摘要：本文利用和计算机断面成像CT机配套使用的非饱和土三轴仪，对非饱和原状膨胀土在三轴剪切试验过程内部结构的变化进行了动态、定量和无损地量测，得到了土样内部损伤结构演化的清晰的CT图像和相应的CT数据.试验结果表明：原状膨胀士内部存在裂纹、空洞、裂隙面和软弱面等结构缺陷，初始损伤程度较大；剪切引起的损伤演化明显，且土样所受的吸力和净围压均对损伤演化有影响；原状膨胀土在吸力和净围压较低时的剪胀和软化特性主要是由于结构损伤的演化引起.

关键词：非饱和士 膨胀土 三轴剪切试验 CT技术 损伤

　　原状膨胀土的结构特征显著，既有地质界面、软弱层面和断裂面等宏观结构，也存在微孔隙、微裂纹和裂隙等微观结构[1].这些大小不一的内部结构将土体层层分割，破坏了膨胀土的完整性，导致其工程性质恶化.对于原状膨胀土的本构模型，裂隙等内部结构的影响不容忽视.连续损伤力学将材料划分为可经受弹性、塑性和裂隙损伤演变的力学单元，再按连续介质力学的方法来描述损伤材料的性态[2]，在节理岩体等多裂隙材料中获得广泛应用[3].确定损伤变量，建立损伤演化方程是连续损伤力学的主要内容，定量地观测裂隙等缺陷发育程度和演化过程的试验研究则是分析的基础.计算机断面成像技术（CT技术）可以动态、定量和无损地量测岩土材料在受力过程中内部结构的变化，国内已有不少研究成果[4～8].但其中对土进行的单轴或三轴CT试验均在压力很大的液压式岩石试验设备上进行，且基本上没有量测试验时土样的水量变化和体积变化，而水量变化和体变是土的本构模型的重要内容.膨胀土湿胀干缩变形较大，水分的影响必须考虑.本文利用CT技术，在对原状膨胀土进行非饱和三轴剪切试验的同时，研究土样内部结构的损伤演化过程，为建立考虑裂隙影响的原状膨胀土的损伤本构关系提供依据.

1 试验概况

1.1试验设备与土样 通过改进已有的非饱和土三轴仪[9]，作者成功地实现了其与CT机的配套使用.研制成的非饱和土CT-三轴仪，可以进行多种非饱和三轴试验，量测围压、气压、体变、排水、轴向位移和轴向压力等参数.在进行三轴试验的同时进行CT扫描，即时获得试样各个断面的图像和CT数据资料[10].

　　试验用土取自南阳市靳岗村，探井位于南水北调中线方案的渠线上.用原状样制样器制成高度80mm、直径39.1mm的原状试样.

1.2试验方案 在非饱和土三轴压力室内，先将制备的原状膨胀土样进行一定吸力下的等压固结.待变形和排水稳定后进行控制吸力和净室压力为常数的三轴排水剪切试验.剪切速率0.015mm/min.剪切前先对试样进行一次CT扫描.每次扫描两个断面，分别位于距土样顶端0.3h和0.7h处(h为土样高度).剪切时根据应力-应变曲线情况决定扫描时刻，并按轴向位移调整扫描位置，对断面进行跟踪扫描.CT机的扫描参数如下：电压120kv,电流15mA,时间2s，层厚3mm，放大系数10.0,间距32mm,中心坐标(x,y)=(-2,-83).共做了2组原状样剪切试验，每组3个试样.剪切前试样的初始条件及试验参数如表1所示.

表1 剪切前试样的初始条件及试验参数

2 CT图像及损伤演化分析

表2是6个试样各次扫描对应的应力-应变状态.每个试样共进行6次扫描，a为剪切前的初次扫描，随剪切进行，扫描次序由b到f.

表2 各次扫描对应的应力应变状态

　　图1是剪切前吸力和净围压均较低的2号试样在剪切过程中不同时刻的CT图像，断面1的初次扫描标记为1a，其余类推.由剪切前两个断面的CT图1a、2a可见，土样断面上存在有微孔隙、微裂纹（矩形框内所示）和裂纹（正方形框内所示）及空洞，初始损伤明显.比较两个断面不同扫描时刻的图像，可见随剪切进行微孔隙、微裂纹和裂纹的变化不大；但空洞和裂隙逐渐发育并开展为破坏面，损伤演化显著.剪切到残余状态后的断面1存在4条断裂面（1f图中细线示意的①、②、③、④），断面2(2f图）存在1条断裂面⑤.分析这些断裂面的形成过程如下：

