冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测

1、第19卷第1期1 9 97 年Vol. 19 No. 119 97冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测马巍吴紫汪蒲毅彬常小晓（中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室，730000）摘 要 利用CT手段观测分析了冻土三轴压缩蠕变过 程中结构的变化情况，结果表明，蠕变过程中围压的作用抑制了冻土体中裂隙的增长，加强了结构的 强化作用，致使冻土在不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶段表现岀结构强化占优势。随着非弹性变形的进一 步累积，如果结构强化仍然占优势，则变形具有衰减特征；如果弱化作用 克服了围压效应 占主导，

2、则发展以破坏而告终的非衰减蠕变。破坏首先发生在样品低密段的薄弱区，在样 品表面形成拉伸裂缝，然后向内扩展最终导致整体结构的破坏。关键词冻土三轴蠕变 CT动态监测1 前言冻土作为一种多组分、分散相体系，因受其中特有的冰胶结作用，使其力学行为比 其它松散介质（如未冻土）更为复杂。由于冻土内各组分结构与联结作用的变化决定着流 变过程的宏观行为特征，因此对其细观结构变化的研究就变得相当重要。自60年代以来，许多学者借助于高倍光学显微镜（！ ？#?, 1969;维亚洛夫， 1987）或 复型-电镜”技术（Miao T iandeetal. , 1993;马巍等，1994）进行了冻土单 轴蠕变过程中微结构

3、变化的观测并得出结论： 蠕变的发生发展是受荷载作用下冻土发育微裂隙、颗粒集合体的破坏以及其它结构缺陷的增生所控制的”。事实上，他们的试验均是对一组相同试样在相同条件下施加相同荷载，在不同的蠕变阶段分别卸荷制片进行微观观测。这样所观测到的结果仅仅反映的是弹性变形恢复后结构变化的情况，也不排除制片过程中对样品结构的人为扰动，因此所得到的结果不能完全真实地反映冻土实际的结 构变化。对三轴蠕变来说，围压的作用对冻土有强化和弱化作用，因此由单轴蠕变试验得到的结果也不能反映三轴的情况。CT的引入，为岩土材料的非破坏的持续检测和内部结构的定量描述提供了可能（吴紫汪等，1994） °CT是电子计算机

4、断层扫描仪的简称，它是利用X射线穿透物体断面进 行旋转扫描,收集X射线经此层面不同物质衰减后的信息，进行放大和模数转换后本文于1996年5月6日收到；属国家自然科学基金（49301006）和中国科学 院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室资助项目。1期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测53由计算机对CT的探测空间范围内，与空间某点相关的各个方向射线进行空间解算，得出与该点X射线吸收系数 p直接关联的数值CTp,从而形成一幅物体断层的数字图像,物质的密度愈大，CT值愈大。由于CT监测过程不破坏样品的整体性 ，整个试验过程可以 多次对样品的不同层面重复监测、记录、图像分析和定量

5、处理，也可保存并于其它试验方法进行对比分析，因此用此方法进行冻土细观机制的研究具有相当的优越性。为了能利用这一手段观测分析冻土蠕变过程中结构的变化情况，我们自行研制了与CT相配套的非金属压力仓，此压力仓可在CT仪上进行各种力学试验。本文就是用此手段对冻土三轴 压缩蠕变过程中各层面的结构变化进行了动态监测，这在国内外尚属首次。2试验设备和试验准备本试验是在GE8800CT机上进行的，它可在510 s内完成一个断层的测量，测量直 径可达到42 cm,空间分辨率为0. 8 x 0.8 mm,密度对比分辨率为0.5%。为了消除金属对 CT信号的干扰，压力仓由非金属材料制成，内径为150 mm、外径 为

6、250 mm,外部高度为400 mm、内部高度为220 mm。最大轴压可达30 M Pa,最大围压 可达10 M Pa,压力由液压系统供给。压力仓壁内及上下端头均安装有冷液循环系统 ，由冷 浴控制温度，试验温度可在-6080 C之间变化，温度波动不超过土 0.1C。试验选用兰州黄土 ，其物理性质指标如表1所示。试样为圆柱状，高为150 mm、直径 为61.8 mm、含水量为 W= 27. 0%、干容重为d= 1. 52 g/ cm3。试验条件为轴对称三轴压 缩蠕变试验，围压为2 MPa ,轴向偏应力为3. 5 MPa,试验温度为-5C。表1兰州黄土的物理性质指标T able 1 Physica

