干濕循環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

（廣東鴻高建設集團有限公司，廣東 東莞 523123）

0 引言

土體邊坡在降雨后容易發生滑坡、侵蝕，雨水下滲流使土體含水率增加，使邊坡淺層的基質吸力喪失[1,2]，而在太陽直射下土體內部自由水蒸發喪失，非飽和基質吸力逐漸恢復，但由于蒸發時土體內部含水率不均勻導致不均勻拉力，從而產生裂隙，并在反復的干濕循環作用下形成了錯綜復雜的裂隙網絡[3]，導致持水能力和土體強度特性發生變化[4]。多數研究[5-6]從裂隙分布、干濕循環方式等方面開展了干濕循環效應對土體水力-力學特性的影響，但對高液限花崗巖殘積土相關方面研究還較少。本文采用SEM掃描電鏡獲得經干濕循環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前后孔隙率及分維值的變化，探究了干濕循環對高液限花崗巖殘積土強度特性及持水特性的影響規律，可為高液限花崗巖殘積土相關研究提供參考。

1 試驗設計

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路段，取土點埋深約9m，受大氣干濕循環效果較小，土體呈紅棕色，基本物理性質指標及顆粒級配如表1、圖1所示。

圖1 顆粒級配

表1 基本物理性質指標

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的標準環刀樣（見圖2），之后對其進行干濕循環試驗，在達到規定的干濕循環次數后，開展掃描電鏡試驗，獲得不同干濕循環次數下高液限花崗巖殘積土的微觀結構參數。

圖2 高液限花崗巖殘積土制樣

1.2.1 干濕循環試驗

根據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%，因此設定干濕循環范圍為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，當地日均最高氣溫為30℃左右，因此試件干燥過程中烘箱溫度設定為30℃，飽和時直接采用抽真空達到飽和。在眾多高液限土、花崗巖殘積土干濕循環試驗中[7-9]，相關試驗的干濕循環次數為2～10次不等，但土體的衰減基本在第5～6次左右達到穩定，因此筆者設置6次干濕循環，在第0、2、4、6次干濕循環后分別進行掃描電鏡試驗、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構演變規律，再采用IPP軟件進行圖像處理，定量獲取高液限花崗巖殘積土的微觀結構參數，為確保能夠清晰觀測試樣的微觀結構，試驗時選擇放大倍數為3000倍。

圖3 SEM試驗

利用面積孔隙率、孔隙比及分形維數對所得掃描結果進行分析。面積孔隙率n和面積孔隙比e為所測顆粒孔隙面積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D可以反映高液限花崗巖殘積土中孔隙結構的復雜程度，分形維數越大表示孔隙越小、越少，分布越復雜，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并沒有相對應的砝碼荷載，因此在試驗時采用砂筒代替砝碼進行加載，其他仍采用砝碼施加杠桿配重。

2 試驗結果分析

2.1 直剪試驗結果

不同干濕循環原狀高液限花崗巖殘積土峰值抗剪強度參數隨干濕循環次數變化規律如圖4所示，隨著干濕循環次數的增加，峰值抗剪強度持續降低，隨著荷載的增加，干濕循環作用對抗剪強度衰減的效果越大。

圖4 抗剪強度變化規律

不同干濕循環次數原狀高液限花崗巖殘積土力學參數變化曲線如圖5所示，隨干濕循環次數增加，高荷載段、低荷載段黏聚力隨干濕循環次數持續下降，低荷載段c值結果小于高荷載段，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在前兩次干濕循環。兩類荷載的φ值受干濕循環效果影響不大。

圖5 原狀樣宏觀力學參數與干濕循環次數的關系曲線

2.2 SEM試驗結果

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構，對于不同干濕循環條件下高液限花崗巖殘積土微觀結構和變化特征進行定性分析，限于篇幅，僅對比干濕循環0次與干濕循環6次后試樣微觀結構圖像。如圖6（a）所示，未經干濕循環的原狀圖土顆粒排列緊密，土顆粒之間以面面結構和面邊結構為主，孔隙含量較低（紅色標識部分）。6次干濕循環后，微觀結構逐漸松散，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張，貫通孔隙形成，孔隙發育處顆粒間連接方式轉變為架空排列和點點、面點接觸，如圖6（b）。其原因是在干濕循環過程中顆粒間膠結物質反復溶解遷移、部分礦物吸水膨脹、孔隙水的張力效果作用于孔隙表面，使得裂隙不斷擴大，顆粒間聯結作用在不均勻受力下發生破壞，較大顆粒不斷破碎，土顆粒趨于離散。

圖6 干濕循環作用下原狀土微觀圖像

根據掃描結果，通過IPP軟件進行相關關鍵參數的輸出，并繪制干濕循環與孔隙率、孔隙比及分維值的關系圖。如圖7所示，隨著干濕循環次數的增加，孔隙面積比基本呈線性增加，原狀土的分形維數隨干濕循環作用非單調緩慢增大，在0～2次干濕循環作用下增長速度最快，與孔隙參數及宏觀抗剪強度參數衰減規律相一致。

圖7 微觀參數與干濕循環關系圖

3 結束語

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

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

（2）通過不同干濕循環次數SEM圖像的分析，發現隨干濕循環次數的增加，層片狀高嶺石顆粒間距明顯擴張，貫通孔隙逐漸形成，顆粒間聯結作用減弱，孔隙率增大、分維值增大。

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