均匀收缩体内部干化裂隙的试验技术

土体裂隙的形成和发展过程是非常复杂的，有必要深入研究蒸发过程中水分在孔隙中的迁移扩散特征、水分场的空间动态分布特征及水-土微观作用机制（孙文静等，2017）。

近年来，随着扫描电镜SEM技术（Komine和Ogata，1999；Monroy等，2010）、压汞MIP技术（Delage和Lefebvre，1984；Simms和Yanful，2001；Delage等，2011；Wang等，2013）、计算机断层扫描CT技术（陈正汉等，2001；党发宁等，2005；方祥位等，2008；程展林等，2011）等微观测试方法的逐渐成熟，土体微观结构的研究逐步受到关注。许多试验结果表明，通过压汞试验（MIP）量测土体孔隙尺寸分布（PSD）的方法是一种有效的微观结构测试方法。

Sun和Cui（2017）对黏粒含量为36.6%的Jossigny粉土泥浆样进行无宏观裂缝出现的慢速干化试验，对干化至不同目标含水率的试样进行压汞试验，获得其孔径分布曲线，系统地研究了干化过程中粉土微观结构的演变规律，分析微观裂隙的形成及发展机制。

3.3.2.1　土样的制备方法

将Jossigny粉土烘干、磨碎，通过400μm筛。加蒸馏水制成1.5倍液限泥浆样，密封、静置8h，使水分均匀。然后将泥浆样倒入小容器中，如图3.37（a）所示，轻拍使气泡跑出。之后在空气中干化至6组不同的目标含水率。为了验证试验的可重复性，每一个目标含水率准备3个平行样。图3.37（b）为试样干化过程中的照片。在本次试验的试样制备中避免宏观裂隙的出现是非常重要的，需严格控制试样在空气中的气干时间，每次晾干30min后需再次密封数个小时，使试样内部水分逐渐扩散到干燥的表面，避免干燥过快使整个试样的水分不均匀而产生宏观上的表面大裂缝。

图3.37　试样的制备

3.3.2.2　含水率、孔隙比及微观孔隙的测试

试样干化至6组不同的目标含水率后，将试样取出，切成3个小块。一块用烘干法测含水率，一块利用阿基米德浮力原理测量土块体积，另一块放入液氮中冻干，用于压汞试验测微观孔隙结构。

在测量土块体积时，采用的浸没液体为一种非浸润性的芳香族化合物（Kerdane Oil）。先将土块在Kerdane液体中预先浸润15min，使液体进入土块表面的气泡，取出后拭去土块表面多余的液体，然后应用阿基米德排液法测体积。具体操作步骤可参照附录A：不规则形状土样体积量测方法。随后再结合测得的含水率即可计算得出6组目标含水率试样的孔隙比和饱和度。

压汞试验前需要用液氮冻干法来干燥土样，相对其他干燥方法，液氮冻干对土样的微观结构损伤较小，微观结构基本可以保持。将土块（平均直径2～3mm）先在低压液氮环境中快速冻结，然后在负压下使土中水直接升华，24～36h后得到干燥的土块（Delage和Lefebvre，1984）。土块冻干后，使用Micromeritics公司生产的AutoporeⅣ9500压汞仪进行微观孔隙测试，可测量的孔隙直径范围为5.5nm～363.6μm，压力范围为3.4kPa～227.5MPa。具体操作步骤可参照附录B：压汞（MIP）测试方法。

3.3.2.3　收缩曲线

如图3.38所示反映了6组不同干化状态试样的孔隙比与饱和度随含水率的变化规律。通常将收缩曲线分为两个区域，以缩限ws为界，然而结合Sr-w与e-w这两个关系，可将Jossigny粉土的收缩曲线细分为正常收缩、残余收缩和极限收缩三个阶段。正常收缩阶段，土体孔隙比变化量与含水率的减小成正比，饱和度基本上保持为100%，收缩曲线与图中虚线所示的饱和状态线（Sr＝100%，e＝Gsw，Gs为颗粒比重）重合，体积收缩量与失水体积相等。随着含水率继续降低至wae，wae为与进气值相对应的含水率，收缩曲线斜率开始降低，空气开始进入土中孔隙，饱和度开始下降，干化达到残余收缩阶段。当w降低到缩限ws，试样几乎达到最密实状态，随w的降低，e几乎保持不变，收缩曲线达到极限收缩阶段，也称为零收缩阶段。6组不同干化状态试样，No.①～No.③试样为正常收缩阶段，No.④试样处于残余收缩阶段，No.⑤和No.⑥试样处于极限收缩阶段。No.③试样处于饱和至非饱和状态的过渡阶段。

