楊朵環(huán), 左雙英, 楊興之, 郭 明, 張彥召

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

紅黏土是碳酸鹽巖通過(guò)強(qiáng)烈風(fēng)化作用的產(chǎn)物[1], 在我國(guó)廣泛分布于云南、四川、貴州、廣西、湘西等地, 一般呈紅棕色、黃褐色, 具有含水率高、塑性高、分散性高及膠體成分含量多等特征。在貴州多雨的氣候環(huán)境下, 紅黏土的親水性及脹、縮性會(huì)暴露出水穩(wěn)性差、反射裂縫大等工程劣性。肖桂元等[2]、Horpibulsuk等[3]、Alhassan等[4]利用水泥對(duì)紅黏土進(jìn)行加固處理, 研究表明在水泥加固的條件下, 紅黏土的土力學(xué)強(qiáng)度提高效果明顯; 曹豪榮等[5]、劉磊等[6]、劉攀等[7]、胡文華等[8]通過(guò)消石灰來(lái)改良紅黏土的最優(yōu)含水率, 使得紅黏土的滲透性減低, 收縮破裂現(xiàn)象得到約束, 承載能力提高; Al-Amoudi等[9]利用石灰對(duì)阿拉伯地區(qū)的紅黏土進(jìn)行改良發(fā)現(xiàn), 石灰土的耐久性、強(qiáng)度比原狀紅黏土的效果要好很多, 以上研究解決了紅黏土在路基工程的破壞特性, 但是方法較局限, 而且忽略了它們與紅黏土之間的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)研究； El-Sabbagh等[10]、談云志等[11]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料能有效地抑制紅黏土的收縮效應(yīng), 提高其整體強(qiáng)度; 宋宇等[12]基于三軸不排水試驗(yàn)，研究了紅黏土損傷特性及損傷演化規(guī)律; 谷建曉等[13]基于三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)并在修正鄧肯-張模型的基礎(chǔ)上, 通過(guò)計(jì)算損傷比得到相應(yīng)的損傷速度, 分析損傷速度與結(jié)構(gòu)性的關(guān)系確定了紅黏土主要的結(jié)構(gòu)性損傷參數(shù)取值范圍； 孫星亮等[14]、李賢等[15]利用CT-三軸試驗(yàn)結(jié)合CT圖像， 研究了膨脹土、凍結(jié)粉質(zhì)粘土的損傷演化過(guò)程。

上述研究成果在改良紅黏土方面奠定了一定的理論基礎(chǔ), 但仍存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決：一方面用來(lái)改良紅黏土的技術(shù)過(guò)于單一, 特別是采用水泥、石灰等方法處理, 其收縮系數(shù)大, 強(qiáng)度提高慢, 稍微處理不當(dāng), 易產(chǎn)生收縮裂隙; 另一方面CT技術(shù)應(yīng)用于改良土的研究, 一般是通過(guò)CT數(shù)和圖像的變化來(lái)定性評(píng)價(jià)微孔隙、微裂縫的擴(kuò)展情況, 并沒(méi)有對(duì)加載過(guò)程中損傷演化規(guī)律進(jìn)行定量分析。 因此, 本文采用?；V渣、粉煤灰、硅酸鹽水泥等形成的固化劑, 對(duì)原狀紅黏土進(jìn)行改良, 并將CT技術(shù)運(yùn)用于改良紅黏土的微觀分析, 同時(shí)結(jié)合三軸壓縮試驗(yàn), 研究原狀和改良紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變、CT均值-應(yīng)變和CT方差-應(yīng)變的關(guān)系，并進(jìn)一步引入CT損傷變量模型, 定量分析紅黏土在三軸壓縮狀態(tài)下, 土樣內(nèi)部裂隙擴(kuò)展的規(guī)律和力學(xué)強(qiáng)度變化的特征。

