干濕循環(huán)作用下滑帶土孔隙結構與基質吸力響應規(guī)律研究

熊 峰，楊宏偉，吳益平，李 杰

(1.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074；2.中南冶金地質研究所，湖北 宜昌 443003)

庫岸滑坡地下水位在水庫水位的周期性漲落作用下會出現周期性波動，位于庫水位變動帶(消落帶)的一部分滑帶土將長期受浸泡飽和-疏干的反復作用，滑帶土的物質組成、微觀結構和力學性質等性質也會不斷發(fā)生變化?；瑤列再|是滑坡變形破壞的重要控制因素，滑帶土微觀結構是滑帶土性質的重要組成部分，對揭示滑帶土強度特征、認識滑坡的形成機理、判識滑體的再滑與否等都具有重要的指示意義[1]。

反復的干濕循環(huán)會降低滑帶土抗剪強度，加速滑坡的變形破壞過程[2-4]。土壤孔隙結構實際上是指土壤中各種孔隙的百分比和分布特征，而不是空間分布特征。土壤孔隙大小的分布是土壤結構研究的重要內容。土壤的許多物理力學性質直接取決于土壤孔隙的大小和分布特征。孔隙的大小及分布特征是土壤微觀結構的重要組成部分，更能直接影響土-水特征曲線(SWCC)，影響非飽和土的抗剪強度。

目前，獲取土壤孔隙參數方法多樣、技術成熟，如壓汞法(MIP)、掃描電鏡法(SEM)和CT法等，都取得了很好的成果。相比其他方法，壓汞法在數據獲取上簡單客觀，受到了許多學者的青睞。通過采用壓汞試驗獲取土體微觀結構參數的方法，曾召田等[5]研究了干濕循環(huán)作用下膨脹土的孔徑分布特征與基質吸力的變化規(guī)律；張英等[6]發(fā)現，在凍融循環(huán)作用下，土體的孔隙分布發(fā)生改變，其孔徑、孔密度均增大；唐瑞華等[7]的研究表明，孔隙分布特征與其形成過程密切相關。壓汞法所獲得的孔隙分布曲線是土體內部孔隙的等效圓半徑與相對應孔隙體積(含量)之間關系的定量表示，反映的是超過某一孔徑值的孔隙總體積與該孔徑之間的關系，對土壤孔隙的描述有直觀性、定量性的優(yōu)點。

分形理論是評價土壤結構的有效工具，研究巖土體孔隙的分維特性具有重要的實踐意義，土壤微結構能夠用分維值量化[8-9]。運用分形理論還能得到更符合研究對象孔隙特征的分類標準，王清等[10]通過研究將黃土分為微孔隙(<0.02μm)、小孔(0.02～0.8μm)和大孔隙(>0.8μm)；苑曉青等[11]提出了適用于吹填土的微、小、中、大和超大孔隙的孔徑區(qū)間分布標準。

SWCC是反映基質吸力隨土壤含水率變化的曲線，能反映土體保水的基本特性。它是計算和預測非飽和土參數(如非飽和剪切強度參數、滲透系數)的基礎。現有的試驗測量方法普遍繁瑣，測量周期長，存在一定的局限性?？琢顐サ萚12]依據毛細管模型原理，提出通過孔隙累計分布曲線間接獲得SWCC的方法。曾召田等[5]將這一方法應用于膨脹土的干濕循環(huán)研究中，取得了比較理想的結果。張芳芝等[13]研究發(fā)現，干濕循環(huán)改變了SWCC，同時也會使同等含水率所對應的基質吸力減小?；|吸力的改變源于微觀孔隙結構的變化，而土體微觀結構也受基質吸力的影響，因此，同時討論微觀孔隙結構和基質吸力的變化規(guī)律對揭示干濕循環(huán)作用下滑帶土的響應機制具有十分重要的實踐意義。

本次研究采用壓汞試驗的方法，結合分形理論對孔隙進行重新分類，分析干濕循環(huán)過程黃土坡滑帶土孔隙結構響應規(guī)律。利用孔徑分布曲線間接推算SWCC，研究干濕循環(huán)作用對滑帶土基質吸力的影響。探究庫水位漲落引起的干濕循環(huán)作用對庫岸滑坡滑帶土的孔隙結構與基質吸力影響。

1 試驗方案

試驗滑帶土取自黃土坡滑坡臨江I號崩滑體TP3平硐滑帶位置，進行篩分試驗，并剔除粒徑2 mm以上顆粒。通過室內土工試驗，得到滑帶土相關物理指標見表1。

表1 滑帶土基本物理性質Tab.1 Basic physical property parameters of Huangtupo slip zone soils

