鄭 娟 伍 肖 賴(lài)秀英 陳 碩

(1.莆田學(xué)院土木工程學(xué)院，福建莆田 351100；2.臺(tái)州市交通勘察設(shè)計(jì)院，浙江臺(tái)州 318000；3.凱輝集團(tuán)(福建)有限公司，福建莆田 351100)

土作為一種天然的多孔復(fù)雜介質(zhì)，其微觀孔隙分布的不規(guī)則性直接影響到土體宏觀力學(xué)特性。因此，土的宏觀變形特征由微細(xì)觀孔隙變化決定。

在巖土研究領(lǐng)域，有關(guān)變形的研究在學(xué)科創(chuàng)立伊始便是廣大學(xué)者關(guān)注的重要課題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)使微細(xì)觀機(jī)理研究成為可能。近些年來(lái)，核磁共振作為一種新興的測(cè)試技術(shù)，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，基于其快速無(wú)損測(cè)試樣品的優(yōu)勢(shì)，其在巖土工程方面也得到了越來(lái)越多的關(guān)注。許多學(xué)者應(yīng)用核磁共振技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[1-5]，但大多是以巖樣作為研究對(duì)象。鑒于土性的復(fù)雜，目前核磁共振技術(shù)的應(yīng)用更多地是集中在對(duì)凍土特性的研究[6-8]。土的復(fù)雜性增加了核磁共振技術(shù)推廣的難度，但是該技術(shù)能對(duì)土樣提供快速無(wú)損的檢測(cè)，對(duì)土而言非常有意義，很適合微細(xì)觀機(jī)理的研究，因而受到了很多學(xué)者的關(guān)注并開(kāi)展了相當(dāng)多的研究工作，取得了一些有指導(dǎo)性價(jià)值的成果。李彰明等對(duì)不同類(lèi)型荷載水平及速率的淤泥土進(jìn)行核磁共振水相測(cè)試，探索了超軟土中結(jié)合水可轉(zhuǎn)化為自由水的條件及規(guī)律[9]。田慧會(huì)等基于核磁共振技術(shù)，探討了干密度、初始含水率和土樣組分對(duì)壓實(shí)黏質(zhì)砂土脫濕過(guò)程的微觀機(jī)制影響規(guī)律[10]。

在借鑒上述學(xué)者研究方法的基礎(chǔ)上，嘗試將核磁共振技術(shù)應(yīng)用到對(duì)飽和重塑黏性土不同速率條件下固結(jié)過(guò)程的變形微細(xì)觀研究中，將固結(jié)不同階段對(duì)應(yīng)的微細(xì)觀孔隙響應(yīng)直觀描述出來(lái)，從微觀角度為土的變形特征提供參考資料，同時(shí)也為核磁共振技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用提供一些借鑒性的操作方法和分析思路。

1 試驗(yàn)儀器及方案

1.1 試驗(yàn)試樣及試驗(yàn)設(shè)備

土樣取自陜西禮泉某工地，天然密度為2.03 g/cm3，含水量為20%，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c為17kPa，φ為26°。土樣黏粒含量較多，含少量砂粒，屬于級(jí)配不良的土。將取回的土風(fēng)干、碾碎，過(guò)篩2 mm，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)按靜壓法重塑成樣，抽真空飽和。試樣為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形，直徑為39.1 mm，高度為80 mm。

試驗(yàn)分兩階段進(jìn)行，第一階段采用美國(guó)GDS公司生產(chǎn)的全自動(dòng)三軸應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)按應(yīng)力控制方式以不同速率進(jìn)行加載及保持不同時(shí)間的恒載。第二階段是對(duì)前階段加載試樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行核磁掃描。該階段采用的是上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的 MacroMR12-150 H-Ⅰ核磁共振成像分析系統(tǒng)，該設(shè)備的主磁場(chǎng)為(0.3±0.05)T，射頻脈沖頻率為1.0～30 MHz，試驗(yàn)控溫為18～25 ℃。

1.2 試驗(yàn)方案

通過(guò)核磁共振測(cè)試，可以將試樣在不同加載階段的細(xì)觀微孔隙結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程用數(shù)據(jù)展示出來(lái)。具體試驗(yàn)步驟如下：

1)將處理好的土進(jìn)行壓實(shí)成樣。按干密度為1.5 g/cm3計(jì)算干土質(zhì)量，以30%含水量悶料24 h后，采用自制壓實(shí)設(shè)備用液壓千斤頂靜壓方法分8層進(jìn)行壓實(shí)成樣。將制好的土樣裝入飽和器，抽真空飽和。

2)初步篩選飽和后質(zhì)量相同的試樣作為加載備選試樣，質(zhì)量誤差控制在0.1 g。采用GDS設(shè)備按設(shè)計(jì)速率進(jìn)行加載至同一應(yīng)力水平400 kPa，之后保持恒載。將相同加載速率的試樣按最大孔壓值umax進(jìn)行第二遍篩選。

