三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验

曾铃^{1, 2}，付宏渊²，贺炜²，何忠明³，周功科³

(1. 长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南 长沙，410076；

2. 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410076；

3. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410076)

摘要：为了研究预崩解炭质泥岩在三轴条件下的细观应力变形及损伤演化规律，采用CT专用三轴试验加载设备对其进行三轴CT试验。试验在3种固结压力下进行，得到各试件的应力变形曲线以及在不同变形阶段3个扫描层的CT数、方差和CT图像。研究结果表明：该试验方法成熟、可行，为进一步深入分析炭质泥岩物理力学特性提供了新的方法；试件固结压力越大，峰值强度越高，其内部细观表现为颗粒的错动与融合，外部表现为中部鼓起，且无明显裂纹；变形形式主要为受力均匀变形，在低围压条件下具有应变软化特征；在初始条件下，试件具有明显各向异性特点，试验后期试件差异性减小；随着变形增大，试件损伤度也逐渐增大，其细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。

关键词：预崩解炭质泥岩；三轴CT试验；应力-变形；损伤规律

中图分类号：TU441           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)03-0925-07

Micro mechanical analysis of pre-disintegrating carbonaceous mudstone for embankment filling material based on triaxial CT test

ZENG Ling^{1, 2}, FU Hongyuan², HE Wei², HE Zhongming³, ZHOU Gongke³

(1. Key Laboratory of Road Structure and Material of Ministry of Transport,

Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China;

2. School of Civil Engineering & Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China;

3. Institute of Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China)

Abstract: In order to research the evolution law of stress deformation and damage of pre-disintegrating carbonaceous mudstone based on triaxial micro mechanical analytical, the CT special triaxial loading equipment was used for its triaxial CT test. The test was made on three consolidation pressures respectively. All specimens’ curves of stress-deformation and three scan levels’ CT number, variance and CT images in different deformation stages were obtained. The results show that the test method is mature and feasible. A new method for the further analysis of physical and mechanical properties of carbonaceous mudstone is offered. When the consolidation pressure is greater, the peak intensity of specimens is higher. The internal mesoscopic performance is rupture and fusion of particles. The external performance is central summoning up with no obvious cracks. The main deformation form is uniform deformation under the action of forces. Under the condition of lower confining pressure, specimens have characteristics of strain softening. Under the initial conditions, specimens have obvious characteristics of anisotropic deformation. In the later stage of test, the anisotropy of specimens reduces. With the increase of deformation, the specimen damage becomes bigger, and the evolution of mesoscopic damage is a non-linear accumulating and growing process.

Key words: pre-disintegrating carbonaceous mudstone; triaxial CT testing; stress-strain; damage law

炭质泥岩广泛分布于我国西南部地区，是由软弱灰岩、砂岩、页岩和页岩互层等沉积类岩石构成的地质体，因沉积岩中多数富含碳而呈灰黑色。由于其水理性强、易风化、强度低、变形大，在以往公路建设中常作为不良填料废弃，但随着我国高速公路建设的快速发展，很多地区适宜填料极为匮乏，从经济与环保两方面考虑，利用炭质泥岩进行路堤填筑势在必行，如何保证施工过程中及建成后的工程安全是公路建设者最关心的问题之一。炭质泥岩路堤填筑材料由于构成成分的复杂性及遇水后特殊的崩解特性，若只从宏观应力变形特征着手对其力学性质进行分析，则其研究成果对问题的认识具有局限性，不能说明其变形破坏过程中的细观变形及损伤特征，因此，有必要从细观角度开展相应研究。目前，针对材料细观尺度研究的关键在于如何对材料变形破裂以及内部损伤进行识别，在这方面，Wong等^[1]对岩石裂隙发育程度、颗粒粒度与单轴抗压强度之间的关系进行了研究；Wu等^[2]利用高倍光学镜片与扫描电子显微镜研究了压缩过程中砂岩的各向异性损伤的细观力学演化过程。国内针对细观结构的损伤研究起步于20世纪90年代，如蒲毅彬等^[3]推导了CT实验数学方程，将CT数据与应力、变形、材料物理力学指标建立了联系，为CT定量分析材料结构变形损伤打下了基础。此后，越来越多的学者利用CT技术对冻土和Q_3黄土等岩土体应力变形过程中的内部变化特征进行研究，使利用CT技术对材料细观结构的研究趋于成熟^[4-8]。迄今为止，针对崩解性软岩路堤填料的研究对象主要为红砂岩和炭质页岩，研究重点往往集中在填料崩解过程中颗粒级配的变化和填料的路用性能上^[9-12]，而针对预崩解炭质泥岩路堤填料在运营期细观应力变形损伤过程的研究较少。本文作者针对预崩解炭质泥岩路堤填料在三轴应力条件下的细观应力变形特征与损伤演化规律进行研究，对进一步了解其物理力学性质具有重要的作用。

