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基于动态CT扫描的非饱和颗粒材料水-力特性微观试验研究

栾纪元, 葛尚奇, 王冀鹏

栾纪元, 葛尚奇, 王冀鹏. 基于动态CT扫描的非饱和颗粒材料水-力特性微观试验研究[J]. 岩土工程学报, 2025, 47(7): 1504-1515. DOI: 10.11779/CJGE20240074
引用本文: 栾纪元, 葛尚奇, 王冀鹏. 基于动态CT扫描的非饱和颗粒材料水-力特性微观试验研究[J]. 岩土工程学报, 2025, 47(7): 1504-1515. DOI: 10.11779/CJGE20240074
LUAN Jiyuan, GE Shangqi, WANG Jipeng. Experimental study on micro-scale hydro-mechanical characteristics of unsaturated granular materials based on in-situ triaxial CT scanning tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2025, 47(7): 1504-1515. DOI: 10.11779/CJGE20240074
Citation: LUAN Jiyuan, GE Shangqi, WANG Jipeng. Experimental study on micro-scale hydro-mechanical characteristics of unsaturated granular materials based on in-situ triaxial CT scanning tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2025, 47(7): 1504-1515. DOI: 10.11779/CJGE20240074

基于动态CT扫描的非饱和颗粒材料水-力特性微观试验研究  English Version

基金项目: 

国家重点研发计划项目 2021YFE0194300

详细信息
    作者简介:

    栾纪元(1997—),男,博士研究生,主要从事非饱和土微宏观力学方面的研究工作。E-mail: ji-yuan.luan@mail.sdu.edu.cn

    通讯作者:

    王冀鹏, E-mail: ji-peng.wang@sdu.edu.cn

  • 中图分类号: TU432

Experimental study on micro-scale hydro-mechanical characteristics of unsaturated granular materials based on in-situ triaxial CT scanning tests

Funds: 

the National Key R & D Program of China 2021YFE0194300

  • 摘要: 现有非饱和土力学主要聚焦于宏观或介观单元体尺度的研究,有关非饱和土的精准的微观试验研究仍然较为缺乏。针对非饱和土体微观水-力耦合试验的需求,研发适用微焦点CT(computed tomography)三维成像系统的微型非饱和三轴试验装置,开展吸力控制条件下的三轴剪切-动态CT扫描试验,获得干燥与非饱和状态颗粒材料试样在三轴剪切试验过程中多个状态的微米级高分辨率三维CT图像,运用图像标记处理与代表体积单元(RVE)分析方法,探究了微观因素对非饱和颗粒材料整体水力-力学特性的影响规律。结果表明,非饱和颗粒材料三轴剪切排水过程中,试样内连续分布的大体积孔隙水团逐渐排出或分解为离散的小体积液相团簇,颗粒间接触位置及孔隙中喉道处的小体积水相团簇(液桥)的联结作用是影响非饱和试样整体强度提升的主要微观因素之一;气-液交界面表面积变化峰值出现在30%饱和度左右,在25%~35%的饱和度范围(轴向应变2%~5%)存在较多弯月面,增大的气-液交界面面积对整体强度提升存在增益效应,固-液交界面面积主要由饱和度决定,其变化对整体强度提升无明显影响;亚颗粒尺度的颗粒间接触配位数演化行为可以表征颗粒骨架结构的变化规律,非饱和状态试样剪切排水初期(轴向应变0~2%),样品湿润程度降低,颗粒间接触配位数略有增多,摩擦力增大,且颗粒间接触处形成的液桥可减缓颗粒材料的接触损失,两者均可提升应力增长阶段的整体强度。
    Abstract: The advancement of the knowledge of behaviour of unsaturated soils has developed rapidly over the past decades, but the understandings remain largely at the macroscopic or mesoscopic element scale, and precise microscopic experimental studies on unsaturated soils still need to be improved. Aiming at the experimental requirements of non-destructively observing the micro-scale hydraulic-mechanical behavior of unsaturated soils, a miniature unsaturated triaxial test apparatus suits for μ-CT scanning system is developed. The suction-controlled in-situ triaxial compression CT scanning tests are performed to obtained the micron-level 3D images, and the image processing and RVE analysis are used to investigate the influences of microscopic effects on the global hydraulic-mechanical properties of unsaturated granular soils. The results show that: (1) During the triaxial shear drainage process of unsaturated granular soils, the connected large-volume pore-water clusters are gradually drained out or decomposed into the discontinuous small-volume pore-water clusters in tiny pores, and the strength of unsaturated granular soil samples is vitally affected by the small-volume liquid clusters (liquid bridges) within the shear band, which can provide the inter-particle cementation effect to enhance the global strength. (2) At about 30% of saturation, the air-liquid interface surface area reaches the peak value, in the scale of 25%~35% of saturation (axial strain 2%~5%), there exist large amount of meniscus air-liquid surfaces, and the increased air-liquid interface area enhances the global strength of unsaturated samples. The solid-liquid interface area is mainly related to the degree of saturation, and its fluctuation has few effects on the overall strength enhancement. (3) The changing of the fabric structure can be characterized by the evolution behaviour of inter-particle contact coordination number at the sub-particle scale, and the liquid bridges at the inter-particle contact can slow down the contact loss of the unsaturated samples and provide the overall strength during the stress growth stage.
  • 非饱和土体在地表广泛分布,也是人类生存的场所,现实中受到环境影响土体通常处于变饱和状态。在气候变化的大背景下,频发的极端天气(干旱或暴雨)会显著改变土体饱和度,进一步影响土体性能[1]。因此,深入探究非饱和土水力-力学的微-宏观机制,进一步完善非饱和土力学理论[2],将对边坡分析、路基设计、基础设施防护等岩土工程产生至关重要的影响,有利于未来的可持续性发展。自20世纪70年代以来,作为经典土力学分支的非饱和土力学迅速发展,对非饱和土的水力、力学与水-力耦合行为开展了大量研究[3-4]。然而,非饱和土体具有非均质性,土体内部各相物质之间的交界面呈现复杂形态[5],且非饱和土通常具有复杂的应力历史[6],基于其全局应力状态对非饱和土体的应力-应变行为的预测仍是一项挑战[7]。宏观行为和微观机理是研究非饱和土力学基础科学问题的两个基础层面[8],相关非饱和土体在微观尺度应力-应变行为的研究已经证实,非饱和土体的细观与微观结构对其宏观力学性质有重要影响[9]。例如,土颗粒运动与土体水分变化(孔隙水迁移和重分布),将引起土体孔隙结构的重新排列,这与非饱和土的固结变形过程高度相关[10]

