三軸循環荷載下土石混合體細觀結構劣化實時CT掃描試驗研究*

王 宇 李 曉 毛天橋 易雪楓 孫 濤

(①北京科技大學,北京 100083,中國)(②中國科學院地質與地球物理研究所,北京 100029,中國)

0 引 言

土石混合體作為一種典型的基質-塊石材料,材料屬性介于散體和連續體之間,具有強烈的非均質性、非均勻性、非連續性和環境依賴性等特點,其力學特性與破裂機理區別于巖石與土體(李曉等,2007; 徐文杰等,2008; 王宇等,2015; Wang et al.,2019; 胡瑞林等,2020)。在工程上,土石混合體常作為道路路基填料和路堤路塹邊坡的重要物源,往往受到道路交通往復循環荷載的作用,從而導致路基沉降過大或路堤路塹邊坡失穩等災害事故的發生,因此研究循環荷載作用下土石混合體的力學特性和破壞變形規律對維持道路交通長期穩定具有重要意義。

當前已有許多國內外學者對循環荷載作用下土石混合體的動態力學特性進行了研究,取得了一定的成果。徐文杰等(2008)對土石混合體原位樣進行了考慮循環荷載作用下的水平推剪試驗,獲得了土石混合體在循環加載下的剪切位移-剪切應力特征; Kong et al.(2016)通過實驗室和數值固結排水循環三軸試驗,研究了砂礫土在三軸應力狀態下循環荷載作用下的一般應力-剪脹特性; 石章入等(2018)對土石混合體路基填料開展動三軸試驗,探究了循環荷載下圍壓、循環偏應力、含石量和含水狀態等因素對土石混合體的動回彈模量的影響; 胡翔翔(2019)采用不排水動三軸試驗來對地鐵列車荷載作用下土石混合體回填土的動力特性進行研究,建立了與循環次數、固結度以及有效固結圍壓相關的累積應變模型; Wang et al.(2021a,2021b)通過大型三軸儀研究了塊石含量和圍壓對土石混合體動力特性的影響,分析了土石混合體的軸向應力和應變時程特征,并通過歸一化剪切應變的函數來表征土石混合體的動態剪切模量比和歸一化阻尼比的變化。

一般來說,土石混合體宏觀破裂失效現象是其內部尺度細觀結構變化的外在反映,而循環荷載作用下土石混合體與其他較為均質的巖石與土體等巖土材料在強度特性、破裂模式的差異性也很大程度上取決于其內部的細觀結構,如塊石含量、塊石形狀、塊石尺寸和空間分布等。當前有許多學者嘗試通過數值模擬(Xu et al.,2008; 徐文杰等,2009; 丁秀麗等,2012; 陳立等,2017; 金磊等,2018)與物理模型試驗(Ding et al.,2018; 江強強等,2020)等手段來對土石混合體的細觀結構與細觀力學行為進行研究。雖然上述數值模擬與相似模型結果能夠與室內試驗結果進行較好地匹配,但現有的數值模擬與相似模型試驗手段仍存在一定的局限性:一是尚未實現對土石混合體試樣內部的真實細觀結構進行更加精細、準確的模擬,二是無論是基于數碼成像的細觀原位模型的生成還是隨機結構的生成,都將土石混合體看成兩相介質,沒有考慮到土石界面差異滑動導致的土石混合體開裂。

要實現對土石混合體細觀結構特征的精細識別可以運用并發展現代精細探測技術,如X射線計算機斷層(Computed Tomography,CT)掃描技術。當前已經有部分學者開始采用CT掃描技術來對土石混合體內部結構進行重建,Sun et al.(2012)通過CT掃描技術研究了控制土石混合體承受單軸壓縮載荷的強度和變形的斷裂機制; 苑偉娜等(2013)利用CT掃描技術,實時監測單軸加載作用下土石混合體試樣內部結構的變化規律; Wang et al.(2019)采用工業CT掃描技術對含石量為40%的土石混合體試樣在單軸作用下進行三維實時掃描,系統分析了塊石界面開裂的物理過程和力學行為,揭示了塊石存在對裂隙擴展路徑的影響機制; 同時,Wang et al.(2019)設計了氣囊式圍壓加載系統,配合工業CT機研究了靜態三軸壓縮狀態下塊石含量對土石相互作用的影響,揭示了土石混合體損傷破裂的非均勻應變局部化演化特征。Meng et al.(2020)通過CT掃描技術來跟蹤巖塊對土石混合體中的局部變形和裂紋損傷演變。Sun et al.(2012)采用實時工業CT掃描技術,對比分析了土樣和土石混合體試樣在單軸壓縮狀態下的破裂演化特征。但上述研究大多集中于探究土石混合體在靜態單調加載應力路徑下的細觀結構變化,鮮有學者采用實時CT掃描技術來探究三軸循環荷載下土石混合體的破裂損傷演化過程。

