滑帶土剪切面微觀孔隙分布特征的研究

王春林　牛岑岑　苑曉青　田桂莉　魏車車　李康　宋梓熙

[摘 要]以金沙江庫壩區上游滑坡滑帶土為研究對象，采用高速高壓環剪試驗儀與壓汞儀聯合試驗，研究了不同剪切速率、法向應力對滑帶土剪切面孔隙分布的影響。結果顯示：滑帶土剪切面孔隙分布隨著法向應力和剪切速率的變化而重分布。在剪切速率為10mm/s時，隨著剪切應力的增大，大孔隙逐漸轉化為中、小孔隙，d=0.4-0.04μm孔隙增加最明顯。在200kPa時，d<0.04μm孔隙從0增加到1.62%。剪切速率從1mm/s增加到10mm/s時，大孔隙逐漸轉化為中、小孔隙，d=4-0.4μm孔隙縮減比例達到18%，d=0.4-0.04μm孔隙在10mm/s下百分比超過50%。

[關鍵詞]滑帶土；壓汞試驗；孔隙分布；剪切速率

[中圖分類號]P642.2 [文獻標識碼]A

隨著中國經濟快速發展，各種大中小型水電站屹立在長江之上，伴隨著上游區域水位的上升，滑坡對庫壩區的威脅越來越嚴重，本文以金沙江旭龍水電站庫壩區上游的曲龍堆積體為研究對象，從土體微觀結構角度探究滑坡產生的機制繼而對滑坡產生和發展進行預測，降低其造成的潛在危害。

目前國內對滑帶土的研究大多是以環剪試驗為主，通過剪切速率、法向應力等條件的改變獲取滑帶土強度參數來分析滑帶土的力學性質，較少研究滑帶土微觀孔隙分布對土體的影響，唐華瑞等人指出顆粒體和孔隙體微結構均影響著土體，但在某些條件下孔隙體微結構對土體工程性質的影響更大，劉動等人也指出滑帶土環剪試驗后的微觀孔隙分布特征的研究重要性。苑曉青等人探討了吹填土固結過程中孔隙分布的變化，利用壓汞試驗發現了逐級施加壓力下土樣中大孔隙先被壓縮轉化為中孔隙，其也被稱為“大孔隙優先改變原則”。但目前研究法向應力和剪切速率對孔隙分布影響的文章較少，因此還需探討滑帶土模擬滑坡發生條件參數的變化下孔隙分布的特征，進一步分析滑帶土微觀孔隙分布特征與滑坡宏觀力學之間的聯系。本文以環剪試驗獲取的滑帶土剪切破裂面的土樣為樣本，再通過壓汞試驗研究孔隙分布，從不同的法向應力和剪切速率兩個變量的角度給出精確的孔隙分布參數，分析滑帶土微觀孔隙分布特征與宏觀力學特性的聯系，為工程的選址以及防治滑坡提供可靠建議。

1 土樣的基本概況

滑帶土取樣點為金沙江庫壩區曲龍堆積體下部，土樣磨圓較好、分選較差、膠結強度偏中等。通過篩分析與比重計法對滑帶土的粒度成分進行測定，結果如如表1所示，根據GB 50021-2001巖土工程勘察規范定名為砂質粉土。在實驗室測得土樣天然含水率為22.0%

2 實驗方案

將9個滑帶土樣本進行高速高壓的環剪試驗，條件為100kpa-ms、zs、ks，200kpa-ms、zs、ks，300kpa-ms、zs、ks（注：0.1mm/s=ms、1mm/s=zs和10mm/s=ks），再進行壓汞試驗后獲得4個有效樣本分別為100kpa-ks、200kpa-ks、300kpa-zs、300kpa-ks，通過分析不同法向應力不同剪切速度下孔隙分布特征，進一步分析土體微觀結構與宏觀力學性質之間存在的聯系。

3 環剪試驗

本實驗儀器是日本京都大學防-災研究所的高速環剪試驗機，其自動化數據處理與分析能力很高，可模擬多種法向應力狀態、剪切速率進行試驗并用電腦進行處理。首先將土樣放置于105℃下烘干24 h，取出碾碎并過2 mm篩，取小于2 mm部分配置成天然含水率狀態w=22.00%。靜置24 h，使土樣濕度均勻。揉搓成較小的圓球狀以便于裝進環剪儀的凹槽中，放置在保濕袋中。環剪結果得出總體上殘余強度、峰值強度隨著剪切速率、法向應力的增大而增大并有較強的線性。

4 壓汞試驗

4.1 試樣制備

本次試驗采用美國麥克公司的Auto pore 9500型全自動壓汞儀對滑帶土剪切面的土樣進行測試。取表面較完整的環剪試驗后的滑帶土剪切面的土樣，如圖1所示，用小刀切成0.5cm3的立方體，剪切面表面在上進行放置，然后用自制的網兜（有可松可緊的繩）將其裝在液氮容器中，再將壓汞土樣經凍干儀抽干保證土樣結構不被破壞，小心裝進膨脹計中進行壓汞試驗。

4.2 壓汞結果進行分析

4.2.1 壓汞試驗統計結果

如圖2、表2，通過對比100kpa-ks、200kpa-ks、300kpa-zs、300kpa-ks四個樣本中孔隙的分布隨著法向應力與剪切速率的變化，最后結合環剪的結果進行綜合分析。

4.2.2 孔隙特征與法向應力的關系

如圖3、表2所示，剪切面的孔隙總體趨勢是隨著法向應力的增加，中、小孔隙的比例增加，大孔隙的比例減少。大于4μm的孔隙從100kpa到300kpa下降最快，從33%下降到3%，0.4-0.004μm的孔隙增長最明顯且在300kpa下達到50%以上。4-0.4μm的孔隙在100kpa和200kpa下均大于50%，當達到300kpa時下降到34%。小于0.04μm的孔隙從100kpa下的0逐漸增加到300kpa下的11.38%。

4.2.3 孔隙特征與剪切速率的關系

前人大多是研究剪切速率對土體強度的影響，史卜濤等人利用直剪儀指出剪切速率越大，剪切面周圍超孔隙水壓力越大，使土體總強度降低。孫濤利用環剪儀研究了不同超固結比的黏土峰值強度和殘余強度有著明顯的不同，剪切速率越大，峰值強度越大，但剪切速率對殘余強度幾乎沒有影響。本文從剪切速率對孔隙分布影響的角度，進一步揭示剪切面強度與孔隙分布的關系。

如圖4所示。剪切速率從1mm/s到10mm/s的大、中孔隙減少量明顯多于法向應力的變化。4-0.4μm的孔隙縮減幅度達到18%且在10mm/s下的百分比減小到34.44%。0.4-0.04μm在10mm/s下其孔隙百分比達到50%以上。<0.04μm的孔隙增加幅度達到9.7%。

5 總結

總體上滑帶土剪切面土樣的峰值強度、殘余強度隨著剪切速率、法向應力的增大而增大，孔隙分布隨著法向應力和剪切速率的增加而重分布，大孔隙轉化成中小孔隙，并以4-0.04μm的孔隙為主。

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