    现阶段针对非饱和土的数值模拟有多种方法,如离散单元法(discrete element method,DEM)[11-12]和格子波尔兹曼法(Lattice Boltzmann Method,LBM)[13-14]。然而,非饱和土细-微观尺度的数值模拟研究大多基于理想化的假设,如饱和度范围的限制与液相形态的准确定义的问题,均限制了非饱和颗粒状土微观特性的研究。此外,数值模拟的计算结果需要相关试验的验证,因此,为解决非饱和土的水力-力学机理问题,开展针对颗粒状土的微观试验研究是十分必要的。尽管宏观尺度的研究已经取得长足进展,但与孔隙尺度基质吸力(气、液两相形态分布)引发的各向异性对单元体的作用规律相关的科学问题[15],仍需进一步研究以揭示微宏观响应关系。而现有的常规非饱和土壤测试仪器无法解决这些问题,适用微观试验的新型非饱和土试验仪器的研发,将对非饱和土的微-宏观机理的研究产生至关重要的影响。

    目前已有多种微观测试技术应用于岩土材料,如X射线衍射、X射线CT扫描、扫描电子显微镜等。其中,X射线CT扫描三维成像技术是一种代表性的微观测试技术,由于该技术具有非破坏性的特点,已经在岩土材料介观与细-微观尺度结构特性的研究中得到大量应用[16-21],尤其是针对黏性土干化开裂过程中微观结构的研究[22],可以证实CT技术具有良好的探测精度。随技术的发展,已有研究人员结合土工试验装置与CT扫描仪对岩土材料的细-微观演化行为开展扫描试验研究,并基于黄土和膨胀土的细观结构演化建立相关弹塑性损伤本构模型[23]。Cheng等[24]研发了小型化的加载试验装置,使用颗粒材料对颗粒土体进行替代,并基于三维CT扫描图像研究干燥状态的散体颗粒在三轴剪切过程中的演化行为[25]。蒋明镜等[26]研发出适用于CT扫描系统的微型动三轴仪,开展有关干燥颗粒状土微观动力学特性的研究。目前,非饱和土相关的微观试验仍需完善,法国3SR实验室运用研发的微型单轴加载试验装置结合微焦点CT[27],探究在有侧限单轴压缩情况下非饱和颗粒材料的微观力学机理。进一步地,笔者综合微焦点CT扫描成像的技术特点与常规非饱和土工试验仪的技术原理,研发适用CT扫描的微型非饱和三轴试验设备,并通过对比试验对研发设备的试验精度进行验证,完成初步的试验研究[28]

