干濕循環(huán)作用對高液限花崗巖殘積土宏-微特性的影響

劉昌盛 吳漢超

（廣東鴻高建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 東莞 523123）

0 引言

土體邊坡在降雨后容易發(fā)生滑坡、侵蝕，雨水下滲流使土體含水率增加，使邊坡淺層的基質(zhì)吸力喪失[1,2]，而在太陽直射下土體內(nèi)部自由水蒸發(fā)喪失，非飽和基質(zhì)吸力逐漸恢復(fù)，但由于蒸發(fā)時土體內(nèi)部含水率不均勻?qū)е虏痪鶆蚶Γ瑥亩a(chǎn)生裂隙，并在反復(fù)的干濕循環(huán)作用下形成了錯綜復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)[3]，導(dǎo)致持水能力和土體強(qiáng)度特性發(fā)生變化[4]。多數(shù)研究[5-6]從裂隙分布、干濕循環(huán)方式等方面開展了干濕循環(huán)效應(yīng)對土體水力-力學(xué)特性的影響，但對高液限花崗巖殘積土相關(guān)方面研究還較少。本文采用SEM掃描電鏡獲得經(jīng)干濕循環(huán)作用后高液限花崗巖殘積土的二維平面掃描圖，利用IPP軟件定量分析不同干濕循環(huán)前后孔隙率及分維值的變化，探究了干濕循環(huán)對高液限花崗巖殘積土強(qiáng)度特性及持水特性的影響規(guī)律，可為高液限花崗巖殘積土相關(guān)研究提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗土體為高液限花崗巖殘積土，取自惠州惠龍高速泰美鎮(zhèn)路段，取土點埋深約9m，受大氣干濕循環(huán)效果較小，土體呈紅棕色，基本物理性質(zhì)指標(biāo)及顆粒級配如表1、圖1所示。

圖1 顆粒級配

表1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗方案

本次研究首先將高液限花崗巖殘積土削制為Ф 61.8mm×20mm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣（見圖2），之后對其進(jìn)行干濕循環(huán)試驗，在達(dá)到規(guī)定的干濕循環(huán)次數(shù)后，開展掃描電鏡試驗，獲得不同干濕循環(huán)次數(shù)下高液限花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 高液限花崗巖殘積土制樣

1.2.1 干濕循環(huán)試驗

根據(jù)項目地勘及氣象資料，取土所在地3m含水率變化范圍為6.5%～飽和之間，飽和含水率為36.7%，因此設(shè)定干濕循環(huán)范圍為6.5%～36.7%。

由于模擬淺層滑坡工況，3m左右地層深度與大氣溫度相當(dāng)，當(dāng)?shù)厝站罡邭鉁貫?0℃左右，因此試件干燥過程中烘箱溫度設(shè)定為30℃，飽和時直接采用抽真空達(dá)到飽和。在眾多高液限土、花崗巖殘積土干濕循環(huán)試驗中[7-9]，相關(guān)試驗的干濕循環(huán)次數(shù)為2～10次不等，但土體的衰減基本在第5～6次左右達(dá)到穩(wěn)定，因此筆者設(shè)置6次干濕循環(huán)，在第0、2、4、6次干濕循環(huán)后分別進(jìn)行掃描電鏡試驗、飽和慢剪試驗。

1.2.2掃描電鏡試驗

采用低高真空數(shù)字化電子顯微鏡開展掃描電鏡試驗（見圖3），基于不同干濕循環(huán)條件下高液限花崗巖殘積土的微觀圖像，先定性分析高液限土顆粒及孔隙的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，再采用IPP軟件進(jìn)行圖像處理，定量獲取高液限花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，為確保能夠清晰觀測試樣的微觀結(jié)構(gòu)，試驗時選擇放大倍數(shù)為3000倍。

圖3 SEM試驗

利用面積孔隙率、孔隙比及分形維數(shù)對所得掃描結(jié)果進(jìn)行分析。面積孔隙率n和面積孔隙比e為所測顆?？紫睹娣e占總圖像面積的百分比，用于衡量掃描截面中孔隙含量，孔隙分形維數(shù)D可以反映高液限花崗巖殘積土中孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大表示孔隙越小、越少，分布越復(fù)雜，集中度越高，計算公式如下：

