魏小棋， 陳 盼，2，3*， 鄔 凱， 田慧會

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 桂林 541004； 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 武漢 430071； 3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049; 4.四川省公路規(guī)劃規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司, 成都 610064)

壓實土被廣泛使用于路基、土石壩、渠坡等工程實踐中。土體的密度、強度、變形及水力學(xué)特性等指標(biāo)是其作為土工構(gòu)筑物填料的重要指標(biāo)，關(guān)于壓實土宏觀工程力學(xué)特性的影響規(guī)律及演化特征已經(jīng)得到廣泛的研究[1]。壓實土的強度、變形與水力學(xué)特性等宏觀工程力學(xué)行為與試樣制備的初始狀態(tài)密切相關(guān)[2-4]。壓實土工程性質(zhì)變化的內(nèi)在機制在于上述影響因素控制著壓實土體的微細觀結(jié)構(gòu)特性[5]。壓實土體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為孔隙大小及其分布特征、顆粒間的接觸與排列模式、水分的分布形態(tài)等，這些微結(jié)構(gòu)的變化直接決定壓實土的宏觀工程力學(xué)性質(zhì)。因此，開展土體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的測試研究，對壓實土壓實度、強度及水力學(xué)特性演化的機制揭示顯得十分有意義[6]。葉萬軍等[7]通過對黃土宏觀及微觀測試證實孔隙結(jié)構(gòu)的變化是影響土體宏觀力學(xué)行為的主要因素。胡瑞林等[8]通過土體微細觀結(jié)構(gòu)的研究，建立了考慮微細觀結(jié)構(gòu)的概念模型。通過對原狀和重塑黃土滲透性的研究也表明土體孔徑分布對土體的滲透性具有重要影響[9]。此外，即使在相同含水量的條件下，土體中水分分布的差異導(dǎo)致非飽和土的強度出現(xiàn)明顯差異[2]。研究表明，孔隙結(jié)構(gòu)對壓實土宏觀工程力學(xué)特性起控制因素，而初始含水率、干密度與水分的分布形態(tài)等是影響壓實土孔隙結(jié)構(gòu)的主要因素。

壓實土孔隙結(jié)構(gòu)的探測與孔隙結(jié)構(gòu)表征的定量化是揭示壓實土宏觀工程力學(xué)特性及長期性能演化的關(guān)鍵。當(dāng)前文獻中通常配制一定的初始含水率，壓制成不同的干密度試樣，用于開展壓實土的力學(xué)與水力學(xué)特性研究，如配制現(xiàn)場天然含水率及密度的試樣以再現(xiàn)現(xiàn)場條件下土體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)[2-4,10]。然而，現(xiàn)場條件下含水率隨大氣及工程施工條件產(chǎn)生變化，單一含水率是否代表原位試樣的狀態(tài)需要進一步研究。對于土石壩與路基工程，通常采用最優(yōu)含水率及最大干密度制備壓實土試樣開展力學(xué)與水力學(xué)特性研究，由于施工環(huán)境與技術(shù)的限制，現(xiàn)場碾壓的填料通常較難達到最優(yōu)狀態(tài)，因此也需要開展低于或高于最優(yōu)含水率狀態(tài)下的壓實土力學(xué)特性的研究，為不同的工況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。上述研究表明，需要根據(jù)現(xiàn)場工況開展含水率及壓實度影響下，土體微細觀結(jié)構(gòu)的探測與表征。針對初始含水率及干密度影響的壓實土的孔隙結(jié)構(gòu)進行定量測試，并識別孔隙結(jié)構(gòu)定量表述的關(guān)鍵因子。目前用于土體微細觀結(jié)構(gòu)探測的主要技術(shù)有壓汞、CT掃描、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等技術(shù)與設(shè)備，基于這些測試技術(shù)，微細觀結(jié)構(gòu)的探測取得了豐富的研究成果[11]。近年來，由于對巖土體孔隙結(jié)構(gòu)的探測具有快速無損的優(yōu)點，核磁共振(NMR)逐漸被用于巖土體多孔介質(zhì)微細觀結(jié)構(gòu)的探測[12]。