為此,本文設計了與工業CT機配套的便攜式簡易加載系統,采用自制的氣囊式Hoek壓力室施加圍壓,試驗過程施加圍壓為100kPa,對塊石含量為30%、40%、50%的3種土石混合體開展三軸循環實時CT掃描試驗,重點分析了三軸循環加載條件下塊石含量對土石混合體內部細觀結構的損傷劣化的物理過程及力學機制,揭示內部裂紋損傷演化對其宏觀力學特性的影響機制。

1 試驗方法

1.1 材料與試樣制備

試驗所用的土體基質材料取自一高速鐵路沿線的路塹邊坡,屬于第四紀形成的殘積土。土體的天然密度為1.67g·cm-3,天然含水率為20.2%～23.1%,土體的液限和塑限分別為42.5%和21.6%,屬于黏土。通過電子顯微鏡掃描(SEM)方法與X射線衍射(XRD)方法對土體基質的細觀結構與礦物組成進行分析,結果如圖1所示。對于放大1000倍的土體基質可以清楚地觀察到有大量的黏土礦物附著環繞在一些棒狀和不規則的石英顆粒上,XRD結果進一步顯示了蒙脫石、高嶺石和伊利石這3種黏土礦物的含量,分別占比34.7%、5%與12.9%。試驗所用塊石為路塹邊坡中經過風化后的花崗巖塊石,塊石粒徑多為6～30mm,天然密度為2.67g·cm-3,標準試樣的單軸抗壓強度為110.23MPa,具體的土體基質與塊石的物理參數如表1所示。

圖1 土體基質的SEM與XRD結果

試驗所制備的不同塊石含量的土石混合體重塑樣為50mm×100mm的圓柱試樣。根據已有文獻所明確的土石混合體重塑樣的制備工藝,確定土石閾值為2mm,三軸壓縮試驗塊石最大粒徑應當小于試樣直徑的1/5倍,為此從現場獲取的塊石中篩選出直徑范圍為4～10mm的塊石,即小于試樣直徑的1/5(Wang et al.,2019)。由于文獻所述的土石混合體重塑樣制備工藝采用分層擊實法對重塑樣進行壓密,而分層擊實法所得試樣會存在較明顯的分層現象導致試樣整體性較差,且控制相同擊實次數得到的試樣高度誤差也較大。因此,本文對原有制備工藝進行改進,采用固結法進行試樣制備。樣品制備過程中采用液壓千斤頂和自制模具對土石混合體重塑樣進行壓實和脫模,其中液壓千斤頂包括手壓泵、壓力表、輸油管和千斤頂4部分,可通過油泵來控制油壓對模具內的重塑樣進行壓實。將試樣壓制到指定尺寸后繼續用千斤頂進行固結,固結壓力等同于先期壓實的壓力,將試樣固結1h,這是為了模擬試樣的原始受力狀態,并且減小試樣的回彈。所制備重塑樣的高度誤差小于1mm,將制備好的試樣用塑料薄膜包裹防止水分蒸發,壓實過程以及制備完成的土石混合體如圖2所示。

