潘振興 楊更社 葉萬(wàn)軍 田俊峰 梁 博

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054， 中國(guó))

0 引 言

由于延安市地區(qū)黃土分布廣泛，雨季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致地下水位持續(xù)上漲，而到了旱季持續(xù)干旱時(shí)地下水位會(huì)有所下降，因此延安地區(qū)的黃土常年處于干濕循環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)致黃土的力學(xué)性質(zhì)降低，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，極易造成災(zāi)害的發(fā)生(王剛等， 2017； 段釗等， 2018； 謝婉麗等， 2018； 陳宗良等， 2019； 姜程等， 2019)。

目前，學(xué)者們?cè)谘芯客馏w物理力學(xué)性質(zhì)方面開(kāi)展了大量研究工作，并取得一定的成果。周春梅等(2019)以三門(mén)峽至淅川高速公路的路基黃土為研究對(duì)象，通過(guò)改變干濕循環(huán)次數(shù)來(lái)分析氣候環(huán)境對(duì)黃土性能的影響。李同錄等(2019)通過(guò)取3種不同初始含水率的黃土進(jìn)行擊實(shí)、電鏡掃描試驗(yàn)，得出黃土孔隙對(duì)土水特征曲線的影響。鞏學(xué)鵬等(2019)針對(duì)黏性土體在干濕循環(huán)作用下的微觀演化規(guī)律，提出了微觀結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)模型相結(jié)合的研究方向。葉萬(wàn)軍等(2017， 2018)通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)探究了黃土在干濕循環(huán)作用下的水分遷移規(guī)律及裂隙擴(kuò)展機(jī)制。慕煥東等(2018)以西安典型黃土為研究對(duì)象，研究干濕循環(huán)作用對(duì)地裂縫帶黃土抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的影響。胡長(zhǎng)明等(2018)為了研究壓實(shí)黃土的強(qiáng)度劣化規(guī)律，通過(guò)開(kāi)展干濕循環(huán)作用下的三軸試驗(yàn)，得到了強(qiáng)度劣化曲線。孫志杰等(2018)針對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)大型模型實(shí)驗(yàn)箱研究干濕循環(huán)對(duì)黃土變形的影響規(guī)律。袁志輝等(2017)對(duì)洛川黃土采用單軸拉伸的方式研究了含水率、干濕循環(huán)次數(shù)與原狀和重塑黃土強(qiáng)度變化的關(guān)系，分析了黃土在干濕循環(huán)作用下的抗拉強(qiáng)度衰減機(jī)制。王飛等(2016a，2016b)研究干濕循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)黃土變形特性及濕陷性的影響，利用已有模型對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合，分析了割線模量與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。在上述的研究中，眾多學(xué)者主要關(guān)注在干濕循環(huán)作用過(guò)程中，干濕循環(huán)次數(shù)、含水率、初始干密度等因素對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)及內(nèi)部水分遷移規(guī)律的影響，缺少黃土在干濕循環(huán)作用下的物理性質(zhì)研究和土體細(xì)觀損傷規(guī)律的研究。

本文以延安市黃陵地區(qū)的黃土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究含水率和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，并利用核磁共振技術(shù)探究試驗(yàn)過(guò)程中黃土內(nèi)部孔隙的發(fā)展規(guī)律，以期降低黃土地區(qū)災(zāi)害發(fā)生的概率，為延安市黃土地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃土取土深度為5～8 m，屬于Q3馬蘭黃土，將取自現(xiàn)場(chǎng)的試樣混勻風(fēng)干，過(guò)2 mm的篩，利用BT-9300H型激光粒度分布儀得到黃土試樣的顆粒級(jí)配曲線(圖1)； 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到黃土的基本物理參數(shù)(表1)； 將取自現(xiàn)場(chǎng)的原狀黃土進(jìn)行加工，得到Φ39×80的標(biāo)準(zhǔn)試樣(圖2)。