通過考慮初始含水率與干密度對兩類典型的人工壓實細粒土微細觀結(jié)構(gòu)的影響，利用核磁共振技術(shù)定量研究了不同初始狀態(tài)下壓實土體孔隙大小及分布的演化特征，提出采用孔隙大小、分布及優(yōu)勢孔徑對壓實土孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征。進一步，從微觀角度上詮釋了初始含水率及干密度對土體孔隙結(jié)構(gòu)(孔隙大小、分布及優(yōu)勢孔徑等)影響的內(nèi)在機制及與宏觀工程力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)，為人工壓實土宏觀工程力學(xué)行為的演化提供較為詳盡的機理解釋與分析思路。

1 試驗方法和過程

1.1 核磁共振測試基本原理

均勻磁場中具有自旋磁矩的質(zhì)子群在干擾射頻磁場的作用下會失去平衡、發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)射頻干擾停止后質(zhì)子群從非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)[12]。質(zhì)子群非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過程中核磁信號開始衰減。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列，可以獲得核磁信號隨時間的變化曲線稱為CPMG曲線。對CPMG曲線進行反演可以確定水中氫核在孔隙中的橫向弛豫時間T2的大小及其分布，土樣中孔隙水的橫向弛豫時間(T2)可表示為[13]

(1)

式(1)中：T2為橫向弛豫時間，主要取決于孔隙大小；T2B為體積流體弛豫時間，ms；T2S為表面弛豫時間，ms；T2D為梯度磁場下擴散引起的孔隙流體的T2弛豫時間，ms。

對上述巖土體介質(zhì)中孔隙水弛豫時間的研究表明，與T2S的值相比，T2D、T2B大幾個數(shù)量級，因此1/T2B與1/T2D對T2的影響可忽略不計[14]。因此，土樣中的橫向弛豫時間T2與土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，即

(2)

式(2)中：ρ2為橫向弛豫率,μm/s，與土顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)；S為孔隙表面積，μm2；V為孔隙水體積，μm3；α為孔隙形狀因子，對于平面、圓柱形和球形，取值分別為1、2和3，取α=2；R為土體孔隙半徑。

式(3)可以簡化為

R=2ρ2T2

(3)

式(3)表明飽和條件下土體孔隙半徑R與孔隙水橫向弛豫時間T2成正比，巖土介質(zhì)的橫向弛豫時間T2的大小及分布曲線可以定量表征介質(zhì)的孔隙大小及分布特征[12-13]。

1.2 試驗設(shè)備

試驗所采用的儀器為PQ-001的Mini NMR核磁共振分析儀，實圖如圖1(a)所示、結(jié)構(gòu)組成如圖1(b)所示。核磁共振分析儀主要由試樣管(有效測試區(qū)域為Φ60 mm×60 mm)、永久磁鐵、射頻線圈、射頻發(fā)射器、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。永久磁體磁場強度為0.5T(特斯拉)，磁體溫度維持在(32±0.01) ℃，以保證試驗過程中磁場的穩(wěn)定與均勻性，該測試系統(tǒng)為核磁信號處理配備反演軟件。

圖1 試驗設(shè)備

1.3 試驗材料及步驟

為了研究初始狀態(tài)對細粒土微細觀結(jié)構(gòu)的影響，選取了取自鄭州的粉土和三門峽的黏土。試驗所用的土樣，均進行風(fēng)干、碾碎、過篩，進行基本物性試驗，其主要的物性參數(shù)如表1所示，粒徑級配曲線如圖2所示。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[14]，這兩種土分別定名為低液限粉土與低液限黏土。

圖2 低液限粉土和低液限黏土的粒徑級配曲線

表1 土的基本物理性質(zhì)