　　观察断裂面①的演化过程可以发现，剪切前①的形成位置存在一些孤立链状分布的空洞，该空洞链（1a中用细线示意）应是原状样内部的裂隙面或软弱面在CT图上的反映.随剪切进行，空洞边缘产生应力集中，空洞逐渐扩大并连成一体.1c图中空洞链已基本发展为断裂面，土体强度相应达到峰值，随后断裂面不断开展.断裂面②的形成位置在1a图中无任何迹象，在1b图中萌生出一条裂隙，1c图中裂隙延长并初步和①连通.到1d后，随断裂面①的形成而急剧开展成断裂面.断裂面③直到②形成后才出现裂隙，在1e图中该裂隙延长和④贯通，到1f开展为断裂面.断裂面④在剪切前的1a图中即存在一个较大空洞，加上位于土样边缘，随剪切进行在1d图中裂隙形成.断裂面⑤在前3次扫描图中均无迹象，第4次扫描时已形成断裂面，根据其角度和②平行分析，应是②在土样轴向的延伸.

图1 2号原状样在剪切过程中不同时刻的CT图像

　　图2是1号试样在剪切过程中不同时刻的CT图像.由1a、2a可见其空洞较多，初始损伤比2号试样大.第2次扫描图像的结构性变化不大.第3次扫描时，位置较孤立的空洞有所弥合，较邻近的空洞则扩大并相互连通成空洞链（2c中细线示意）.第4次扫描的2d图中，破裂面已基本形成.随后破裂面开展，土样破坏.1e图中的断裂面方向和2d中的破裂面平行，应是2d中破裂面在土样轴向的延伸.该破裂面并未由1d中非常明显的空洞带（细线区域）引起，说明土样中破裂面的形成具有一定的随机性.另外，虽然1号试样的初始损伤较2号试样大，破裂面数量却明显少于2号试样.这是由于1号试样剪切时的围压相对较大，限制了裂隙的发育和开展.图3是剪切前吸力和净围压均较高的5号试样在剪切过程中不同时刻的CT图像.剪切破坏后两个断面共形成3个破裂面（①、②、③），且均在初始扫描图像中有明显征兆.2a图中存在两条原生裂隙，1a图中为两个较大的空洞和两个小姜石（图中的高密度亮点）构成的缺陷区.上述缺陷随剪切进行逐渐发育，最后形成破裂面.1d和2d图中破裂面已经形成，土样断面分别被分割成2块和3块.但和2号试样个同，破裂面并未充分开展和连通，2f图中破裂面②反而有所闭合，此时破裂面处的土仍可承受一定荷载.因此和岩石、混凝土等脆性材料不同，土体中的完全破损区域也不能视为不受力.沈珠江和Desai分别通过复合体损伤模型和扰动状态考虑了完全破损区域土的受力能力[11～12].比较2号和5号试样剪切前的固结条件，可见5号试样剪切时的吸力较大，相应土样的含水量较低，裂隙面上的水分较少，因此剪切时沿裂隙面的滑动困难，裂隙不易充分开展.

　　限于篇幅，本文仅列出上述3个原状样的扫描图像，其余土样也表现出类似的结构损伤演化规律，详见文献[13].可以看出：原状膨胀土内部存在微孔隙、微裂纹、裂纹、空洞、原生裂隙面和软弱面及姜石等结构缺陷，初始损伤较大；剪切过程中土样内部的微孔隙、微裂纹和裂纹的变化不大；土样的破裂面主要由原生裂隙面或软弱面（2号试样）、位置邻近的空洞（1号试样）和原生裂隙（5号试样）引起；剪切引起的损伤演化非常明显，且剪切时土样的吸力和净围压均对损伤演化有影响.

图2 1号原状样在剪切过程中不同时刻的CT图像

图3 5号原状样在剪切过程中不同时刻的CT图像

3 CT数据及剪切试验结果分析

6个试样在剪切过程中不同扫描时刻的CT数据见表3，ME1、ME2的脚标表示扫描断面位置.表中ME值反映断面上所有物质点的平均密度；SD值反映断面上物质点密度的差异程度.随土体内部缺陷发育程度增加，ME值将减小，SD值则增大.

表3 原状样CT试验数据

　　剪切前和剪切过程中，每个试样两个断面的ME和SD不同，反映了原状膨胀土的初始损伤和损伤演化均具有空间分布不均匀性.比较6个试样的CT数ME和方差SD的变化幅度可以发现，2号试样的损伤演化最为显著.该试样1断面最后的SD值接近为初始值的7倍，而ME值仅减小了9.8%，说明方差SD对土样断面结构性变化更为敏感.