    综合上述,非饱和颗粒土微-宏观力学机理相关的研究,仍需开展更加深入的微观试验,本研究中结合研发的适用微焦点CT三维成像系统的微型非饱和三轴试验装置,开展三轴剪切-动态CT扫描试验,获得不同轴向应变阶段的颗粒材料试样的三维微米级高分辨率CT图像,运用图像处理与代表体积单元(RVE)分析方法探究并揭示了微观因素对非饱和颗粒材料整体水力-力学性能的影响规律。

    为开展非饱和颗粒材料微观水力-力学机理的研究,结合研发的微型非饱和三轴试验装置与微焦点CT三维成像系统,进行吸力控制的三轴剪切-动态CT扫描试验,通过图像分析的技术方法对微观结构与宏观特性进行多尺度研究,获得非饱和颗粒材料样品的微观力学参数,作为数值模拟的试验依据。

    为探究不同饱和度的颗粒状土的微观水力-力学特性机理,使用高圆度钠钙硅酸盐玻璃微珠作为试验材料,颗粒密度ρp=2.50 g/cm3,如图 1(a)所示。高圆度玻璃微珠可视作替代颗粒状土的理想化球状实体,其颗粒内部杂质少,该特点利于X射线CT扫描三维成像。玻璃微珠形状规则,有利于后续的图像处理分析中完成对小密度差的固、液、气三相物质的相位划分。筛分试验测得玻璃微珠粒径范围主要分布在0.2~0.4 mm,不均匀系数Cu为1.31,中值粒径D50为0.319 mm。试验中选用的玻璃微珠的颗粒级配表现较为不良,粒度分布曲线如图 1(b)所示。

    图  1  试验材料玻璃微珠与颗粒级配曲线
    Figure  1.  Test materials and grain-size distribution curve

    X射线是一种具有投射、荧光、电离及干涉衍射等物理特性的阴极射线。X射线计算机断层扫描成像技术(computed tomography,CT)是一种无损化检测技术,由Hounsfield等[29]、Cormack等[30]在20世纪70年代发明,首先用于医疗检测,随后在地球科学等多个学科领域的研究中进行应用。

    CT技术可对不同角度的投影图像进行三维重构,获取物体内部结构的3D图像信息。当X射线穿过某一物质时,遵循朗伯-比尔定律,射线源发出的X射线穿透被探测物(视为由若干个大小相同且均质的单元组成),测定透射物体后的各条射线的光强,结合射线的初始强度,得到与物体内各个单元吸光系数相关的多元线性方程组。通过求解的物体内部吸光系数的分布情况,以反映物体的内部结构。基于此,当非均质样品中的第i种材料的厚度Li无限接近于0时,可将射线衰减表示为在物体长度上的线积分:

    p=LμΔL=lnI0I
    (1)

    式中:p为投影测量值,是X射线透射路径上衰减系数的线积分;I0为入射光强度;I为出射光强度;I0I的比值为吸光系数。因此,CT图像重建过程的实质可视作运用射线探测器采集的投影数据p反演材料的衰减系数(断层图像)。

    X射线微焦点CT针对不同的被探测物体可实现高分辨率(微米至纳米级)三维成像,微焦点CT的成像特性极为适用多相颗粒材料微观现象的定量研究,如小尺度的颗粒尺度特征(颗粒体积、颗粒表面积)、液相的三维形态与空间分布状态,甚至亚颗粒尺度特征(颗粒间接触)、各相位之间的交界面特征(交界面面积、交界面的拓扑形态)等。本研究中使用的X射线微焦点CT扫描系统以几何放大的形式对扫描对象进行放大成像,其成像示意如图 2所示。

    图  2  微焦点CT扫描三维成像系统示意图
    Figure  2.  Schematic of X-ray micro-CT scanning system

    研发的微型非饱和三轴剪切试验装置整体高度50 cm,总质量8 kg,采用尺寸缩小的试样(直径10 mm×高度20 mm)。研究使用蔡司Xradia Context型X射线微焦点CT扫描系统(X射线管配备0.95μm的微米级焦点),开展三轴剪切-动态CT扫描试验[28]。三轴剪切试验中,试样受到剪切后的应变局部化主要发生在试样中段[31],因此,研究中CT三维扫描的视野为样品中部高度16 mm的区域(图 3(a)所示)。三轴剪切-动态CT扫描试验以阶段加载的方式进行,整个试验过程中三轴剪切与扫描交替进行。

