堆積碎石土中細小黏粒的細觀孔隙特征

董 輝，李智飛

全球氣候異常變化使地質災害的防治面臨著更大的挑戰。近3a的地質災害統計分析表明，我國的地質災害類型以滑坡、崩塌和地面塌陷為主，約占總體85.3%。自然因素引發（以降雨為主）的地質災害是其中的主體，如2013年1—4月全國552起地質災害中，降雨引發460起，占總數的83.3%。降雨誘發型滑坡多為淺層堆積滑坡，堆積物一般表現為風化卸荷、殘坡積和沖洪積等復雜成因形成的第四紀土與石塊的二重介質混合體。由于土石體物質組成的復雜性、結構分布的不規則性給其工程性質與力學性質的研究帶來了較大的困難。而降雨誘發淺層堆積體滑坡，既表現為雨中和雨后短歷時的失穩，也存在反復干濕交替作用下的長時累積效應失穩。針對降雨對堆積坡體的影響，許多學者從宏觀角度研究了降雨作用下碎石土（土石體）滑坡解體破壞機理［1－3］。

碎石土滲透性與其孔隙特征的相關性顯著，其中碎塊石粒組的含量和以粉粒、黏粒為主的細粒土粒組的含量對碎石土滲透系數影響最大［3］。研究其孔隙特征（孔隙變異度、孔隙復雜度和孔隙度等）對淺層堆積體雨水入滲有著重要的意義。至1973年Tovey［4］等利用電子顯微試驗結果對土微觀結構進行定量化分析嘗試以后，國內外學者在巖土體微觀孔隙結構方面開展了大量的研究工作，獲得了卓有成效的研究成果。基于砂巖的微觀孔隙結構研究，證明了砂巖孔隙具有分形特性［5］。針對黃土、膨脹土浸水前后微觀結構，分析了濕陷的過程中孔隙的變化，獲得浸水后大孔徑孔隙含量減少，中、小孔徑的孔隙含量增加的結論［6］。在巖土微觀孔隙結構的分形特征領域，驗證了黏性土微觀結構中土顆粒的分布符合分形特征，并指出分形維數在1～2之間［7－9］。同時，基于描述顆粒和孔隙分布特性的顆粒分維數、孔隙分維數和譜維數，總結出多孔介質滲透系數的一種預測公式［10］。隨著研究方法改進，以掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）、X 線 計 算 機 斷 層 攝 影 （computed tomography，CT）等為手段分析了包括重塑黏性土的孔隙結構SEM圖像特征［11］，以及溶蝕作用下土體孔隙變化規律［12］的微細觀研究成果。

已有研究主要集中在一般土體孔隙的固有特征，而對于包含有土石間的空隙，碎石與土體自身的孔隙，以及在坡積和聚集作用下存在碎石土質量密度、碎石含量和土石體壓實度空間變異性的土石混合介質，目前在影響滲透性的碎石土中細小黏粒的孔隙特征描述方面還相對缺乏，同時，考慮降雨入滲的影響，研究不同含水率水平下的孔隙特征也有利于從細觀角度支撐已有降雨入滲過程中和入滲后滑坡解體破壞機理。本研究針對連續強降雨雨后殘坡積（堆積）碎石土滑坡失穩破壞的災害問題，以湖南省湘潭市昭山區某失穩斜坡為研究對象，試圖采用高倍電子光學顯微鏡及數字圖像技術對堆積碎石土中細小黏粒的變異度和復雜度孔隙特征進行細觀定量研究，并分析含水率與孔隙特征的相關關系，為類似降雨入滲引起滑坡失穩機理研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 原材料選取與制樣

對已有碎石土研究成果，統計其碎石土的級配特征，將具有較好代表性的湖南省昭山區某斜坡堆積碎石土作為試驗原材料，其天然狀態含石量為69.3%，含黏粒量為21.7%，含水率為8.7%，母巖為粉質砂巖，黏粒為紅黏土，圖1為取土坡體，材料級配曲線如圖2所示。將原狀土取回實驗室，經烘干、篩分后，選取粒徑小于2mm的細小黏粒作為試驗用料，考慮到土體孔隙特征與含水率有關，試驗中按含水率不同分別配制5%，7.5%，10%，12.5%，15%和20%共6組試樣，每組制備5個，共30個試樣，如圖1所示。試樣均用39.1mm的套筒壓實成形，高度為4cm，土粒相對密度Gs為2.72，干密度ρ為1.75g／cm3。

圖1 采樣坡體和試驗樣品

圖2 碎石顆粒級配曲線

1.2 孔隙細觀形態的獲取與處理

為了獲得土樣孔隙的細觀特征，采用奧林巴斯高倍光學顯微鏡（Olympus－BX51M）放大200倍后對切片表面進行觀察，拍攝圖像（像元）面積為1 280×1 024。