　　6个原状膨胀土试样两个断面的平均ME和平均SD随偏应变εs的变化曲线如图4和图5所示.各个试样剪切前的ME和SD值相差较大，表明原状膨胀土初始损伤的离散性较大.随剪切进行，6个试样的ME值总体上减小，SD值则增大.说明土样断面的平均密度减小，密度差异程度增强，这和CT图像中显示的土样裂隙逐渐发育、开展和破裂面产生是一致的.6个试样的ME和SD变化曲线虽然比较离散，但仍有一定的规律.相同吸力下的每组试样，随围压增大ME和SD的变化趋势减缓；相同围压下随吸力增加ME和SD的变化幅度亦减小.这是因为围压增大后，土样裂隙的发育受到限制，破裂面难于开展.吸力增大导致土样含水量减小，尤其裂隙面上的水分减少，剪切时沿裂隙面的滑动困难，当围压也较大时裂隙面容易闭合.图5中围压和吸力均较大的6号试样的方差不断减小，从表3中也可看出断面2的SD从初始值106.3减小到63.7，表明此时土样的损伤程度反而在不断减小.这和图6、图7中6号试样的剪应力逐渐增加，体积基本上不断减小的宏观力学特征是吻合的.在图6和图7中，围压和吸力均较小的2号、3号和4号试样的剪应力先增加后减小，体积先减小后增大，表现出一定的软化和剪胀特性.图4、图5中这3个试样的ME和SD的变化也相对较剧烈，裂隙和破裂面引起的土体损伤程度较大.这说明原状膨胀土在剪切过程中的剪胀和软化的宏观力学特性主要是由于损伤结构的演化引起.换言之，土体强度和变形的宏观规律和其微观结构是直接相关的，通过微观的试验研究，可以更清楚地认识宏观的机理.

图4 平均ME随偏应变εs的变化曲线

图5 平均SD随偏应变εs的变化曲线

图6 原状膨胀土的q-εa曲线

图7 原状膨胀土的εν-εα曲线

结论

(1)原状膨胀土内部存在微孔隙、微裂纹、裂纹、空洞、原生裂隙面和软弱面及姜石等结构缺陷，初始损伤较大且空间分布不均匀.(2)剪切过程中，土样的破裂面主要由原生裂隙面或软弱面、空洞和原生裂隙引起.(3)剪切引起的损伤演化明显，土样的吸力和净围压均对损伤演化有影响，当围压或吸力较低时，土样的损伤演化较快.(4)原状膨胀土在吸力和围压均较低时的剪胀和软化的宏观力学特性主要是由于裂隙等结构损伤的演化引起.

参 考 文 献：

[1] 刘特洪.工程建设中的膨胀上问题[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2] 楼志文.损伤力学基础[M]．西安：西安交通大学出版社，1991.

[3] 朱维申，张强勇，李术才.三维脆弹塑性断裂损伤模型在裂隙岩体工程中的应用[J].固体力学学报，1999，20：164-169.

[4] 杨更社，谢定义，张长庆，等.岩体损伤特性的CT识别[J].岩石力学与工程学报，1996，17（1）：48-54.

[5] 葛修润，任建喜，蒲毅彬.煤岩三轴细观损伤演化规律的CT动态试验[J]．岩石力学与工程学报，1999，18（5）：497-502.

[6] 蒲毅彬，陈万业，廖全荣.垅东黄土湿陷过程的CT结构变化研究[J].岩土工程学报，2000，22（1）：49-54.

[7] 李晓军，张登良.路基填土单轴受压细观结构CT监测分析[J]．岩土工程学报,2000，22（2）：205-209.

[8] 施斌，姜洪涛.在外力作用下土体内部裂隙发育过程中CT研究[J]．岩土工程学报，2000，22（5）：537-541.

[9] 陈正汉.重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性[J]．岩土工程学报，1999，21（1）：1-9.

[10] 陈正汉，卢再华，蒲毅彬.非饱和土三轴仪的CT机配套及其应用[J]．岩土工程学报，2001，23(4)：387-392.

[11] 沈珠江.理论土力学[M]．北京：中国水利水电出版社，2000.

[12] Desai C S,Shao C,Park I J.Disturbed state model of cyclic behabvior of soils and interface in dynamic soils structure interaction[A].9th Int.Conf.Computer Methods and Advances in Geomechanics[C].Wunhan,1997,I:31-42.

[13] 卢再华.非饱和膨胀土的弹塑性损伤本构模型及其在土坡多场耦合分析中的应用[D]．重庆：后勤工程学院，2001.