1 試驗(yàn)土樣及方案

1.1 試驗(yàn)土樣

1.1.1 原狀紅黏土試樣 試驗(yàn)原狀紅黏土試樣為貴陽(yáng)地區(qū)殘積紅黏土, 采樣深度4.4～4.6 m(ZK1-1)、5.6～5.7 m(ZK1-2),母巖為白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖, 礦物成分有高嶺石、埃洛石、伊利石等, 具體參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。土樣飽和度值誤差有偏大的現(xiàn)象, 其原因是紅黏土存在較多結(jié)合水, 其密度比土中純水的大, 但飽和度計(jì)算中把所有水的密度都默認(rèn)為純水的密度[16]。取2 kg原狀紅黏土(ZK1-2)樣通過(guò)不同的粒徑進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn), 顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1, 測(cè)出不均勻系數(shù)Cu為3.64, 曲線系數(shù)Cc為0.33, 說(shuō)明顆粒級(jí)配不良好, 原因是細(xì)顆粒占的比例太多, <0.075 mm的細(xì)粒含量為41%左右。

表1 原狀紅黏土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of undisturbed red clay

圖1 顆粒級(jí)配曲線圖Fig.1 Particle gradation curve

1.1.2 改良紅黏土樣 取擾動(dòng)的原狀紅黏土風(fēng)干后加入固化劑, 各質(zhì)量配比見(jiàn)表2。 先配置5組不同摻量比K(0%、5%、9%、13%、17%), 進(jìn)行均勻攪拌混合, 再加入適量的水使改良紅黏土樣均達(dá)到最優(yōu)含水量38%、36%、33.5%、29.13%、23.21%的狀態(tài), 于常溫常壓下密封保濕若干小時(shí), 試樣在最大干密度為1.32、1.55、1.96、2.63、2.05 g/cm3時(shí)進(jìn)行直剪試驗(yàn),建立不同條件下的抗剪強(qiáng)度(圖2)?？芍? 在摻量比K=13%和養(yǎng)護(hù)期為28 d時(shí), 抗剪強(qiáng)度值達(dá)到最大, 并開(kāi)始穩(wěn)定。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果, 制備最終三軸壓縮試驗(yàn)試樣。對(duì)改良紅黏土樣試樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn), 參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 固化劑質(zhì)量配比Table 2 Reinforcer agent mass ratio

表3 改良紅黏土樣的制備條件和參數(shù)指標(biāo)Table 3 Preparation conditions and parameters of improvedred clay samples

圖2 不同摻量比和養(yǎng)護(hù)期齡的紅黏土抗剪強(qiáng)度Fig.2 Shear strength of improved red clay with different yield ratio and curing age

1.2 三軸壓縮和CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)

三軸壓縮試驗(yàn)采用固結(jié)不排水剪切方法, 軸向加載速率為0.2 mm/min。試驗(yàn)中對(duì)土樣預(yù)加軸向力為10 kg, 以防止漏氣。掃描方法為間斷定位掃描法, 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中土樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以根據(jù)土樣的變形程度、跟蹤原定的掃描位置以及測(cè)出的CT數(shù)與應(yīng)變曲線來(lái)判別，具體掃描條件見(jiàn)表4。

表4 CT掃描參數(shù)Table 4 Parameters of CT Scanning conditions

試驗(yàn)CT機(jī)為SIEMENS SOMATOM Plus型X射線螺旋CT機(jī)(圖3a), 空間分辨率是0.35 mm×0.35 mm, 識(shí)別的最小體積為0.12 mm3(層厚1 mm), 密度對(duì)比分辨率為0.3%(3 Hu)。掃描過(guò)程中, 以軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo), 不同部位(全區(qū)、中區(qū)、中心、外環(huán)、中環(huán))的CT均值和方差為縱坐標(biāo)(圖3b), 獲取三軸壓縮荷載作用下土樣裂隙擴(kuò)展的CT實(shí)時(shí)掃描圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)演化圖。CT均值與物體的密度有關(guān), 可表征物體密度, CT均值越大, 物體的密度越大, CT方差則用來(lái)表征土樣某一部位密度分布的均勻性和穩(wěn)定性[17]。

