壓實度對黃土填方邊坡變形破壞特征的影響及細微觀試驗研究

陳林萬， 張曉超， 范珊， 黎俊豪， 郝盛藍， 朱錦宇， 賈春峰

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610059; 2.四川省華地建設工程有限責任公司， 成都 610081; 3.山西省交通環境保護中心站(有限公司)黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室； 太原 030006)

中國的黃土分布面積約6.31×106km2，其中黃土高原是世界上分布最集中、沉積最厚的地區[1]，同時也是“西部開發”的重點區，生態環境脆弱區。近年來，隨著國家城鎮化建設和交通強國的不斷推進，在黃土地區大挖大填，產生了許多黃土填方邊坡，最典型屬延安新區的橋兒溝黃土高填方邊坡，填筑高度超過100 m。如此大規模的填方邊坡使壓實度很難達到控制標準，在降雨作用下會產生一定的安全隱患。

黃土填方工程的填料是典型的非飽和重塑土，一般是就地取材，在非飽和狀態下經過人工壓實而成[2]。目前，對于壓實黃土，研究人員一方面從細觀入手，主要通過室內試驗研究不同密實度對黃土強度和滲透特性的影響[3-5]。李金華等[6]研究了含水率和擊實能對壓實黃土抗剪強度的影響，認為壓實黃土的抗剪強度是由擊實能和含水率共同決定的。周春梅等[7]認為含水率對壓實黃土抗剪強度參數的影響比壓實度大。井彥林等[8]和Zhang等[9]分別從土體顆粒接觸角與干密度之間的關系和原狀黃土與壓實黃土的剪切特性關系進行深入研究。李華等[10]對不同干密度的壓實黃土進行非飽和滲透性曲線特征研究，得出壓實黃土干密度的差異主要影響低吸力段滲透系數，且干密度越大滲透系數越小。趙樂等[11]通過一維土柱試驗研究了壓實黃土的垂直積水入滲特性，得出壓實度越大，入滲率和濕潤鋒前進速率越緩慢的結論。Zhang等[12]基于不同干密度和含水率的黃土試樣，研究了填埋場最終覆蓋層的氣、液滲透性，并提出經驗模型，可以有效地描述壓實黃土在不同液體飽和度和干密度下的氣液滲透性。另一方面則是從微觀角度出發，通過掃描電鏡研究壓實黃土的微觀結構特性。吳凱等[13]研究了不同壓實度下土體孔隙的微觀結構特征，并與側限壓縮、直剪強度建立了關系。馬金蓮等[14]從黃土微觀結構揭示了較高壓實度能有效地改善黃土抗剪強度內在原因。趙天宇等[15]、Xie等[16]從電鏡掃描角度分析了干密度和干濕循環作用對黃土土水特征曲線的影響。葉萬軍等[17]通過直剪試驗和電鏡掃描試驗，研究凍融作用下水分遷移對壓實黃土強度以及微觀孔隙的影響機制。趙天宇等[18]還研究了重塑黃土在增濕-減濕作用下宏觀變形特性和微觀結構特性。此外，也有學者通過室內模型試驗探討了降雨作用下不同坡型對黃土填方邊坡破壞模式的影響[19-21]。

綜上所述，學者們研究壓實黃土主要是通過單一的手段，很少有學者采用宏、細、微觀的方法同時對壓實黃土展開研究。鑒于此，現先從模型試驗出發，探討不同壓實度下黃土填方邊坡的變形破壞特征[22]，同時對不同壓實度黃土試樣進行等壓固結不排水(isobaric consolidation undrained，ICU)試驗和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗，旨在探討不同壓實度黃土的強度特性和結構特性，以期為不同壓實度下黃土填方邊坡失穩做出解釋，為黃土高原填方邊坡的填筑和防治提供理論依據。

1 試驗土樣與模型試驗

1.1 試驗土樣

試驗土樣采自陜西省延安市安塞縣小南溝馬蘭黃土新鮮剖面。嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)對土樣進行顆粒分級、液限、塑限、相對密度以及擊實試驗，得到顆粒級配曲線見圖1。根據粒徑成分含量(表1)可知，試驗土樣為粉質黏土。

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of soil sample

1.2 模型試驗

(1)試驗概況。試驗邊坡在長寬高為1.2 m×0.4 m×0.6 m水槽中進行，該水槽三面為透明的有機玻璃。模型試驗原始邊坡坡度54°，填方邊坡45°，填方邊坡高50 cm。設置壓實度為80%、90%、95% 3個梯度，在降雨強度為29.8 mm/h下開展室內模型試驗。

表1 土樣物理參數Table 1 Physical parameters of soil sample

(2)試驗結果。圖2是不同壓實度下黃土填方邊坡的最終破壞圖。可以看出，不同壓實度的邊坡破壞形式不同。壓實度80%的邊坡所需累積雨量最少，為121.7 mm，失穩時間最短，為245 min，滑動特征為滑動距離遠、滑體潰散，并且在失穩之前先有坡頂濕陷沉降過程，表現出濕陷沉降-蠕滑拉裂的失穩模式[圖2(a)]；中壓實度90%邊坡在滑動之前坡頂有明顯張拉裂縫，滑動距離相對壓實度80%邊坡較短，累積雨量195.7 mm，失穩時間394 min，以蠕滑拉裂方式破壞[圖2(b)]。這兩組試驗邊坡都表現出滑動面較深的特點。而壓實度95%的邊坡則所需累積雨量最多，共需208.6 mm，失穩時間最長，經歷了420 min，表現出滑動距離短，滑面淺的特點，破壞模式為多級漸進失穩[圖2(c)]。