    图  3  三轴剪切-动态CT扫描试验
    Figure  3.  In-situ triaxial compression CT scanning test

    结合非饱和土试验方法标准[32]与实际条件,开展颗粒材料试样(干燥状态组与非饱和状态组)的三轴剪切-动态CT扫描试验,两组三轴试验的围压均为40 kPa,加载速率均设置为0.005 mm/s,非饱和状态组中,对试样施加的吸力控制在1.0 kPa,在围压与吸力状态相关的传感器数值稳定后30~40 min(完成固结)进行轴向加载。在轴向应变状态ε≈0%,ε≈2%,ε≈5%,ε≈10%与ε≈15%的时刻进行CT扫描,试验应力-应变曲线(轴向应变-偏应力与轴向应变-体应变)如图 3(b)所示。不同状态试样的扫描成像试验中使用相同的CT扫描设置参数[28],获得的三维CT图像达到9 μm/vx的分辨率(微米级)。三轴剪切-动态CT扫描试验中,试样在不同轴向应变状态下整体演化情况如图 4所示。

    图  4  三轴剪切-动态CT扫描试验颗粒材料试样的整体演化
    Figure  4.  3D model and central vertical and horizontal cross section slices of samples during in-situ triaxial compression tests

    对试验获得的三维灰度CT图像进行图像处理,运用非局部均值滤波函数基于自相似性原理完成对图像噪声的滤除。选用基于标示(marker)的分水岭算法,完成两组颗粒材料三维CT图像的相位划分处理。在运用该方法时,对非饱和状态组试样的图像中固、液、气三相进行标示,而对干燥状态组试样仅需标示固、气两相物质。

    基于完成相位划分的三维CT图像,对固相与液相进行标记化(label)处理,在三相划分图像中通过选择相应阈值进行提取,转化为包含提取相与其余未选定区域的二相化图像。对于提取固相图像,其依然包含有两固体颗粒之间的重合像素(颗粒间接触),通过用于标示颗粒所占区域外轮廓的分水岭线与固相区域的位置关系,对颗粒间接触进行识别与提取,具体处理流程如图 5(a)所示。并且,在该玻璃微珠的颗粒系统中,制备的样品已进行压密处理,颗粒无法以孤立的方式存在,颗粒间的相互接触是不可避免的情况,然而,由于颗粒系统中的粒径存在差异,所有相邻的颗粒之间不可能全部产生相互的接触。

    图  5  三维CT图像标记化处理的流程图
    Figure  5.  3D image process for solid particles and pore-water clusters

    标记液体团簇的图像处理方法类似于标记固体颗粒,但液体本身具有连续性,因此不需要进行使得液体团簇分离为孤立状态的处理操作,可对提取后的液相团簇二相化图像直接进行标记化处理分析。

    此后,如图 5(b)所示,对提取相(固相颗粒、液相团簇)进行标记化处理分析,并为每个固相颗粒(液相团簇)独立分配ID(在图像中以不同颜色区分不同ID),对每个ID的固相颗粒(液相团簇)进行分析,获得每个ID固相颗粒(液相团簇)的相关图形信息(如重构空间坐标系中的质心坐标、3D体积、3D表面积、等效直径等)。在获得的形态学信息中,等效直径(EqD)是与被统计的ID区域(固相颗粒、液相团簇)具有相同体积的球体的直径,其表达式如下:

    DEq=36VIDπ 
    (2)

    式中:VID为某一ID对应区域的体积。

    为探究微-宏观尺度的行为特性的响应关系,运用了代表性体积单元法(representative volume element,RVE)对局部的微观图形信息进行量测。

    划分RVE三维体网格是实现尺度转化的重要步骤,为反映局部微观特征,RVE的尺寸相比于整体体积应当足够小,且该尺寸的RVE能够保留实体结构的可靠信息,即每个RVE在微观尺度的平均值又可作为宏观值来对整个系统进行描述。因此,选定不同尺寸RVE会直接导致获得的微观值的差异。为避免上述误差,应将RVE的尺寸进行统一,选择某一标准尺寸的RVE作用于全局三维图像的处理分析,令选定的RVE实现对全局样品的重要特征信息进行代表[33]。基于三维的相位划分图像,在样品内部区域随机设置6个RVE节点,并检测各RVE节点之间的相对位置,已保证所设置节点的合理性,通过多节点计算,以确定合适的RVE尺寸。其初始尺度为1个体素(vx),此时,单个RVE的孔隙率为0或1,分别对应为RVE的位置在固体颗粒区域或孔隙(空气与液体)所在区域。随着RVE尺度的增加,相应测得的孔隙率数值不再离散。如图 6所示,在单个RVE尺度达到100体素后,孔隙率的值趋于稳定,基于该计算结果,选取100体素(边长约为0.9 mm)的长度作为RVE尺度,对三维图像划分RVE立方体网格。