圖3 SOMATOM Plus螺旋CT機(jī)及CT掃描部位簡(jiǎn)圖Fig.3 SOMATOM Plus spiral CT machine and different scanning parts

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原狀和改良紅黏土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 原狀和改良紅黏土樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of undisturbed and improved red clay samples under three confinings

2.2 試樣細(xì)微觀結(jié)構(gòu)和CT參數(shù)演化分析

2.2.1 細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變化 利用EDS能譜對(duì)土樣礦物化學(xué)元素的測(cè)試如圖5所示, 得出原狀紅黏土由原來(lái)含量多的O、Si、Al、Fe等元素變?yōu)楦牧技t黏土的O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、S等元素。紅黏土加入摻量比K=13%的固化劑后, 除能填充土體顆粒的孔隙起物理填充作用外, 同樣粉煤灰中有活性氧化硅和氧化鋁會(huì)與堿性激發(fā)劑水化后的產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)等化學(xué)作用, 生成具有膠凝性能的水化產(chǎn)物加強(qiáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu): 3Ca(OH)2+SiO2+(n-3)H2O→3CaO·SiO2·nH2O。

圖5 原狀紅黏土和改良紅黏土能譜圖Fig.5 Undisturbed and improved red clay energy spectrum

圖6為原狀和改良紅黏土在掃描電鏡(SEM)下的顆粒結(jié)構(gòu)、孔隙形態(tài)。可以看出, 原狀紅黏土顆粒形態(tài)有散粒狀團(tuán)體、曲片狀薄層體及花朵狀橢球體組成。由于紅黏土在自然環(huán)境中會(huì)受到溶蝕作用、紅土化作用及置換作用的相互影響, 導(dǎo)致孔隙大, 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[19]。改良紅黏土試樣是在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后制備而成的, 其顆粒形態(tài)形成明顯的纖維狀或絲狀膠結(jié)物質(zhì), 彼此交叉搭接形成結(jié)構(gòu)網(wǎng), 從而減少紅黏土凝結(jié)硬化后的總孔隙率, 整體結(jié)構(gòu)變好。由化學(xué)元素分析可知, 這是因?yàn)楦牧己蠹t黏土體內(nèi)增加了Ca、Mg、S等元素, 不同族元素核外電子排布不一樣, 導(dǎo)致化學(xué)性質(zhì)差異較大, 固化劑與紅黏土顆粒之間形成強(qiáng)烈物理填充以及火山灰反應(yīng)等, 促使不同粒徑顆粒相互融合、填充, 所以顆粒間的連結(jié)就更加緊密, 孔隙分布范圍相對(duì)減小, 寬度降低。

圖6 原狀和改良紅黏土的SEM圖像對(duì)比Fig.6 Comparison of SEM images of undisturbed and improved red clay

2.2.2 CT參數(shù)演化分析 原狀和改良紅黏土在圍壓300 kPa下的三軸試驗(yàn)過(guò)程中, 掃描出的CT均值和方差變化曲線見(jiàn)圖7、8。 CT方差越小說(shuō)明試樣越穩(wěn)定, 所以方差越大是表示指標(biāo)越差?？芍? 各區(qū)的CT均值和方差均是不同的, 說(shuō)明試樣不同部位的平均密度大小不同、密度分布不均勻。

圖7 原狀紅黏土樣在圍壓σ3=300 kPa下的各區(qū)CT均值和方差變化值Fig.7 CT mean and variance change of undisturbed red clay samples in each area at the confining pressure σ3=300 kPa