為了探究初始含水率和不同干密度對土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響，調(diào)制不同初始含水率和不同干密度的兩組平行土樣，通過千斤頂制備成直徑為4.5 cm，高度2 cm的試樣，采用聚四氟乙烯環(huán)刀裝樣，目的是排除鐵磁性物質(zhì)對核磁試驗的影響[14]。配制不同初始含水率的土樣，均勻混合，靜置2 d，壓制成不

同干密度的試樣，將制備好的環(huán)刀試樣抽真空飽和，然后在蒸餾水中浸泡約24 h，使試樣充分飽和。稱重飽和度達95%以上方可使用。隨后進行核磁共振實驗測定土體中孔隙水的T2分布曲線，試樣制備方案如表2所示。將完全飽和試樣進行NMR試驗。試驗完成后，對所有試樣的CPMG曲線進行反演分析，反演設(shè)置最小弛豫時間為0.001 ms，最大弛豫時間為10 000 ms，選取數(shù)據(jù)數(shù)量為100個，得到試樣的T2時間分布曲線。

由NMR試驗原理可知，T2時間分布曲線的橫坐標(biāo)橫向弛豫時間T2表示土體孔隙大小，縱坐標(biāo)核磁信號幅值(無量綱)表示孔隙水中的氫核即孔隙水含量。室內(nèi)測定的橫向弛豫率ρ2，粉土為325 μm/s，黏土為918 μm/s，孔隙形狀因子取為2。因此，結(jié)合測定的T2曲線，可利用式(3)來計算壓實土的孔徑大小。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同初始含水率對土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響

不同初始含水率及干密度飽和后測得粉土的T2時間分布曲線如圖3所示。圖3(a)描述了粉土在控制相同干密度為1.45 g/cm3不同初始含水率條件下(6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%)制樣飽和后T2分布曲線。由于試樣初始含水率不同，導(dǎo)致壓樣過程中形成的內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)變化，宏觀上表現(xiàn)為孔隙大小及分布的變化。從圖3可以看出，低含水率條件下，隨著初始含水率的增加，T2分布曲線逐漸右移。隨著初始含水率的進一步增加，T2分布曲線開始向左偏移。

圖3 不同初始含水率低液限粉土的T2分布曲線

為了進一步解譯T2分布曲線對應(yīng)的孔隙大小變化，按照文獻的定義[15]，對于粉土而言，橫向弛豫時間T2在0.001～10 ms范圍歸為小孔徑分布，在10～100 ms范圍歸為大孔徑分布。將大小孔隙分界線如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)配制粉土試樣的初始含水率逐漸增加時，小孔隙數(shù)量減少而大孔隙數(shù)量有所增加。表明在低含水率下配制試樣時，水分與土顆粒的接觸不充分，導(dǎo)致細顆粒間的孔隙不易被壓縮，在壓實過程中形成較大孔隙。隨著含水率的增加，這種局部結(jié)構(gòu)效應(yīng)增強。因此，低含水率范圍內(nèi)，隨著初始含水率的增大，大孔隙的數(shù)量增加。隨配制含水率的逐漸增大，水分與干土顆粒接觸逐漸變得充分，使局部結(jié)構(gòu)效應(yīng)減弱，土體壓實過程中較為均勻，大孔隙數(shù)量減小、小孔隙增多。

為了進一步分析土體孔隙大小及分布的演化規(guī)律，對核磁共振測試獲得的T2分布曲線數(shù)據(jù)進行進一步的分析。T2分布曲線峰值對應(yīng)的T2表征介質(zhì)中的優(yōu)勢孔徑大小。將不同初始含水率制備的飽和粉土樣的T2分布曲線峰值對應(yīng)的優(yōu)勢孔隙大小隨初始制備含水率的變化曲線如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，干密度為1.45 g/cm3的壓實粉土中優(yōu)勢孔徑隨著初始含水率的增大先增大后降低；在10%的初始含水率條件下達到優(yōu)勢孔徑的最大值即為7.1 μm，表明此初始含水率下，土體內(nèi)部形成的局部結(jié)構(gòu)最強烈，導(dǎo)致出現(xiàn)較多的局部架空結(jié)構(gòu)，從而形成較大的孔隙分布。隨干密度增大，優(yōu)勢孔徑的大小逐漸降低。圖4(b)、圖4(c)中最大優(yōu)勢孔徑分別為4.9、4.1 μm。