圖2 降雨作用下不同壓實度邊坡破壞圖Fig.2 Failure diagram of slope with different compactness under rainfall

2 壓實黃土細微觀試驗

通過室內降雨模型試驗表明，壓實度大的黃土填方邊坡所需累積雨量多，失穩時間長，且破壞模式不同。認為與壓實黃土的強度及滲透性有關。為此，從等壓固結不排水試驗(ICU)和微觀結構掃描電鏡試驗(SEM)出發，對壓實黃土強度和微觀結構特征進行深入探討。

2.1 壓實黃土等壓固結不排水試驗

為了研究不同壓實度試樣的強度特性，考慮壓實度為80%、90%、95%試樣黃土進行強度試驗，每組試樣分別在圍壓100、200、300、400 kPa下進行等壓固結不排水剪切試驗。先對試樣采用蒸餾水和CO2的方法飽和，之后進行排水固結，達到固結要求后進行不排水剪切，剪切速率為0.1 mm/min。

2.2 壓實黃土微觀結構掃描電鏡試驗

為了探討不同壓實度試樣的微觀結構特性，考慮壓實度為80%、90%、95%的黃土試樣進行掃描電鏡試驗。先將黃土試樣制成直徑為6.28 cm、高為2.0 cm的環刀樣，然后將其烘干備用。之后將用于電鏡掃描試驗的土樣從中部掰開，將其削成0.5 cm×0.2 cm×0.2 cm的長方體，為電鏡掃描試驗做好前期準備，在這過程中，盡可能地保持新鮮面不被破壞。為了能使試驗效果更好，還需對試樣進行鍍金處理。隨后采用由荷蘭生產的飛納臺式掃描電子顯微鏡Phenom ProX對試樣進行掃描。

3 壓實黃土等壓固結不排水試驗結果分析

3.1 壓實黃土飽和強度

重塑黃土抗剪強度是影響工程穩定性和長期安全的重要參數，分析抗剪強度對研究邊坡失穩及破壞機理非常重要[23]。圖3表示的是不同壓實度的抗剪強度指標。可以看出，不同壓實度飽和土體的抗剪強度表現不同，內摩擦角變化不大，最大值和最小值之間僅相差1.6°；而黏聚力相差較大，特別是壓實度90%到95%相差達到24.2 kPa，這與前人研究結果一致[24]。這是因為試樣壓實度小，土體處于疏松狀態，抗剪強度主要由黏聚強度提供，隨著壓實度逐漸增大，土體顆粒接觸緊密，此時黏聚強度開始向摩擦強度轉變，壓實度最大時，土體顆粒接觸最緊密，孔隙比小，顆粒之間咬合力增大，抗剪強度主要由咬合摩擦強度提供。這表明在黃土填方邊坡施工過程中壓實度的增大，可以提高土體黏聚力，在一定程度上控制邊坡的變形破壞。

圖3 不同壓實黃土飽和強度Fig.3 Saturated strength of loess under different compaction

3.2 壓實黃土應力狀態

圖4為不同壓實黃土的不穩定線。分析不同壓實度下土體的應力狀態可知，隨著壓實度的增加，土體的殘余偏應力增大，且不穩定線的斜率也增大，不穩定性區間減小，土體越趨于穩定。

q=Mp′

(1)

(2)

式中：q為偏應力；p′為平均有效應力；φ′為有效內摩擦角；M為臨界狀態線在q-p′空間平面中的斜率。

圖4 不同壓實黃土不穩定線Fig.4 Unstable line of loess under different compaction

3.3 壓實度與u-qmax曲線關系

將不同壓實度的黃土試樣在不同圍壓下的孔隙水壓力(u)和峰值強度(qmax)聯系起來，可以得到壓實度與u-qmax曲線關系，如圖5所示。

由圖5可知，壓實度80%的土體在u-qmax關系圖中位于下邊界，壓實度90%的土體處于中間，壓實度95%的土體位于上邊界；在同一孔隙水壓力下，土體峰值強度隨壓實度的增大而增加。在一定峰值強度下，土體孔隙水壓力隨壓實度的減小而增大。這表明壓實度小的土體在遇水后更容易使孔隙水壓力增大。根據有效應力原理，當孔隙水壓力增大，而總應力又保持不變時，有效應力則會減小進而導致邊坡失穩。這就從應力的角度探討了壓實度小的邊坡首先發生破壞。