原狀紅黏土樣在應(yīng)變?chǔ)?=0～4.0%范圍內(nèi), 隨主應(yīng)力差(σ1-σ3)的增大, 各區(qū)的CT均值和方差同是上升的趨勢(shì); 改良紅黏土在應(yīng)變?chǔ)?=0～2.2%時(shí), CT均值微增, CT方差先微增后微降, 從CT均值和方差數(shù)值的變化可知, 改良紅黏土在各區(qū)的密度仍不均勻, 但總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)比原狀紅黏土穩(wěn)定很多。結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線和微觀結(jié)構(gòu)分析可知, 這是因?yàn)楦牧技t黏土的化學(xué)元素性質(zhì)差異較大, 在應(yīng)力進(jìn)一步作用下, 顆粒的界面變化大, 使界面粘結(jié)強(qiáng)度等變得更強(qiáng), 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變穩(wěn)定。

圖8 改良紅黏土樣在圍壓σ3=300 kPa的各區(qū)CT均值和方差變化值Fig.8 CT mean and variance changes of the imporved red clay sample in each area at the confining pressure σ3=300 kPa

原狀紅黏土樣應(yīng)變?chǔ)?>4.0%時(shí), 曲線變化相對(duì)平緩, 中心、中區(qū)和中環(huán)的CT均值微增, 外環(huán)CT均值微降, 所以全區(qū)CT均值呈現(xiàn)的是基本不變狀態(tài), 但CT方差上升幅度一直比較大, 說(shuō)明密度雖無(wú)多大改變，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是處于不穩(wěn)定狀態(tài); 改良紅黏土應(yīng)變?chǔ)?=2.2%～4.2%時(shí), 各區(qū)CT均值一直是微降, 說(shuō)明試樣原來(lái)的孔隙、裂隙等微結(jié)構(gòu)壓密到一定程度后, 會(huì)在三軸壓縮應(yīng)力持續(xù)荷載作用下有新的裂紋產(chǎn)生, 導(dǎo)致試樣密度變小, CT方差在試樣未屈服破壞前, 只有細(xì)微的起伏, 說(shuō)明試樣未達(dá)到極限承載力時(shí), 內(nèi)部微結(jié)構(gòu)一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變的分析可知, 這是因?yàn)楦牧技t黏土的彈性模量比原狀紅黏土大, 所以變形量小, CT均值和方差變化起伏不大。

原狀紅黏土在應(yīng)變?chǔ)?=7.6%至峰值點(diǎn)時(shí), 全區(qū)和外環(huán)的CT均值變小, 中心、中區(qū)、中環(huán)CT均值變大, 各區(qū)之間的CT均值數(shù)值拉距增大, 全區(qū)、中區(qū)和中心的CT方差的變化幅度也大, 結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，這是由于試樣發(fā)生變形破壞, 導(dǎo)致試樣密度分布不均勻和穩(wěn)定性降為最低。改良紅黏土應(yīng)變?chǔ)?=4.2%時(shí), 各區(qū)CT均值下降, 而CT方差上升, 與原狀紅黏土相比, 破壞后的改良紅黏土的穩(wěn)定性更低, 但應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)的則是改良紅黏土破壞前后的承載力一直比原狀紅黏土高, 這與楊隆宇[20]對(duì)改良紅黏土CT掃描參數(shù)變化的研究結(jié)論類似，說(shuō)明固化劑的存在, 使改良紅黏土破壞后裂隙增多, 導(dǎo)致土體密度變化很大, 同時(shí)因?yàn)橛泄袒瘎┍Ｗo(hù), 盡管內(nèi)部微結(jié)構(gòu)沒(méi)有原狀紅黏土穩(wěn)定, 承載力仍大于原狀紅黏土。