式中：∑Ai——孔隙總的面積；

A0——總觀察面積；

K——圖像視口內(nèi)某個孔隙面積；

L——孔隙的等效周長。

1.2.3飽和慢剪試驗

采用電動四聯(lián)直剪儀開展剪切試驗，考慮8級上覆荷載：6.3kPa、12.5kPa、25kPa、50kPa、75kPa、100kPa、200kPa、300kPa。由于6.3kPa、12.5kPa并沒有相對應(yīng)的砝碼荷載，因此在試驗時采用砂筒代替砝碼進(jìn)行加載，其他仍采用砝碼施加杠桿配重。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 直剪試驗結(jié)果

不同干濕循環(huán)原狀高液限花崗巖殘積土峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律如圖4所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，峰值抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低，隨著荷載的增加，干濕循環(huán)作用對抗剪強(qiáng)度衰減的效果越大。

圖4 抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

不同干濕循環(huán)次數(shù)原狀高液限花崗巖殘積土力學(xué)參數(shù)變化曲線如圖5所示，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，高荷載段、低荷載段黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)持續(xù)下降，低荷載段c值結(jié)果小于高荷載段，φ值高于高荷載段。兩類荷載c值在6次后分別衰減到11.46kPa、18.26kPa，最大衰減幅度均出現(xiàn)在前兩次干濕循環(huán)。兩類荷載的φ值受干濕循環(huán)效果影響不大。

圖5 原狀樣宏觀力學(xué)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

2.2 SEM試驗結(jié)果

利用微觀圖像觀測原狀高液限花崗巖殘積土顆粒的孔隙及微觀結(jié)構(gòu)，對于不同干濕循環(huán)條件下高液限花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)和變化特征進(jìn)行定性分析，限于篇幅，僅對比干濕循環(huán)0次與干濕循環(huán)6次后試樣微觀結(jié)構(gòu)圖像。如圖6（a）所示，未經(jīng)干濕循環(huán)的原狀圖土顆粒排列緊密，土顆粒之間以面面結(jié)構(gòu)和面邊結(jié)構(gòu)為主，孔隙含量較低（紅色標(biāo)識部分）。6次干濕循環(huán)后，微觀結(jié)構(gòu)逐漸松散，大量中、大孔隙存在，在薄弱處可明顯見到層片狀高嶺石顆粒間距明顯擴(kuò)張，貫通孔隙形成，孔隙發(fā)育處顆粒間連接方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧芸张帕泻忘c點、面點接觸，如圖6（b）。其原因是在干濕循環(huán)過程中顆粒間膠結(jié)物質(zhì)反復(fù)溶解遷移、部分礦物吸水膨脹、孔隙水的張力效果作用于孔隙表面，使得裂隙不斷擴(kuò)大，顆粒間聯(lián)結(jié)作用在不均勻受力下發(fā)生破壞，較大顆粒不斷破碎，土顆粒趨于離散。

圖6 干濕循環(huán)作用下原狀土微觀圖像

根據(jù)掃描結(jié)果，通過IPP軟件進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的輸出，并繪制干濕循環(huán)與孔隙率、孔隙比及分維值的關(guān)系圖。如圖7所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙面積比基本呈線性增加，原狀土的分形維數(shù)隨干濕循環(huán)作用非單調(diào)緩慢增大，在0～2次干濕循環(huán)作用下增長速度最快，與孔隙參數(shù)及宏觀抗剪強(qiáng)度參數(shù)衰減規(guī)律相一致。

圖7 微觀參數(shù)與干濕循環(huán)關(guān)系圖

3 結(jié)束語

本文通過采用SEM掃描電鏡、飽和慢剪試驗，分析了干濕循環(huán)作用對高液限花崗巖殘積土宏-微特性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體c值、φ值不斷衰減，最大衰減幅度均出現(xiàn)在前兩次干濕循環(huán)處，高、低荷載段土體的φ值受干濕循環(huán)效果影響不大。

（2）通過不同干濕循環(huán)次數(shù)SEM圖像的分析，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，層片狀高嶺石顆粒間距明顯擴(kuò)張，貫通孔隙逐漸形成，顆粒間聯(lián)結(jié)作用減弱，孔隙率增大、分維值增大。

（3）干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙面積比基本呈線性增加，原狀土的分形維數(shù)隨干濕循環(huán)作用非單調(diào)緩慢增大，在0～2次干濕循環(huán)作用下增長速度最快，與孔隙參數(shù)及宏觀抗剪強(qiáng)度參數(shù)衰減規(guī)律相一致。