图3.38　Jossigny粉土的收缩曲线

3.3.2.4　干化过程中微观测试结果及分析

对6组不同目标含水率试样进行压汞试验，得到不同目标干化状态下试样的孔径分布，如图3.39所示。

图3.39（a）为累积进汞曲线，显示了进汞孔隙比eMIP与对应的孔径d在半对数坐标中的关系，可以观测到，随着干化的发展，最大进汞量eMIPmax逐渐减小，当含水率降低到缩限后（w＜ws），eMIPmax保持不变，即此阶段含水率的继续减小不会引起体积减小。(www.xing528.com)

图3.39（b）表示试样在不同含水率下的孔径分布曲线（PSD），可以看出，6组试样的PSD曲线均呈单峰分布。分析峰值对应的孔径，可以看出，孔径集中在1～5μm之间。干化过程中，试样收缩，孔隙减小，使得PSD曲线峰值对应的孔径呈现逐渐减小的趋势，如试样No.①～No.④，这是符合常规的；然而，随干化程度的加深，这一趋势发生了反转，峰值对应的孔径开始变大，如No.④～No.⑤，并在w＜ws后，孔径不再增长，如试样No.⑤和No.⑥，峰值对应的孔径停在2.3μm处。这一反转然后停止的趋势可以通过放大的图3.39（c）清晰地看到。

图3.39（一）　Jossigny粉土不同干化状态下的孔径分布

图3.39（二）　Jossigny粉土不同干化状态下的孔径分布

图3.39（b）的PSD曲线呈现的另外一个有趣的现象是No.④组的PSD曲线在0.1～1μm间出现隆起。由图3.39（c）的放大图可以看出，由No.③组的饱和状态过渡到非饱和状态时，PSD曲线会在0.1～1μm间逐渐出现隆起，并逐渐发展到最大，此时峰值对应的孔径仍呈减小的趋势；随着干化的继续发展，该隆起逐渐减小，同时峰值对应孔径呈增大趋势；直至干化至缩限以下，如No.⑤和No.⑥试样，隆起消失，孔径不再增长。

No.④组试样的PSD曲线在0.1～1μm间出现隆起，说明土体中有可能产生微观裂隙。通常来说，裂缝成因机制主要有边界影响、含水率分布不均、吸力梯度、颗粒间联结强度等（唐朝生等，2007）。这些机制适用于解释宏观层面黏土的裂缝（Tang等，2011b）。然而，对于粉土而言，因其特殊的结构组成，应考虑其微观层面的裂隙形成机制。

如图3.40所示显示了粉土的微观裂隙组成，图3.40（a）为黏土含量为30%的粉土在完全干化时的背散射电子图像扫描（Backscattered Electron Scanning Images，BESI）观测结果（Fiès和Bruand，2010）。图中浅灰色块体为粉土颗粒，周围灰色为黏土，黑色为孔隙。可以看出，完全干化时粉土内部出现了微观裂隙，其中，Ⅰ为黏土不均匀收缩产生的裂隙，Ⅱ为黏土与粉土颗粒交界面处产生的微观裂隙。

结合图3.38的收缩曲线、图3.39（b）的PSD曲线以及图3.40（a）的微观扫描结果进一步说明干化过程中粉土微观裂隙的演变过程。Jossigny粉土按1.5倍液限含水率配成泥浆样，此时，粉土颗粒分散在黏土基质中。干化初期，黏土基质均匀收缩，没有裂隙产生，在毛细水压力与表面张力的共同作用下，粉土颗粒相互靠拢，反映在PSD曲线上则为峰值对应的孔径逐渐减小，如图3.39（b）中的No.①向No.③的过渡。

