固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响.pdf

Vol.44 No.5September，2023中国铁道科学CHINA RAILWAY SCIENCE第 44 卷，第5期2 0 2 3 年 9 月固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响马丽娜1，张扬1，余云燕1，刘正疆2，刘如珍2，薛彦瑾3（1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000；3.兰州交通大学 研究院，甘肃 兰州 730070）摘要：为研究固结压力对泥岩填料孔隙分布以及土水特征曲线（SWCC）的影响，以非饱和泥岩填料为研究对象，采用压汞试验分析不同固结压力作用下的土体微观孔隙分布，探究孔隙随荷载的演变规律，并结合毛细原理提出基于压汞实验计算SWCC的方法。结果表明：土体中收缩孔隙的存在使得进-退汞曲线表现出显著的滞回性，且瓶颈效应使得压汞试验中土体小孔隙分布密度偏大，大孔隙分布密度偏小；选择分形曲线的转折点作为泥岩填料孔隙划分界限，可将其孔隙划分为5个部分，孔隙含量的变化以大中孔隙体积被压缩为主，小微和超微孔隙几乎不受固结压力的影响；干密度为1.5 g cm3时不同固结压力作用下的土水特征曲线可采用对数曲线表示。关键词：泥岩填料；固结压力；孔隙；分形曲线；土水特征曲线；压汞试验中图分类号：U214.11 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1001-4632.2023.05.02泥岩是在自然地质过程中形成的一种特殊岩土，主要由蒙脱石、伊利石等强亲水性黏土矿物组成，具有风化作用强、强度低、易崩解及具有膨胀性等特征。遇水变形的不良性质使得泥岩作为填料使用时易使路基、隧道等开裂，造成结构失稳1，或是使铁路线路发生上拱变形，严重威胁铁路安全运营2。已有研究表明，土体在外力作用下的宏观物理变形与其微观结构中各要素重组、演化密切相关，宏观力学特性是诸多微观因素共同作用的结果3-5。因此研究土体微观孔隙结构特征具有重要意义。压汞（MIP）试验和扫描（SEM和X-CT）试验是研究土体微观变化的重要手段。陈波等6、孔令荣等7采用MIP法，研究软黏土在不同固结压力作用下孔隙分布特征及其随固结压力的变化规律。崔颖辉8采用X-CT试验，分析在冻结情况下碎石中孔隙、冰晶分布特征，并确定碎石中冰晶分布的影响因素。吕海波等9、Koliji等10通过压汞试验，研究土体孔隙结构分布及其在固结压力下的演化机制，发现固结压力作用只改变团粒间大孔 隙 体 积，几 乎 不 影 响 团 粒 内 小 孔 隙 体 积。Griffiths和 Joshi11通过 2次 MIP 试验，研究固结压力对团粒间孔隙和团粒内孔隙分布的影响。张先伟等12、Delage等13将压汞法与扫描电镜法相结合，定性与定量的研究固结压力对土体孔隙结构的影响，其结果表明MIP与SEM试验结果较一致。土体微观结构具有多相性和不均匀性，很难采用传统几何方法对其进行研究与描述。相关研究表文章编号：1001-4632（2023）05-0011-08引用格式：马丽娜，张扬，余云燕，等.固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响 J.中国铁道科学，2023，44（5）：11-18.Citation：MA Lina，ZHANG Yang，YU Yunyan，et al.Influence of Consolidation Pressure on the Pore Space Distribution and Soil-Water Characteristic Curve of Mudstone Fill J.China Railway Science，2023，44（5）：11-18.收稿日期：2023-02-23；修订日期：2023-07-10基金项目：甘肃省自然科学基金资助项目（22JR11RA161）；中国国家铁路集团有限公司科技开发计划课题（K2021G025）；甘肃省自然资源厅科技开发计划项目（2023-2-08）第一作者：马丽娜（1985），女，陕西渭南人，副教授，博士。E-mail：第 44 卷 中国铁道科学明，土体孔隙具有较好的分形特征14，因此分形理论是研究土体微观结构变化的一种有效途径。