2.3 試樣CT掃描微宏觀裂隙擴(kuò)展規(guī)律

改良紅黏土初始和破壞狀態(tài)的CT圖片見(jiàn)圖9。 圖10是改良紅黏土全區(qū)部位在圍壓σ3=300 kPa下, 隨應(yīng)變?chǔ)?變化具體過(guò)程的CT掃描圖, 其中白色部分表示土的空隙、裂隙、裂紋。對(duì)試樣CT實(shí)時(shí)掃描宏觀裂隙擴(kuò)展規(guī)律分析如下:ε1=0時(shí), 白色區(qū)域比較多, 且分布不均勻;ε1=0.45%時(shí), 閉合不太明顯, 直至ε1=0.85%～2.2%時(shí)才基本閉合, 此時(shí)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布均勻且基本無(wú)空隙、裂隙等結(jié)構(gòu)缺陷, 對(duì)改良紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析可知, 圖10a—d是在壓密、彈性變形階段掃描出來(lái)的; 過(guò)彈性階段后, 試樣壓密到一定程度不能再壓密, 見(jiàn)圖10e, 白色部分變多, 說(shuō)明有少量微裂紋的生成, 并且在應(yīng)力作用下試樣受到損傷, 開(kāi)始出現(xiàn)永久性的破壞, 進(jìn)入塑性變形階段; 圖10f中, 裂紋進(jìn)一步增多, 和CT參數(shù)演化分析中的改良紅黏土在應(yīng)變?chǔ)?=3.4%～4.2%的全區(qū)部位, 密度減小是對(duì)應(yīng)的, 又由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知, 應(yīng)變?chǔ)?=4.2%時(shí), 試樣開(kāi)始已發(fā)生屈服破壞, 同樣說(shuō)明裂紋會(huì)變多; 當(dāng)應(yīng)變?chǔ)?=10.4%(圖10g)時(shí), 試樣完全破壞，成一條大紋, 這是因?yàn)樵趹?yīng)力作用下, 試樣發(fā)生剪脹作用, 破裂程度變大。

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圖9 改良紅黏土初始和完全破壞的CT圖片F(xiàn)ig.9 CT pictures of improved red clay under original and destructed states

圖10 改良紅黏土損傷演化的CT圖片F(xiàn)ig.10 CT images in damage evolution of improved red clay

3 改良紅黏土損傷特性力學(xué)模型

3.1 損傷變量D

改良紅黏土中的土顆粒、固化劑、水、氣體的密度分別用ρt、ρf、ρl、ρg表示,則改良土土樣的整體平均密度為

(1)

式中:Vt、Vf、Vl、Vg是改良土樣的土顆粒、固化劑、水、氣體的體積。若忽略氣體的質(zhì)量,變?yōu)?/p>

(2)

改良紅黏土試樣整體對(duì)X射線的吸收系數(shù)u=unρ,而un符合下面的關(guān)系

(3)

式中:mt、mf、ml、mg是改良土樣中的土顆粒、固化劑、水、氣體的質(zhì)量,u、ut、uf、ul、ug為改良紅黏土試樣、土顆粒、固化劑、水、氣體的吸收系數(shù),忽略氣體對(duì)X射線的吸收,則

(4)

由CT掃描原理可知,CT數(shù)與X射線的吸收系數(shù)成正比關(guān)系(C=K1u),則有

(5)

式中:C、Ct、Cf、Cl分別是改良土樣、土顆粒、固化劑、水的CT數(shù),則三軸壓縮試驗(yàn)開(kāi)始ta時(shí)刻

(6)

三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中的tb時(shí)刻

(7)

因此,以CT數(shù)定義改良土樣的損傷參數(shù)為

(8)

由于空間分辨率是衡量CT圖象質(zhì)量的重要參數(shù)指標(biāo),最初張全勝等[21]定義CT巖石損傷和《巖體損傷與檢測(cè)》均考慮到CT空間分辨率對(duì)損傷的影響,于是式(8)變?yōu)?/p>

(9)

