干濕循環對滑坡區黃土收縮性的影響規律

程文瑜, 儲春妹

(新疆大學地質與礦業工程學院, 烏魯木齊 830017)

黃土廣泛分布于新疆各地,主要在山前洪積扇中下部及山間洼地區分布。烏魯木齊地區作為一帶一路核心發展區,廣泛分布的黃土位于天山北麓沖洪積平原上,由于工程建設、農業灌溉、降雨及融雪等影響,近年來黃土滑坡災害越來越多。據昌吉州地質環境監測站統計,該區滑坡災害主要分布在三屯河流域及其支流支溝內,頭屯河流域金澇壩-硫磺溝段及支溝東廟爾溝、紅溝內,廟爾溝-索爾巴斯套景區道路沿線,其中13.6%為黃土滑坡,為當地經濟發展和人民生命財產安全帶來嚴重影響。

濕陷變形是黃土區別于其他土類的顯著特征,也是引發黃土地質災害和黃土地基失穩的主要原因,暴雨所產生的地表徑流主要通過落水洞和節理裂隙等宏觀優勢通道點狀短期快速入滲,增大黃土含水率,軟化黃土體,降低斜坡穩定性,引發黃土滑坡[1-2]。隨著干濕循環的作用,黃土自身的力學性質也發生了變化.大量研究表明經過干濕循環作用后的土體,呈現出土體強度減弱、土體變形變大的特點[3]。在針對黃土變形性質的以往的研究中,張芳枝等[4]研究了干濕循環對土體變形及強度等特性的影響。袁志輝等[5]研究了干濕循環對原狀黃土與壓實黃土的抗剪強度均會產生劣化效應。Goh等[6]研究得出在干濕循環過程中的脫濕及吸濕期間抗剪強度的特征參數。劉宏泰等[7]研究得出干濕循環作用使重塑黃土強度逐漸衰減和滲透性增強的規律。劉平[8]依靠土的收縮特性影響因素及通過蠟封法開展體變收縮試驗,研究在干旱情況下土體的變形與開裂。汪東林[9]、邵生俊等[10]、楊玉生等[11]根據收縮曲線圖分析土體干燥過程中飽和度和孔隙比的關系,得出隨著土體飽和度的降低試樣逐漸發生收縮變形。宋洋等[12]在進行濕陷性黃土在不同含水率和不同壓力下的體變試驗研究時,根據試驗結果總結了許多經驗關系。王永鑫等[13]研究了黃土的浸水入滲時其壓縮變形的特征,為相關研究提供了可借鑒的方法。折海成等[14]建立了以體積膨脹率作為考察變量的黃土微觀取樣制樣擾動、吸水增濕和增濕-凍融循環耦合統計損傷模型,說明含水率和孔隙率隨時間的變化對黃土變形特征的影響成相關性。謝飛等[15]建立了不同含水率下延安原狀Q3黃土應力應變關系的歸一化方程。朱振等[16]通過實驗得出不同干濕循環路徑下黃土土樣的e-lgp(p為壓力,e為壓力p下壓縮穩定后的孔隙比)曲線在干濕循環次數低于5次時差異較大,在干濕循環次數達到10次時趨于一致,可以看出干濕循環次數對變形特征影響的規律性。

以上研究干濕循環作用下土體的特性大多是基于循環完成后的試樣進行的,而對該過程中土體隨含水率變化的收縮特征和裂隙結構變化的循環特性研究較少。不同季節不同地區的大氣降水成不同的循環模式,土體水分反復出現入滲和散失,土體體積失水時發生的收縮導致裂隙的產生,為后續水分入滲提供了通道,從而影響斜坡穩定性。黃土滑坡就是在干濕循環過程中裂隙變化和土體變形積累的最終結果,故找到干濕循環過程中裂隙變化和土體變形的規律對了解黃土斜坡災害發育程度以及防治工程設計提供了科學依據。

