原狀膨脹土損傷演化的三軸CT試驗(yàn)研究

1、原狀膨脹土損傷演化的三軸CT試驗(yàn)研究         06-02-23 17:23:00     作者：盧再華1 陳正漢1,    編輯：studa9ngns摘要：本文利用和計(jì)算機(jī)斷面成像CT機(jī)配套使用的非飽和土三軸儀，對(duì)非飽和原狀膨脹土在三軸剪切試驗(yàn)過(guò)程內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)、定量和無(wú)損地量測(cè)，得到了土樣內(nèi)部損傷結(jié)構(gòu)演化的清晰的CT圖像和相應(yīng)的CT數(shù)據(jù).試驗(yàn)結(jié)果表明：原狀膨脹士?jī)?nèi)部存在裂紋、空洞、裂隙面和軟弱面等結(jié)構(gòu)缺陷，初始損傷程

2、度較大；剪切引起的損傷演化明顯，且土樣所受的吸力和凈圍壓均對(duì)損傷演化有影響；原狀膨脹土在吸力和凈圍壓較低時(shí)的剪脹和軟化特性主要是由于結(jié)構(gòu)損傷的演化引起. 關(guān)鍵詞：非飽和士 膨脹土 三軸剪切試驗(yàn) CT技術(shù) 損傷  原狀膨脹土的結(jié)構(gòu)特征顯著，既有地質(zhì)界面、軟弱層面和斷裂面等宏觀結(jié)構(gòu)，也存在微孔隙、微裂紋和裂隙等微觀結(jié)構(gòu)1.這些大小不一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將土體層層分割，破壞了膨脹土的完整性，導(dǎo)致其工程性質(zhì)惡化.對(duì)于原狀膨脹土的本構(gòu)模型，裂隙等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響不容忽視.連續(xù)損傷力學(xué)將材料劃分為可經(jīng)受彈性、塑性和裂隙損傷演變的力學(xué)單元，再按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法來(lái)描述損傷材料的性態(tài)2，在節(jié)理巖體等多裂隙材料

3、中獲得廣泛應(yīng)用3.確定損傷變量，建立損傷演化方程是連續(xù)損傷力學(xué)的主要內(nèi)容，定量地觀測(cè)裂隙等缺陷發(fā)育程度和演化過(guò)程的試驗(yàn)研究則是分析的基礎(chǔ).計(jì)算機(jī)斷面成像技術(shù)（CT技術(shù)）可以動(dòng)態(tài)、定量和無(wú)損地量測(cè)巖土材料在受力過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，國(guó)內(nèi)已有不少研究成果48.但其中對(duì)土進(jìn)行的單軸或三軸CT試驗(yàn)均在壓力很大的液壓式巖石試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，且基本上沒(méi)有量測(cè)試驗(yàn)時(shí)土樣的水量變化和體積變化，而水量變化和體變是土的本構(gòu)模型的重要內(nèi)容.膨脹土濕脹干縮變形較大，水分的影響必須考慮.本文利用CT技術(shù)，在對(duì)原狀膨脹土進(jìn)行非飽和三軸剪切試驗(yàn)的同時(shí)，研究土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷演化過(guò)程，為建立考慮裂隙影響的原狀膨脹土的損傷本構(gòu)關(guān)

4、系提供依據(jù).1 試驗(yàn)概況1.1試驗(yàn)設(shè)備與土樣 通過(guò)改進(jìn)已有的非飽和土三軸儀9，作者成功地實(shí)現(xiàn)了其與CT機(jī)的配套使用.研制成的非飽和土CT-三軸儀，可以進(jìn)行多種非飽和三軸試驗(yàn)，量測(cè)圍壓、氣壓、體變、排水、軸向位移和軸向壓力等參數(shù).在進(jìn)行三軸試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行CT掃描，即時(shí)獲得試樣各個(gè)斷面的圖像和CT數(shù)據(jù)資料10.試驗(yàn)用土取自南陽(yáng)市靳崗村，探井位于南水北調(diào)中線方案的渠線上.用原狀樣制樣器制成高度80mm、直徑39.1mm的原狀試樣.1.2試驗(yàn)方案 在非飽和土三軸壓力室內(nèi)，先將制備的原狀膨脹土樣進(jìn)行一定吸力下的等壓固結(jié).待變形和排水穩(wěn)定后進(jìn)行控制吸力和凈室壓力為常數(shù)的三軸排水剪切試驗(yàn).剪切速率0.015

5、mm/min.剪切前先對(duì)試樣進(jìn)行一次CT掃描.每次掃描兩個(gè)斷面，分別位于距土樣頂端0.3h和0.7h處(h為土樣高度).剪切時(shí)根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線情況決定掃描時(shí)刻，并按軸向位移調(diào)整掃描位置，對(duì)斷面進(jìn)行跟蹤掃描.CT機(jī)的掃描參數(shù)如下：電壓120kv,電流15mA,時(shí)間2s，層厚3mm，放大系數(shù)10.0,間距32mm,中心坐標(biāo)(x,y)=(-2,-83).共做了2組原狀樣剪切試驗(yàn)，每組3個(gè)試樣.剪切前試樣的初始條件及試驗(yàn)參數(shù)如表1所示.表1 剪切前試樣的初始條件及試驗(yàn)參數(shù)2 CT圖像及損傷演化分析表2是6個(gè)試樣各次掃描對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài).每個(gè)試樣共進(jìn)行6次掃描，a為剪切前的初次掃描，隨剪切進(jìn)行，掃