圖1 顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Distribution curve

表1 試樣的基本物理性質(zhì)Table1 Basic physical properties of the sample

圖2 土樣制備Fig.2 Soil sample preparation

取制備好的試樣研究含水率和增濕-減濕作用對(duì)試樣物理力學(xué)性質(zhì)及其內(nèi)部損傷的影響。具體試驗(yàn)方案：在常溫條件下，對(duì)黃土試樣在不同含水率(ω=12%、ω=15%、ω=20%、ω=25%)下分別進(jìn)行N=0， 2， 4， 6次的增濕-減濕循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)電子秤測(cè)試其試驗(yàn)前后質(zhì)量變化，根據(jù)干濕循環(huán)試驗(yàn)對(duì)試樣體積的影響得到其孔隙率變化規(guī)律； 使用液塑限測(cè)定儀得到黃土液塑限的變化規(guī)律； 應(yīng)用直剪儀測(cè)試其抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的變化規(guī)律； 將黃土試樣進(jìn)行飽水試驗(yàn)，然后使用核磁共振儀測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中黃土內(nèi)部裂隙的發(fā)展規(guī)律(圖3)。

圖3 試驗(yàn)應(yīng)用儀器Fig.3 Test application instrumenta.電子天平； b.液塑限測(cè)定儀； c.直剪儀； d.烘箱； e.飽和儀； f.核磁共振儀

2 黃土物理性質(zhì)的變化規(guī)律

2.1 試樣質(zhì)量及孔隙率的變化規(guī)律

將經(jīng)過(guò)增濕作用后的試樣用烘箱烘干，立即稱(chēng)取其質(zhì)量，觀察與上一次烘干后質(zhì)量的變化，研究得到黃土經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失(圖4)。

圖4 試樣質(zhì)量變化Fig.4 Variation of sample quality

由圖4可知，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，試樣質(zhì)量都會(huì)有所損失，經(jīng)過(guò)2～3次循環(huán)明顯比4次以后質(zhì)量損失的多，因此，循環(huán)次數(shù)增多，質(zhì)量變化愈加不明顯。將經(jīng)過(guò)0， 2， 4， 6次增濕-減濕后試樣的質(zhì)量損失值疊加，由圖4可知，隨著含水率的增長(zhǎng)試樣質(zhì)量損失越明顯。試驗(yàn)過(guò)程中控制精度要求高，試樣幾乎被完全烘干，因此質(zhì)量的損失與試樣含水率沒(méi)有關(guān)系，是固體顆粒本身的流失。

黃土試樣在經(jīng)過(guò)烘干后，體積收縮，土中細(xì)粒聚結(jié)在一起，孔隙減小。黃土試樣經(jīng)過(guò)加濕后，游離水分子增多，土中顆粒與水結(jié)合，結(jié)構(gòu)膠結(jié)減弱，體積膨脹，孔隙增大。隨著試樣含水率增長(zhǎng)，土中分散顆粒增多，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙增大。試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)后，土中顆粒持續(xù)處于集、散狀態(tài)，對(duì)土樣內(nèi)部造成不可修復(fù)的損傷，結(jié)構(gòu)黏結(jié)減弱，試樣孔隙率增大。

2.2 塑限、液限的變化規(guī)律

對(duì)不同含水率的黃土試樣進(jìn)行不同次數(shù)的增濕-減濕試驗(yàn)，應(yīng)用液塑限測(cè)定儀分別測(cè)試在各自狀態(tài)下的液限ωL、塑限ωP，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到塑性指數(shù)IP，繪制成圖(圖5)。

圖5 液限、塑限和塑性指數(shù)隨N和ω的變化曲線Fig.5 The curves of liquid limit， plastic limit and plasticity index with N and ωa.液限隨N、ω的變化曲線； b.塑限隨N、ω的變化曲線； c.塑性指數(shù)隨N、ω的變化曲線

由圖5可知，黃土試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后塑限ωP變化幅度較小，且與含水率相關(guān)性較低。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，土體內(nèi)部的礦物質(zhì)鹽隨著水分的增濕-減濕作用產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象，部分親水礦物成分析出，土體結(jié)合水含量減少，最終導(dǎo)致液限ωL降低。隨著試樣含水率的增大ωL減小，ωP變化不大，故IP值降低，并且ωL減小現(xiàn)象越明顯，則IP的降低幅度越大，即土的可塑能力降低。在干濕循環(huán)作用下，土中顆粒持續(xù)處于集、散狀態(tài)，對(duì)土樣內(nèi)部造成不可修復(fù)的損傷，結(jié)構(gòu)黏結(jié)減弱，導(dǎo)致IP減小，土體的可塑能力降低。