現針對一帶一路核心發展區——烏魯木齊地區廣泛發育在天山北麓沖積平原的黃土展開相關研究,圍繞該地區黃土滑坡在多次干濕循環條件下的失穩機制這一科學問題,依托自治區自然科學基金項目,以現場調查、室內實驗、計算模擬等方法,通過壓實黃土進行浸水增濕和自然條件下風干脫濕的力和變形等參量的連續變化,揭示干濕循環條件下該區黃土濕陷干燥過程中的收縮特性和規律,總結循環次數和含水率影響下的土體收縮曲線方程,可直接可應用于當地防治工程設計,彌補了當地此類研究的空白;裂隙識別分析軟件PCAS在黏性土中應用較多,而對粉土鮮有研究,利用PCAS軟件對土樣表面裂隙進行定量分析,總結面孔隙度、面裂紋率與循環次數關系,結果與收縮曲線方程有良好的印證,說明PCAS對于粉土有一定的適應性。

1 試驗材料

天山北麓平原區黃土廣泛分布在昌吉市南部山區谷地兩側,試驗中所用原狀土樣取自昌吉市阿什里鄉小昌吉河南岸——中型滑坡體,Q2黃土,厚3～30 m不等,下層為淺灰色的砂礫石,取樣深度為滑動面以上4 m范圍。通過室內土工試驗獲得其各項基本物理性質指標,如表1所示。

表1 土樣基本物理指標Table 1 Basic physical index of soil samples

2 試驗方法

2.1 制備試樣

按照《土工實驗規程》用環刀法制樣,環刀內部直徑為61.8 mm,高為20 mm,容積為59.96 cm3。使用干燥箱烘干試樣,選擇干密度控制參數,在經過多次擊實試驗,確定試樣平均干密度為1.43 g/cm3;風干土含水率經計算為2.03%;研究區滑坡一般發生在雨季和春季融雪時節,促滑因素主要是是降雨, 根據天然含水率范圍將目標含水率設定為20%、25%和30%。同一含水率下制作6組18個試件,共54個試件。

2.2 干濕循環試驗

每組試件需經歷9次干濕循環,先增濕至目標含水率后脫濕至風干土含水率,每次脫濕結束為一次循環結束,不同含水率的試件循環過程一致。

增濕:使用鐵架臺和滴定管組成增濕裝置,滴定速率控制在0.05 mL/s,滴定過程中不斷測定滴定量和對試樣稱重,直到達到目標含水率和質量計算值,將試樣放到保濕筒中靜置 24 h,使試樣中水分均勻。

脫濕:將增濕完成的試樣自然風干,每隔一段時間稱重一次,當含水率達到風干土含水率2.03%時停止風干,此過程即為一次干濕循環。增濕裝置如圖1所示。

圖1 增濕裝置Fig.1 Humidifying device

2.3 收縮試驗

每次干濕循環中,采用SS-1型土體收縮儀量側試件脫濕過程的線縮率,如圖2所示。每組試件重復9次循環,操作流程如下。

圖2 收縮試驗裝置Fig.2 Shrinkage test device

(1)用推土器推出環刀中的試樣,放在多孔板上,再將測板放置在土樣表部中心位置。

(2)將多孔板托起放在墊塊之上,調節量表量測頭位置,使量測頭對準測板中心位置,記錄此時量表讀數。

(3)使用溫度計觀察試驗環境溫度,需要在室溫小于30 ℃條件下進行收縮實驗。

(4)每1～4 h測量一次讀取百分比表,用精密電子天平測量整個裝置和試樣的質量。

(5)當兩個觀測量表的讀數不變時,一次循環觀測結束。

(6)每次循環結束后,對試件表面進行拍照。

并在使用干燥箱110 ℃下烘干,稱量試樣干質量,最后測定烘干后的試樣體積。

3 試驗結果及討論

3.1 含水率、線縮率隨時間變化規律

不同干濕循環次數下,不同初始含水率w0的試件含水率隨時間變化的曲線(以20%和30%初始含水率試件為例),如圖3所示。可以看出:含水率隨時間的增大而逐漸減小,試驗開始階段含水率的降低速率較大大體呈線性關系。隨著時間含水率的下降逐漸變慢,最后達到一個穩定狀態,隨后直線逐漸變緩,試驗開始階段含水率的降低速率較大,在30～40 h之后曲線漸漸變緩,在40～50 h后曲線趨于穩定,在溫度濕度較穩定的環境中,試樣中的含水率與外部環境形成平衡狀態,此時含水率不再發生變化。