    图  6  图像代表体积单元(RVE)的选定
    Figure  6.  Determination of RVE size of 3D image

    基于三维CT图像进一步开展对不同相物质之间的相互作用的分析,例如,气、液、固三相之间的交界面效应与强度的联系。基于三相化图像提取各相物质间的交界面,运用Dalla等[34]开发的算法对交界面区域进行处理。使用isosurface(等值面)算法对三相化的三维体素化图像矩阵进行处理,将提取的阶梯化(立方体体素构成)的交界面表面转换为相对光滑且未产生边界收束的表面,Lin等[35]也运用了相同的图像处理思路分析多孔砂岩中的两相流体交界面。

    首先根据三值化图像计算固相、液相和气相的表面积,通过公式(3)计算气-液交界面的界面面积aaw

    aaw=12(anas+aw)
    (3)

    液-固两相交界面的界面面积asw的表达式为

    asw=12(asan+aw)
    (4)

    式中:an为气相的比表面积;as为固相的比表面积;aw为液相的比表面积;三相交界面如图 7所示。

    图  7  三相交界面示意图
    Figure  7.  Sketch map of three-phases interfacial area

    基于CT图像测得玻璃微珠颗粒的等效粒径级配曲线(图 8),颗粒的等效直径信息通过针对固体颗粒图像的标记化分析获得。对比图 8(a),(b),在三轴剪切过程中(不同轴向应变状态),两组试样的颗粒级配曲线几乎一致,主要粒径分布范围为0.2~0.4 mm。上述现象表明,两组试样在初始状态(ε≈0%)的颗粒级配曲线可以代表本组颗粒级配曲线,且反映出在加载过程中未出现玻璃微珠颗粒碎裂的情况。图 8(c)中,玻璃微珠粒径筛分析试验结果与CT图像分析测量结果进行对比,两级配曲线具有较高重合度,该对比结果证实了标记化分析的准确性,并验证了固相颗粒间接触识别方法的准确度与适用性。

    图  8  基于图像分析的颗粒级配曲线
    Figure  8.  Grain-size distribution curves of high-roundness glass beads based on CT image analysis

    本研究中选取的试验材料通过CT图像分析测算的等效体积球直径与实际量测的直径之间差异很小,这是由于玻璃微珠具有高球形度,其真实的颗粒直径与通过图像测算的等体积球对应的等效直径十分接近。然而,在使用真实的颗粒状土体进行试验时,图像测量与物理筛分的结果将存在一定差异,由于真实土体颗粒具有不规则形状,通过CT图像分析获得等效粒径分布范围将大于颗粒筛分结果。

    通过对液相二相化图像的标记分析,得到孔隙水的体积与液体团簇的等效直径信息,绘制孔隙水团簇的尺寸级配曲线与孔隙水体积-排水量-轴向应变曲线,如图 9(a),(b)所示。有关试样内部孔隙水体积占比的变化,已对全局饱和度-轴向应变与局部饱和度-局部孔隙率的演化行为进行了分析[28],证实对液相的相位划分的准确性。控制吸力的三轴剪切-动态CT扫描试验从试样饱和度约50%的状态开始,在ε≈0%时,非饱和试样的孔隙水基本呈现为一个连续分布的大体积液体团簇,将等效直径大于1 mm的水相团簇视为大体积的液体团簇。

    图  9  基于图像分析的三轴剪切作用下孔隙水运移的演化
    Figure  9.  Evolution of pore-water migration during suction-controlled triaxial compression based on image analysis

    结合图 9(a),(b)与图 3(b)分析,三轴剪切开始后,在轴向应变(ε)从0增长到15%的过程中,试样体应变增大(剪胀),孔隙水被排出,排水量随三轴剪切的进行逐渐减少,非饱和颗粒材料试样内部最大体积水团的等效直径减小,等效直径小于1 mm的小体积水相团簇的数量增多,因此,上述孔隙水团簇的演化行为是同时发生的。与此同时,图 9(c)的3D模型与图 4(b)的二维切片可有效对上述演化行为进行可视化展示。