圖1 滑帶土礦物組成Fig.1 Mineral composition of slip zone soils

通過XRD測試鑒定滑帶土礦物成分(見圖1)，結果顯示，滑帶土中有超過總質量32%的是具有膨脹性的黏土礦物，在反復的干濕循環(huán)過程中，膨脹土的脹縮特性將是滑帶土性質變化的關鍵。

1.1 干濕循環(huán)試驗

控制試樣的初始含水率為15.97%(天然含水率)，采用擊實的方法制備試樣。按照要求的密度2.03 g/m3(天然密度)稱取所需質量的土，將土料分6層裝入飽和容器中，并分層擊實。使各層土料質量相等，將每層土料擊實到一定程度后，再將土樣表面刨毛。然后接著添加第2層土，擊實，刨毛，如此反復進行直到最后一層，要求制備的各組試樣密度誤差均低于0.02 g/m3。本次試驗設置的干濕循環(huán)(含水率)幅度為10.00%～20.95%，具體步驟如下：

(1)將制備好的試樣(含水率15.97%，密度2.03 g/m3)留下1組用保鮮膜包好，作為0次循環(huán)試樣。剩下全部先進行干燥處理，干燥過程采用自然風干，要求每隔3 h測量1次試樣質量，通過測量質量來監(jiān)測含水率變化，當第1次干濕循環(huán)的土樣達到含水率10.00%時，立即停止干燥脫水，用保鮮膜將所有試樣包好，然后放在養(yǎng)護缸中養(yǎng)護至少24 h，保證試樣內外溫度和含水率保持一致。

(2)增濕過程采用抽氣浸泡飽和。將完成脫水的試樣放入真空飽和缸中抽氣浸泡24 h，使之達到飽和(含水率20.95%)。

(3)將步驟(2)中的飽和試樣進行干燥處理，當含水率減小到15.97%時，取出1組用保鮮膜包好，養(yǎng)護24 h，作為1次循環(huán)試樣。對余下的3組試樣按上述步驟分別進行第2,3,4次干濕循環(huán)。將完成干濕循環(huán)的試樣留作備用。

1.2 壓汞試驗

進行壓汞試驗之前必須對干濕循環(huán)后的試樣作如下處理：①切塊，壓汞試驗所需的樣品須放入專用的試管中進行測試，所以試樣的尺寸不能太大，一般采用鋼絲將試樣鋸切成1 cm×1 cm×1 cm大小的土塊。②冷凍干燥，為了保證土樣在干燥過程中孔隙不發(fā)生變化，需要采用液氮將土塊中的水分快速冷凝成非結晶態(tài)冰，接著在-50 ℃狀態(tài)下使土體中的冰完全升華，這樣可以獲得干燥完全而又保存完好的試樣。

本研究采用AutoPore IV9500壓汞儀，儀器最大進汞壓33 kPa，孔徑測試范圍5×10-3～360×103μm。其原理是通過壓力作用驅使汞進入土體孔隙中，當壓力大于毛細管壓力時，才會有汞進入該毛細管。壓力不斷增大，更小半徑的孔隙將逐漸被汞充填。在直徑d毛細管中壓入汞，達到平衡時，毛細管壓力恰好等于此時的進汞壓力，即：

(1)

式中：p為進汞壓力；σ1為汞的表面張力系數；α為汞與所測材料的接觸角，一般取0；d為圓柱形孔隙半徑。

采用上述試驗方法，得到不同循環(huán)次數滑帶土的孔隙累計分布曲線見圖2。

圖2 不同干濕循環(huán)次數下孔隙分布曲線Fig.2 Pore distribution curves in different cycles

從圖2(a)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數增加，累計分布曲線整體“上移”，表明干濕循環(huán)過程中孔隙體積有所增加，且孔隙整體結構變化不明顯，這是滑帶土中的膨脹性礦物成分引起的，膨脹性成分的吸水膨脹和脫水收縮，會使滑帶土在干濕循環(huán)作用下出現裂紋擴展，孔隙增多的現象。圖2(b)分布曲線顯示，土體孔隙呈雙峰分布，表明孔隙直徑主要集中在0.2～0.6 μm和20～60 μm兩個區(qū)間，最可幾孔隙直徑約為0.4 μm。

2 孔隙特征分析

目前，對土體內部孔隙尺寸分類標準的研究多數建立在非飽和土孔隙的研究基礎上。Shear[14]等對原狀和重塑的沖擊性黏土進行大量的試驗研究，認為可以根據孔徑大小將黏土內的孔隙分為顆粒內的孔隙(≤0.007 μm)、顆粒間的孔隙(0.007～0.9 μm)、團粒內隙(0.9～35 μm)、團粒間的孔隙(35～2 000 μm)和宏觀孔隙(≥300 μm)5種。