圖3 含水率隨時間變化的曲線Fig.3 Curve of moisture content with time

不同干濕循環次數條件,初始含水率為25%和30%的試樣線縮率隨時間變化的關系曲線如圖4所示。可以看出,試樣發生了較明顯的收縮變形,線縮率隨時間的增大而增大,在試驗初期,線縮率的變化速率較大,大體呈線性關系,在過段時間以后,線縮率的變化速率降低,曲線變緩,在最后線縮率的變化趨于穩定,不同循環次數線縮率穩定的時間也有所不同。

圖4 線縮率隨時間變化的曲線Fig.4 Curve of linear shrinkage with time

根據試驗結果得到了研究區的非飽和重塑黃土在不同的初始含水率,同樣的干密度條件下的失水收縮特征曲線,如圖5所示,因含水率逐漸減少引起土體發生收縮變形,當含水率減小到某一界含水率后,土體收縮變形不再發展。土體的收縮過程大致可分為3個階段[17]。直線收縮階段,其斜率為收縮系數;減速階段,隨著含水率的逐漸減少,土體收縮速度變慢;最后是穩定階段,曲線近似水平,隨著含水率的達到一定的程度時,土體收縮幾乎不再發生變化。通過分析可以知道含水率的增加對非飽和重塑黃土的收縮有一定的促進作用,線縮率隨著含水率的增加而增加,在不同干濕循環條件下的土體失水收縮變化趨勢相同[17]。以初始含水率25%的土樣為例,其不同循環次數下含水率與線縮率的關系曲線,如圖6所示。可以看出:不論循環次數如何,在干縮時間達到32 h以后,含水率和線縮率均變值減小,趨于穩定。

圖5 含水率和線縮率關系曲線1Fig.5 Relationship curve 1 of water content and linear shrinkage

圖6 含水率和線縮率關系曲線2Fig.6 Relationship curve 2 of water content and linear shrinkage

3.2 干濕循環下收縮曲線方程討論

選取初始干密度為ρd=1.42 g/cm3,初始含水率為20%、25%、30%的6組試樣進行對比分析不同初始含水率對非飽和重塑黃土失水收縮曲線的影響,每組3個平行試樣,取每組線縮率的均值進行計算分析。

通過含水率和線縮率關系曲線擬合不同循環條件下的土體收縮曲線,并且可以得出含水率與收縮率的回歸曲線方程,如表2所示。

表2 不同循環次數下土體收縮曲線方程Table 2 Soil shrinkage curve equation under different cycles

在相同干密度條件下,隨著干濕循環次數的增加最終線縮率變小,且不同干濕循環次下的土體收縮曲線的趨勢相似:隨著時間的增大,收縮速度逐漸緩慢,收縮量也逐漸變小,最后收縮量大概不變;同一含水率土樣,當含水率達到一定程度時,線縮率變化很小,幾乎不變。

對不同循環次數下的最終線縮率進行探討,擬合曲線如圖7所示。

圖7 循環次數和線縮率關系曲線Fig.7 The relationship between the number of cycles and linear shrinkage

可以發現試樣最終線縮率與循環次數呈指數關系,對曲線進行回歸分析,描述方程為

(1)

式(1)中:n為干濕循環次數;δΖ為最終線縮率,其相關系數分別為0.981、0.872、0.917。

3.3 干濕循環下黃土收縮系數討論

根據試驗可知,干濕循環作用對黃土的收縮性具有顯著影響,土體的線縮主要發生在直線收縮階段(圖5),可看出不同干濕循環次數下3個初始含水率的試件含水率和線縮率關系曲線的直線部分,對這個階段進行線性擬合,擬合直線的斜率即為收縮系數,擬合方程及主要參數見表3。