圖2 土石混合體試樣制備示意圖

1.2 試驗設備

X-射線計算機斷層掃描系統為450kV通用型工業CT機(圖3a),掃描精度為0.083mm。便攜式簡易加載裝置由圍壓系統,反力系統、位移測量系統和荷載量測系統組成(圖3b)。圍壓系統和反力系統是核心部件,材質是尼龍玻璃纖維增強樹脂。這種材料添加了30%玻璃纖維增強,其耐熱性、強度、剛度性能好,受拉伸時變形小,耐蠕變性和尺寸穩定性、耐磨等性能強,它的最大允許使用溫度較高,其物理力學指標為:密度1.38g·cm-3,抗拉強度75.46～83.3MPa,屈服強度約54.88MPa,壓縮強度約103.88MPa,彈性模量約330MPa。為盡可能大地減少射線衰減,反力柱直徑為2.5cm。自行設計的氣囊式Hoek壓力室由尼龍樹脂筒,增壓打氣筒,氣囊,連接管,氣壓表和閥門組成,可施加最大圍壓800kPa,精度0.5kPa,壓力由增加器來實現。精確的位移和荷載測量裝置,實現試驗時宏觀特性和其掃描一致的試驗記錄,加載裝置和位移控制系統采用無線智能操控,解決了測試時測量連接系統在CT轉臺上旋轉過程中的線路纏繞問題。

圖3 試驗設備

1.3 試驗方案

試驗過程中,首先將加載裝置放置在旋轉臺上的450kV工業CT機的轉臺上,將土石混合體試樣安裝在加載裝置上后,首先將塊石含量為30%、40%和50%的土石混合體試樣在100kPa的圍壓下進行固結,固結時間10min,以達到試樣中各組相對穩定的狀態。以0.2kN/步的軸向加載速率對試樣進行加載,直到達到循環應力的上限值為0.763MPa(靜載條件下含石量為30%的土石混合體試樣峰值應力的0.86倍); 然后,卸載到軸向偏應力為0kPa時的應力狀態,循環加載方案對應的應力路徑如圖4所示。

加載和卸載過程大約需要1min,并考慮到足夠的孔隙水壓力的消散。如圖5為具體的CT掃描方案,CT掃描僅對試樣的頂部,中部和底部3個位置進行圖像獲取,初始掃描位置分別為H=65mm,50mm和35mm; 隨著試樣的變形,掃描間距隨之變化以確保每次掃描時為同一高度。在CT圖像上,每個像素用Hounsfield值(CT值)索引進行表示。該灰度具有動態范圍,通過物質放射性密度的改變,可以探測到試樣結構的改變,當土石混合體試樣出現裂紋時,裂紋處呈現黑色。

圖5 實時CT掃描方案

在三軸循環加載試驗中,對不同塊石含量的試樣進行了高應力幅值的循環加載。土石混合體試樣在變形過程中進行了6個CT掃描時刻,如圖6所示,紅色標記點位代表各個CT掃描階段,各掃描階段對應的循環周數(N)標記為0、3、6、7、8、10。CT成像過程中,每掃描一個CT斷層大約需要1min,重建一個CT圖像需要2min,因此得到一個CT切片圖像大約需要3min時間。對于一個土石混合體試樣,試驗過程中總共使得到了64 800個投影并執行了6次CT掃描,為此,應力-應變曲線中每個CT掃描點需要18min。在進行X射線CT掃描時,停止對試樣加載,以避免土石混合體試樣的移動。每完成一個CT掃描階段后,以相同的加載速率對試樣再次加載。由于試樣加載時采用的是位移控制方式,CT掃描過程的各個階段都會出現應力松弛現象,并且加載過程中試樣在變形,每次掃描時CT圖像的位置不是恒定的,而是隨著試樣的變形而變化。因此,為確保每次CT掃描得到的是同一個切片的變形情況,在不同的掃描階段調整相應的掃描位置和層間隔,從而盡最大可能保證為同一掃描位置。

圖6 不同含石量土石混合體試樣的循環應力-應變曲線

2 試驗結果分析

2.1 軸向壓縮循環應力-應變曲線

試驗過程中,不同塊石含量(30%,40%和50%)的土石混合體試樣經過11個加卸載循環(N),土石混合體試樣的軸向循環應力-應變曲線如圖6所示,圖中所示軸向應力為偏應力。從軸向循環應力-應變曲線的規律可以看出,加卸載過程中由于不可逆塑性變形的發生,加載曲線與卸載曲線并不重合,而是形成滯回環。3種含石量試樣的滯回環面積均表現為先減小后增大,滯回環呈現出稀疏-密集-稀疏的趨勢。塑性變形發生在低循環數時,土石混合體樣品的壓實導致滯回環面積的減小,當循環次數超過一定值時,滯回環面積開始迅速增加。