應用圖像處理技術對拍攝的圖像進行處理，包括去除背景（消除噪聲和部分陰影）、灰度化（去除色彩信息）、高斯模糊（增強圖像中目標信息）、二值化（分割圖象為目標和背景）等，從圖形中提取孔隙的面積、周長、圓度、長軸、角度和孔隙度等基本參數。面積A表示二值圖像中區域標記為“l”的像素個數；周長等于π乘以廣義方向直徑的平均數P＝πDm，二值圖像中Dm的計算公式為：

1.3 孔隙特征的研究方法

孔隙定向性是由測量對象定向角（長軸與水平線的夾角）的分布θ1，θ2，…，θn，用一定的角密度 Δθ，一般將180°分成18個定向角區間，計算定向角落入每個區間的頻率［13－14］。用F（α）來代表各定向角區間的結構單元體或孔隙的頻率，計算公式為：

式中：nα，n——定向角落入［θn，θn＋1］的測量對象數量和總的測量對象數量。孔隙的定向性影響著水分側向入滲遷移，定向角在各區間分布越不均勻，越有利于水分的水平滲透遷移。定向角頻率統計結果詳見表1，定向頻率可用玫瑰圖如圖3所示。

表1 試樣的定向角頻率統計結果

孔隙變異度E用土壤切片上、下相對表面的孔隙度P之間的相對差異作為評價指標。孔隙變異度E表達式為［15］：

式中：P上，P下——各切片的上、下表面的孔隙度。E值越高，說明孔隙變異度越大。

土體實際上是具有統計意義上的自相似的分形結構特征［14］，采用統計自相似的方法來定量的描述復雜的孔隙分布特征，可以揭示土體孔隙特征對雨水入滲的影響。孔隙復雜度可以用孔隙維數D來描述，即利用孔隙的周長與面積之間的關系來定量評價［15］，計算公式為：

式中：D，P，A——孔隙分數維數、孔隙周長和孔隙面積（孔隙所占像元數）。D值越高，說明孔隙的扭曲程度越高，孔隙就越復雜。需要指出的是，在此研究中D值反映的是整幅圖像中孔隙的復雜度，不具體涉及圖像中單個的孔隙。

2 孔隙特征分析

2.1 含水率對孔隙度的影響

土體的孔隙度定義為圖像處理二值化后，黑色面積與圖像總面積的百分比，其數值大小影響著土體的結構及其密實度、強度等物理力學性質。對不同含水率試樣的圖像進行處理，得到各含水率條件下的土體的孔隙度。觀察發現，當含水率（20%）較高時，試樣表面已形成水膜，很難用顯微鏡準確觀測到切片表面孔隙結構，因此只考慮含水率在15%以下的情況。

表2為不同含水率條件下試樣的孔隙度。分析表2可知：（1）不同含水率試樣切片面的孔隙度比下表面的孔隙度高，表明圓柱土樣由上至下越來越密實，這是分層擊實的結果；（2）不同含水率下試樣的孔隙度值位于30%左右，含水率不同的土體，盡管初始孔隙比相同，在同等外力作用下所產生的壓縮變形有很大差別，一般在最優含水量附近隨著壓實含水量的增大，土體的壓縮變形也增加，孔隙度減小；（3）土體壓縮后的孔隙度與含水率關系密切，土體的孔隙度隨著含水率的增加呈現先增加后減小的趨勢。為了更好地描述在不同含水率下孔隙度的變化特征，對其數據進行了多項式擬合，表達式為：

式中：P——孔隙度；εa——含水率。由擬合公式可以得出在含水率為10.41%時土體孔隙度出現峰值為33.52%，表明在此含水率土體還可以繼續壓實達到最佳密實狀態。

表2 試樣的孔隙度統計結果

圖3 不同含水率的定向性玫瑰圖

2.2 孔隙定向性分析

從表1和圖3可見：（1）不同含水率下，孔隙定向角在各個區間都有不同幾率的分布，且在10°～20°，50°～60°，100°～110°和140°～150°這4個區間內分布相對密集，其中含水率為15%時最大，定向角頻率達31.7%；（2）隨著含水率的增加，孔隙定向性由發散趨于定向然后又轉向發散，含水率為7.5%和12.5%時，孔隙定向角在0°～20°，40°～60°兩個區間內的分布相對較多，累計分別達28.8%和33.3%，表現出較明顯的定向性，其他區間內分布比較均勻；當含水率為10%時，孔隙定向角在0°～20°，40°～60°，80°～110°和130°～150°這4個區間內定向性明顯表現突出；當含水率為15%時，孔隙定向角在各個區間都有不同幾率的分布，分布相對不均勻，輻射狀最為明顯，利于水分的水平滲透遷移。分析其原因，主要是隨著含水率的增加，孔隙度先增加后減少，且大孔隙相對增加，而多孔介質的滲透性與孔隙度之間存在非線性關系，在相同孔隙度的情況下孔徑越大則多孔介質的滲透性越好。

2.3 孔隙變異度與復雜度分析

表3和圖4為各含水率下試樣的孔隙數目、孔隙變異度和復雜度的統計結果。

（1）土體孔隙數目隨著含水率的增加而減少，這是由于土體結構是三相體系，相同體積相同質量的土顆粒下，隨著含水率的增加土顆粒之間的膠結作用增強，從而減少了孔隙的數目。

