duì)內(nèi)摩擦角影響最顯著的微結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為孔隙率與孔隙面積,二者與內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R分別為-0.936與-0.912。其余微結(jié)構(gòu)參數(shù)與黏聚力和內(nèi)摩擦角的相關(guān)性較低。因此,在進(jìn)行回歸分析時(shí),不考慮這些微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紅土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響。

不同初始干密度紅土微結(jié)構(gòu)參數(shù)與黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ回歸方程為：

c=3.998D+6498e-0.05F-47.776

(1)

式中：D——定向度；

F——平均圓形度。

φ=23.810-[1.404e-0.05n+0.00001749A]

(2)

式中：n——孔隙率/%；

A——孔隙面積/μm2。

3 結(jié)論

(1)在一定初始干密度條件下,紅土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗剪強(qiáng)度τ均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小,且在6次干濕循環(huán)次數(shù)內(nèi)衰減幅度較大。當(dāng)干濕循環(huán)達(dá)到約10次后土體結(jié)構(gòu)重新達(dá)到平衡,c,φ,τ也趨于穩(wěn)定。

(2)在干濕循環(huán)次數(shù)一定的條件下,紅土顆粒的平均面積和平均周長(zhǎng)、孔隙率、孔隙面積均隨著初始干密度的增加而減小,顆粒平均圓形度、顆粒數(shù)量、定向度均與初始干密度的大小無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)在初始干密度一定的條件下,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,顆粒平均面積、平均周長(zhǎng)、定向度均呈下降趨勢(shì),初始干密度越大,降幅越小。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,顆粒平均圓形度總體上呈下降趨勢(shì)，孔隙率與孔隙面積呈上升趨勢(shì)且增幅大小與初始干密度大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)干濕循環(huán)作用下不同初始干密度的紅土,與黏聚力顯著相關(guān)的微結(jié)構(gòu)參數(shù)為定向度與平均圓形度,均呈正相關(guān)關(guān)系；與其內(nèi)摩擦角顯著相關(guān)的微結(jié)構(gòu)參數(shù)為孔隙率與孔隙面積,均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由于采用的試驗(yàn)土樣和干濕循環(huán)次數(shù)有限,而且試驗(yàn)采用的是重塑土,導(dǎo)致所得到的相關(guān)結(jié)果與原狀土的實(shí)際情況可能存在差異。因此,本文所提出的干濕循環(huán)作用下紅土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)微結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系,僅能作為云南紅土宏微觀特性研究的一種嘗試。要真正了解紅土宏觀力學(xué)性質(zhì)與其對(duì)應(yīng)微結(jié)構(gòu)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系,尚需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究、理論分析和工程實(shí)際的觀測(cè)研究,才能得到更加完善和符合客觀實(shí)際的結(jié)論。

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