1  CT检测原理

现实中，不同物质对X线有不同的吸收率。在X线穿透物质时，其X线强度呈指数衰减，物质的密度通过X线的衰减系数体现。在研究材料细观物理力学性质时，人们往往重视密度而不是某一材料绝对密度的相对变化，CT机的发明者Hounsfield推导了CT数H_u与材料密度之间的关系^[13]：

         (1)

式中：H_u为CT数；μ为图像点(及其邻域)的X线吸收系数；μ_m为材料的X线吸收系数；μ_w为纯水的X线吸收系数。由式(1)可知，大气与纯水的CT数分别为-1 000 H_u和0 H_u。材料的CT数实质上反映的是密度。图像点(及其邻域)密度越高，CT数则越大；CT数方差为CT扫描层面上CT数变化差异性的衡量值；CT图像是由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成，这些像素反映的是相应体素的X线吸收系数，直观反映扫描事物的内部结构。

2  试验概况

2.1  试验设备

本次试验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所材料无损检测国家重点试验室进行。试验采用PHILIPS X线螺旋CT机，空间分辨率为0.35 mm× 0.35 mm，最低扫描层厚度为1 mm，空间可识别体积为0.12 mm³，密度对比分辨率为0.3%。 三轴CT扫描系统三轴加载装置示意见图1。

图1  三轴加载装置示意图

Fig. 1  Diagram of triaxial loading equipment

2.2  试验方法

试验所用炭质泥岩岩样采自广西柳州六寨—河池高速公路某标段。将原状炭质泥岩试样进行室内预崩解，崩解前、后的炭质泥岩试样物理形态如图2所示。取崩解后的材料进行压实度、CBR等路用性能试验，材料基本物理力学指标如表1所示。

图2  炭质泥岩崩解前、后物理形态

Fig. 2  Physical form of carbonaceous mudstone before and after disintegration

表1  预崩解炭质泥岩基本物理力学参数

Table 1  Prior crumbling Carbonaceous mudstone basic physical mechanical parameters

在满足其高速公路路用性能后利用应变控制试样机制作成3个压实度为96%的圆柱形试件，命名为试件1、试件2、试件3。试样直径与高度分别为61.8 mm和105.0 mm。在试验过程中，其围压由高灵敏度液压控制仪以100，200和300 kPa分别施加于试件1、试件2和试件3，使之充分固结完成。试验过程以油压控制装置采用三轴等应变压缩，压缩速率为0.3 mm/min，当试件应变率达到12.0%时停止试验。对加载过程中的6个应变时刻点(应变率分别为0，2.0%，4.0%，6.0%，8.0%和10.0%，由于试验是连续过程，其准确扫描时刻点很难把握，因此，采取近似原则)进行同等条件CT扫描，扫描条件见表2。

表2  CT扫描条件

Table 2  CT Scanning condition

试件安装在加载装置中，扫描分为上、中、下3个层位，试件安装定位及扫描定位线如图3所示(扫描层5，17和29)。通过动态三轴CT试验结果，计算各试验状态样品的相对密度及通过CT图像分析不同样品及试验过程中样品各层位及整体的结构变化，并与应力变形规律相结合，从细观角度分析预崩解炭质泥岩路堤填料的破坏机理。