3 黃土力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律

3.1 抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律

對(duì)不同含水率(ω)的黃土試樣進(jìn)行不同次數(shù)(N)的增濕-減濕試驗(yàn)，應(yīng)用直剪儀分別測(cè)定在各自狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度值(圖6)。

圖6 抗剪強(qiáng)度隨ω的變化曲線Fig.6 The curves of shear strength with ωa.N=0； b.N=2； c.N=4； d.N=6

由圖6可知，在次數(shù)N相同時(shí)，含水率增大，黃土抗剪強(qiáng)度值減小，并且這種現(xiàn)象沒(méi)有受到循環(huán)次數(shù)的影響。隨著含水率增大，這種現(xiàn)象會(huì)越明顯，這是因?yàn)樵嚇咏?jīng)過(guò)加濕后，土中離散顆粒增多與水結(jié)合，能承擔(dān)外荷載的骨架結(jié)構(gòu)比例減少，則抗剪強(qiáng)度降低?？紤]試樣在干濕循環(huán)作用下，土體中易溶鹽在水分蒸發(fā)過(guò)程中被帶到土體表面，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，易溶鹽從土體內(nèi)部逐漸遷移到表面，最終試樣的抗剪強(qiáng)度會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ繪制成圖，如圖7、圖8所示。

圖7 不同含水率下c、φ的變化曲線Fig.7 The curves of c and φ at different water contents

圖8 不同循環(huán)次數(shù)下c、φ的變化曲線Fig.8 The curves of c and φ under different cycle times

由圖7可知，在循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨試樣含水率增大，c和φ均呈現(xiàn)減小的現(xiàn)象，當(dāng)試樣含水率超過(guò)ωP后，這種趨勢(shì)會(huì)更加明顯，并且與循環(huán)次數(shù)N相關(guān)性較低。由圖8可以得到，在含水率相同時(shí)，c隨循環(huán)次數(shù)增大呈整體下降現(xiàn)象，隨著次數(shù)N的增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象愈發(fā)不明顯，而相比較于c，φ沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，變化幅度基本在2°以?xún)?nèi)，因此，干濕循環(huán)次數(shù)不是影響內(nèi)摩擦角變化的關(guān)鍵因素。

黃土經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)，土體內(nèi)部易溶鹽持續(xù)處于反復(fù)變化的狀態(tài)，試樣被烘干后，水分蒸發(fā)，易溶鹽與土體顆粒黏結(jié)，膠結(jié)作用增強(qiáng)，接觸面變粗糙，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ會(huì)相應(yīng)增大，試樣經(jīng)過(guò)加濕后，易溶鹽溶解，結(jié)構(gòu)膠結(jié)減弱，接觸面變光滑，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減小，引起c、φ值會(huì)相應(yīng)減小。

4 黃土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀損傷

根據(jù)核磁共振測(cè)試原理可知，黃土試樣孔隙尺寸與孔隙中的流體T2成正比，T2越大，土樣中的孔隙直徑越大。T2譜峰信號(hào)幅值的大小反映黃土內(nèi)部孔隙數(shù)量多少，T2譜信號(hào)幅值越大，相對(duì)應(yīng)孔徑的孔隙數(shù)量越多(李潮流等， 2018； 范卓穎等， 2019； 謝凱楠等， 2019)。表面弛豫時(shí)間T2可用下式表示：

(1)

式中：T2為橫向弛豫時(shí)間；ρ2為顆粒表面的T2弛豫強(qiáng)度；S/V為孔隙表面積與流體體積之比，即比表面積。

對(duì)飽和黃土進(jìn)行0、2、4、6、8次干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)核磁共振技術(shù)，得到了相應(yīng)的T2譜分布曲線(圖9)。綜合對(duì)比分析得到的T2譜分布圖，在黃土經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)之后T2譜曲線出現(xiàn)了明顯的右移，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，第1個(gè)波峰整體向右上方移動(dòng)，第2個(gè)波峰整體向右上方移動(dòng)，兩個(gè)波峰之間的波谷隨著曲線的上移也越來(lái)越不明顯。