陶高梁等15研究黏性土在压缩过程中大小孔隙响应特点及孔隙整体分形特性。王升福等16基于分形理论，研究压缩前后软黏土孔隙特征和分形特性。张季如等17研究揭示了土体固结条件下宏观变形与微观分形之间的联系。土-水特征曲线（Soil-Water Characteristic Curve，SWCC）是表示土体中基质吸力与土体含水率关系曲线18，对计算土体渗透系数具有重要价值。Vanapalli等19研究发现土体的强度变化对应着其吸力的变化，本质原因在于土体微观孔隙结构的变化，即不同固结压力作用在土体上会改变其孔隙结构，进而影响土体的SWCC。马丽娜等20基于滤纸法进行试验获得了泥岩与含水率及干密度之间关系，并得到了较为完整的SWCC。冯君等21基于Van Genuchten经验模型采用非饱和土压力仪进行试验，建立了干密度和初始含水率与非饱和SWCC参数之间关系。综上可知，国内外学者针对土体在受压条件下的微观结构变化、分形特性以及SWCC这3方面进行了大量研究工作，但研究对象多以黏土和粉土为主，且研究服务工程以边坡、公路地基为主。目前对新疆哈密地区泥岩填料微观结构的研究成果较少，且大多为针对土体孔隙结构或SWCC的单方面研究，有必要进一步综合研究泥岩填料在固结条件下的微观变形机制以及SWCC特征。本文以非饱和泥岩填料为研究对象，采用不同固结压力作用下的压汞试验，研究土体微观孔隙分布规律，深入探究孔隙随荷载的演变规律，为研究不同固结压力下的SWCC提供理论依据。1 试验方案1.1试验材料及试样制备试验所用泥岩填料取自于新疆哈密盆地山前冲、洪积倾斜平原区，为砖红-红褐色，泥质胶结，在水中易崩解。通过X射线衍射仪测得其石英石、长石、方解石含量较大，蒙脱石含量平均为7.3%。对泥岩填料试样进行自由膨胀率试验和阳离子交换量试验，并依据既有规范22判定该泥岩填料具有弱膨胀性。室内试验测得泥岩填料基本物理指标见表1。由于原状泥岩含水量降低且极易崩解、破碎，用岩石测试标准无法测试试样的一些参数指标，所以本阶段室内对重塑样（预崩解泥岩）进行试验，为后期获取原状泥岩参数及试验研究储备数据。图1为现场采样和过2 mm筛的泥岩填料。将现场取得原岩泥岩碾碎，过2 mm筛，将筛好的土样放置在105 的烘箱中烘干12 h，之后将烘干后的试样配制成6%含水率的土样，用保鲜膜包裹放置24 h。将土样用环刀制样器制作5个干密度为1.5 g cm3的环刀样，放入固结仪中，然后分别施加0，30，60，90和120 kPa固结压力。待土样在固结仪中相邻 2 次读数差值小于 0.01 mm时，即为变形稳定，取出土样并用小刀分割成小块。为避免试验过程中泥岩填料微观孔隙结构变化，将切好的泥岩填料小块装入有异丙烷的试管，将试管预冻后置于冷冻干燥机（图2）中，抽真空24 h使得试样中冻结的水分升华，冷冻干燥结束后试样放置在装有干燥剂的密封盒子中备用。表1泥岩填料基本物理指标天然密度/(g cm3)1.78自由膨胀率/%37.21阳离子交换量/(mmol kg1)175蒙脱石含量/%7.3塑性指数19.85相对密度2.74（a）现场采样（b）过2 mm筛的泥岩图1泥岩填料12第 5 期固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响1.2压汞试验压汞试验原理是依据非浸润液体只有在压力作用下才会进入固体孔隙。为了克服液体与固体内表面张力，假设孔隙为圆柱形，根据Washburn公式，液体压入孔隙中所需的压力P0为P0=-2cosr（1）式中：为导入汞的表面张力，取0.485 N m1；为汞与固体材料的接触角，取130；r为孔隙半径。压汞试验所用仪器为美国麦克公司生产的IV9500 型压汞仪（图 3），孔径 d 的测量范围为0.005360 m，试验具体操作参考压汞仪操作手册23。2 试验结果及分析2.1进-退汞试验特性图4为不同固结压力下的进-退汞曲线。由图4可知：退汞曲线均高于进汞曲线，进汞曲线与退汞曲线没有完全重合，存在部分进退汞体积差，且随着固结压力从 0 kPa增加到 120 kPa，进汞曲线和退汞曲线均呈现整体下移的趋势，说明同一孔径下，随着固结压力的不断增大孔隙中汞的体积不断减少。理论上，进汞曲线进汞开始时（d=2.58 m）和退汞曲线退汞完成时（d=1.02 m）对应的孔隙中汞体积都应为0，但退汞曲线退汞完成时孔隙中汞的体积均明显高于0，此现象是由瓶颈效应24造成。