列車長(zhǎng)持時(shí)振動(dòng)引起黃土滑坡微結(jié)構(gòu)變化研究

任 權(quán)，王家鼎，谷天峰，高建勛

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710068）

黃土作為我國(guó)分布廣泛的一種特殊土，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)疏松，多具孔隙和裂隙性，力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差，在各種外界荷載作用下易變形破壞而形成災(zāi)害(濕陷、振陷、液化等)［1～3］。隨著近年來(lái)黃土地區(qū)高速鐵路(鄭西高鐵、大西高鐵等)的快速發(fā)展，由列車振動(dòng)引起的黃土地基穩(wěn)定性問(wèn)題得到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。唐益群等［4］研究了地鐵列車振動(dòng)荷載作用下南京淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，注意到了長(zhǎng)持時(shí)(最大振次為10000次)這種特殊的振動(dòng)荷載；王家鼎［5］在綜述大量國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了列車長(zhǎng)持時(shí)、小振幅、多循環(huán)的振動(dòng)特點(diǎn)，并用其來(lái)進(jìn)行黃土滑坡及黃土振陷等的研究；胡瑞林等［6］通過(guò)室內(nèi)模擬強(qiáng)夯試驗(yàn)研究了黃土在動(dòng)力荷載作用下強(qiáng)度的變化規(guī)律；秋仁東等［7］通過(guò)大量的數(shù)值模擬分析對(duì)邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了高巖石邊坡在水平動(dòng)荷載下動(dòng)力響應(yīng)的加速度、速度、位移三量放大系數(shù)等值線在邊坡剖面上分布的規(guī)律性特點(diǎn)；任權(quán)［8］、郭樂(lè)［9］、余文龍［10］等通過(guò)從黃土微觀結(jié)構(gòu)的角度對(duì)結(jié)構(gòu)定量化進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)黃土微觀結(jié)構(gòu)、土動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以黃土地區(qū)鐵路沿線滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)列車“長(zhǎng)持時(shí)、小振幅”振動(dòng)引起黃土滑坡滑帶土微結(jié)構(gòu)孔隙定向性的變化進(jìn)行了較為深入的研究，擬探索其與黃土滑坡產(chǎn)生的關(guān)系。

1 研究方法

根據(jù)研究?jī)?nèi)容，本文所選土樣均來(lái)自鄭西高速鐵路客運(yùn)專線沿線典型的黃土滑坡，原狀黃土取樣深度5～6m，屬Q(mào)3黃土。試樣基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical mechanics parameters

試驗(yàn)在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的英國(guó)GDS動(dòng)三軸儀上進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)以及Quota 400 FEG熱場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。

動(dòng)三軸試驗(yàn):試驗(yàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 Φ50mm×h100mm的土樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，分別在圍壓為30，50，100kPa狀態(tài)下，加載不同的軸向應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力。表2為圍壓100kPa條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果(其余條件下試驗(yàn)結(jié)果未示出)。

掃描電鏡試驗(yàn):動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)束后，將不同試驗(yàn)狀態(tài)下的試樣取下，經(jīng)過(guò)脫水處理后，制作成實(shí)驗(yàn)室所需的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，獲得黃土微觀結(jié)構(gòu)的照片，并對(duì)其進(jìn)行圖像處理取得數(shù)據(jù)結(jié)果，并分析研究，確定動(dòng)力作用下的黃土微結(jié)構(gòu)變化特征。

表2 圍壓100kPa下試樣動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Dynamic triaxial test results under 100 KPa confining pressure

經(jīng)過(guò)處理后的照片可以算得黃土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)——定向角:為表示孔隙在某一方向上的分布強(qiáng)度，將0～360°分成 n等份(區(qū)位)，則每一區(qū)位代表方向的角度范圍為a=360°/n，由此可以統(tǒng)計(jì)出0～360°范圍內(nèi)第n個(gè)分區(qū)的個(gè)數(shù)，然后以任意長(zhǎng)度為半徑做半圓，將各個(gè)區(qū)位上孔隙的個(gè)數(shù)繪于圖上。

2 結(jié)果分析

按照上節(jié)所述方法對(duì)掃描電鏡照片進(jìn)行處理，選取可以直接量測(cè)的孔隙進(jìn)行孔隙定向性統(tǒng)計(jì)，并做孔隙定向玫瑰花圖。

在30kPa圍壓下，相對(duì)較小的動(dòng)應(yīng)力條件下，孔隙的定向性與原狀土相差不大，但當(dāng)動(dòng)應(yīng)力超過(guò)50kPa后，可以看出明顯的定向性，動(dòng)荷載為50kPa時(shí)，孔隙長(zhǎng)軸方向主要為NEE向，說(shuō)明此時(shí)該條件下動(dòng)三軸試驗(yàn)試樣已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生較大殘余變形，動(dòng)荷載為80kPa時(shí)，孔隙長(zhǎng)軸方向近EW向(圖1)。

在50kPa圍壓下，相對(duì)圍壓來(lái)說(shuō)，較小的動(dòng)應(yīng)力條件下，孔隙的定向性與原狀土相差不大，但也呈現(xiàn)一定的定向性，主要為NNE向，但當(dāng)動(dòng)應(yīng)力超過(guò)50kPa后，孔隙長(zhǎng)軸向EW向發(fā)展(圖2)。