圖4 壓實粉土優(yōu)勢孔徑隨初始含水率的變化

為了對比細粒含量的變化對壓實土微細觀結(jié)構(gòu)的影響，同時對低液限黏土也進行了8%、10%、12%、14%、16%、18%與20%共7種初始含水率配樣，飽和后進行核磁共振測試，結(jié)果如圖5所示。與粉土相比，T2時間分布曲線的核磁信號幅值低。對于黏土而言，按照T2值在0.001～1 ms范圍內(nèi)為小孔隙，1～100 ms范圍內(nèi)大孔隙的建議[15]。從圖5可以看出，在低含水率下，隨著初始含水率的增大，T2曲線先右移后左移，表現(xiàn)為大孔隙數(shù)量增加后減小。隨著含水率的進一步增大，大孔隙又出現(xiàn)了增大。對于低密度條件下，這種趨勢尤為明顯。這種變化規(guī)律的主要原因解釋如下：低含水率條件下，干土顆粒與水接觸不充分，先形成了部分局部架空結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大孔隙，使得T2曲線右移；隨著含水率的增加，土顆粒與水接觸較為充分，出現(xiàn)小孔隙增多，T2曲線左移。隨著含水率的進一步增大，黏土中黏粒吸水性較強，優(yōu)先形成團聚體，導(dǎo)致在壓實過程中出現(xiàn)較大孔隙，且隨著含水率的增大，這種效應(yīng)變得明顯，當(dāng)初始含水率增大到20%時，T2曲線出現(xiàn)了雙峰分布。

圖5 不同初始含水率的低液限黏土的T2分布曲線

2.2 不同干密度對土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響

為了研究干密度對壓實土試樣孔隙大小及分布的影響，對低液限粉土和黏土進行了不同干密度壓實土樣的核磁共振測試。

圖6給出了飽和粉土在相同初始配制含水率、不同干密度試樣的T2分布曲線，以初始含水率為8%、18%舉例示出。從圖6可以看出，隨著干密度的增大，T2分布曲線左移，小孔隙增多，且優(yōu)勢孔徑的幅值降低。隨著初始含水率的增大，干密度對優(yōu)勢孔徑的影響有所減弱。

圖6 相同初始含水率不同干密度低液限粉土的T2分布曲線

圖7給出黏土在相同初始配制含水率、不同干密度試樣的T2分布曲線，以初始含水率為10%和18%舉例示出。從圖中可以看出，隨著干密度的增大，T2分布曲線左移，小孔隙增多，且優(yōu)勢孔徑的幅值降低。而隨著初始含水率的增大，不同干密度條件下壓實黏土孔隙大小與分布的變化幅度減弱。