表3 不同循環次數下線縮率相應直線段擬合方程Table 3 Linear segment fitting equation of linear shrinkage under different cycle times

由擬合方程及主要參數可知,試樣的收縮系數隨干濕循環次數的增加有遞減的趨勢。對干濕循環次數和收縮系數的關系曲線進行擬合,如圖8所示。由圖8可以看出收縮系數隨循環次數的增加而減小,且呈較好的指數關系。

圖8 循環次數和收縮系數關系曲線Fig.8 Relationship between cycle number and contraction coefficient

可以發現試樣最終線縮系數與循環次數呈指數關系,對曲線進行回歸分析,描述方程為

(2)

式(2)中:n為干濕循環次數;ε為最終線縮系數,其相關系數分別為0.978、0.875、0.912。

3.4 黃土收縮圖像處理及分析

利用PCAS軟件對土樣表面裂隙進行定量分析,通過導入土樣照片生成裂隙圖像,進行二值化處理,自動識別裂隙網絡中的區塊,修復裂隙段,去除雜質點,識別裂隙網絡,輸出試樣裂隙面積率和面孔隙度等參數,以此對黃土的裂隙收縮特性進行定量評價,此類研究針對土樣微觀結構較多[18]。以初始含水率為25%的土樣第1、3、5、7次循環結束圖像為例,原始照片與二值化處理后圖像如圖9和圖10所示。

圖9 脫濕后原始照片Fig.9 Original photos after dehumidification

圖10 脫濕后二值化處理后圖像Fig.10 Binary image after dehumidification

通過軟件提供的參數,3個不同含水率土樣在同一循環次下取均值,可繪制裂隙面積率、面孔隙度與循環次數的關系曲線,如圖11所示。

圖11 面孔隙度、面裂紋率與循環次數關系曲線Fig.11 Relationship curves of surface porosity and surface crack rate with cycle number

由面孔隙度、面裂紋率與循環次數關系曲線可看出:土樣變形受到跟干濕循環次數的影響,面積首先增大,區域面積率越來越來增加,表面收縮開裂逐漸穩定;隨著循環次數的增加,在第5次循環前,面孔隙度逐漸增大,第5次循環后變化很小,整體呈減小趨勢;在第1次干濕循環脫濕過程中,土樣的表面脫水速率比較快,開始收縮,第1～2次干濕循環過程中開始出現小裂隙。到第3次干濕循環,原裂隙累積擴大,樣品損傷程度進一步增加,收縮明顯。到第5次干濕循環時,試樣的總變形達到最大值,到第7次干濕循環時幾乎不變。在試樣干濕循環過程中,收縮面積首先增加,然后達到極限,再收縮逐漸穩定。

4 結論

通過干濕循環過程中土樣的收縮試驗及循環后試樣圖像處理,總結干濕循環對天山北麓山區發生滑坡的非飽和重塑黃土收縮性影響規律如下。

(1)在相同干密度條件下,隨著循環次數的增加,初始含水率與黃土的收縮性負相關。不同循環次數下土體收縮曲線方程擬合為一元二次方程,由方程可計算已知含水率下的線縮率。隨干濕循環次數達5次后土樣收縮速度逐漸緩慢,循環次數達7次后,收縮量逐漸變小并趨于穩定;隨著含水率增大,最終線縮率隨循環次數增加而減少,二者呈指數關系。

(2)不同循環次數下線縮率相應直線段擬合方程的斜率為相應循環下的收縮系數,試樣軸向收縮系數隨著干濕循環次數的增大而減小,且呈較好的指數關系。

(3)黃土的脫濕變形分為裂紋變形和收縮變形,通過對土樣圖像的處理分析得到干濕循環下黃土裂紋與收縮變形進行定性評價:第5次干濕循環前,裂隙面積率和收縮面積率隨著干濕循環次數的增加逐漸增加,隨后逐漸降低,7～9次循環后變化很小,變形趨于穩定。可以把1～5次循環期間的變形看作是試件的塑性變形,6次循環之后試件進入彈性變形階段。