6、描次序由b到f.表2 各次掃描對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)圖1是剪切前吸力和凈圍壓均較低的2號(hào)試樣在剪切過(guò)程中不同時(shí)刻的CT圖像，斷面1的初次掃描標(biāo)記為1a，其余類推.由剪切前兩個(gè)斷面的CT圖1a、2a可見，土樣斷面上存在有微孔隙、微裂紋（矩形框內(nèi)所示）和裂紋（正方形框內(nèi)所示）及空洞，初始損傷明顯.比較兩個(gè)斷面不同掃描時(shí)刻的圖像，可見隨剪切進(jìn)行微孔隙、微裂紋和裂紋的變化不大；但空洞和裂隙逐漸發(fā)育并開展為破壞面，損傷演化顯著.剪切到殘余狀態(tài)后的斷面1存在4條斷裂面（1f圖中細(xì)線示意的、），斷面2(2f圖）存在1條斷裂面.分析這些斷裂面的形成過(guò)程如下：觀察斷裂面的演化過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，剪切前的形成位置存在一些孤

7、立鏈狀分布的空洞，該空洞鏈（1a中用細(xì)線示意）應(yīng)是原狀樣內(nèi)部的裂隙面或軟弱面在CT圖上的反映.隨剪切進(jìn)行，空洞邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，空洞逐漸擴(kuò)大并連成一體.1c圖中空洞鏈已基本發(fā)展為斷裂面，土體強(qiáng)度相應(yīng)達(dá)到峰值，隨后斷裂面不斷開展.斷裂面的形成位置在1a圖中無(wú)任何跡象，在1b圖中萌生出一條裂隙，1c圖中裂隙延長(zhǎng)并初步和連通.到1d后，隨斷裂面的形成而急劇開展成斷裂面.斷裂面直到形成后才出現(xiàn)裂隙，在1e圖中該裂隙延長(zhǎng)和貫通，到1f開展為斷裂面.斷裂面在剪切前的1a圖中即存在一個(gè)較大空洞，加上位于土樣邊緣，隨剪切進(jìn)行在1d圖中裂隙形成.斷裂面在前3次掃描圖中均無(wú)跡象，第4次掃描時(shí)已形成斷裂面，根據(jù)其角

8、度和平行分析，應(yīng)是在土樣軸向的延伸.圖1 2號(hào)原狀樣在剪切過(guò)程中不同時(shí)刻的CT圖像圖2是1號(hào)試樣在剪切過(guò)程中不同時(shí)刻的CT圖像.由1a、2a可見其空洞較多，初始損傷比2號(hào)試樣大.第2次掃描圖像的結(jié)構(gòu)性變化不大.第3次掃描時(shí)，位置較孤立的空洞有所彌合，較鄰近的空洞則擴(kuò)大并相互連通成空洞鏈（2c中細(xì)線示意）.第4次掃描的2d圖中，破裂面已基本形成.隨后破裂面開展，土樣破壞.1e圖中的斷裂面方向和2d中的破裂面平行，應(yīng)是2d中破裂面在土樣軸向的延伸.該破裂面并未由1d中非常明顯的空洞帶（細(xì)線區(qū)域）引起，說(shuō)明土樣中破裂面的形成具有一定的隨機(jī)性.另外，雖然1號(hào)試樣的初始損傷較2號(hào)試樣大，破裂面數(shù)量卻明顯

9、少于2號(hào)試樣.這是由于1號(hào)試樣剪切時(shí)的圍壓相對(duì)較大，限制了裂隙的發(fā)育和開展.圖3是剪切前吸力和凈圍壓均較高的5號(hào)試樣在剪切過(guò)程中不同時(shí)刻的CT圖像.剪切破壞后兩個(gè)斷面共形成3個(gè)破裂面（、），且均在初始掃描圖像中有明顯征兆.2a圖中存在兩條原生裂隙，1a圖中為兩個(gè)較大的空洞和兩個(gè)小姜石（圖中的高密度亮點(diǎn)）構(gòu)成的缺陷區(qū).上述缺陷隨剪切進(jìn)行逐漸發(fā)育，最后形成破裂面.1d和2d圖中破裂面已經(jīng)形成，土樣斷面分別被分割成2塊和3塊.但和2號(hào)試樣個(gè)同，破裂面并未充分開展和連通，2f圖中破裂面反而有所閉合，此時(shí)破裂面處的土仍可承受一定荷載.因此和巖石、混凝土等脆性材料不同，土體中的完全破損區(qū)域也不能視為不受力