一旦干化至残余收缩阶段（No.③和No.④），土样由原来的饱和状态过渡到非饱和状态，引起黏土颗粒、粉土颗粒的几何重分布，同时粉土颗粒周边的黏土颗粒收缩，使得黏土会像“外套”一样裹在粉土颗粒周围，不再充满粉土颗粒骨架的孔隙（Fiès，1992；Fiès和Bruand，2010；Delage等，2011），此时有可能会产生如前所述的黏土不均匀收缩产生的微观裂隙Ⅰ，但此阶段，包裹有黏土“外套”的粉土颗粒也会进行几何重分布，其间距还是呈减小的趋势，因此，PSD曲线的峰值还是向小孔径方向移动。Fiès和Bruand（2010）研究表明，粉土在完全干化时，由黏土不均匀收缩产生的黏土间孔径小于2μm，这与本试验的结果一致，也证实了微观裂隙有可能产生的推论。

与此同时，黏土与粉土颗粒间的界面裂隙Ⅱ，也会由小到大、由少到多逐渐产生，反映在PSD曲线上即慢慢出现了隆起，并达到最大，如图3.39（c）中由No.③向No.④过渡。随着干化的发展，隆起逐渐减小，如No.④-1向No.④-2过渡。这表明黏土与粉土颗粒间的界面裂隙Ⅱ逐渐扩展为孔径更大的裂隙。随着干化的进一步深入，如No.⑤和No.⑥状态，微观界面裂隙Ⅱ演变为更大的裂隙，隆起完全消失。与此同时，由No.④向No.⑤状态过渡时，PSD曲线的峰值向右移动，这表明包裹黏土的粉土颗粒间的联结强度不足以抵抗收缩引起的张拉应力（唐朝生等，2007），裂隙进一步扩展，相应的引起PSD曲线向大孔径方向推移。当到达极限收缩阶段，如No.⑤向No.⑥状态过渡时，微观层面土颗粒因不均匀性重新排列形成土颗粒骨架，此时的土颗粒骨架足以承担因收缩引起的张拉应力，含水率的减小也不会引起土体骨架的变形，微观孔隙达到一个稳定的状态。

如图3.40（b）所示为粉土微观裂隙组成及裂隙示意图，图中白色圆粒为粉土颗粒，灰色为黏土颗粒，对黏土部分放大如下方的方框，其中黑色部分为黏土颗粒，白色部分为黏土间裂隙。图中Ⅰ、Ⅱ仍分别为黏土颗粒间的裂隙及黏土与粉土颗粒交界面处的裂隙；Ⅲ为黏土颗粒内部的封闭性微观裂隙，或不可侵入的封闭孔；Ⅳ为黏土微观层面的孔隙。Fiès（1984）通过压汞试验测得黏土微观层面孔隙对应的PSD曲线峰值直径约为0.01到0.02μm。由图3.39（b）中的小图可以看出，在0.01μm处可观察到峰值，为黏土层面的微观孔隙。由图3.39（b）可得，压汞试验得到的PSD曲线反映出的两组峰值代表了两种不同类型的孔隙，一种是大孔，反映的是粉土颗粒间的孔隙，一种是小孔，反映的是黏土层面的孔隙。

图3.40（b）中显示的封闭性微观裂隙Ⅲ和孔径小于5.5nm的部分黏土微观层面裂隙Ⅳ（仪器所能测得的最小孔径范围以外的部分）组成了压汞试验中的不可侵入孔。不可侵入孔属于黏土层面的概念，与黏土含量、种类相关，通常随黏粒含量的增大而增多。如图3.39（a）所示中每组试样的孔隙比标注在坐标纵轴处，可以看出孔隙比与进汞曲线达到的最大值是有差异的。定义试样的孔隙比e与进汞试验得到的最大进汞孔隙比eMIPmax的差值为不可侵入孔隙比。图3.41反映了干化进入非饱和状态直至达到缩限阶段不可侵入孔隙比的变化规律，即No.③～No.⑥四组试样，可以看出，不可侵入孔随着干化而增大，这是因为随着干化的发展，黏土颗粒周围的吸附水减少，黏土颗粒重分布，这会引起黏土中的孔隙直径减小，不可侵入孔增大。当含水率小于缩限后，黏土微观孔隙趋于稳定状态，不可侵入孔增大的趋势减缓。

图3.40　粉土微观裂隙组成（Fiès和Bruand，2010）

图3.41　干化过程中不可侵入孔隙比的变化