    综合上述,在三轴剪切初期,轴向应变ε ≈ 0%及ε ≈ 2%的状态,孔隙水总体积较大,且主要是以联通的大体积液体团簇的形式存在。此后伴随三轴剪切的进行,偏应力峰值出现,轴向应变(ε)5 %~10 %时,随着试样孔隙率增长,大体积水团逐渐消散,部分孔隙水被排出导致整体的液相体积减少(饱和度减小),同时另一部分孔隙水分解为孔隙空间中分布不连续的小体积液相团簇,导致其在液相总体积中所占比例不断增加,使得图 9(a)中液相团簇的连续分布曲线抬升。此时,液相的形态主要为存在于颗粒间接触位置及孔隙中喉道处的小体积水相团簇,对比干燥状态试样可知,非饱和状态样品的强度提升主要由该类小体积液体团簇(即液桥)所提供。在偏应力峰值过后,轴向应变(ε)10%~15%状态的试样中,孔隙水几乎被排空,非饱和试样处于残余饱和度状态,孔隙水的分布形式主要以小体积水相团簇为主。此时,试样内部的小体积水相团簇主要存在于小孔隙处,液桥数量不足,无法继续对颗粒材料提供强度。

    三轴剪切过程中,孔隙水逐渐被排出,最大的孔隙水团簇的体积逐渐减小,相应的体积较小的液体团簇数量增加,非饱和颗粒材料试样中剪切带内的小体积液体团簇(即液桥)产生的联结作用对整体强度的提升有一定贡献。

    基于2.2节中对试样全局图像划分的RVE网格,结合平滑处理后的各相物质间交界面,研究各相物质间交界面全局宏观与局部微观的演化行为。

    使用两相物质的表面积比表征固-液交界面的演化趋势,将其定义为某一区域内总固-液交界面面积与固相总表面积的比值;由于气、液两相物质均为流体,气-液交界面的演化趋势通过两相物质的特征化表面积进行表征,其可被定义为某一区域内总气-液交界面面积与该区域总体积的比值。

    固-液交界面和气-液交界面的整体与局部的演化行为分别在图 10(a),(b)中进行展示,图中黑色曲线表征了整体的交界面演化行为,散点展现了基于RVE的局部交界面演化特性。由于散体颗粒材料和液相组合系统的非均质性,不同位置的RVE具有不同的饱和度,因此,局部的RVE覆盖了全部的饱和度范围,局部信息的研究分析可更全面的对试样的水力-力学行为进行了解。

    图  10  整体与局部的各相物质间交界面演化
    Figure  10.  Evolution of global and local (based on RVEs) interfacial areas

    图 10(a)中对角虚线(χsw)为土体的理想化三相演化时的固-液交界面表面积比的参考线,实际测得的固-液交界面的表面积比的数值应分布在Sr=χsw参考线以上。随轴向应变增长试样脱饱和(饱和度降低),固-液交界面的整体与局部尺度演化均呈现下降趋势。整体固-液交界面表面积的演化行为与整体饱和度减少的趋势相对应,局部尺度的固-液交界面的表面积也随局部饱和度的降低而出现减少的趋势。综合对比图 10(a)中整体与局部的固-液交界面演化行为与3.2节内容可知,在试样剪切排水过程中,孔隙水由大面积覆盖固相颗粒表面,转变为对固相颗粒的表面未形成覆盖包裹的小体积液体团簇,且小体积的孔隙水团主要分布在微小孔隙中。综合上述演化行为与图 3(b),4(b)可知,在三轴剪切进行后,非饱和颗粒材料试样体应变增加,试样全局孔隙体积增大出现剪胀。与此同时,结合图 9可知,孔隙水体积减小,被持续排出,因此全局饱和度降低,进一步直接影响整体固-液交界面表面积,但局部固-液交界面表面积主要由局部饱和度决定。