10、.沈珠江和Desai分別通過(guò)復(fù)合體損傷模型和擾動(dòng)狀態(tài)考慮了完全破損區(qū)域土的受力能力1112.比較2號(hào)和5號(hào)試樣剪切前的固結(jié)條件，可見5號(hào)試樣剪切時(shí)的吸力較大，相應(yīng)土樣的含水量較低，裂隙面上的水分較少，因此剪切時(shí)沿裂隙面的滑動(dòng)困難，裂隙不易充分開展.限于篇幅，本文僅列出上述3個(gè)原狀樣的掃描圖像，其余土樣也表現(xiàn)出類似的結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律，詳見文獻(xiàn)13.可以看出：原狀膨脹土內(nèi)部存在微孔隙、微裂紋、裂紋、空洞、原生裂隙面和軟弱面及姜石等結(jié)構(gòu)缺陷，初始損傷較大；剪切過(guò)程中土樣內(nèi)部的微孔隙、微裂紋和裂紋的變化不大；土樣的破裂面主要由原生裂隙面或軟弱面（2號(hào)試樣）、位置鄰近的空洞（1號(hào)試樣）和原生裂隙（5號(hào)試

11、樣）引起；剪切引起的損傷演化非常明顯，且剪切時(shí)土樣的吸力和凈圍壓均對(duì)損傷演化有影響.圖2 1號(hào)原狀樣在剪切過(guò)程中不同時(shí)刻的CT圖像圖3 5號(hào)原狀樣在剪切過(guò)程中不同時(shí)刻的CT圖像     06-02-23 17:23:00     作者：盧再華1 陳正漢1,    編輯：studa9ngns3 CT數(shù)據(jù)及剪切試驗(yàn)結(jié)果分析6個(gè)試樣在剪切過(guò)程中不同掃描時(shí)刻的CT數(shù)據(jù)見表3，ME1、ME2的腳標(biāo)表示掃描斷面位置.表中ME值反映斷面上所有物質(zhì)點(diǎn)的平均密度；SD值反映斷面上物質(zhì)點(diǎn)密度的差

12、異程度.隨土體內(nèi)部缺陷發(fā)育程度增加，ME值將減小，SD值則增大.表3 原狀樣CT試驗(yàn)數(shù)據(jù)剪切前和剪切過(guò)程中，每個(gè)試樣兩個(gè)斷面的ME和SD不同，反映了原狀膨脹土的初始損傷和損傷演化均具有空間分布不均勻性.比較6個(gè)試樣的CT數(shù)ME和方差SD的變化幅度可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)試樣的損傷演化最為顯著.該試樣1斷面最后的SD值接近為初始值的7倍，而ME值僅減小了9.8%，說(shuō)明方差SD對(duì)土樣斷面結(jié)構(gòu)性變化更為敏感.6個(gè)原狀膨脹土試樣兩個(gè)斷面的平均ME和平均SD隨偏應(yīng)變s的變化曲線如圖4和圖5所示.各個(gè)試樣剪切前的ME和SD值相差較大，表明原狀膨脹土初始損傷的離散性較大.隨剪切進(jìn)行，6個(gè)試樣的ME值總體上減小，SD值

13、則增大.說(shuō)明土樣斷面的平均密度減小，密度差異程度增強(qiáng)，這和CT圖像中顯示的土樣裂隙逐漸發(fā)育、開展和破裂面產(chǎn)生是一致的.6個(gè)試樣的ME和SD變化曲線雖然比較離散，但仍有一定的規(guī)律.相同吸力下的每組試樣，隨圍壓增大ME和SD的變化趨勢(shì)減緩；相同圍壓下隨吸力增加ME和SD的變化幅度亦減小.這是因?yàn)閲鷫涸龃蠛?，土樣裂隙的發(fā)育受到限制，破裂面難于開展.吸力增大導(dǎo)致土樣含水量減小，尤其裂隙面上的水分減少，剪切時(shí)沿裂隙面的滑動(dòng)困難，當(dāng)圍壓也較大時(shí)裂隙面容易閉合.圖5中圍壓和吸力均較大的6號(hào)試樣的方差不斷減小，從表3中也可看出斷面2的SD從初始值106.3減小到63.7，表明此時(shí)土樣的損傷程度反而在不斷減小.這和圖6、圖7中6號(hào)試樣的剪應(yīng)力逐漸增加，體積基本上不斷減小的宏觀力學(xué)特征是吻合的.在圖6和圖7中，圍壓和吸力均較小的2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)試樣的剪應(yīng)力先增加后減小，體積先減小后增大，表現(xiàn)出一定的軟化和剪脹特性.圖4、圖5中這3個(gè)試樣的ME和SD的變化也相對(duì)較劇烈，裂隙和破裂面引起的土體損傷程度較大.這說(shuō)明原狀膨脹土在剪切過(guò)程中的剪脹和軟化的宏觀力學(xué)特性主要是由于損傷結(jié)構(gòu)的演化引起.換言之，土體強(qiáng)度和變形的宏觀規(guī)律和其微觀結(jié)構(gòu)是直接相關(guān)的，通過(guò)微觀的試驗(yàn)研究，可以更清楚地認(rèn)識(shí)宏觀的機(jī)理.圖4 平均ME隨偏應(yīng)變s的變化曲線圖5 平均SD隨偏應(yīng)變s的變化曲線圖6 原狀膨脹土