圖5 壓實度與u-qmax曲線Fig.5 Compactness and u-qmax curve

4 壓實黃土微觀結構特征定量分析

利用PCAS軟件[25]對電鏡掃描500倍圖像進行處理。首先將掃描電鏡SEM圖片[圖6(a)]導入軟件中設定一定閾值后進行二值化處理(黑色代表土體顆粒，白色代表孔隙)[圖6(b)]，識別出土體顆粒和孔隙[圖6(c)]；然后進行矢量化處理。圖像處理后可以獲得孔隙個數、孔隙面積、孔隙平均面積、孔隙率以及概率熵等參數。定量對比分析不同壓實度試樣的孔隙分布等特征的差異性，從微觀角度解釋不同壓實度黃土的結構特性以及對滲透性的影響。

4.1 壓實黃土孔隙結構分布特征

參照雷祥義[26]對黃土孔隙的分類標準：大孔隙半徑大于16 μm，中孔隙在4～16 μm，小孔隙在1～4 μm，半徑小于 1 μm 的孔隙為微孔隙。按照此分類標準，對不同壓實度試樣的孔隙數量和孔隙面積進行直方圖統計。統計結果如圖7所示。

由圖7(a)可知，隨著壓實度的增大孔隙總個數增加，且隨著壓實度的增大，試樣的微小孔隙增多，壓實黃土孔隙主要以微小孔隙為主。由圖7(b)可知，隨著壓實度的增大，試樣微、小、中孔隙的面積都在增大，而大孔隙面積則是隨壓實度的增大而減小。大、中孔隙的面積決定了黃土孔隙的面積。壓實度95%的土體孔隙以鑲嵌孔隙為主，該孔隙多呈裂縫狀，孔隙面積小，比較穩定；而壓實度90%和80%的土體孔隙主要以支架孔隙為主，尤其是壓實度80%的黃土試樣支架孔隙最為發育，該類孔隙連通性好，透水性強，且孔隙面積大，當雨水浸入土體，減弱了顆粒間的連接強度，土體顆粒陷入孔隙，更容易發生破壞。這解釋了壓實度80%的試驗邊坡最先破壞是出現坡頂濕陷沉降。

圖6 SEM圖像處理過程Fig.6 SEM image processing process

圖7 不同壓實黃土孔隙分布Fig.7 Pore distribution of loess under different compaction

4.2 壓實黃土平均孔隙面積、孔隙率及概率熵分析

平均孔隙面積能反映孔徑，其值越大，大孔隙占比越多，土體結構越疏松，在遇水時穩定性越差。由圖8可知，孔隙的平均面積與壓實度呈負相關，當壓實度為95%時，平均孔隙面積才74.91 μm2，而當壓實度為80%時，平均孔隙面積增加了153.06 μm2達到227.97 μm2。壓實度最大，平均孔隙面積最小，既孔徑也最小。土體孔徑小導致過水斷面減小，水分就很難入滲到土體深部。這從側面解釋了壓實度大的邊坡失穩時所需的累積雨量更多，失穩時間長的原因。

孔隙率是影響水分在孔隙中流動的重要參數。圖9所示為不同壓實度下試樣的孔隙率，可以看出，隨著壓實度的增大，壓實黃土的孔隙率在減小。從壓實度80%到90%減少了4.86%，壓實度90%到95%減少了5.72%，減小速率在增大。這可能是黃土在壓實過程中壓實功造成土體顆粒破碎充填大中孔隙引起的。可以看出黃土壓實度的增加可以減小土體的孔隙率，進而減緩了水分在孔隙中的流動。

圖8 不同壓實黃土平均孔隙面積Fig.8 Average pore area of loess under different compaction

圖9 不同壓實黃土孔隙率Fig.9 Porosity of loess with different compaction

概率熵(Hm)[27]是反映孔隙單元有序性的定量指標，其值越大，表明孔隙排列越混亂，有序性越差；反之，有序性越好，取值在0～1。當Hm=0時，表示孔隙按照一定方向定性排列，當Hm=1時，孔隙隨機排列。

圖10表示孔隙概率熵隨壓實度的變化。可以看出，孔隙概率熵隨著壓實度的增大而增大，且都在0.82以上，可以看出土體壓實度越大，孔隙排列越趨于隨機性，均勻越分布，土體顆粒排列更穩定，黃土填方邊坡在降雨作用下就不易失穩。

圖10 不同壓實黃土概率熵Fig.10 Probability entropy of different compacted loess

5 結論

(1)隨著黃土試樣壓實度增加，飽和抗剪強度隨之增大，但內摩擦角沒有黏聚力表現的敏感。再有土體臨界狀態線的斜率隨壓實度的增大而增大。壓實度的提高增強了土地的強度參數，能在一定程度上防止黃土填方邊坡的變形破壞。

(2)通過對不同壓實度黃土試樣孔隙微觀結構定量分析，得到微小孔隙是決定壓實黃土的主要孔隙。隨著壓實度增加，大中孔隙減小，微小孔隙增多，并且孔隙面積也隨著壓實度增加而減小。

(3)不同壓實度黃土試樣的平均孔隙面積、孔隙率都隨壓實度增加而減小，而概率熵則表現出隨壓實度增大而增大的規律，這表明壓實度越大，土體越趨于穩定且水分越難入滲到邊坡內部，在降雨作用下壓實度大的黃土填方邊坡更穩定。