3)將上步篩選的同一加載速率不同加載階段的試樣迅速進(jìn)行第二階段核磁共振測(cè)試(由于兩設(shè)備放置在同一實(shí)驗(yàn)室，可在第一階段結(jié)束后幾分鐘內(nèi)完成第二階段測(cè)試)，獲取橫向弛豫時(shí)間T2的分布曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 飽和重塑黏性土不同加載速率的排水固結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為按不同加載速率加載至400 kPa，保持400 kPa恒載至孔壓消散到不同程度。該階段試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是為核磁共振測(cè)試備樣，目的是同一加載速率的試樣組各試樣的初始狀態(tài)盡可能一致。為了達(dá)到該目的，進(jìn)行了兩次試樣篩選。第一次篩選是試樣抽真空飽和完畢，以土樣的質(zhì)量作為控制量。第二次篩選是加載進(jìn)行中，以土樣的孔壓作為控制量，具體考察孔壓最大值及孔壓隨加載時(shí)間的變化過(guò)程。最終得到符合篩選標(biāo)準(zhǔn)的試樣共計(jì)32個(gè)。

為作對(duì)比分析，對(duì)試樣進(jìn)行不同速率加載。主要選取兩組具有代表性的加載速率，40，0.8 kPa/min，分別標(biāo)記為HS和SS。為考察土樣不同階段的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，HS組共4個(gè)試件，編號(hào)分別為HS-1、HS-2、HS-3、HS-4；以40 kPa/min的加載速率加載5，10，10 min并恒載55 min，再加載10 min并恒載850 min；SS組共4個(gè)試件，編號(hào)分別為SS-1、SS-2、SS-3、SS-4；以0.8 kPa/min速率加載，按加載200，500，500 min并恒載200 min，再加載500 min并恒載666 min。圖1、2為加載速率為40，0.8 kPa/min的試樣孔壓隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖1 HS試樣組孔壓隨時(shí)間變化過(guò)程

SS-1；SS-2；SS-3；SS-4。

可以看出：同一加載速率下不同加載階段的各試樣的孔壓變化路徑是基本一致的，能在一定程度上反映試樣的初始狀態(tài)相同。

2.2 試樣在不同固結(jié)階段的橫向弛豫時(shí)間T2分布

核磁共振是物質(zhì)內(nèi)原子核被磁場(chǎng)磁化，對(duì)射頻的一種響應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低不同，核磁共振系統(tǒng)可分為低場(chǎng)系統(tǒng)(磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.5 T)、中場(chǎng)系統(tǒng)(磁場(chǎng)強(qiáng)度0.5～1.0 T)和高場(chǎng)系統(tǒng)(磁場(chǎng)強(qiáng)度大于1.0 T)。試驗(yàn)所用設(shè)備主磁場(chǎng)范圍為(0.3±0.05)T，屬于低場(chǎng)系統(tǒng)。低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)可以分析樣品內(nèi)部水的相態(tài)和分布情況，從而確定內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征[11]。

核磁共振中一個(gè)極其重要的物理量是弛豫，磁化矢量衰減的時(shí)間常數(shù)稱(chēng)為弛豫時(shí)間，按可能發(fā)生的馳豫過(guò)程又分為縱向馳豫時(shí)間T1及橫向弛豫時(shí)間T2。巖石孔隙中的流體有三種弛豫機(jī)制：表面流體弛豫、分子自擴(kuò)散弛豫、自由流體弛豫。其中流體自身弛豫和擴(kuò)散弛豫相對(duì)于表面流體弛豫小很多，可忽略。對(duì)于T1、T2而言，兩種弛豫均由表面弛豫決定。而T1所需的測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)，因此在巖石核磁共振應(yīng)用中廣泛采用T2值進(jìn)行分析[12]。

表面弛豫由介質(zhì)比表面控制，介質(zhì)比表面(介質(zhì)中孔隙表面積S與孔隙體積V之比)越大，弛豫越強(qiáng)，反之亦然。表面弛豫時(shí)間T2可表示為:

(1)

式中:ρ2為T(mén)2表面弛豫強(qiáng)度。

可見(jiàn)，T2譜反映了試樣的孔隙分布情況，孔徑大小與譜峰位置相關(guān)，對(duì)應(yīng)孔隙數(shù)量與峰面積大小相關(guān)。

簡(jiǎn)而言之，橫向弛豫時(shí)間T2分布反映了孔隙尺寸信息，T2越小，代表孔徑的孔隙越小，孔隙大，T2也大。圖3為HS試樣組在不同加載階段的T2分布曲線?？梢?jiàn)：該組試樣初始狀態(tài)T2譜曲線由兩個(gè)譜峰組成：從左到右，第一譜峰孤立存在，弛豫時(shí)間T2較小，位于4.16 ms附近，視作小孔徑孔隙；第2譜峰弛豫時(shí)間T2較大，位于147.8 ms附近，視作大孔徑孔隙，兩峰核磁共振信號(hào)強(qiáng)度差異較大，分析為土樣級(jí)配不均勻?qū)е?。隨著加載的進(jìn)行，第一峰逐漸向左移動(dòng)，且對(duì)應(yīng)的峰值不斷減?。坏诙蹇傮w微亦向左移動(dòng)，在恒載足夠長(zhǎng)時(shí)間后消失。表明試樣總體以小孔隙為主，加載過(guò)程中隨著孔隙水不斷排出，孔隙體積減小，與孔徑大小正相關(guān)的弛豫時(shí)間T2逐漸降低。