（2）土體孔隙變異度數值位于4.19～5.16之間，且隨著含水率的增加呈現出減小的趨勢；含水率在7.5%～12.5%之間，變異度對含水率不敏感，其原因是含水率為10%左右，土體的壓實性好；在含水率12.5%處，孔隙變異度下降曲線出現明顯轉折，斜率變小，表明含水率超過12.5%后，土顆粒可塑性增強，土體軟化程度加劇，壓縮系數變大。

（3）土樣切片的孔隙復雜度值位于1.625～1.675之間，變化區間不大，只有0.05，表明含水率對孔隙復雜度的影響不大；不同含水率下，土樣的孔隙復雜度隨著含水率的增加而先降低后趨于平緩，這是由于隨著含水率的增加，顆粒團粒化加劇，孔隙數目減少，且大孔隙數量相對較多，微觀孔隙變得單調、簡單，因而孔隙復雜度減小，即含水率越小，孔隙的扭曲程度越高，孔隙就越復雜，且孔隙數含量多，越有利于表層雨水下滲。

（4）一般孔隙復雜度愈大，滲透性愈好，這是含水率越小，孔隙的扭曲程度越高，孔隙連通性大，且吸附在土顆粒表面上的束縛水越少，液體流動的阻力也隨之減小的緣故；孔隙的變異度實質是孔隙度在垂直空間上的變化程度，一般滲透性隨有效孔隙度的增加而增強，即孔隙度越高，且連通性好，流體滲透能力愈好。

表3 試樣孔隙特征統計數據

圖4 孔隙特征與含水率相關曲線

3 結果討論

土體的孔隙作為滲流通道，其孔隙的大小及其連通性、曲折性等因素直接影響土體的滲透性，即土體的滲透特性主要取決于土的孔隙度和孔隙尺度分布以及孔隙微細觀特征［16］。細小土顆粒作為堆積碎石土的重要組成部分，其細觀孔隙結構影響著土石體的滲透性能及其雨水的滲透運移。

雨水入滲實質上是水分在土體飽氣帶中的運動，是一個涉及兩相流的過程，即水在下滲過程中驅替空氣的過程。一般情況下飽和度愈低，滲透性愈差，這是因為低飽和土的孔隙中存在較多氣泡會減小過水斷面，甚至堵塞細小孔道。孔隙度是孔隙結構的重要特征之一，土壤孔隙度隨著含水率的變化而變化，由不同含水率與孔隙度的二次擬合結果可以看出，孔隙度隨著含水率的增加先增加后減少。孔隙度增加使土的過水斷面增加，但土體的滲透性不一定增強，滲透性還與孔徑的大小、孔隙復雜度、孔隙定向性等相關。當孔隙度相同的條件下，孔徑越大，滲透性越好。由圖3可知，當含水率為15%時，孔隙定向角分布相對不均勻，輻射狀最為顯著，有利于水分的水平滲透遷移。孔隙的變異度實際是孔隙度在垂直空間上的變化程度，孔隙復雜度與孔隙自身的二維面積和周長相關，表征了孔隙自身的復雜程度，孔隙的扭曲程度越高，孔隙就越復雜，且孔隙含量多，越有利于表層雨水下滲。由表3可知，不同含水率下，孔隙數目位于206～456之間，孔隙變異度位于4.19～5.16之間，孔隙復雜度位于1.625～1.675之間，變化區間不大，只有0.05，說明含水率對孔隙數目影響較大，對孔隙的變異度和復雜度影響相對不明顯；由圖4可見，孔隙數目、孔隙復雜度以及孔隙變異度都隨著含水率的增加而減小，表明含水率越小，吸附在土顆粒表面上的束縛水越少，液體流動的阻力愈小，孔隙大小分布分形維數越大，孔隙占據的面積越大，孔隙數目越多，更易入滲。

4 結論

（1）相同質量的細小黏粒土體的孔隙度與含水率存在二次曲線關系，且得出試驗土體在含水率為10.41%壓實性最好。孔隙度增加土體的過水斷面，但碎石土中細小黏粒的滲透性增強，還與孔徑的大小、孔隙復雜度、孔隙定向性等相關。

（2）細小黏粒的微觀結構分形維數與其結構具有密切的關系，含水率越高，試樣的團粒化越高，則孔隙數目及其分形維數越小，孔隙復雜度越低。

（3）孔隙數目、孔隙復雜度以及孔隙變異度隨著含水率的增加而減小，表明含水率越小，孔隙的扭曲程度越高，孔隙就越復雜，且孔隙數含量越多，越有利于表層雨水下滲。

（4）不同含水率下孔隙定向角在10°～20°，50°～60°，100°～110°和140°～150°這4個方位上分布相對密集，且含水率越小，孔隙定向性相對較明顯；統計出孔隙方向分布具有輻射狀，含水率為15%最為明顯，有利于水分的水平滲透遷移。

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