土體孔隙結構具有分形特征，孔隙的大小和分布等特征反映了土體結構特點，研究干濕循環(huán)作用下滑帶土的分形特征變化，能夠更深層次地分析在該過程中微觀孔隙結構變化規(guī)律，基于壓汞試驗數據，Menger海綿模型可以用來計算孔隙分維值[15-16]。

圖3 不同干濕循環(huán)次數下滑帶土孔隙分維Fig.3 Pore fractal dimension of slip zone soils in different cycles

(2)

表2 各區(qū)間孔隙體積百分比Tab.2 Percentage of pore volume in each interval

由圖3可知，2個拐點所對應的孔隙直徑分別是1.59和0.56 μm。其中，首段和末段均具有明顯的線性關系，表明直徑大于1.59 μm的孔隙和小于0.56 μm的孔隙具有明顯的自相似性，對應孔隙分維值大小范圍分別為2.41～2.59和2.63～2.97，中間段斜率不滿足要求，認為沒有明顯的自相似性。為探明干濕循環(huán)過程中試樣孔隙結構變化規(guī)律，結合分形曲線和前人的分界標準，考慮到壓汞儀的測量范圍(5×10-3～360×103μm)，提出了適用于本研究的黃土坡滑帶土的孔隙區(qū)間分界標準：直徑大于1.59 μm為大孔隙，小于0.56 μm為小孔隙，中間過渡段(0.56～1.59 μm)為中孔隙。參照Shear[14]的分類標準可知，本文的小孔隙對應于顆粒內、顆粒間孔隙，大孔隙對應于團粒內、團粒間孔隙、宏觀孔隙，不妨稱小孔隙為顆粒孔隙、大孔隙為團?？紫?，而中孔隙則屬于顆粒孔隙到團?？紫兜倪^渡段。

由表2可知，隨著干濕循環(huán)次數增加，滑帶土孔隙中小孔隙體積含量降低，大孔隙體積含量增加。這是由于反復干濕循環(huán)作用下，土體發(fā)生周期性的收縮與膨脹，濕潤膨脹的幅度大于干燥收縮的幅度時，土體顆粒就會發(fā)生不可逆的裂紋擴展，開裂現象從小尺度不斷延伸到大尺度，顆粒孔隙擴大，并轉化成團粒孔隙，小孔隙轉化成大孔隙。

3 干濕循環(huán)作用下滑帶土基質吸力演化分析

3.1 SWCC的間接計算方法

基質吸力在一定程度上主要表現為孔隙的毛細管力，SWCC實際上反映了毛細管力對土壤水的作用[16]。它對于描述土的水理性質至關重要，研究干濕循環(huán)作用下滑帶土的SWCC變化情況有利于分析在庫水作用下，庫岸滑坡滑帶土微觀結構及其力學響應規(guī)律，對庫岸滑坡的預測、防治、演化機理分析等具有重要意義。

相關研究表明，土體顆粒與水分之間的吸引力[17]有氫鍵力、范德華力和毛細管力，它們的作用范圍分別是2.0×10-10～3.0×10-10m, 3.0×10-10～10-7m, 10-9～10-5m。可見，只有毛細管力的作用范圍與土壤的孔徑范圍相一致，因此，在非飽和土的研究中，假定基質吸力主要由毛細力引起是可行的。壓汞法獲取SWCC具有周期短，數據客觀、精確的優(yōu)點，據此確定的SWCC可以彌補以往試驗中操作過程繁瑣、試驗周期長、高基質吸力無法測量等缺點，應用前景較大[5]?；诳紫吨睆嚼塾嫹植记€間接確定的SWCC的求解計算方程如式(3)所示，該方法計算所得的是土體脫濕時的SWCC[12]。

(3)

式中：(μa-μw)i為基質吸力大??；di為孔徑；σ2為水的表面張力系數，取72.75×10-3N/m；V(di)為孔徑小于di的孔隙總體積；wi為含水率；ρw為水的密度。

3.2 干濕循環(huán)過程中的SWCC

圖4 滑帶土干濕循環(huán)作用下SWCCFig.4 Calculated SWCC of slip zone soils in different cycles

依據上述計算方法，間接推算出不同干濕循環(huán)次數下，黃土坡滑帶土的SWCC如圖4所示。

分析圖4可見，黃土坡滑帶土在不同干濕循環(huán)次數下的SWCC具有如下特征：在干濕循環(huán)幅度(10%～21%)范圍內，基質吸力變化在0～103kPa范圍內；不同于孔隙特征曲線，在SWCC中部存在一個特征點，它是所有曲線近似公共的交點，也是各曲線近似的拐點，對應的含水率約等于塑限含水率(13.86%)。當含水率大于特征點含水率時，隨著循環(huán)次數增大，同等含水率下基質吸力逐漸增大；當小于特征點含水率時，同等含水率下基質吸力減小。此外，循環(huán)次數越多，SWCC波動幅度越大。