式中:m02為空間分辨率,其值為0.35 mm×0.35 mm;Ca、Cb分別為改良土試驗(yàn)開(kāi)始和過(guò)程的CT數(shù)。

3.2 損傷變量驗(yàn)證

鄭劍鋒等[22]推導(dǎo)并證明CT均值數(shù)定義損傷變量與同密度變化定義的損傷變量具有相同的形式。現(xiàn)用改良紅黏土在圍壓σ3=100、200、300 kPa掃描出的全區(qū)CT均值, 代入式(9)中求損傷變量。損傷變量D一般在0～1(D=0時(shí), 無(wú)損傷變量；D=1時(shí), 完全損傷), 大多數(shù)凍土[21]和巖石[23]都在范圍內(nèi)。然而在圖11中, 損傷變量出現(xiàn)負(fù)值, 是不符合常規(guī)的, 又由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知, 改良紅黏土在應(yīng)變4.2%是屈服破壞點(diǎn), 一定有損傷存在, 但該點(diǎn)的應(yīng)損傷變量小于0。將本文測(cè)試數(shù)據(jù)代入后得出的結(jié)果突破了常理, 說(shuō)明不適用于式(9)。用損傷力學(xué)理論的密度變量來(lái)定義損傷變量的具體公式為

圖11 改良紅黏土損傷演化曲線Fig.11 Improved red clay damage evolution curve

(10)

式中:ρa(bǔ)、ρb表示試樣在試驗(yàn)前和過(guò)程變化的密度?，F(xiàn)用式(10)解釋改良紅黏土的損傷過(guò)程,試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),土樣的孔隙、裂隙等會(huì)被壓密,ρa(bǔ)>ρb,算出來(lái)的D同樣小于0。CT掃描圖片同樣顯示, 試驗(yàn)一開(kāi)始時(shí)是試樣本身孔隙、裂隙等微結(jié)構(gòu)被壓縮過(guò)程, 但并無(wú)損傷, 當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4%的時(shí)候, 才出現(xiàn)永久性的破壞現(xiàn)象, 說(shuō)明試驗(yàn)開(kāi)始點(diǎn)并不是損傷初始點(diǎn), 而是新的裂紋產(chǎn)生時(shí), 密度下降點(diǎn), 由于在實(shí)際試驗(yàn)中, 密度變化的過(guò)程是很難實(shí)時(shí)測(cè)出來(lái)的, 密度變化點(diǎn)同樣是難以界定, CT掃描數(shù)能解決這一難點(diǎn), 說(shuō)明式(9)有很大的意義。

3.3 改良紅黏土損傷變量修正

針對(duì)3.2節(jié)問(wèn)題, 陳馳等[24]對(duì)損傷初始點(diǎn)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究, 即用應(yīng)變與CT數(shù)均值的半對(duì)數(shù)曲線來(lái)找初始損傷點(diǎn)。如圖12所示, CT均值在試樣前期是變大的, 應(yīng)變?chǔ)?為一定值時(shí), CT均值變小, 其中CT均值降低點(diǎn)就是改良土樣損傷發(fā)展的起點(diǎn)(黑色箭頭圈起來(lái)的點(diǎn))。

圖12 改良紅黏土應(yīng)變和CT數(shù)半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線Fig.12 Semi-logarithmic relationship between strain and CT number of modified red clay

記圖中CT均值數(shù)的初始損傷點(diǎn)為Ca′,將式(9)中初始損傷點(diǎn)的Ca變?yōu)镃a′,于是損傷變量公式變?yōu)?/p>

(11)

根據(jù)上式重新計(jì)算修正后的損傷變量, 結(jié)果如圖13所示。損傷無(wú)發(fā)展前默認(rèn)為0, 隨應(yīng)力應(yīng)變的增大, 損傷變量D由0開(kāi)始增長(zhǎng)到破壞時(shí)呈直線上升, 但損傷變量均在0.32以下, 且圍壓從σ3=300 kPa下降到200 kPa時(shí), 損傷變量D增加15%; 圍壓σ3=300 kPa下降到100 kPa時(shí), 損傷變量D增加18%, 說(shuō)明圍壓越小, 損傷變量越大, 它們之間呈反比關(guān)系, 以上分析說(shuō)明圍壓對(duì)改良紅黏土試樣有“約束損傷”的作用, 符合鄭劍鋒等[22]研究出的圍壓與損傷變量的關(guān)系。

