任 權(quán)，王家鼎，谷天峰，高建勛

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西 西安 710068）

黃土作為我國分布廣泛的一種特殊土，其主要特點是結(jié)構(gòu)疏松，多具孔隙和裂隙性，力學(xué)性質(zhì)相對較差，在各種外界荷載作用下易變形破壞而形成災(zāi)害(濕陷、振陷、液化等)［1～3］。隨著近年來黃土地區(qū)高速鐵路(鄭西高鐵、大西高鐵等)的快速發(fā)展，由列車振動引起的黃土地基穩(wěn)定性問題得到越來越多的關(guān)注和研究。唐益群等［4］研究了地鐵列車振動荷載作用下南京淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的動強度和動本構(gòu)關(guān)系，注意到了長持時(最大振次為10000次)這種特殊的振動荷載；王家鼎［5］在綜述大量國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了列車長持時、小振幅、多循環(huán)的振動特點，并用其來進(jìn)行黃土滑坡及黃土振陷等的研究；胡瑞林等［6］通過室內(nèi)模擬強夯試驗研究了黃土在動力荷載作用下強度的變化規(guī)律；秋仁東等［7］通過大量的數(shù)值模擬分析對邊坡的動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了高巖石邊坡在水平動荷載下動力響應(yīng)的加速度、速度、位移三量放大系數(shù)等值線在邊坡剖面上分布的規(guī)律性特點；任權(quán)［8］、郭樂［9］、余文龍［10］等通過從黃土微觀結(jié)構(gòu)的角度對結(jié)構(gòu)定量化進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究。

本文在總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)黃土微觀結(jié)構(gòu)、土動力學(xué)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以黃土地區(qū)鐵路沿線滑坡為研究對象，結(jié)合室內(nèi)試驗，對列車“長持時、小振幅”振動引起黃土滑坡滑帶土微結(jié)構(gòu)孔隙定向性的變化進(jìn)行了較為深入的研究，擬探索其與黃土滑坡產(chǎn)生的關(guān)系。

1 研究方法

根據(jù)研究內(nèi)容，本文所選土樣均來自鄭西高速鐵路客運專線沿線典型的黃土滑坡，原狀黃土取樣深度5～6m，屬Q(mào)3黃土。試樣基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試樣基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical mechanics parameters

試驗在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室的英國GDS動三軸儀上進(jìn)行動三軸試驗以及Quota 400 FEG熱場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描電鏡試驗。

動三軸試驗:試驗選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 Φ50mm×h100mm的土樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后根據(jù)試驗設(shè)計方案，分別在圍壓為30，50，100kPa狀態(tài)下，加載不同的軸向應(yīng)力和動應(yīng)力。表2為圍壓100kPa條件下的動三軸試驗結(jié)果(其余條件下試驗結(jié)果未示出)。

掃描電鏡試驗:動三軸試驗結(jié)束后，將不同試驗狀態(tài)下的試樣取下，經(jīng)過脫水處理后，制作成實驗室所需的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行掃描電鏡試驗，獲得黃土微觀結(jié)構(gòu)的照片，并對其進(jìn)行圖像處理取得數(shù)據(jù)結(jié)果，并分析研究，確定動力作用下的黃土微結(jié)構(gòu)變化特征。

表2 圍壓100kPa下試樣動三軸試驗結(jié)果Table 2 Dynamic triaxial test results under 100 KPa confining pressure

經(jīng)過處理后的照片可以算得黃土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)——定向角:為表示孔隙在某一方向上的分布強度，將0～360°分成 n等份(區(qū)位)，則每一區(qū)位代表方向的角度范圍為a=360°/n，由此可以統(tǒng)計出0～360°范圍內(nèi)第n個分區(qū)的個數(shù)，然后以任意長度為半徑做半圓，將各個區(qū)位上孔隙的個數(shù)繪于圖上。

2 結(jié)果分析

按照上節(jié)所述方法對掃描電鏡照片進(jìn)行處理，選取可以直接量測的孔隙進(jìn)行孔隙定向性統(tǒng)計，并做孔隙定向玫瑰花圖。

在30kPa圍壓下，相對較小的動應(yīng)力條件下，孔隙的定向性與原狀土相差不大，但當(dāng)動應(yīng)力超過50kPa后，可以看出明顯的定向性，動荷載為50kPa時，孔隙長軸方向主要為NEE向，說明此時該條件下動三軸試驗試樣已經(jīng)開始產(chǎn)生較大殘余變形，動荷載為80kPa時，孔隙長軸方向近EW向(圖1)。

在50kPa圍壓下，相對圍壓來說，較小的動應(yīng)力條件下，孔隙的定向性與原狀土相差不大，但也呈現(xiàn)一定的定向性，主要為NNE向，但當(dāng)動應(yīng)力超過50kPa后，孔隙長軸向EW向發(fā)展(圖2)。