初始；HS-1；HS-2；HS-3；HS-4。

圖4為SS試樣組在不同加載階段的T2分布曲線。該組土樣的初始狀態(tài)T2譜曲線也由兩個(gè)譜峰組成，與HS試樣組相比孔徑連續(xù)性較好。隨著加載的進(jìn)行，代表小孔徑孔隙的第一峰逐漸左移，代表大孔徑孔隙的第二峰亦逐漸左移并最終消失，總體規(guī)律與快速加載時(shí)一致。

初始；HS-1；HS-2；HS-3；HS-4。

2.3 試樣在不同固結(jié)階段的T2譜面積分析

核磁共振技術(shù)探測(cè)的是介質(zhì)孔隙內(nèi)的流體。核磁共振譜面積與試樣中所含流體的量成正比[13]。T2譜曲線峰值面積(簡(jiǎn)稱(chēng)“譜面積”)與孔隙數(shù)量多少及孔隙度大小正相關(guān)。表1所示為HS試樣組的T2“譜面積”變化及每個(gè)峰所占比例。

表1 HS試樣組加載不同階段的核磁共振“譜面積”分布

可以看到：試樣組HS各不同加載階段試樣的核磁共振“譜面積”均隨著加載的進(jìn)行而逐漸減小，說(shuō)明隨著加載的進(jìn)行孔隙體積減小了。兩峰的分布比例逐漸向第一峰轉(zhuǎn)移，說(shuō)明加載的進(jìn)行使得較大孔徑孔隙逐漸排水閉合，最終變?yōu)樾】讖娇紫?。從圖3中第二峰的放大圖結(jié)合表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：加載至5，10 min時(shí)，兩峰面積百分比變化不明顯，恒載55 min后第二峰面積縮減明顯，恒載850 min后，大孔徑孔隙消失，變?yōu)楦旅苄】讖?T2峰左移)。

圖5為試樣HS-3孔壓與時(shí)間的關(guān)系曲線，可見(jiàn)加載10 min孔壓急劇上升至238.9 kPa，恒載55 min后孔壓降至120 kPa，分析兩峰譜面積變化的原因可能由排水滯后現(xiàn)象導(dǎo)致：加載速率過(guò)快使得排水速率相對(duì)較慢，恒載后孔壓開(kāi)始消散，排水路徑逐漸通暢，最終兩峰匯為一峰，大孔徑孔隙消失。

圖5 試樣HS-3孔壓與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4所示試樣加載速率為0.8 kPa/min，為設(shè)計(jì)方案中的慢速加載。加載至400 kPa過(guò)程中該試樣“譜面積”減小較HS試樣組明顯，參照?qǐng)D6的HS試樣組與SS試樣組孔壓對(duì)比曲線不難發(fā)現(xiàn)，SS試樣組加載過(guò)程孔壓上升緩慢，試樣排水較為順暢。同時(shí)，HS試樣組和SS試樣組在恒載足夠長(zhǎng)時(shí)間后最終形態(tài)極為相似，在一定程度上說(shuō)明加載速率的快慢只對(duì)土樣的中間狀態(tài)產(chǎn)生影響，最終狀態(tài)由試樣初始性態(tài)決定。

SS-4; HS-4。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)試驗(yàn)所用飽和重塑黏性土試樣初始狀態(tài)為兩譜峰，分別代表大小孔徑的孔隙，隨著加載的進(jìn)行，兩峰均向左移動(dòng)且峰值下降，說(shuō)明加載過(guò)程隨著孔隙水的不斷排出，孔隙體積隨之減小。恒載足夠長(zhǎng)時(shí)間后，大孔徑孔隙逐漸排水閉合，T2曲線譜變?yōu)閱畏澹翗幼罱K變成致密均勻的小孔徑孔隙。

2)快速加載試樣組在加載初期，受排水滯后的影響，其T2曲線譜的變化趨勢(shì)不明顯。但在恒載足夠長(zhǎng)時(shí)間后，與加載較慢試樣組的T2曲線譜最終形態(tài)極為相似，說(shuō)明加載速率的快慢只對(duì)土樣的中間狀態(tài)產(chǎn)生影響，最終狀態(tài)由試樣初始性態(tài)決定。