由于该效应，试验中汞进入收缩孔隙内部所施加的压力值实际等于汞通过狭窄通道时所需的压力值，其值远远大于理论上汞进入收缩孔隙所需的压力值。由Washburn公式进汞压力与孔隙直径关系可知，在此压力下压汞试验测量到的孔隙直径是“瓶颈孔”的直径。因此，该效应的存在容易导致压汞试验结果中小孔隙的孔隙分布密度偏大，而大孔隙的孔隙分布密度偏小。与进汞阶段不同，退汞阶段是压力减小的过程，所以汞不能再按照原来的进汞路线退出，压力减小时，汞只能进入比原来直径更大的通道，导致之前连续的汞线出现断裂，一部分汞永久地留在孔隙中，所以进-退汞曲线表现出显著的滞回性。2.2孔隙分布及分形特性图5为不同固结压力下的孔隙累积分布曲线。由图5可知：各孔隙累积分布曲线分布近似呈喇叭花型，小于某孔径累计体积随孔径增大而增大，在孔隙直径d90 m处出现水平段，说明在可测量10310210110010110210300.050.100.150.20进退汞体积差进汞曲线 0 kPa 30 kPa 60 kPa 90 kPa 120 kPa孔隙中汞体积/(mlg1)孔径/m退汞曲线 0 kPa 30 kPa 60 kPa 90 kPa 120 kPa 图4不同固结压力下的进-退汞曲线图2冷冻干燥机图3IV9500型压汞仪00.050.100.150.20 小于某孔径累计体积/(mlg1)小大103102101100101102103孔径/m 0 kPa 30 kPa 60 kPa 90 kPa 120 kPa 图5不同固结压力下的孔隙累积分布曲线13第 44 卷 中国铁道科学的孔径范围内，土样孔隙直径均小于360 m，此时压汞试验测量得到的最大孔隙累计体积即认为是土样中总孔隙体积；不同固结压力下，d45 m时存在差异，且随着固结压力从0 kPa 增加到 120 kPa，土样总孔隙体积从 0.184 ml g-1减小到0.123 ml g-1，说明固结压力作用下土体内孔隙体积并非按比例均匀减小，首先对压力做出响应的是大孔隙，随固结压力的增大，受到影响的大孔隙直径逐渐减小，最终稳定时孔隙累计体积也减小，孔隙压缩变形量也随着固结压力增大而增大。为定量描述土体孔隙分布特征，需要对泥岩填料孔隙界限进行划分。许多学者都曾尝试对土体孔隙进行划分，但大多都是属于经验性的判断，没有标准的划分方法。泥岩填料由于其自身的特殊性和复杂性，很难采用传统几何学方法对其孔隙进行研究并准确划分孔隙界限。鉴于土体孔隙具有分形特点，采用分形理论的方法对泥岩填料孔隙大小进行划分。根据压汞试验结果处理得到的不同固结压力下的孔隙分形曲线如图6所示。由图6可知：不同固结压力下的孔隙分形曲线在双对数坐标系中近似由多条折线组成，说明该泥岩填料的孔隙结构具有多重分形特点，每段折线都表示该泥岩填料在这一范围内的孔隙具有结构自相似特征；分形曲线在0.017，0.096，2.070 和 91.470 m 处有 4 个明显的转折点，每个转折点都可以认为是两相邻范围内土体孔隙特征发生变化的转折点。因此，可将分形曲线的转折点作为泥岩填料孔隙划分的界限值。参考国内外学者对土体孔隙界限值选取，并将其与上述分形曲线转折点对比，得到泥岩填料孔隙划分界限，见表2。根据以上对泥岩填料孔隙的划分标准，将图6孔隙分形曲线进行细分，不同固结压力作用下得到各类孔隙的含量，见表3。对比分析图6和表3可知：试验土样孔隙主要分布在中孔隙和小孔隙范围，超微孔隙含量最少。在060 kPa的固结压力作用下，土样大孔隙、中孔隙和超微孔隙体积均逐渐被压缩，小孔隙和微孔隙的体积却有所增加。这是因为在固结压力作用下，小孔隙、微孔隙、超微孔隙结构胶结作用较强，压缩变形较小，大孔隙和中孔隙由于其结构强度低，容易被压缩。在压缩时，大孔隙和中孔隙结构并没有完全塌陷，一部分被压缩湮灭，另一部分压缩分裂成小孔隙和微孔隙继续存在，所以小孔隙和微孔隙含量增加。当压力增加到90 kPa时，大孔隙和中孔隙被压缩分裂成更小的孔隙，微孔隙和超微孔隙体积明显增加，以微孔隙体积增长为主。当压力增大到120 kPa，此时土样中的大孔隙、中孔隙大部分被压缩湮灭，只有很小一部分分裂成小孔隙、微孔隙和超微孔隙，土样总孔隙含量显著减少。相比于大孔隙和中孔隙含量在数值上的显著减少，不同固结压力下小孔隙、微孔隙和超微孔隙含量的变化相对较小，在数值上相差一个数量级，由此图4中孔隙累计分布曲线在孔径d2 m处出现重合的现象。