图3  试样安装CT图像和扫描定位线

Fig. 3  CT image of specimens installed and locating line of CT scanning

3  三轴CT试验结果

3.1  基于三轴CT的细观变形特征

预崩解炭质泥岩路堤填料的三轴剪切试验应力变形关系曲线见图4，试验完成前后试件宏观形态见图5(试件1~3变形形态一致，故只列出了试件2宏观形态)。扫描层CT数、方差与试件应变之间的关系见图6~11。在试验过程中，CT扫描图像见图12。本文选取具有代表性的试件2扫描层17在压缩过程中4个应变时刻点的CT图像，白色为高密度区，黑色为低密度区。

图4  预崩解炭质泥岩试件应力-应变曲线

Fig. 4  Relationship between stress and strain of pre-disintegrating carbonaceous mudstone

由图4可知：当试件1~3围压σ₃分别取100，200和300 kPa时，随着偏应力的增大，试件应变也相应增大；当应变率达到4.0%时，试件2与试件3偏应力峰值分别为630.2和850.2 kPa，随后曲线趋于平缓直到试验结束，表现出一定的应变硬化特征。而试件1在变形率为7.8%时，偏应力才达到峰值强度603.5 kPa，随后，偏应力显著降低，变形继续增大，这是试件在低围压条件下较易发生横向变形所致，表现出明显的应变软化特征。试验结束后，各试件无明显破裂特征，主要表现为如图5(b)所示的轴向压缩与横向挤压鼓出的宏观形态。

图5  试验前、后试件宏观形态

Fig. 5  Macro shapes of specimens before and after testing

扫描层5，17和29的CT数与应变的关系见图6~8；扫描层5，17和29的CT数方差与应变的关系见图9~11；扫描层17在不同时刻的CT图像见图12。由图6~8可知：随着试验的进行，试件1~3各扫描层面CT数总体具有增大的趋势；试验前期，CT数增大速率大于试验后期CT数增大速率。这是由于在试验过程中，试件内部颗粒既存在受力压缩挤密，又伴随着试件横向变形引起体积增大导致密度降低。在试件变形初期，前者起到主要作用，在试件变形率大于4.0%后，试件受压所引起的横向变形将导致密度增加速率减缓；试件3、试件2和试件的各层面CT数依次减小，这是由试验开始前试件所处的围压条件决定的，围压越大，试件越密实。由图10~12可知：在试验过程中，CT数方差变化具有较好的规律性；各层面CT数方差随着试验的进行总体上缓慢减小，表明在三轴压力作用下试件密实度增大；各层面最小识别体积的密度差异性变小，表现为CT数方差减小。

图12所示为试件2扫描层面17在不同应变时的CT图像。由图12可知：随着试验的进行，层面白色区域(高密度区)面积增大明显，黑色区域(低密度区)面积逐渐减少，这与CT数随着试验进行缓慢增大是相互适应的。由CT图像可知：试件内部破坏形式并未出现岩石所具有的在压力作用下达到峰值强度时裂纹迅速产生的现象，也没有表现出黏性土在三轴应力下密度增大、内外部微裂纹发育直至贯通导致破坏的特征。而预崩解炭质泥岩试件随着试验的进行主要表现为炭质泥岩颗粒间的错动融合与微调整。这是由于预崩解炭质泥岩含有一定含量的黏土矿物，在经预崩解处理后，粉末状颗粒表现出黏土的“柔”性特征，而粒径较大、有裂隙的炭质泥岩颗粒间的孔隙被具有黏土“柔”性特征的炭质泥岩粉末所填充，因此，试件在受力后内部既出现了裂隙发育大颗粒的微调整，又伴随着具有“柔”性特征的炭质泥岩粉末与大颗粒炭质泥岩的错动与融合。在这个过程中，偏应力随着大颗粒微调整的产生而降低，但随即又随着颗粒间融合而稍微增大。这也是图5所示应力应变曲线在试验过程中有小幅波动的原因。

图6  扫描层5的CT数与应变的关系

Fig. 6  Relationship between CT number and strain for scanning section 5

图7  扫描层17的CT数与应变的关系

Fig. 7  Relationship between CT number and strain for scanning section 17

图8  扫描层29的CT数与应变的关系

Fig. 8  Relationship between CT number and strain for scanning section 29

图9  扫描层5的CT数方差与应变的关系

Fig. 9  Relationship between CT variance and strain for scanning section 5

图10  扫描层17的CT数方差与应变的关系

Fig. 10  Relationship between CT variance and strain for scanning section 17

图11  扫描层29的CT数方差与应变的关系

Fig. 11  Relationship between CT variance and strain for scanning section 29

图12  扫描层17在不同变形时刻的CT图像(σ₃=200 kPa)