    三轴剪切过程中气-液交界面的演化行为如图 10(b)所示,其中,当试样饱和时(Sr=1),气-液交界面的表面积为0。三轴剪切的过程中,轴向应变不断增大,试样内部整体气-液交界面特征化表面积的演化趋势为先增高再降低。通过RVE分析获取的局部气-液交界面特征化表面积的演化规律与整体的变化趋势相似,初始状态(ε≈0%)时的局部饱和度分布于整个饱和度范围内,局部气-液交界面特征化表面积分布较为离散;随剪切排水的进行(ε≈2%与ε≈5%),饱和度下降较为迅速,局部饱和度分布逐渐向中低饱和度范围集中,局部气-液交界面特征化表面积出现峰值,且其分布向峰值处聚集;在完成剪切破坏阶段(ε≈10%与ε≈15%),局部的气-液交界面特征化表面积由峰值处下降。气-液交界面的特征化表面积的峰值出现在饱和度约为30%时,结合图 3(b)、4(b)与图 9对比可知,其原因为在25%~35%的饱和度范围内,非饱和试样处于悬索态,存有较多的弯月面,在气-液交界面表面积增长至出现峰值的阶段中,孔隙中液相形成较多的液桥,主要分布在颗粒间接触的位置,为试样整体在剪切排水的过程中提供强度。

    颗粒间接触的演化,例如接触颗粒的配位数(coordinate number,CN),是进行微观结构演化表征的重要参量。配位数的概念源于化学领域,用于研究化合物的中心原子周围配位的原子个数。

    本文在针对颗粒材料之间的接触状况进行研究时引入了配位数的概念,下文中提及的配位数为直接与某一中心颗粒相互接触(配位)的颗粒的数量,为颗粒间接触的配位数。通过颗粒间接触识别提取与标记化分析,对某一颗粒具有的颗粒间接触数量进行统计,并结合颗粒的ID信息得到每一个颗粒的颗粒间接触配位数。通过颗粒接触配位数表征三轴剪切过程中颗粒骨架的结构变化规律,探究试样亚颗粒尺度的微观力学行为,本文中颗粒间接触区域的尺寸范围:长轴40~160 μm,厚度12~40 μm,即亚颗粒尺度所代表的尺寸范围。

    两组试样的颗粒接触配位数统计信息如图 11(a),(b)所示,相比于非饱和状态组,干燥状态组的颗粒接触配位数的频数分布较低。三轴剪切过程中,试样出现剪胀(孔隙体积增加),两组试样的颗粒接触配位数峰值均减小,颗粒接触配位数峰值对应的频数均增高,分布曲线向左上方的偏移,因此随轴向应变的增加,多相颗粒系统中颗粒接触配位数降低,其演化趋势均与表 1中平均配位数的演化情况相对应。

    对比两组试样在不同轴向应变状态(ε≈0%与ε≈15%)的颗粒接触配位数的频率分布情况,如图 11(c),(d)所示。初始状态(ε≈0%)时,干燥状态试样与非饱和状态试样的颗粒接触配位数峰值分别出现在CN=7与CN=8,峰值对应频数分别在11000,12000左右。进行三轴剪切之后,随轴向应变的增长,两组试样均出现剪胀(孔隙比增加),对比各轴向应变阶段(ε≈2%,5%,10%),非饱和状态试样的颗粒接触配位数峰值对应的频数始终高于干燥状态组。当三轴剪切破坏完成时(ε≈15%),两组试样的颗粒接触配位数峰值均减小,分别为CN=6与CN=7。但两组试样颗粒接触配位数峰值对应的频数均产生近似幅度的增长,干燥状态试样的峰值频数增长至14000左右,非饱和状态试样的峰值频数约为16000。综上所述,颗粒接触配位数(CN)及其频数分布受吸力作用的影响十分明显,该现象也与此前图 3(b)中所示的非饱和状态试样具有更高强度的现象一致。结合表 1图 11与文图 3(b),10(a),在三轴剪切排水过程中,非饱和状态试样剪胀,孔隙水体积减少,固-液交界面面积减小,试样整体干燥程度上升,且初期(轴向应变0~2%)平均颗粒间接触略有增多,因此摩擦力增大,对整体强度提升有一定贡献。

    图  11  干燥状态与非饱和状态试样颗粒间接触配位数的演化
    Figure  11.  Probability density distributions of coordination number during triaxial compression
    表  1  干燥状态与非饱和状态试样颗粒间接触平均配位数
    Table  1.  Evolution of mean coordination number in dry and unsaturated samples during in-situ trixial CT tests
    状态 ε≈0% ε≈2% ε≈5% ε≈10% ε≈15%
    干燥状态 7.431 7.319 6.904 6.424 6.322
    非饱和状态 8.124 8.256 7.735 7.112 6.785
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    本研究开展吸力控制的三轴剪切-动态CT扫描试验,实现对颗粒材料试样三轴剪切过程中多个状态的高精度三维成像,获得9 μm/vx的微米级高分辨率CT三维图像,运用图像处理与分析方法探究微观因素对整体水力-力学性能的影响规律,得到以下3点结论。