2.3压汞试验结果准确性判定压汞法是一种测量土体孔隙含量的常用方法，但是压汞法的试验结果容易受到诸多因素的影响。并且由于Washburn公式是基于一定假设之上，所以压汞法测量得到的土样总孔隙体积能否反映土样101100101102103104d=91.470d=2.070d=0.096d=0.017累计体积百分含量/%分形线 0 kPa 30 kPa 60 kPa 90 kPa 120 kPa 103102101100101102103孔径/m图6不同固结压力下的孔隙分形曲线表2泥岩填料孔隙划分界限孔隙类型超微孔隙微孔隙小孔隙中孔隙大孔隙孔径范围d0.02 m0.02 md0.1 m0.1 md2 m2 md90 m表3不同固结压力作用下各类孔隙含量压力/kPa0306090120总含量0.184 00.174 10.164 50.147 10.123 2孔隙含量占比/%大孔隙14.3511.2011.0012.7812.50中孔隙51.2049.9146.0237.8031.82小孔隙20.4322.4625.4128.4831.74微孔隙11.8514.3016.0119.1022.00超微孔隙2.232.131.401.841.9514第 5 期固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响实际孔隙体积含量需要进一步讨论。为了验证压汞试验测量结果的真实性，将压汞试验推算含水率与冷冻干燥前土样实测含水率进行比较，具体分析过程如下。假设冷冻干燥前土样的实际总孔隙体积为Vv，则孔隙比e可以表示为e=VvGswMs（2）式中：Ms为干燥土样的质量；Gs为土粒比重；w是水的密度，取1.0 g cm3。孔隙比也可以表示为e=GsmSr（3）式中：m为压汞法推算的土样含水率；Sr为土体的饱和度。结合式（2）和式（3）可以得到VvMs=mSrw（4）因为压汞试验测量的孔隙体积表示的是单位质量干燥土样所含孔隙体积，单位为ml g-1，因此压汞试验测得孔隙体积Vm应表示为Vm=VvMs（5）假设土样在固结仪中吸水达到饱和状态，即Sr=1，结合式（4）和式（5）可得m=Vmw（6）式（6）即为压汞试验推算含水率的表达式。将式（6）计算的含水率与土样干燥前实测含水率进行对比，见表4。由表4可知，实测含水率与推算含水率比值趋近于1，说明压汞试验测量土体孔隙含量是有效的。3 基于压汞试验推算土水特征曲线在非饱和土体内部，孔隙水积聚在土颗粒接触点附近的缝隙中，形成水的弯曲液面，由于水表面的张力作用，水的孔隙水压uw比孔隙中空气压力ua要小，孔隙中的空气压力与孔隙水压的差值即为基质吸力。基于Young-Laplace方程可得到ua-uw=4cosd（7）式中：表示水的表面张力，取0.007 275 N m1；表示土水之间的接触角，取0。岩土体的基质吸力正是由毛细吸力组成，已知土体孔隙直径结合式（6）和式（7）可得土体基质吸力和体积含水率，即可通过毛细原理推导不同固结压力下的土-水特征曲线，如图7所示。由图7可知：随着固结压力的增大，曲线呈现上移趋势，即在同一体积含水率下，固结压力越大基质吸力越大，这是因为在没有固结压力时土样发生膨胀变形，土体内孔隙体积增大，而随着固结压力增大，土体的膨胀力有限，土体呈现压缩趋势，土体的孔隙体积逐渐变小，导致不同固结压力下土水特征曲线的变化。与滤纸法相比，根据MIP法计算得到基质吸力随着体积含水率变化范围更广，时间更短。同时，基质吸力随着体积含水率变化的趋势与滤纸法实测变化趋势相同，计算结果与实测结果处于同一量级，说明根据压汞试验结果计算得到的土水特征曲线合理可靠。为探究固结压力对土水特征曲线的影响，采用对数曲线拟合基质吸力与体积含水率之间的变化关系=A+Blns（8）式中：为体积含水率；s为基质吸力；A和B为拟合参数。拟合得到干密度为1.5 g cm3时不同固结压力作用对土水特征曲线的影响，拟合参数见表5。由表5可知，拟合系数均大于0.979，拟合结果良好。表4实测含水率与压汞试验推算含水率对比压力/kPa0306090120实测含水率/%18.7717.5616.8514.3312.41推算含水率/%18.4217.4116.4614.7212.29实测含水率/推算含水率1.021.011.020.971.0110110010110210310410501020304050体积含水率/%基质吸力/kPa 0 kPa-SWCC 30 kPa-SWCC 60 kPa-SWCC 90 kPa-SWCC 120 kPa-SWCC 滤纸法-SWCC25图7不同固结压力下土水特征曲线15第 44 卷 中国铁道科学图8为不同固结压力下的拟合参数。