Fig. 12  CT images of scanning section 17 at different moments of strain (σ₃=200 kPa)

3.2  预崩解炭质泥岩CT数与固结压力和偏应力之间的关系

预崩解炭质泥岩试件在固结压力σ₃为100，200和300 kPa时，各试件扫描层CT数随着偏应力、应变的逐渐增加而增大，各层面CT数变化规律基本一致，表明试件密度在围压与轴向荷载作用下逐渐增大。结合CT图像可知：各试件在不同围压条件下都表现出试件内有颗粒的错动与重新组合现象存在；同时，试件在围压增大条件下，其CT数随着围压的增大而增加，偏应力峰值强度也随之升高，这表明围压越高，预崩解炭质泥岩颗粒排列越紧密。这从细观角度说明围压越大，土的强度越高、应力-变形曲线斜率(模量)也越大的内在原因。

3.3  预崩解炭质泥岩CT损伤演化分析

通过CT数的数学模型运算，在CT扫描条件下，CT损伤变量为^[14-15]

          (2)

式中：m₀为CT机的空间分辨率；为材料损伤过程中密度的变化；为材料的初始密度。

根据CT原理，有^[16]

              (3)

因此，

            (4)

式中：为材料实时密度(g·cm^-3)；为初始状态下材料CT数；H为试验过程中材料动态CT数；m₀为CT分辨率，本试验为0.35 mm×0.35 mm。

为了便于研究损伤变量的变化规律，取式(4)的绝对值，有

             (5)

根据式(5)对损伤变量的定义，计算本试验所述试件1~3各扫描层损伤变量。扫描层17损伤变量见表3。

表3  试件1~3中扫描层17的损伤变量D

Table.3  Damage variable D and strain of specimens 1-3 for scanning section 17

由表3可知：在相同围压条件下，随着应变的增大，损伤变量随之增大；同时，在相同应变率下，围压与损伤变量成正比例关系。这表明在较高围压的压缩挤密作用下进行固结完成的试件，其强度大于低围压条件下固结试件的强度，且围压的存在有利于预崩解炭质泥岩试件强度的提高。此外，随着试验的进行，各试件损伤变量不满足线性关系，因此，可以推断：预崩解炭质泥岩路堤填筑材料细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。

4  结论

(1) 利用所述的三轴CT试验设备，对具有遇水崩解特性的软岩重塑土样进行了应力-应变分析，结合应力-应变曲线、CT数、方差、CT图像从细观角度探讨其变形破坏机理，并以CT损伤变量分析了损伤演化规律。试验表明，试验手段成熟可行，对进一步深入分析同类崩解软岩物理力学性质提供了新的方法。

(2) 在同一围压条件下，随着轴向应力σ₁的增大，预崩解炭质泥岩试件的宏观变形表现为轴向压缩、中部鼓起，表面无明显的裂纹，变形形式主要为受力均匀变形，试件内部细观表现为颗粒的错动与融合。同时，围压越大，试件峰值强度越高，试件扫描层初始CT数越大(表明试样密度越高)。这从细观角度说明了围压越大，土的强度也越高，应力-变形曲线斜率(模量)也越大的内在原因。

(3) 从细观看，在初始条件下具有明显各向异性特点，表现为CT数方差较大，试验后期试件差异性减小。随着变形的增大，试件损伤度也逐渐增大，其细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。

致谢：

在试验及论文写作过程中得到了中国科学院寒区旱区冻土工程国家重点试验室蒲毅彬高级工程师的帮助与指导，在此表示衷心感谢！

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-03-23；修回日期：2013-05-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078042，51278067)；长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室开放基金资助项目(kfj110206)；湖南省科学技术厅科技计划重点项目(2013FJ2008)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科转1298011-2)

通信作者：曾铃(1986-)，男，重庆江津人，博士研究生，从事岩土工程、道路工程面的科学研究工作；电话：13975853510；E-mail: zlbingqing3@126.com