對于不同塊石含量的樣品,軸向累積應變和循環次數(N)之間的關系如圖7所示,當循環次數超過一定值時,可以發現累積應變隨著塊石含量的增加而減少。這一結果表明,土石混合體試樣的剛度隨著塊石含量的增加而增加,這說明土石混合體中塊石與塊石之間相互接觸形成了一個可以抵抗變形的骨架。

圖7 不同塊石含量下各階段的軸向累計應變與循環次數的關系圖

從宏觀的循環應力滯回環來看,滯回環的面積隨變形和塊石含量的變化而變化。應力-應變曲線上的滯回環面積反映了土石混合體中塑性變形的大小。由圖8可知,當循環次數較低時,土石混合體試樣的壓實導致了滯回環面積的減小; 而當循環次數超過一定值時,滯回環的面積開始迅速增加,滯回環的形狀也受塊石含量的影響。對于相同循環加載階段的樣品,滯回環面積隨著塊石含量的增加而減少。這表明,對于具有高塊石含量的土石混合體試樣,塑性應變較小。這說明與塊石含量較低的試樣相比,含量較高的土石混合體試樣,抵抗循環載荷的能力更強。

圖8 不同塊石含量下各階段的滯回環面積與循環次數的關系圖

2.2 CT重構圖像

圖9為不同塊石含量下土石混合體試樣變形過程的二維CT重構圖像,圖中僅給出了中間CT切片在不同加載時刻的重構圖像。圖9中展示的本研究的感興趣區域,它涵蓋了整個樣本截面的有效區域。隨著循環次數的增加,CT圖像中逐漸出現大量深色或黑色區域。根據CT成像原理,這些低密度區域的出現說明樣品中出現了高度損傷。隨著變形的逐漸增大,這些低密度區域最終演變成裂縫。從圖像中可以看出,裂縫在土石界面處起裂,并向土體基質中擴散,并且裂紋的傳播路徑受塊石分布的影響,在塊石高度集中的區域出現互鎖現象,制約了裂紋的進一步擴展。此外,塊石的分布決定了土石混合體試樣的非均勻損傷特征,塊石含量直接影響著土石混合體在循環荷載作用下的損傷劣化程度。隨著含石量的增大,低密度區域的尺度和密度逐漸減小,當塊石含量為50%時,裂紋規模最小; 然而,對于塊石含量為30%的試樣,低密度區域的規模是最高的。

圖9 不同循環次數下土石混合體試樣二維CT重構圖像(其中塊石用綠色表示,裂紋用紫色表示)

研究還表明,不同塊石含量的土石混合體試樣裂紋起裂的時間也不盡相同,并且受塊石含量的影響明顯。對于塊石含量為30%和40%的土石混合體試樣,裂紋在第7個循環階段時開始開裂; 然而,對于塊石含量為50%的試樣,開裂發生在第6個加載周數。這一結果與土石混合體結構有關:塊石含量高時,試樣的土石界面隨機分布規模較大,因為土石界面是試樣內部最薄弱的區域,開裂的規模較多。盡管塊石含量為50%的試樣開裂比其他兩個試樣要提前,但隨著加載循環次數的增加,裂縫數量相對較少,這一結果再次強調了塊石在土石混合體承受外部載荷時抵抗變形的重要性。在循環荷載作用下,試樣的整體剛度隨著塊石含量的提高而提高,塑性變形的演變受到巖塊間互鎖的影響,從宏觀應力-應變曲線中的滯回環演化過程,也可以得出類似的結論。

在土石混合體試典型切片中,從低密度區域的演化情況分析,當土石混合體試樣出現裂縫時,會出現體積膨脹現象,不同塊石含量的土石混合體試樣在循環加載過程中由剪切收縮到剪切膨脹的轉變時刻是不同的,裂紋的起裂時刻也證明了這一結論。土石混合體中的塊石形態及含量均會影響試樣開裂及剪脹特性,由于本文中采用小試樣進行三軸疲勞測試,塊石的尺寸要小于現場尺寸。然而,本文采用實時CT掃描,對疲勞加載過程進行了可視化和數字化表征,從土石相互作用機理及互饋致災的物理過程及力學行為分析可推斷,小尺寸試樣的開裂和剪脹力學效應可在一定程度上反映現場尺度的試驗結果。