由图8可知，对固结压力P与参数A和B进行线性拟合，拟合系数均大于0.941，拟合结果良好。将图 8 中的拟合结果代入式（8），即可得到1.5 g cm3不同固结压力试样的土水特征曲线=41.912+0.036P+(-3.817-0.003P)lns（9）4 结论（1）土体中收缩孔隙的存在使得进-退汞曲线表现出显著的滞回性，并且试验中的瓶颈效应会导致压汞试验结果中小孔隙的孔隙分布密度偏大，而大孔隙的孔隙分布密度偏小。（2）选择分形曲线的转折点作为泥岩填料孔隙划分的界限值是一种科学的孔隙划分方法，通过选择孔隙划分的界限值，可将泥岩填料孔隙划分为5个部分。不同固结压力作用下孔隙含量的变化以大孔隙和中孔隙体积被压缩为主，小孔隙、微孔隙和超微孔隙几乎不受固结压力的影响。（3）压汞试验结果得到的 SWCC与滤纸法实测得到的SWCC有相同的变化趋势，说明基于压汞试验推算SWCC的方法可靠，验证了压汞试验测量土体孔隙尺寸的有效性。可采用对数曲线拟合干密度为1.5 g cm-3时不同固结压力下的土水特征曲线方程。参考文献1 郭永春，谢强，文江泉.我国红层分布特征及主要工程地质问题 J.水文地质工程地质，2007（6）：67-71.（GUO Yongchun，XIE Qiang，WEN Jiangquan.Red Beds Distribution and Main Engineering Geological Problem in China J.Hydrogeology Engineering 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Technology，2022，53（1）：350-360.in Chinese）Influence of Consolidation Pressure on the Pore Space Distribution and Soil-Water Characteristic Curve of Mudstone FillMA Lina1，ZHANG Yang1，YU Yunyan1，LIU Zhengjiang2，LIU Ruzhen2，XUE Yanjin3(1.College of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Gansu Lanzhou 730070,China;2.Geological Survey of Gansu Province,Gansu Lanzhou 730000,China;3.Research Institute of Lanzhou Jiaotong University,Gansu Lanzhou 730070,China)Abstract:To investigate the influence of consolidation pressure on the pore distribution and soil-water characteristic curve(SWCC)of mudstone fill,the microscopic pore space distributions of soil under different consolidation pressures were analysed by mercury-pressure test,and the evolution of pore spaces with load was investigated,and the method of calculating SWCC based on mercury-pressure test was proposed in conjunction with the capillary principle.The results show that the occurrence of shrinkage pores in the soil indicates significant hyst