7、l indexes of Lanzhou loess颗粒成分(%)比重液限(%)塑限(%)> 0. 1 mm0. 1 0. 05 mm0. 050. 005 mm< 0. 005 mm1. 75. 458. 634. 02. 724. 617. 7将试样装于压力仓在-5C条件下恒温12 h后加围压固结，然后施加轴压进行试验。 试验前先对样品进行一次预扫描(在试样上设计3个确定的扫描层位，照片1),然后由CT动态监测这三个层面在不同蠕变阶段的变化情况，直至试样破坏。根据不同的蠕变阶段共扫描了 9次 (图1)。3动态监测结果分析各层位的CT扫描结果见照片2、3和 4,其中照片上的a、b

8、、c分别对应的是图1中 的1、2、3位置，黑色的为高密区，白色的为低密区。由试验前各层面的 CT扫描图 像a可注意 到，无论是各层面还 是同一层面的 不同区 域都呈 现出 样品内部 结构的 不1期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测55x.|kiB.&aieiili «-k-Jbl虫 二 d J I lb JT'照片1样品安装图（I、H、山为扫描层位）照片 2I层面的ct扫描图像电 «M1I|Photo 1 Sample installed in a pressure roomPhoto 2 CT scanning images in Laye

9、r I1期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测#1期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测# *L IE尸咛人£rKttif 兰已基叱g也訣4 c_=-耳4T厂川”减严_二中丄二TblL' ：- -一-l：二一,*空空« T一*二皿S.冲踽j冷jg存蔬説二隔 二:二 7 応说亠岂誣-Wl丄祀庄也二_=-二二”二址二-兰葺J _宅" -"=mn-<_Photo 4 CT scanning images in Layer照片5第6次扫描时样品形状IPhoto 5 Shapeof sample when deformat

10、ion reaches position 6gPhoto 3 CT scanning images in Layer照片4山层面的ct扫描图像照片3 H层面的CT扫描图像照片6试验结束时样品形状o 6 Shapeof the sample after testin(-亠= M -> * 卜 J均匀性，高密区和低密区相杂出现，这是由于孔隙冰和土骨架的不均匀分布所造成，反映了冻土的整体状构造。从各层面来看，I、n层的密度明显大于川层（I层平均ct值为1 270. 9, n层为1 269. 9,川层为1 336. 6）,这样就形成了靠近川层面的一端为低密区，也可能成为易破坏区；从同一层面来看，

11、除第I层分布较均匀外，n、川层的中心区域 密度较低（n层的中心区域 CT值为1 250. 1、边缘区域为1 289.9,川层的中心区域为1 219.6、边缘区域为1 254. 8）,这是由制样过程所造成的。137嗣O51期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测#1期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测576010旳图2全截面含CT值随时间的变化Fis，2 Variatinii of ACT with lime in the whole secricn-400 斶 抽 137159Btlu'/mi n图4边缘区域CT值随时间的变化c o o O8 6 4 ? 2

12、图I蠕变曲线（圏中数字为扫描机数）Fig,】 Curve of creep201 IIIIY050 别 137153时 |li'/min图3中心区域 CT值随时间的变化Fig. 3 Variation of CT with time in the central areaFig. 4 V ariat on of CT with tim e in the peripheral area从不稳定蠕变阶段到稳定蠕变阶段（见CT图像b、c、d、e和f）,各层面的高密区域均在扩大，在个别区域高密斑点甚至有贯通汇合的趋势，这在n层面的图像上反映得很明显（照片3）;高密区的扩展使各层面的结构向均一化

13、方向发展，这在I层面图像上反映得更清楚（照片2）,但也不排除个别区域密度偶尔产生降低的可能。当达到f图像，即最小应变速率点6（图1）所对应的图像时，各层面的密度均达到最大值,但对不同的层面此最大值不一样，愈靠近川层面的一端，此最大值愈小。可注重到这两阶段样品的径向 变形很小（照片5）,也就是说由于围压的作用使冻土体在不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶 段均产生压密现象，这是与单轴压缩蠕变现象截然不同的。当进入渐进流阶段后（图像g、h和i）,样品开始出现径向变形，愈靠近川层面的一端山I,此变形量愈大（照片6）,此时各 血|层面密度迅速降低，高密斑点减少或消失，低密区扩展最终导致整体结构的破坏，应注 意到