2.3 裂紋損傷演化分析

在原始CT數據的基礎上,采用一系列圖像處理方法提取試樣中的塊石和隨機分布的裂縫(Wang et al.,2018)。在裂縫和塊石的提取過程中,為了更好地檢測到目標邊界,首先采用中值濾波算法來減少斑點噪聲。該算法的邊緣保持特性使其能夠有效地檢測出土石混合體中不規則裂紋等的模糊邊緣,該濾波算法能將每個輸出像素的值作為對應輸入像素周圍值的鄰域的統計中值進行分析。然后,利用邊緣檢測算法和統計分析方法得到裂紋的幾何特征。圖10為含石量為50%的土石混合體試樣在第10個加載周數下CT底層切片中塊石和裂縫的識別和提取結果。

圖10 從原始CT圖像中提取塊石和裂縫

圖11～圖13為經過圖像處理后的CT圖像。由二值圖像估算出試樣中塊石的含量,體積塊石含量分別為28.4%、37.7%和48.9%; 相應的質量塊石含量分別約為31.3%、42.4%和51.9%,與試驗設計值基本一致?？梢钥闯?裂縫密度隨循環次數的增加而增加,塊石含量為30%和40%的土石混合體試樣從第7循環開始開裂; 然而,對于塊石含量為50%的土石混合體試樣,開裂發生在第6個循環。同時可以發現,由于土石混合體內部存在塊石,裂縫在與塊石相遇后,其傳播路徑受到巖塊的影響較明顯。塊石之間的互鎖作用限制了裂縫的擴展,這可能有助于提高土石混合體的強度。從裂縫形態分析可以總結出兩類典型的裂縫特征,一種是主裂縫,主裂縫擴展到土基中,且裂縫長度較大; 另一種被稱為次級裂縫,它們中的大多數圍繞著塊石傳播,裂縫的形態與塊石的分布和形態密切相關。另外,由于塊石周圍的互鎖作用,也由于試樣變形過程中導致的塊石運動和旋轉,所以一些已有的裂縫會被壓閉合。從裂縫提取結果來看,試件中隨機分布的塊石是影響試件在循環荷載作用下細觀開裂特性和滯回環演化的控制因素。

圖11 塊石含量為30%的土石混合體試樣塊石和裂紋提取結果

圖12 塊石含量為40%的土石混合體試樣塊石和裂紋提取結果

圖13 塊石含量為50%的土石混合體試樣塊石和裂紋提取結果

在相同的加載周數下,在給定的應力幅值條件下,土石混合體試樣呈現出不同的損傷演化程度。裂縫密度和規模隨塊石含量的增加而減小,說明在土基中加入塊石不僅提高了試件的整體剛度,而且改善了試樣在循環荷載作用下的抗壓性能。對于塊石含量為30%的試樣,在第10個加載周期,試樣內部分布有大量裂縫,裂縫長度和寬度較大; 而對于相同循環加載條件下塊石含量為50%的試樣,裂縫長度和寬度減小,局部變形沒有塊石含量為30%的試樣那樣明顯。這一結果表明,土石混合體作為一種特殊的地質材料,塊石的存在可以提高其抵抗循環荷載的能力,同時也有利于土石混合體結構的穩定性。

為了實現損傷識別和提取從細觀尺度向宏觀尺度的自然過渡,分析變形試樣裂紋的幾何特征是科學、簡單和可行的。根據圖14的裂紋分割結果,進一步計算了不同含石量下土石混合體試樣裂紋的幾何參數,使用長度,寬度,面積和分形維數的參數來描述裂紋表征。分別從CT圖像中提取裂縫,定量獲取幾何參數。圖15為裂紋幾何參數隨加載周期的變化情況。隨著循環次數的增加,裂紋長度、寬度和面積均增大。對6個關鍵循環階段(N=0、3、6、7、8、10)進行X射線CT掃描,隨著變形的增加,采用箱形計數法計算分形維數(Guo et al.,2014; Wang et al.,2018),隨著循環次數和塊石含量的增加而增大。結果表明,隨著循環次數和塊石含量的增加,裂紋分布變得越來越復雜。