圖9 不同循環(huán)次數(shù)下T2譜Fig.9 T2 spectrum under different cycle times

在NMR試驗(yàn)中，假設(shè)孔隙形狀為柱形，則可將式(1)簡(jiǎn)化為：

(2)

式中：R為孔隙半徑，由式(2)可以看出，T2譜值與孔隙半徑成正比。

利用式(2)對(duì)NMR試驗(yàn)中得到的T2譜曲線進(jìn)行反演，可以獲得土樣的孔隙分布曲線(圖10)。從圖中可以看出黃土孔隙分布主要有兩個(gè)峰值，峰值越大表明其對(duì)應(yīng)孔徑的孔隙體積所占比例越大。

圖10 黃土孔隙分布圖Fig.10 Loess pore distribution map

由圖10可以看出，飽和黃土在干濕循環(huán)作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒間膠結(jié)能力減弱，大顆粒崩解為小顆粒，遷移到附近微裂紋中，導(dǎo)致微孔隙減少，小孔隙增多； 隨干濕循環(huán)次數(shù)增多，微裂隙、微孔隙發(fā)育逐漸形成新的裂紋，微、小孔隙減少，中、大孔隙增多，土體結(jié)構(gòu)基本被破壞。因此，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部微、小孔隙呈現(xiàn)整體減小趨勢(shì)，中、大孔隙呈現(xiàn)整體增大趨勢(shì)。

當(dāng)采用核磁共振測(cè)試土中水時(shí)，經(jīng)過(guò)式(2)反演，可按孔徑分為四類(lèi)孔隙：微孔隙(d<0.025 μm)，小孔隙(0.025 μm4 μm)。

如圖11所示，土體中小孔隙最多，其次是微孔隙、中孔隙、大孔隙。由圖11還可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同類(lèi)型孔隙體積變化幅度不一樣，說(shuō)明土體在不同階段損傷速率不同。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，微小孔隙逐漸減少，中大孔隙逐漸增多，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)黃土的內(nèi)部孔隙擴(kuò)展處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，表現(xiàn)為黃土內(nèi)部微小孔隙隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸向大的微小孔隙過(guò)渡。

圖11 孔隙體積分布Fig.11 Pore volume distribution

5 結(jié) 論

(1)干濕循環(huán)作用會(huì)造成黃土物理性質(zhì)發(fā)生變化，隨著循環(huán)次數(shù)N的增大，土體內(nèi)易溶鹽會(huì)由內(nèi)部向表面遷移，逐漸積累增多； 土中顆粒持續(xù)處于集、散狀態(tài)，對(duì)土樣內(nèi)部造成不可修復(fù)的損傷，結(jié)構(gòu)黏結(jié)減弱，試樣孔隙率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)； 干濕循環(huán)會(huì)造成ωL減小，IP減小，對(duì)ωP幾乎沒(méi)有影響。

(2)含水率會(huì)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度造成較大影響，隨著ω的增大，黃土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角都出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，并且當(dāng)ω超過(guò)ωP時(shí)，這種趨勢(shì)越發(fā)明顯。隨著循環(huán)次數(shù)N的增大，抗剪強(qiáng)度、黏聚力都出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并且c的下降趨勢(shì)愈發(fā)不明顯，而φ無(wú)明顯變化。

(3)運(yùn)用核磁共振技術(shù)檢測(cè)飽和試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后的內(nèi)部孔隙發(fā)展，通過(guò)分析T2譜曲線分布特征，可以看出在干濕循環(huán)之后，黃土內(nèi)部微小孔隙逐漸減少，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種現(xiàn)象越來(lái)越明顯，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)黃土的內(nèi)部孔隙擴(kuò)展處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，表現(xiàn)為黃土內(nèi)部微小孔隙隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸向大的微小孔隙過(guò)渡。