不同加载速率条件下饱和重塑黏性土的微观变形特性试验研究*

郑 娟 伍 肖 赖秀英 陈 硕

(1.莆田学院土木工程学院，福建莆田 351100；2.台州市交通勘察设计院，浙江台州 318000；3.凯辉集团(福建)有限公司，福建莆田 351100)

土作为一种天然的多孔复杂介质，其微观孔隙分布的不规则性直接影响到土体宏观力学特性。因此，土的宏观变形特征由微细观孔隙变化决定。

在岩土研究领域，有关变形的研究在学科创立伊始便是广大学者关注的重要课题。随着科学技术的飞速发展，先进的测试技术使微细观机理研究成为可能。近些年来，核磁共振作为一种新兴的测试技术，广泛应用于物理学、化学、生物学、医学等领域，基于其快速无损测试样品的优势，其在岩土工程方面也得到了越来越多的关注。许多学者应用核磁共振技术在岩土工程领域开展了相关的研究工作[1-5]，但大多是以岩样作为研究对象。鉴于土性的复杂，目前核磁共振技术的应用更多地是集中在对冻土特性的研究[6-8]。土的复杂性增加了核磁共振技术推广的难度，但是该技术能对土样提供快速无损的检测，对土而言非常有意义，很适合微细观机理的研究，因而受到了很多学者的关注并开展了相当多的研究工作，取得了一些有指导性价值的成果。李彰明等对不同类型荷载水平及速率的淤泥土进行核磁共振水相测试，探索了超软土中结合水可转化为自由水的条件及规律[9]。田慧会等基于核磁共振技术，探讨了干密度、初始含水率和土样组分对压实黏质砂土脱湿过程的微观机制影响规律[10]。

在借鉴上述学者研究方法的基础上，尝试将核磁共振技术应用到对饱和重塑黏性土不同速率条件下固结过程的变形微细观研究中，将固结不同阶段对应的微细观孔隙响应直观描述出来，从微观角度为土的变形特征提供参考资料，同时也为核磁共振技术在岩土工程领域中的应用提供一些借鉴性的操作方法和分析思路。

1 试验仪器及方案

1.1 试验试样及试验设备

土样取自陕西礼泉某工地，天然密度为2.03 g/cm3，含水量为20%，抗剪强度指标c为17kPa，φ为26°。土样黏粒含量较多，含少量砂粒，属于级配不良的土。将取回的土风干、碾碎，过筛2 mm，以统一标准按静压法重塑成样，抽真空饱和。试样为标准圆柱形，直径为39.1 mm，高度为80 mm。

试验分两阶段进行，第一阶段采用美国GDS公司生产的全自动三轴应力-应变测试系统按应力控制方式以不同速率进行加载及保持不同时间的恒载。第二阶段是对前阶段加载试样的微细观结构进行核磁扫描。该阶段采用的是上海纽迈电子科技有限公司生产的 MacroMR12-150 H-Ⅰ核磁共振成像分析系统，该设备的主磁场为(0.3±0.05)T，射频脉冲频率为1.0～30 MHz，试验控温为18～25 ℃。

1.2 试验方案

通过核磁共振测试，可以将试样在不同加载阶段的细观微孔隙结构的变化过程用数据展示出来。具体试验步骤如下：

1)将处理好的土进行压实成样。按干密度为1.5 g/cm3计算干土质量，以30%含水量闷料24 h后，采用自制压实设备用液压千斤顶静压方法分8层进行压实成样。将制好的土样装入饱和器，抽真空饱和。

2)初步筛选饱和后质量相同的试样作为加载备选试样，质量误差控制在0.1 g。采用GDS设备按设计速率进行加载至同一应力水平400 kPa，之后保持恒载。将相同加载速率的试样按最大孔压值umax进行第二遍筛选。

3)将上步筛选的同一加载速率不同加载阶段的试样迅速进行第二阶段核磁共振测试(由于两设备放置在同一实验室，可在第一阶段结束后几分钟内完成第二阶段测试)，获取横向弛豫时间T2的分布曲线。

2 试验结果分析

2.1 饱和重塑黏性土不同加载速率的排水固结试验

试验设计为按不同加载速率加载至400 kPa，保持400 kPa恒载至孔压消散到不同程度。该阶段试验的实质是为核磁共振测试备样，目的是同一加载速率的试样组各试样的初始状态尽可能一致。为了达到该目的，进行了两次试样筛选。第一次筛选是试样抽真空饱和完毕，以土样的质量作为控制量。第二次筛选是加载进行中，以土样的孔压作为控制量，具体考察孔压最大值及孔压随加载时间的变化过程。最终得到符合筛选标准的试样共计32个。

为作对比分析，对试样进行不同速率加载。主要选取两组具有代表性的加载速率，40，0.8 kPa/min，分别标记为HS和SS。为考察土样不同阶段的微细观结构变化，HS组共4个试件，编号分别为HS-1、HS-2、HS-3、HS-4；以40 kPa/min的加载速率加载5，10，10 min并恒载55 min，再加载10 min并恒载850 min；SS组共4个试件，编号分别为SS-1、SS-2、SS-3、SS-4；以0.8 kPa/min速率加载，按加载200，500，500 min并恒载200 min，再加载500 min并恒载666 min。图1、2为加载速率为40，0.8 kPa/min的试样孔压随时间的变化过程。