圖14 CT掃描階段含石量為30%,40%和50%時試樣中間加載過程中裂紋形態提取

圖15 三軸循環荷載作用下不同塊石含量的土石混合體試樣裂紋幾何形態描述

2.4 應力剪脹特性分析

從試件的循環應力-應變曲線可以看出,塑性變形隨加載次數的增加而增大,隨塊石含量的增加而減小。在相同的周期內,滯回環面積隨塊石含量的增大而減小。循環應力-應變曲線顯示了試件在循環加載過程中的宏觀應變響應。本節著重從細觀的角度分析土石混合體的局部變形,來研究土石混合體的應力膨脹行為。CT圖像中低密度區域的傳播間接反映了土石混合體的體積變化。試樣的局部變形影響滯回環的形成。表2～表4為3張CT掃描圖像在不同加載階段的切片面積。在同循環階段下,特別是從第7個循環,CT圖像的部分區域隨塊石含量的增加,擴張行為變得明顯。

表2 塊石含量為30%的土石混合體應力剪脹特性分析

表3 塊石含量為40%的土石混合體應力剪脹特性分析

表4 塊石含量為50%的土石混合體應力剪脹特性分析

通過表2～表4中掃描截面面積變化量可以對各掃描階段下土石混合體試樣的平均徑向應變進行計算。根據體積應變計算公式可以得出如圖16所示的各掃描階段下的體積應變與循環次數之間的關系。由圖16可以看出,隨著循環次數的增加,試樣的變化趨勢從剪縮到剪脹。對于塊石含量為30%的土石混合體試樣在第7次循環加載(對應于第4次CT掃描階段)時體積從壓縮變為膨脹,并且在拐點之后,土石混合體的剪脹行為變得越來越明顯。對于不同塊石含量的試樣,體積剪脹特性隨著塊石含量的增加而減弱,由圖16知當處于相同的加載階段時,塊石含量越高其體積越容易被壓縮,這是因為塊石含量越高塊石與塊石之間的孔隙更容易被土體基質填滿; 當處于相同的加載階段時,塊石含量越低其體積剪脹特性越明顯,這是因為塊石含量越低,塊石與塊石之間形成的骨架系統越脆弱塊石之間更容易發生滑移錯動。

圖16 不同塊石含量下土石混合體體積應變與循環次數的關系

3 結 論

本文通過三軸循環試驗研究了不同塊石含量的土石混合體試樣的疲勞損傷特性,結合CT掃描的手段重點分析三軸循環加載條件下塊石含量對土石混合體內部細觀結構的損傷劣化過程,探究內部裂紋損傷演化對其宏觀力學特性的影響。主要結論如下:

(1)滯回環面積隨著塊石含量的增加而減少,與塊石含量較低的試樣相比,含量較高的土石混合體試樣,抵抗循環載荷的能力更強。

(2)CT重構圖像揭示了起裂點主要集中于土石界面處,裂紋的傳播路徑受塊石分布的影響,在塊石高度集中的區域出現互鎖現象,制約了裂紋的進一步擴展; 塊石的分布決定了土石混合體試樣的非均勻損傷特征,塊石含量直接影響著土石混合體在循環荷載作用下的損傷劣化程度。

(3)破裂過程中土石混合體主要產生兩類典型的裂縫,一種是擴展基質中且裂縫長度較大的主裂縫,另一種為圍繞著塊石傳播的次級裂縫,通過長度,寬度,面積和分形維數等參數來描述裂紋表征發現上述參數皆隨著循環次數和塊石含量的增加而增大。

(4)土石混合體體積剪脹特性隨著塊石含量的增加而減弱,塊石含量越高其體積越容易被壓縮,這是因為塊石含量越高塊石與塊石之間的孔隙更容易被土體基質填滿。塊石含量越低,塊石與塊石之間形成的骨架系統越脆弱塊石之間更容易發生滑移錯動。