圖13 改良紅黏土修正損傷演化曲線Fig.13 Damage evolution curves of modified red clay after correction

圖11中的損傷變量隨圍壓增大而增大, 與圖13正好相反, 原因是其計(jì)算的初始損傷點(diǎn)默認(rèn)為CT掃描的第一點(diǎn), 然而試樣在試驗(yàn)初期會(huì)有孔隙、裂隙等初步壓縮過(guò)程, 對(duì)試樣本身無(wú)影響, 說(shuō)明并不會(huì)有損傷發(fā)生, 因此導(dǎo)致結(jié)果和鄭劍鋒等[22]以及本文最終的結(jié)果相反。

4 結(jié) 論

(1)原狀和改良紅黏土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析中得出， 改良紅黏土的彈性模量、承載力比原狀紅黏土大, 且承載力大小和圍壓成正比。

(2)由試樣細(xì)-微觀結(jié)構(gòu)變化可知, 改良紅黏土內(nèi)化學(xué)元素種類總量增多, 導(dǎo)致土體內(nèi)會(huì)有一系列復(fù)雜的物理填充和火山灰化學(xué)反應(yīng)等, 使土內(nèi)礦物發(fā)生轉(zhuǎn)變, 土顆粒的粘結(jié)能力變強(qiáng), 進(jìn)而改良紅黏土孔隙變小、變少; 結(jié)合CT參數(shù)的演化分析, 改良紅黏土在試驗(yàn)破壞前CT均值和方差并無(wú)較大波動(dòng), 這是因?yàn)樵囼?yàn)進(jìn)行時(shí)土體內(nèi)微結(jié)構(gòu)在不斷調(diào)整、糅合, 說(shuō)明改良紅黏土能起到維持承載, 改性材料優(yōu)化作用。

(3)由CT實(shí)時(shí)掃描圖片, 得出改良紅黏土樣在三軸壓縮試驗(yàn)各階段的微觀和宏觀裂隙擴(kuò)展規(guī)律為: 試驗(yàn)開(kāi)始, 土體內(nèi)微結(jié)構(gòu)的孔隙、裂隙逐漸壓密; 當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定時(shí), 土樣才有裂紋生成; 隨著應(yīng)力、應(yīng)變?cè)龃? 土樣逐漸破壞; 同時(shí), 以上擴(kuò)展規(guī)律與應(yīng)力-應(yīng)變曲線、CT參數(shù)演化分析的變化特征相對(duì)應(yīng)。

(4)以CT數(shù)來(lái)定義改良紅黏土損傷變量, 由原公式計(jì)算出的損傷變量不符合常規(guī)后, 繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)并引用相關(guān)學(xué)者的研究, 即通過(guò)曲線突變點(diǎn)找出初始損傷點(diǎn), 對(duì)損傷變量進(jìn)行修正。在改良紅黏土修正后的損傷變量與圍壓曲線變化研究表明, 圍壓對(duì)改良紅黏土樣的損傷有一定的約束和抑制作用, 圍壓越高, 損傷變量D越小。這個(gè)研究結(jié)果就能同時(shí)解釋結(jié)論(1)中的承載力和圍壓成正比關(guān)系, 因?yàn)閲鷫簩?duì)損傷有約束作用, 圍壓越大, 試樣越不容易破壞, 所以承載力大。

通過(guò)對(duì)原狀和改良紅黏土在宏觀、微觀等方面的對(duì)比研究中得出其變形破壞方式、顆粒間微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的異同點(diǎn), 并借助CT掃描儀器實(shí)時(shí)研究試樣在三軸壓縮試驗(yàn)的密度、孔隙、裂紋以及損傷等變化全過(guò)程, 從而更全面地了解三軸壓縮試驗(yàn)中試樣的不同變化特性。以上研究成果為紅黏土路基施工中存在的問(wèn)題提供一種解決方案, 通過(guò)改良紅黏土, 可減小其路基沉降量, 提高穩(wěn)定性。