圖1 圍壓30kPa不同軸向動應(yīng)力下水平截面孔隙定向玫瑰花圖Fig.1 Pore-directed rose diagram under 30 kPa confining pressure and different axial dynamic stresses

圖2 圍壓50kPa不同軸向動應(yīng)力下水平截面孔隙定向玫瑰花圖Fig.2 Pore-directed rose diagram under 50 kPa confining pressure and different axial dynamic stresses

在圍壓100kPa試驗條件下，即使是原狀黃土其孔隙都表現(xiàn)有一定的定向性，隨著所施加動應(yīng)力的增加以及軸向累計殘余變形的增加，孔隙表現(xiàn)出強烈的定向性，方向主要由NEE方向逐漸向EW向發(fā)展，但在動應(yīng)力達(dá)到160kPa時，孔隙方向在近NS方向也有發(fā)育。筆者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是:此時試樣發(fā)生很大殘余變形，孔隙破碎嚴(yán)重以致孔隙產(chǎn)生兩組近乎垂直的主要方向孔隙。

從室內(nèi)動荷載作用后的土樣與荷載前的土樣微結(jié)構(gòu)的變化分析，振陷試驗過程中土體微觀結(jié)構(gòu)變化可以簡述如下:黃土土體強度的變化與其結(jié)構(gòu)狀態(tài)調(diào)整有直接的關(guān)系，土體在自然沉積過程中受地球的自轉(zhuǎn)和重力的影響，土體孔隙接近于圓形和橢圓形，經(jīng)過動荷載作用后，土體在壓縮過程中，粒狀架空接觸的大孔隙首先被壓而斷裂破碎，孔隙周邊發(fā)生折斷，且壓縮過程中首先從中、大孔隙開始，一個孔隙壓成多個，中、大孔隙減少，孔隙形態(tài)從圓形或橢圓形向長條形變化且呈現(xiàn)一定的定向性，從而產(chǎn)生土體被壓密的現(xiàn)象，導(dǎo)致土體殘余變形增加，強度發(fā)生變化。

圖3 圍壓100kPa不同軸向動應(yīng)力下水平截面孔隙定向玫瑰花圖Fig.3 Pore-directed rose diagram under 100kPa confining pressure and different axial dynamic stress

圖4 圍壓100kPa下軸向累積殘余變形曲線Fig.4 Accumulated residual deformation curve under 100 kPa confining pressure

基于上述對振陷實驗前后滑帶黃土微觀結(jié)構(gòu)的分析對比，筆者認(rèn)為列車“長持時、小振幅”振動在一定程度上可以誘發(fā)黃土滑坡，因此提出了車輛長持時振動荷載作用下的一種黃土滑坡形成機理。

由土動力學(xué)理論和實驗可知，長持時、小振幅的組合與短持時、大振幅的組合所產(chǎn)生的作用是基本等同的，因此是不容忽視的。加之黃土具大孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理發(fā)育，土粒間的膠結(jié)力弱，強度低，在非雨季含水量低的特點，它在過往車輛長期的小振幅振動下，大、中孔隙結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，微小的土顆粒(粉粒)在振動力的作用下，跳躍滑移到附近的稍大的孔隙中，土體變密實，殘余應(yīng)變逐漸增加，從而發(fā)生振陷，導(dǎo)致土體抗剪強度降低，并且隨著車輛小振幅振動時間的延續(xù)而增長，斜坡體的變形逐漸積累，振陷量也逐漸增大，斜坡體中的應(yīng)力狀態(tài)在這種長持時、小振幅循環(huán)力的不斷作用下也不斷的調(diào)整。最終在振動力的誘發(fā)作用下，剪應(yīng)力超過土體的抗剪強度時便發(fā)生破壞，形成一段剪切破壞帶，此時坡腳產(chǎn)生破壞后，坡體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整，在坡體自重的作用下，易產(chǎn)生危險滑面，并最終導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)通過動三軸試驗以及掃描電鏡試驗進(jìn)行綜合對比分析，可以認(rèn)為土體強度的變化與其微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的調(diào)整有直接的關(guān)系，土樣在動力荷載作用下強度變化的主要原因在于土體顆粒及其孔隙在整個進(jìn)程中出現(xiàn)了“破碎”和“重分布”現(xiàn)象。

(2)從以上分析可以看出車輛長持時振動荷載作用下黃土滑坡形成機理也是一個動態(tài)變化的過程，這一動態(tài)變化的過程可以總結(jié)為:車輛長持時振動—黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化—土顆粒之間膠結(jié)程度減弱—斜坡體黃土振陷—土體抗剪強度降低—應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整—坡腳應(yīng)力集中產(chǎn)生剪切破壞—剪應(yīng)力再調(diào)整—斜坡再剪切破壞(循環(huán))—滑動帶(面)逐漸形成—黃土滑坡形成。

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