表3 特定含水率下基質吸力與循環(huán)次數的關系Tab.3 Relationship between matric suction and cycle numbers at given water contents

特征點前后，基質吸力隨干濕循環(huán)次數變化的規(guī)律相反，其原因是：通過壓汞試驗間接得到的是脫濕時的土-水特征曲線，在脫濕過程中，具有較大勢能的大孔隙水先排出[18]，隨后小孔隙開始排水，因此，土體中含水率降低的過程中，基質吸力逐漸增大。含水率較高時，基質吸力增大主要取決于失去一部分水的大孔隙，即當大于特征點含水率(塑限)時，隨干濕循環(huán)次數增加，同等含水率下基質吸力增大；含水率較低時，小孔隙中的水分逐漸排出，小孔隙開始在基質吸力變化中占據主導地位，即當小于特征點含水率(塑限)時，隨干濕循環(huán)次數增加，同等含水率下基質吸力減小，這也是存在特征點的原因。

圖5 特定含水率下基質吸力與循環(huán)次數的關系Fig.5 Relationship between matric suction and cycle numbers at three given water contents

為了進一步研究基質吸力隨干濕循環(huán)次數的變化規(guī)律，選取此次干濕循環(huán)幅度范圍內的3個特定含水率：含水率(18.0%)、天然含水率(15.97%)、塑限含水率(13.86%)所對應的基質吸力，整理結果見表3和圖5。

隨著干濕循環(huán)次數增加，3個特定含水率對應的基質吸力大小均呈“S”型增長。1次循環(huán)后，基質吸力增幅較小，到第2,3次循環(huán)之后，出現陡增現象，最后到第4次循環(huán)后，基質吸力大小已趨于穩(wěn)定。水分含量越低，基質吸力對干濕循環(huán)的敏感性越高，變化越明顯。

3.3 土水特征曲線擬合驗證

國內外許多學者對SWCC數學模型進行了研究，取得了豐碩的研究成果。目前已提出的水土特征曲線模型主要有：Brooks & Corey模型、Van Genuchten方程以及Fredlund & Xing方程等[19]。為了驗證上述方法確定SWCC的準確性，采用已被廣泛認同的Van Genuchten方程對試驗所得土水特征曲線進行擬合，其表達式如下：

圖6 干濕循環(huán)中土水特征曲線的Van Genuchten方程Fig.6 Fitting curves of SWCC

(4)

式中：θw為體積含水率；Ψ為基質吸力；θs，θr分別表示飽和、殘余體積含水率(見表4)；a,b,c均為擬合參數[20]。

由于含水率是以質量含水率的形式給出的，所以質量水含量可以代替上述方程中的體積水含量。試樣各次干濕循環(huán)的SWCC的擬合結果如圖6所示。從表4中擬合方差R2值可以看出，Van Genuchten方程對各次循環(huán)的SWCC均有很好的擬合效果。表明采用壓汞試驗數據推算出滑帶土的SWCC是有效可行的。

表4 SWCC(Van Genuchten方程)參數擬合值Tab.4 Fitting results of SWCC by Van Genuchten equation

4 結 語

從微觀孔隙結構入手，以壓汞試驗為基礎，研究干濕循環(huán)作用下滑帶土的微觀孔隙結構與宏觀基質吸力的響應機制，并分析兩者之間的聯(lián)系。主要研究成果有：

(1)滑帶土孔隙結構呈“雙峰”分布，干濕循環(huán)作用下，孔隙總體積增大，但整體結構變化不明顯；結合分形理論，以0.56和1.59 μm為2個分界點，將孔隙分成大孔隙、中孔隙和小孔隙。研究發(fā)現，干濕循環(huán)過程中，小孔隙總體積減少，大孔隙體積增大，并將這種現象歸結為基質吸力的反復加載、卸載作用。

(2)通過壓汞試驗間接獲取滑帶土的水-土特征曲線有效可行。土-水特征曲線拐點對應的滑帶土含水率值接近塑限含水率，在拐點左右兩側，干濕循環(huán)作用對基質吸力的影響相反。當含水率大于拐點含水率時，隨著循環(huán)次數增大，同等含水率下基質吸力增大，而當含水率小于拐點含水率時，則結果恰好相反，這是因為在排水脫濕過程中，基質吸力在高含水率時主要受大孔隙控制，而在低含水率卻受小孔隙控制。

(3)反復干濕循環(huán)作用下，滑帶土基質吸力和孔隙結構特征是相互影響的，孔隙結構特征的改變引起相同含水率下基質吸力的變化，反過來，基質吸力也對土體顆粒產生作用，引起土體顆粒發(fā)生平移、轉動，進而引起微觀結構改變。