圖1 圍壓30kPa不同軸向動(dòng)應(yīng)力下水平截面孔隙定向玫瑰花圖Fig.1 Pore-directed rose diagram under 30 kPa confining pressure and different axial dynamic stresses

圖2 圍壓50kPa不同軸向動(dòng)應(yīng)力下水平截面孔隙定向玫瑰花圖Fig.2 Pore-directed rose diagram under 50 kPa confining pressure and different axial dynamic stresses

在圍壓100kPa試驗(yàn)條件下，即使是原狀黃土其孔隙都表現(xiàn)有一定的定向性，隨著所施加動(dòng)應(yīng)力的增加以及軸向累計(jì)殘余變形的增加，孔隙表現(xiàn)出強(qiáng)烈的定向性，方向主要由NEE方向逐漸向EW向發(fā)展，但在動(dòng)應(yīng)力達(dá)到160kPa時(shí)，孔隙方向在近NS方向也有發(fā)育。筆者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是:此時(shí)試樣發(fā)生很大殘余變形，孔隙破碎嚴(yán)重以致孔隙產(chǎn)生兩組近乎垂直的主要方向孔隙。

從室內(nèi)動(dòng)荷載作用后的土樣與荷載前的土樣微結(jié)構(gòu)的變化分析，振陷試驗(yàn)過(guò)程中土體微觀結(jié)構(gòu)變化可以簡(jiǎn)述如下:黃土土體強(qiáng)度的變化與其結(jié)構(gòu)狀態(tài)調(diào)整有直接的關(guān)系，土體在自然沉積過(guò)程中受地球的自轉(zhuǎn)和重力的影響，土體孔隙接近于圓形和橢圓形，經(jīng)過(guò)動(dòng)荷載作用后，土體在壓縮過(guò)程中，粒狀架空接觸的大孔隙首先被壓而斷裂破碎，孔隙周邊發(fā)生折斷，且壓縮過(guò)程中首先從中、大孔隙開(kāi)始，一個(gè)孔隙壓成多個(gè)，中、大孔隙減少，孔隙形態(tài)從圓形或橢圓形向長(zhǎng)條形變化且呈現(xiàn)一定的定向性，從而產(chǎn)生土體被壓密的現(xiàn)象，導(dǎo)致土體殘余變形增加，強(qiáng)度發(fā)生變化。

圖3 圍壓100kPa不同軸向動(dòng)應(yīng)力下水平截面孔隙定向玫瑰花圖Fig.3 Pore-directed rose diagram under 100kPa confining pressure and different axial dynamic stress

圖4 圍壓100kPa下軸向累積殘余變形曲線Fig.4 Accumulated residual deformation curve under 100 kPa confining pressure

基于上述對(duì)振陷實(shí)驗(yàn)前后滑帶黃土微觀結(jié)構(gòu)的分析對(duì)比，筆者認(rèn)為列車“長(zhǎng)持時(shí)、小振幅”振動(dòng)在一定程度上可以誘發(fā)黃土滑坡，因此提出了車輛長(zhǎng)持時(shí)振動(dòng)荷載作用下的一種黃土滑坡形成機(jī)理。

由土動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)可知，長(zhǎng)持時(shí)、小振幅的組合與短持時(shí)、大振幅的組合所產(chǎn)生的作用是基本等同的，因此是不容忽視的。加之黃土具大孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理發(fā)育，土粒間的膠結(jié)力弱，強(qiáng)度低，在非雨季含水量低的特點(diǎn)，它在過(guò)往車輛長(zhǎng)期的小振幅振動(dòng)下，大、中孔隙結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，微小的土顆粒(粉粒)在振動(dòng)力的作用下，跳躍滑移到附近的稍大的孔隙中，土體變密實(shí)，殘余應(yīng)變逐漸增加，從而發(fā)生振陷，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，并且隨著車輛小振幅振動(dòng)時(shí)間的延續(xù)而增長(zhǎng)，斜坡體的變形逐漸積累，振陷量也逐漸增大，斜坡體中的應(yīng)力狀態(tài)在這種長(zhǎng)持時(shí)、小振幅循環(huán)力的不斷作用下也不斷的調(diào)整。最終在振動(dòng)力的誘發(fā)作用下，剪應(yīng)力超過(guò)土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)便發(fā)生破壞，形成一段剪切破壞帶，此時(shí)坡腳產(chǎn)生破壞后，坡體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整，在坡體自重的作用下，易產(chǎn)生危險(xiǎn)滑面，并最終導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)以及掃描電鏡試驗(yàn)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，可以認(rèn)為土體強(qiáng)度的變化與其微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的調(diào)整有直接的關(guān)系，土樣在動(dòng)力荷載作用下強(qiáng)度變化的主要原因在于土體顆粒及其孔隙在整個(gè)進(jìn)程中出現(xiàn)了“破碎”和“重分布”現(xiàn)象。

(2)從以上分析可以看出車輛長(zhǎng)持時(shí)振動(dòng)荷載作用下黃土滑坡形成機(jī)理也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，這一動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程可以總結(jié)為:車輛長(zhǎng)持時(shí)振動(dòng)—黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化—土顆粒之間膠結(jié)程度減弱—斜坡體黃土振陷—土體抗剪強(qiáng)度降低—應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整—坡腳應(yīng)力集中產(chǎn)生剪切破壞—剪應(yīng)力再調(diào)整—斜坡再剪切破壞(循環(huán))—滑動(dòng)帶(面)逐漸形成—黃土滑坡形成。

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