滑帶黃土孔隙微結(jié)構(gòu)參數(shù)與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系研究

任 權(quán)，王家鼎，谷天峰，蔡同俊

（1．西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系／大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(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 公路勘察設(shè)計(jì)院，陜西 西安710068）

土體微觀結(jié)構(gòu)研究的目的是找尋微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的規(guī)律性，或者說是為了揭示宏觀力學(xué)的微觀機(jī)理。而近年來諸多學(xué)者的研究方向多集中于靜力作用下土體微觀結(jié)構(gòu)的變化，而對正弦荷載作用下滑帶土的微觀結(jié)構(gòu)的重視較少［1－2］，因此，本文擬從該方面對滑帶黃土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以黃土滑坡滑帶土微觀孔隙結(jié)構(gòu)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(yàn)條件下微觀結(jié)構(gòu)的變化與動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)來源

1．1 試樣來源

本文所選土樣取樣地點(diǎn)為鄭州市—西安市高速鐵路潼關(guān)段典型的黃土滑坡。選擇在滑坡側(cè)壁相鄰位置取樣用于試驗(yàn)分析。試樣選擇在滑坡側(cè)壁相鄰位置取樣用于試驗(yàn)分析，其應(yīng)力狀態(tài)可以代表滑帶黃土在滑坡滑動(dòng)之前的狀態(tài)。原狀黃土取樣深度為5～6m，屬Q(mào)3黃土，試樣各項(xiàng)基本物理力學(xué)參數(shù)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(shù)6．7～13，黏聚力10．7～30．3kPa，內(nèi)摩擦角24．3°～28．2°。

1．2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)來源［3－10］

本文試驗(yàn)是在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的英國GDS動(dòng)三軸儀上進(jìn)行的動(dòng)三軸試驗(yàn)以及Quota 400FEG熱場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行的掃描電鏡試驗(yàn)。

（1）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)行不排水固結(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試驗(yàn)狀態(tài)下，加載不同的軸向應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，從而獲得各個(gè)試樣的累積變形量。

（2）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，并對其進(jìn)行圖像處理取得數(shù)據(jù)結(jié)果（表1），進(jìn)行分析對比研究，確定動(dòng)力作用下的黃土微結(jié)構(gòu)變化特征。

表1 不同試驗(yàn)條件下滑帶黃土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2．1 孔隙數(shù)量與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

在一定的視域范圍內(nèi)，孔隙數(shù)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(jìn)一步影響土體含水量、孔隙比、孔隙水壓力等力學(xué)參數(shù)，由此可見，孔隙數(shù)量同土體宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間有一定的關(guān)系。圖1為不同動(dòng)應(yīng)力條件下水平截面上孔隙數(shù)量與動(dòng)荷載之間的關(guān)系曲線，可以看出土體中總孔隙個(gè)數(shù)隨著動(dòng)荷載的增加而增加，3種圍壓狀態(tài)下擬合方程均為線性方程y＝Ax＋B，相關(guān)性較好。

圖1 孔隙數(shù)量與動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系

2．2 孔隙面積與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

孔隙面積是表征宏觀土體孔隙比、孔隙度的微觀參數(shù)。圖2為不同動(dòng)應(yīng)力條件下水平截面孔隙面積與動(dòng)荷載關(guān)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(dòng)荷載之間存在良好的負(fù)相關(guān)。從圖2可以看出，圍壓30kPa作用下，水平截面孔隙面積隨著動(dòng)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(xiàn)象。這表明在圍壓30kPa情況下，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力增加到一定程度時(shí)，土體中孔隙面積減小的速度越來越慢甚至不會(huì)再減小，這時(shí)候土體在正弦動(dòng)荷載作用下，仍然可以產(chǎn)生振陷殘余變形，但是從土體微觀結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，這時(shí)候土體所產(chǎn)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(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系

此外，發(fā)現(xiàn)總孔隙數(shù)量的增加和總孔隙面積的減少之間還存在著線性關(guān)系，由此看出這2個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響土體面孔隙比的重要因素。

2．3 孔隙平均直徑與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

孔隙平均直徑是反映土體孔隙大小特征的重要參數(shù)。圖3為不同動(dòng)應(yīng)力條件下水平截面孔隙平均直徑與動(dòng)荷載關(guān)系曲線，從圖3中可以看出，孔隙平均直徑隨著軸向動(dòng)荷載的增加而減小，原因在于，隨著軸向動(dòng)應(yīng)力的增加，滑帶黃土開始產(chǎn)生殘余變形，土體結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，部分單?；蚣Ｆ扑?，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(dòng)應(yīng)力關(guān)系

2．4 形態(tài)參數(shù)與動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系

在微結(jié)構(gòu)研究中，形態(tài)比主要用來表征孔隙的形態(tài)，其可以描述孔隙形態(tài)在軸向動(dòng)應(yīng)力作用下的變化規(guī)律，其值越大，孔隙越趨近于長條形；形態(tài)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(jù)不同動(dòng)應(yīng)力條件下孔隙形態(tài)比與軸向動(dòng)荷載之間的關(guān)系曲線可以看出，圍壓30kPa作用下隨著動(dòng)荷載的增加，孔隙形態(tài)比增加，但增加速率將會(huì)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(dāng)孔隙形態(tài)變化到一定程度后就不會(huì)再產(chǎn)生較大的形狀變化。而在圍壓為50，100kPa狀態(tài)下時(shí)規(guī)律類似，但并未出現(xiàn)速率漸變的情況，此點(diǎn)反應(yīng)的狀況同孔隙面積與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系相同。

2．5 孔隙分形維數(shù)與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系研究

基于GIS分析計(jì)算，可以看出滑帶黃土孔隙分形維數(shù)隨著軸向振動(dòng)荷載（振幅）的增加逐漸增大，這說明黃土孔隙微結(jié)構(gòu)形態(tài)具有一定的分形特征。圖4為不同圍壓下孔隙分形維數(shù)與動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系曲線，從圖4中我們可以看出，水平截面上，孔隙分形維數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力的增加而增加，且各個(gè)圍壓下規(guī)律類似，均呈線性相關(guān)，在置信度為0．05條件下，相關(guān)性較好。這是由于土體遭受振動(dòng)荷載后，中、大孔隙數(shù)量減少，土體界面起伏也就越小，所對應(yīng)的土體也就越致密，導(dǎo)致孔隙分形維數(shù)變大。反之，分形維數(shù)越小時(shí)，土體界面也就越粗糙，此時(shí)，中、大孔隙明顯存在，結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生破壞，土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)與原狀土相差無幾。試驗(yàn)結(jié)果亦可以表現(xiàn)這一特征，在小動(dòng)應(yīng)力條件下，土體基本上不產(chǎn)生殘余變形。

圖4 孔隙分形維數(shù)與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）土體在外荷載作用下表現(xiàn)的各種力學(xué)性質(zhì)，實(shí)質(zhì)上是其微觀結(jié)構(gòu)變化的一種宏觀反映。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)滑帶土體微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著荷載的增加呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，其中孔隙數(shù)量、孔隙面積、孔隙形態(tài)比與動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系可以用簡單的線性方程y＝Ax＋B表示，這對土體微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)、黃土微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立具有一定程度的指導(dǎo)意義。

（2）孔隙分形維數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力的增加而增加，兩者呈線性相關(guān)，且在置信度為0．05條件下，相關(guān)性較好。但孔隙分形維數(shù)與滑帶土體宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系如何，卻仍然處于初步研究階段，下一步可以從這個(gè)方面深入進(jìn)行研究。

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