图1 HS试样组孔压随时间变化过程

SS-1；SS-2；SS-3；SS-4。

可以看出：同一加载速率下不同加载阶段的各试样的孔压变化路径是基本一致的，能在一定程度上反映试样的初始状态相同。

2.2 试样在不同固结阶段的横向弛豫时间T2分布

核磁共振是物质内原子核被磁场磁化，对射频的一种响应现象。根据磁场强度的高低不同，核磁共振系统可分为低场系统(磁场强度小于0.5 T)、中场系统(磁场强度0.5～1.0 T)和高场系统(磁场强度大于1.0 T)。试验所用设备主磁场范围为(0.3±0.05)T，属于低场系统。低场核磁共振系统可以分析样品内部水的相态和分布情况，从而确定内部孔隙结构的分布特征[11]。

核磁共振中一个极其重要的物理量是弛豫，磁化矢量衰减的时间常数称为弛豫时间，按可能发生的驰豫过程又分为纵向驰豫时间T1及横向弛豫时间T2。岩石孔隙中的流体有三种弛豫机制：表面流体弛豫、分子自扩散弛豫、自由流体弛豫。其中流体自身弛豫和扩散弛豫相对于表面流体弛豫小很多，可忽略。对于T1、T2而言，两种弛豫均由表面弛豫决定。而T1所需的测量时间很长，因此在岩石核磁共振应用中广泛采用T2值进行分析[12]。

表面弛豫由介质比表面控制，介质比表面(介质中孔隙表面积S与孔隙体积V之比)越大，弛豫越强，反之亦然。表面弛豫时间T2可表示为:

(1)

式中:ρ2为T2表面弛豫强度。

可见，T2谱反映了试样的孔隙分布情况，孔径大小与谱峰位置相关，对应孔隙数量与峰面积大小相关。

简而言之，横向弛豫时间T2分布反映了孔隙尺寸信息，T2越小，代表孔径的孔隙越小，孔隙大，T2也大。图3为HS试样组在不同加载阶段的T2分布曲线。可见：该组试样初始状态T2谱曲线由两个谱峰组成：从左到右，第一谱峰孤立存在，弛豫时间T2较小，位于4.16 ms附近，视作小孔径孔隙；第2谱峰弛豫时间T2较大，位于147.8 ms附近，视作大孔径孔隙，两峰核磁共振信号强度差异较大，分析为土样级配不均匀导致。随着加载的进行，第一峰逐渐向左移动，且对应的峰值不断减小；第二峰总体微亦向左移动，在恒载足够长时间后消失。表明试样总体以小孔隙为主，加载过程中随着孔隙水不断排出，孔隙体积减小，与孔径大小正相关的弛豫时间T2逐渐降低。

初始；HS-1；HS-2；HS-3；HS-4。

图4为SS试样组在不同加载阶段的T2分布曲线。该组土样的初始状态T2谱曲线也由两个谱峰组成，与HS试样组相比孔径连续性较好。随着加载的进行，代表小孔径孔隙的第一峰逐渐左移，代表大孔径孔隙的第二峰亦逐渐左移并最终消失，总体规律与快速加载时一致。

初始；HS-1；HS-2；HS-3；HS-4。

2.3 试样在不同固结阶段的T2谱面积分析

核磁共振技术探测的是介质孔隙内的流体。核磁共振谱面积与试样中所含流体的量成正比[13]。T2谱曲线峰值面积(简称“谱面积”)与孔隙数量多少及孔隙度大小正相关。表1所示为HS试样组的T2“谱面积”变化及每个峰所占比例。

表1 HS试样组加载不同阶段的核磁共振“谱面积”分布

可以看到：试样组HS各不同加载阶段试样的核磁共振“谱面积”均随着加载的进行而逐渐减小，说明随着加载的进行孔隙体积减小了。两峰的分布比例逐渐向第一峰转移，说明加载的进行使得较大孔径孔隙逐渐排水闭合，最终变为小孔径孔隙。从图3中第二峰的放大图结合表1数据发现：加载至5，10 min时，两峰面积百分比变化不明显，恒载55 min后第二峰面积缩减明显，恒载850 min后，大孔径孔隙消失，变为更致密小孔径(T2峰左移)。

图5为试样HS-3孔压与时间的关系曲线，可见加载10 min孔压急剧上升至238.9 kPa，恒载55 min后孔压降至120 kPa，分析两峰谱面积变化的原因可能由排水滞后现象导致：加载速率过快使得排水速率相对较慢，恒载后孔压开始消散，排水路径逐渐通畅，最终两峰汇为一峰，大孔径孔隙消失。

图5 试样HS-3孔压与时间的关系曲线

图4所示试样加载速率为0.8 kPa/min，为设计方案中的慢速加载。加载至400 kPa过程中该试样“谱面积”减小较HS试样组明显，参照图6的HS试样组与SS试样组孔压对比曲线不难发现，SS试样组加载过程孔压上升缓慢，试样排水较为顺畅。同时，HS试样组和SS试样组在恒载足够长时间后最终形态极为相似，在一定程度上说明加载速率的快慢只对土样的中间状态产生影响，最终状态由试样初始性态决定。

SS-4; HS-4。

3 结束语

1)试验所用饱和重塑黏性土试样初始状态为两谱峰，分别代表大小孔径的孔隙，随着加载的进行，两峰均向左移动且峰值下降，说明加载过程随着孔隙水的不断排出，孔隙体积随之减小。恒载足够长时间后，大孔径孔隙逐渐排水闭合，T2曲线谱变为单峰，土样最终变成致密均匀的小孔径孔隙。

2)快速加载试样组在加载初期，受排水滞后的影响，其T2曲线谱的变化趋势不明显。但在恒载足够长时间后，与加载较慢试样组的T2曲线谱最终形态极为相似，说明加载速率的快慢只对土样的中间状态产生影响，最终状态由试样初始性态决定。