    (1)随试样剪胀与脱湿,孔隙空间中连续分布的大体积水相团簇逐渐被排出,导致液相体积减少(饱和度减小),或分解为分散的小体积液相团簇(所占比例不断增加),颗粒间接触位置及孔隙中喉道处的小体积水相团簇(液桥)的联结作用是影响非饱和试样整体强度提升的主要微观因素之一。

    (2)三轴剪切作用下非饱和试样整体(局部)固-液交界面表面积变化与整体(局部)饱和度的演化规律呈正相关,其变化对整体强度提升无明显影响。随饱和度的降低,气-液交界面表面积先增加后减小,对于本文研究中的颗粒材料材料,气-液交界面表面积峰值对应的饱和度约为30%,在该饱和度范围附近(25%~35%),孔隙水团簇表现为含有较多弯月面的小体积液相团簇(液桥)。此时对应试样整体强度增长阶段(ε≈2%~5%),表明增大的气-液交界面面积对整体强度的提升存在增益效应。

    (3)全局的颗粒接触平均配位数随轴向应变增加而下降,剪切破坏完成阶段(ε≈10%~15%),其变化趋势较平缓。个体颗粒接触配位数的峰值减小而对应的频数增加,表明颗粒材料内部存在接触损失。非饱和试样剪切排水初期(ε≈0%~2%),体应变增加,但颗粒间接触数量略有上升,且试样湿润程度降低,摩擦力增大,对整体强度的提升有一定贡献。非饱和试样的颗粒间接触数量多于干燥状态,证实在非饱和试样中颗粒间接触位置形成的液桥可减缓接触损失的产生,进而贡献应力增长阶段的一定整体强度。

    利益冲突声明/Conflict of Interests:所有作者声明不存在利益冲突。All authors disclose no relevant conflict of interest.
    作者贡献/Authors' Contributions:栾纪元参与设计试验、试验研究、数据采集分析、文章撰写;葛尚奇参与文章技术性修改;王冀鹏参与批判性审阅、经费支持等支持性指导贡献。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。In this paper, LUAN Jiyuan accomplished research proposal design, experimental operation, data analysis and manuscript draft. GE Shangqi revised this paper. WANG jipeng participated in critical review, financial support, and other guiding contributions. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.
  • 图  1   试验材料玻璃微珠与颗粒级配曲线

    Figure  1.   Test materials and grain-size distribution curve

    图  2   微焦点CT扫描三维成像系统示意图

    Figure  2.   Schematic of X-ray micro-CT scanning system

    图  3   三轴剪切-动态CT扫描试验

    Figure  3.   In-situ triaxial compression CT scanning test

    图  4   三轴剪切-动态CT扫描试验颗粒材料试样的整体演化

    Figure  4.   3D model and central vertical and horizontal cross section slices of samples during in-situ triaxial compression tests

    图  5   三维CT图像标记化处理的流程图

    Figure  5.   3D image process for solid particles and pore-water clusters

    图  6   图像代表体积单元(RVE)的选定

    Figure  6.   Determination of RVE size of 3D image

    图  7   三相交界面示意图

    Figure  7.   Sketch map of three-phases interfacial area

    图  8   基于图像分析的颗粒级配曲线

    Figure  8.   Grain-size distribution curves of high-roundness glass beads based on CT image analysis

    图  9   基于图像分析的三轴剪切作用下孔隙水运移的演化

    Figure  9.   Evolution of pore-water migration during suction-controlled triaxial compression based on image analysis

    图  10   整体与局部的各相物质间交界面演化

    Figure  10.   Evolution of global and local (based on RVEs) interfacial areas

    图  11   干燥状态与非饱和状态试样颗粒间接触配位数的演化

    Figure  11.   Probability density distributions of coordination number during triaxial compression

    表  1   干燥状态与非饱和状态试样颗粒间接触平均配位数

    Table  1   Evolution of mean coordination number in dry and unsaturated samples during in-situ trixial CT tests

    状态 ε≈0% ε≈2% ε≈5% ε≈10% ε≈15%
    干燥状态 7.431 7.319 6.904 6.424 6.322
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图(11)  /  表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-23
  • 修回日期:  2024-12-11
  • 录用日期:  2025-01-07
  • 网络出版日期:  2025-01-07
  • 发布日期:  2025-01-08
  • 刊出日期:  2025-06-30

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