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(qū)上游滑坡滑帶土為研究對象，采用高速高壓環(huán)剪試驗儀與壓汞儀聯(lián)合試驗，研究了不同剪切速率、法向應(yīng)力對滑帶土剪切面孔隙分布的影響。結(jié)果顯示：滑帶土剪切面孔隙分布隨著法向應(yīng)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(yīng)力的增大，大孔隙逐漸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為中、小孔隙，d=4-0.4μm孔隙縮減比例達(dá)到18%，d=0.4-0.04μm孔隙在10mm/s下百分比超過50%。

[關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼]A

隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各種大中小型水電站屹立在長江之上，伴隨著上游區(qū)域水位的上升，滑坡對庫壩區(qū)的威脅越來越嚴(yán)重，本文以金沙江旭龍水電站庫壩區(qū)上游的曲龍堆積體為研究對象，從土體微觀結(jié)構(gòu)角度探究滑坡產(chǎn)生的機制繼而對滑坡產(chǎn)生和發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，降低其造成的潛在危害。

目前國內(nèi)對滑帶土的研究大多是以環(huán)剪試驗為主，通過剪切速率、法向應(yīng)力等條件的改變獲取滑帶土強度參數(shù)來分析滑帶土的力學(xué)性質(zhì)，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(jié)構(gòu)均影響著土體，但在某些條件下孔隙體微結(jié)構(gòu)對土體工程性質(zhì)的影響更大，劉動等人也指出滑帶土環(huán)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(jié)過程中孔隙分布的變化，利用壓汞試驗發(fā)現(xiàn)了逐級施加壓力下土樣中大孔隙先被壓縮轉(zhuǎn)化為中孔隙，其也被稱為“大孔隙優(yōu)先改變原則”。但目前研究法向應(yīng)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(fā)生條件參數(shù)的變化下孔隙分布的特征，進(jìn)一步分析滑帶土微觀孔隙分布特征與滑坡宏觀力學(xué)之間的聯(lián)系。本文以環(huán)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(yīng)力和剪切速率兩個變量的角度給出精確的孔隙分布參數(shù)，分析滑帶土微觀孔隙分布特征與宏觀力學(xué)特性的聯(lián)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(qū)曲龍堆積體下部，土樣磨圓較好、分選較差、膠結(jié)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(jìn)行測定，結(jié)果如如表1所示，根據(jù)GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范定名為砂質(zhì)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(jìn)行高速高壓的環(huán)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(jìn)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(yīng)力不同剪切速度下孔隙分布特征，進(jìn)一步分析土體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間存在的聯(lián)系。

3 環(huán)剪試驗

本實驗儀器是日本京都大學(xué)防-災(zāi)研究所的高速環(huán)剪試驗機，其自動化數(shù)據(jù)處理與分析能力很高，可模擬多種法向應(yīng)力狀態(tài)、剪切速率進(jìn)行試驗并用電腦進(jìn)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(tài)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(jìn)環(huán)剪儀的凹槽中，放置在保濕袋中。環(huán)剪結(jié)果得出總體上殘余強度、峰值強度隨著剪切速率、法向應(yīng)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(jìn)行測試。取表面較完整的環(huán)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(jìn)行放置，然后用自制的網(wǎng)兜（有可松可緊的繩）將其裝在液氮容器中，再將壓汞土樣經(jīng)凍干儀抽干保證土樣結(jié)構(gòu)不被破壞，小心裝進(jìn)膨脹計中進(jìn)行壓汞試驗。

4.2 壓汞結(jié)果進(jìn)行分析

4.2.1 壓汞試驗統(tǒng)計結(jié)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(yīng)力與剪切速率的變化，最后結(jié)合環(huán)剪的結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

4.2.2 孔隙特征與法向應(yīng)力的關(guān)系

如圖3、表2所示，剪切面的孔隙總體趨勢是隨著法向應(yīng)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(dá)到50%以上。4-0.4μm的孔隙在100kpa和200kpa下均大于50%，當(dāng)達(dá)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(guān)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(huán)剪儀研究了不同超固結(jié)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(jìn)一步揭示剪切面強度與孔隙分布的關(guān)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(yīng)力的變化。4-0.4μm的孔隙縮減幅度達(dá)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(dá)到50%以上。<0.04μm的孔隙增加幅度達(dá)到9.7%。

5 總結(jié)

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(yīng)力的增大而增大，孔隙分布隨著法向應(yīng)力和剪切速率的增加而重分布，大孔隙轉(zhuǎn)化成中小孔隙，并以4-0.04μm的孔隙為主。

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