滑帶黃土孔隙微結構參數與動應力關系研究

任 權，王家鼎，谷天峰，蔡同俊

（1．西北大學 地質學系／大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069；2．陜西省交通規劃設計研究院 公路勘察設計院，陜西 西安710068）

土體微觀結構研究的目的是找尋微觀結構變化與宏觀力學性質之間的規律性，或者說是為了揭示宏觀力學的微觀機理。而近年來諸多學者的研究方向多集中于靜力作用下土體微觀結構的變化，而對正弦荷載作用下滑帶土的微觀結構的重視較少［1－2］，因此，本文擬從該方面對滑帶黃土微觀結構進行分析，以黃土滑坡滑帶土微觀孔隙結構為研究對象，輔以定量化分析為主要研究手段，研究其在不同試驗條件下微觀結構的變化與動應力之間的關系。

1 試驗方法及數據來源

1．1 試樣來源

本文所選土樣取樣地點為鄭州市—西安市高速鐵路潼關段典型的黃土滑坡。選擇在滑坡側壁相鄰位置取樣用于試驗分析。試樣選擇在滑坡側壁相鄰位置取樣用于試驗分析，其應力狀態可以代表滑帶黃土在滑坡滑動之前的狀態。原狀黃土取樣深度為5～6m，屬Q3黃土，試樣各項基本物理力學參數如下：土粒比重取2．71，天然密度1．41～1．65g／cm3，孔隙比1．02～1．12，含水量10%～23%，塑限15%～20%，塑性指數6．7～13，黏聚力10．7～30．3kPa，內摩擦角24．3°～28．2°。

1．2 試驗方法及數據來源［3－10］

本文試驗是在西北大學大陸動力學國家重點實驗室的英國GDS動三軸儀上進行的動三軸試驗以及Quota 400FEG熱場發射環境掃描電子顯微鏡進行的掃描電鏡試驗。

（1）動三軸試驗。試驗選擇標準尺寸為Φ50mm×h100mm的土樣進行不排水固結，固結完成后根據試驗設計方案，分別在圍壓為30，50，100kPa試驗狀態下，加載不同的軸向應力和動應力，從而獲得各個試樣的累積變形量。

（2）掃描電鏡試驗。動三軸試驗結束后，將不同試驗狀態下的試樣取下，經過脫水處理后，制作成實驗室所需的標準試件進行掃描電鏡試驗，獲得黃土微觀結構的照片，并對其進行圖像處理取得數據結果（表1），進行分析對比研究，確定動力作用下的黃土微結構變化特征。

表1 不同試驗條件下滑帶黃土微觀結構參數

2 結果與討論

2．1 孔隙數量與動應力的關系

在一定的視域范圍內，孔隙數量不僅可以反映土體中水和氣體的含量，還反映了土顆粒與水、氣體之間的相互作用與分布情況，這將進一步影響土體含水量、孔隙比、孔隙水壓力等力學參數，由此可見，孔隙數量同土體宏觀物理力學性質之間有一定的關系。圖1為不同動應力條件下水平截面上孔隙數量與動荷載之間的關系曲線，可以看出土體中總孔隙個數隨著動荷載的增加而增加，3種圍壓狀態下擬合方程均為線性方程y＝Ax＋B，相關性較好。

圖1 孔隙數量與動應力之間的關系

2．2 孔隙面積與動應力的關系

孔隙面積是表征宏觀土體孔隙比、孔隙度的微觀參數。圖2為不同動應力條件下水平截面孔隙面積與動荷載關系曲線，曲線均為線性方程，說明水平截面孔隙面積與軸向動荷載之間存在良好的負相關。從圖2可以看出，圍壓30kPa作用下，水平截面孔隙面積隨著動荷載的增加有逐漸減小的趨勢，但是這種趨勢有越來越緩的現象。這表明在圍壓30kPa情況下，當動應力增加到一定程度時，土體中孔隙面積減小的速度越來越慢甚至不會再減小，這時候土體在正弦動荷載作用下，仍然可以產生振陷殘余變形，但是從土體微觀結構來看，這部分變形不是由孔隙面積減小而造成的，通過分析發現，這時候土體所產生的殘余變形是由土顆粒的重新排列造成的。

圖2 孔隙面積與動應力之間的關系

此外，發現總孔隙數量的增加和總孔隙面積的減少之間還存在著線性關系，由此看出這2個微結構參數是影響土體面孔隙比的重要因素。

2．3 孔隙平均直徑與動應力的關系

孔隙平均直徑是反映土體孔隙大小特征的重要參數。圖3為不同動應力條件下水平截面孔隙平均直徑與動荷載關系曲線，從圖3中可以看出，孔隙平均直徑隨著軸向動荷載的增加而減小，原因在于，隨著軸向動應力的增加，滑帶黃土開始產生殘余變形，土體結構開始發生破壞，部分單粒或集粒破碎，充填相鄰孔隙，從而造成孔隙平均直徑的減小。

圖3 孔隙平均直徑與動應力關系

2．4 形態參數與動應力之間的關系

在微結構研究中，形態比主要用來表征孔隙的形態，其可以描述孔隙形態在軸向動應力作用下的變化規律，其值越大，孔隙越趨近于長條形；形態比越接近1，表明孔隙形狀近于正方形或圓形（原狀黃土孔隙近于圓形或橢圓形，少見近似方形孔隙）。根據不同動應力條件下孔隙形態比與軸向動荷載之間的關系曲線可以看出，圍壓30kPa作用下隨著動荷載的增加，孔隙形態比增加，但增加速率將會越來越小，表明土體孔隙逐漸由近圓形或橢圓形向長條形變化，當孔隙形態變化到一定程度后就不會再產生較大的形狀變化。而在圍壓為50，100kPa狀態下時規律類似，但并未出現速率漸變的情況，此點反應的狀況同孔隙面積與動應力的關系相同。

2．5 孔隙分形維數與動應力的關系研究

基于GIS分析計算，可以看出滑帶黃土孔隙分形維數隨著軸向振動荷載（振幅）的增加逐漸增大，這說明黃土孔隙微結構形態具有一定的分形特征。圖4為不同圍壓下孔隙分形維數與動應力的關系曲線，從圖4中我們可以看出，水平截面上，孔隙分形維數隨著動應力的增加而增加，且各個圍壓下規律類似，均呈線性相關，在置信度為0．05條件下，相關性較好。這是由于土體遭受振動荷載后，中、大孔隙數量減少，土體界面起伏也就越小，所對應的土體也就越致密，導致孔隙分形維數變大。反之，分形維數越小時，土體界面也就越粗糙，此時，中、大孔隙明顯存在，結構基本未發生破壞，土體結構狀態與原狀土相差無幾。試驗結果亦可以表現這一特征，在小動應力條件下，土體基本上不產生殘余變形。

圖4 孔隙分形維數與動應力關系

3 結 論

（1）土體在外荷載作用下表現的各種力學性質，實質上是其微觀結構變化的一種宏觀反映。通過對試驗結果進行分析，我們發現滑帶土體微觀結構參數隨著荷載的增加呈現一定的規律性，其中孔隙數量、孔隙面積、孔隙形態比與動應力之間的關系可以用簡單的線性方程y＝Ax＋B表示，這對土體微觀結構力學、黃土微觀結構力學模型的建立具有一定程度的指導意義。

（2）孔隙分形維數隨著動應力的增加而增加，兩者呈線性相關，且在置信度為0．05條件下，相關性較好。但孔隙分形維數與滑帶土體宏觀力學性質之間的關系如何，卻仍然處于初步研究階段，下一步可以從這個方面深入進行研究。

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