14、破坏首先发生在样品鼓胀最严重处，在样品表面形成拉伸裂缝，这也与单轴蠕变的破坏现象不一致。通过各层面CT值的变化可更清楚地看到这一现象。图2，3和 4分别为全截面、中心区域和边缘区域(区域面积为1.08 cm2)的 CT值随时间的变化情况，可注意到无论是 全截面、中心区域和边缘区域基本都具有同样的规律，在不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶段CT值均在增加，但也应注意到，在边缘区域CT值有升有降(图4)，总的趋势是样品 处于压密状态；当进入渐进流阶段后，CT值急剧降低(第I层面的中心区域除外除外，它在进入渐进流阶段后仍然呈现压密状态)，样品的膨胀占优势，直至结构崩溃而破坏。由于各层面的密度不一样，因此在渐

15、进流阶段样品内部结构的弱化程度不一样，愈靠近川层面一端，CT值变化愈激烈，样品的弱化程度愈大。由此变化规律可认为在冻土三轴 压缩蠕变过程中仍然存在着强化和弱化作用，这两者同步进行，围压的作用抑制了冻土体中裂隙的增长，加强了结构的强化作用，致使冻土体在不稳定蠕变阶段和稳定蠕变阶 段表现出结构强化占优势。随着非弹性变形的进一步累积，如果结构强化仍然占优势，则变形带有衰减特征；如果弱化作用克服了围压效应占主导，则发展以破坏而告终的非衰 减蠕变。4结论(1) 在冻土蠕变过程中CT值的变化主要由冻土体中各点的物质密度的变化所控 制；(2) 在冻土变形过程中仍然存在着强化和弱化作用，这两者同步进行，在一定

16、程度上围压的作用抑制了冻土体中裂隙的增长，加强了结构的强化作用，致使冻土在不稳定蠕 变阶段和稳定蠕变阶段表现出结构强化占优势。随着非弹性变形的进一步累积，如果结构强化仍然占优势，则变形具有衰减特征；如果弱化作用克服了围压效应占主导，则发展以破坏而告终的非衰减蠕变。(3) 蠕变过程中高密区的扩展可使冻土体的结构向均一化方向发展。(4) 破坏首先发生在样品低密段鼓胀最严重处，在样品表面形成拉伸裂缝，然后向内扩展最终导致整体结构的破坏。参考文献马 巍，盛 煜，吴紫汪.1994.冻土蠕变过程中冰及冰相应力的变化.自然科学 进展，4(6): 921926.吴紫汪，马巍.1994.冻土强度与蠕变.兰州大学

17、出版社，141148.维亚洛夫CC著，杜余培译.1987. 土力学的流变原理.北京：科学出版社，351361.Miao Tiande et al. 1993. A study on creep of frozen soil by damage mechanics. 6th Int. Conf. on Permafrost. South China University of Technology press. Vol. 2, 1 1971 201.%!?#?&?. 1969. ( )?+, ?-?%.%/7%!%#?1 2%? 37? ? ?4?45%#67 2%?!37?87 3 %

18、967 ;! #. ?< < /!?-%=%/?: 9 0%.=? o>4. ? A <6/. V.1期马 巍等：冻土三轴蠕变过程中结构变化的CT动态监测59Monitoring the Change of Structures in Frozen Soilin Triaxial Creep Process by CTM a Wei, Wu Zi wa ng, Pu Yipin an d Cha ng Xiaoxiao(State K ey Laboratory of Fr ozenSoil Eng neering, L I GG CAS, 730000)Abstrac

19、tIn this paper, monitoring and analyzing the change of structures of frozen soil in triaxial creep process by CT is prese nted. It is fou nd that the cconfining pressure restra ins the in crease of cracks in frozen soil and enhances the strengthening action of struct ure so that the strengthening of structure occupies a do minant positi on at u nstable a nd stable creep stages of froze n soil. Wit h a further accumulation of non- elastic deformation in frozen soil, if the strengthening of structure