干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的多尺度研究_安然.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220307；修回日期：修回日期：20220609 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(11672320，12102312)；中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGME021018)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11672320 and 12102312)and Open Foundation of State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences(Grant No.SKLGME021018)作者简介：作者简介：安 然(1992)，男，2020 年于中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程专业获博士学位，现任讲师，主要从事特殊土工程特性及环境土力学方面的研究工作。E-mail：。通讯作者：孔令伟(1967)，男，博士，现任研究员、博士生导师。E-mail：DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0211 干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的多尺度研究多尺度研究安 然1，2，孔令伟1，张先伟1，郭爱国1，柏 巍1(1.武汉科技大学 城市建设学院，湖北 武汉 430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)摘要：摘要：为了明晰炎热多雨气候对花岗岩残积土结构的损伤特征，对 08 次的干湿循环过程中的原状样开展三轴固结不排水剪切(CU)、计算机层析识别(CT)、核磁共振(NMR)与扫描电子显微镜(SEM)试验，从宏观细观微观尺度分析土体的损伤机制。结果表明：干湿循环损伤效应在宏观上表现为强度的衰减，细观上表现为裂隙的发展，微观上表现为颗粒与孔隙结构的演变；有效黏聚力和有效内摩擦角随着循环次数增加呈指数型的衰减规律，但黏聚力的衰减幅度明显更高；细观裂隙的发展过程可以划分为萌发期(01 次循环)、发展期(25 次循环)和稳定期(58 次循环)；孔隙体积分布曲线呈双峰分布，根据孔径大小将孔隙分为 4 个类别，随着循环次数增加，微孔的体积占比降低，中孔和大孔的体积占比增加；黏土颗粒在干湿循环过程中逐渐疏松，粒间孔隙不断扩张、贯通，形成连通裂隙；在干湿交替过程中，浸水时亲水性黏土矿物发生膨胀，干燥时微观拉应力增加，同时胶结物质分解流失，3 种因素共同驱动细观裂隙的扩展和连通，引起结构的疲劳损伤，最终导致宏观力学性能的衰减。该研究成果可为花岗岩残积土力学特性与环境损伤效应的认识提供有益参考。关键词：关键词：土力学；花岗岩残积土；干湿循环；力学性能；细观裂隙；微观结构；多尺度 中图分类号：中图分类号：TU 443 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03075810 A multi-scale study on structure damage of granite residual soil under wetting-drying environments AN Ran1，2，KONG Lingwei1，ZHANG Xianwei1，GUO Aiguo1，BAI Wei1(1.School of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430065，China；2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)Abstract：To study the environmental effect with hot and rainy feature to the structural characteristics of granite residual soil under multiple dry-wet cycles，the triaxial consolidation undrained(CU)，computer tomography(CT)，nuclear magnetic resonance(NMR)and scanning electron microscope(SEM)tests were performed.Then，a multi-scale study from microscopic，mesoscopic，and macroscopic perspective about the damage mechanism of the soil.The test results show that the wetting-drying effect shows a change in particle and pore structure at microscopic scale，an expansion of fractures at mesoscopic scale，and a decrease in strength at macroscopic scale.The effective cohesion decreases exponentially with the increase of the wetting-drying cycles and the effective internal friction 第 42 卷 第 3 期 安 然等：干湿循环效应下花岗岩残积土结构损伤的多尺度研究 759 angle decays in a small range.The development process of meso-fractures can be divided into three phrases，which are the germination stage(0 to 1 cycle)，the development stage(2 to 5 cycles)，and the stable stage(5 to 8 cycles).The pore volume distribution curves of granite residual soil show a bimodal shape.The pores can be divided into four types according to pore size.With the increasing number of wetting-drying cycles，the volumetric proportion of microscopic pores decreased，while that of medium pores and large pores increased drastically.During the wetting-drying process，the clay particles gradually loose and the intergranular pores expand and connect to form connected cracks.Due to the wetting-drying effect，the hydrophilic clay minerals expand during a humidifying process，the microscopic tensile stress increases during a drying process，and the cemented materials decompose and lose.The three factors jointly drive the expansion and connectivity of fractures and cause fatigue damage to the soil structure，leading to the attenuation of mechanical properties of soil.This study provides a useful reference for the understanding of mechanical properties and structural damage rules of granite residual soil in hot and rainy climate.Key words：soil mechanics；granite residual soil；wetting-drying cycle；mechanical properties；meso-crack；microstructure；multi-scale 1 引引 言言花岗岩残积土广泛分布在我国南方沿海省份，炎热多雨的气候条件为岩石的风化和黏土化提供了必要的环境条件1-4。作为风化形成的产物，花岗岩残积土的矿物组成中富含亲水性矿物(如高岭石、伊利石等)和石英成分，具有较强的水敏性与显著的结构性，土颗粒与胶结物质容易受到湿度变化的影响5-6。由于风化程度不完全，花岗岩残积土内部存在大量砾石颗粒，粗颗粒间的裂隙发育程度较高7。按照尺寸大小可将残积土内部孔隙划分为微孔隙与裂隙，微孔隙是存在于黏土颗粒之间的微小间隙；裂隙是由于风化作用形成的粗颗粒之间的连通通道，裂隙尺寸远大于粒间微孔隙8。由于裂隙性特征，处于季节性气候变化中的花岗岩残积土受到地下水入渗与蒸发交替循环的影响，频繁发生体积收缩和开裂现象，对上部结构长期稳定性和强度性能造成不良影响9。干湿循环导致残积土分布地区的地基频繁出现不均匀沉降、翻浆冒泥和局部失稳等工程问题，由此引发诸多工程事故10-11。因此，明晰干湿环境中花岗岩残积土的结构损伤演化特征，尤其是宏观力学性能的劣化规律及其细微观机制，对相关地区岩土结构的设计、施工及灾害防治具有重大现实意义。近年来，土体宏观力学行为与细微观结构特征的关联性已经成为一个研究热点，围绕干湿循环条件下土体的损伤规律开展了大量研究，并且取得了诸多有益成果12-15。在宏观尺度方面，于佳静等16开展了花岗岩残积土的原位直剪试验，发现土体抗剪强度随干湿循环次数递增而逐渐衰减，且主要表现为土体黏聚力的减下降，而内摩擦角则未发生剧烈变化；安 然等17开展力学试验与电阻率测试，指出花岗岩残积土在干湿循环过程中的强度衰减与电阻率之间存在较强的相关性。在细观尺度方面，G.S.Guan 等18通过试验发现残积土的干湿循环损伤表现为渗透性能增大和裂隙扩张等现象；R.An等19开展花岗岩残积土的 micro-CT 扫描试验发现干湿循环过程始终伴随着细观裂隙的扩张，渗透系数也同步增长。微观尺度方面，L.W.Kong 等20通过开展低场核磁共振试验发现残积土在经历多次干湿循环后，孔隙结构发生了显著变化。综合当前研究成果，花岗岩残积土具有结构性、裂隙性和水敏性，其工程性能受湿热环境变化的影响十分明显，分析细观裂隙与微观结构特点尤为重要。由于具有双重孔隙分布特征，仅采用微小尺寸的试样分析花岗岩残积土的微