為了進一步分析干密度對壓實土優(yōu)勢孔徑的影響，將不同干密度壓實土在不同初始含水率獲得的試樣的優(yōu)勢孔徑繪于圖8中。從圖8(a)可以看出，對于低液限粉土，不同干密度制樣條件下，優(yōu)勢孔徑隨初始含水率的變化趨勢基本相同，優(yōu)勢孔徑大小先增大，然后減小。在低含水率范圍，干密度對優(yōu)勢孔徑大小的影響較為明顯，隨著干密度的增大，土體逐步壓實，優(yōu)勢孔徑的大小也隨之降低。而在高初始含水率條件下，干密度對優(yōu)勢孔徑的影響減弱，但總體上，初始含水率及干密度的增大，均使優(yōu)勢孔徑減小，主要在于初始含水率的增大，使土體顆粒與孔隙水充分接觸，干密度提高使得土體骨架壓實更加緊密，因此均造成優(yōu)勢孔徑大小的降低。從圖8(a)可以看出，當(dāng)初始含水率達到一定較高含水率時，干密度對優(yōu)勢孔徑的大小幾乎沒有影響，如初始含水率為18%的情形。對低液限黏土，優(yōu)勢孔徑隨初始含水率和干密度的變化規(guī)律如圖8(b)所示，可以看出，隨著含水率的增加，優(yōu)勢孔徑基本表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，但不如粉土變化那么明顯。隨著干密度的增大，優(yōu)勢孔徑的大小也逐漸降低，干密度為1.40、1.60、1.80 g/cm3的壓實黏土的最大優(yōu)勢孔徑分別為4.5、3.8、2.2 μm。

圖8 壓實細粒土優(yōu)勢孔徑隨初始含水率的變化

隨著干密度的增大，相同初始含水率下優(yōu)勢孔徑的尺寸降低。同時注意到，當(dāng)干密度增大到一定值時(1.80 g/cm3)，試樣的初始含水率對優(yōu)勢孔徑的大小幾乎無影響。主要原因在于，在較大的壓實功作用下，土體骨架已經(jīng)被擠壓密實，能夠抑制初始含水率變化對試樣形成的初始微細觀結(jié)構(gòu)。

通過核磁共振技術(shù)對不同初始含水率及干密度制備的人工壓實樣的孔隙結(jié)構(gòu)進行了較為細致的探測與分析。研究結(jié)果表明，孔隙大小及分布、優(yōu)勢孔徑的變化能夠較為準(zhǔn)確地刻畫隨著初始狀態(tài)的變化，壓實土孔隙結(jié)構(gòu)的演化，可作為壓實土孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的關(guān)鍵參數(shù)。通過對壓實土孔隙結(jié)構(gòu)對宏觀工程特性影響的分析，可進一步建立孔隙結(jié)構(gòu)定量表征參數(shù)與宏觀工程力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

采用核磁共振技術(shù)對不同初始含水率和干密度壓實粉土和黏土孔隙結(jié)構(gòu)的演化進行了探測，較為系統(tǒng)地研究了不同初始狀態(tài)對兩類細粒土孔隙大小與分布的影響規(guī)律，通過進一步挖掘土體孔隙結(jié)構(gòu)演化的定量表征，識別了土體優(yōu)勢孔徑對壓實土孔隙結(jié)構(gòu)演化定量表征的可靠性。得出如下主要結(jié)論。

(1)試樣初始含水率與干密度對人工壓實的細粒粉土與黏土有重要影響。隨初始含水率增加，壓實土中大孔隙的數(shù)量增加；干密度增大，大孔隙數(shù)量減少。同時干密度增大抑制了初始含水率對壓實土孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

(2)壓實細粒土的優(yōu)勢孔徑隨初始含水率的增大，先增加后減??；隨著干密度的增大，優(yōu)勢孔徑逐漸減小，干密度為1.45、1.60、1.75 g/cm3的壓實粉土的最大優(yōu)勢孔徑分別為7.1、4.9、4.1 μm。而干密度為1.40、1.60、1.80 g/cm3的壓實黏土的最大優(yōu)勢孔徑分別為4.5、3.8、2.2 μm。當(dāng)干密度增大到1.80 g/cm3，初始含水率對壓實優(yōu)勢孔徑幾乎無影響。

(3)測定的孔隙大小及分布、優(yōu)勢孔徑能夠較為精準(zhǔn)地反映由于初始含水率及干密度變化引起的壓實土孔隙結(jié)構(gòu)的變化，能夠作為壓實土微觀孔隙結(jié)構(gòu)演化定量表征的關(guān)鍵參數(shù)。