熊 峰，楊宏偉，吳益平，李 杰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中南冶金地質(zhì)研究所，湖北 宜昌 443003)

庫岸滑坡地下水位在水庫水位的周期性漲落作用下會出現(xiàn)周期性波動，位于庫水位變動帶(消落帶)的一部分滑帶土將長期受浸泡飽和-疏干的反復(fù)作用，滑帶土的物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)等性質(zhì)也會不斷發(fā)生變化?；瑤列再|(zhì)是滑坡變形破壞的重要控制因素，滑帶土微觀結(jié)構(gòu)是滑帶土性質(zhì)的重要組成部分，對揭示滑帶土強(qiáng)度特征、認(rèn)識滑坡的形成機(jī)理、判識滑體的再滑與否等都具有重要的指示意義[1]。

反復(fù)的干濕循環(huán)會降低滑帶土抗剪強(qiáng)度，加速滑坡的變形破壞過程[2-4]。土壤孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)際上是指土壤中各種孔隙的百分比和分布特征，而不是空間分布特征。土壤孔隙大小的分布是土壤結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容。土壤的許多物理力學(xué)性質(zhì)直接取決于土壤孔隙的大小和分布特征?？紫兜拇笮〖胺植继卣魇峭寥牢⒂^結(jié)構(gòu)的重要組成部分，更能直接影響土-水特征曲線(SWCC)，影響非飽和土的抗剪強(qiáng)度。

目前，獲取土壤孔隙參數(shù)方法多樣、技術(shù)成熟，如壓汞法(MIP)、掃描電鏡法(SEM)和CT法等，都取得了很好的成果。相比其他方法，壓汞法在數(shù)據(jù)獲取上簡單客觀，受到了許多學(xué)者的青睞。通過采用壓汞試驗獲取土體微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，曾召田等[5]研究了干濕循環(huán)作用下膨脹土的孔徑分布特征與基質(zhì)吸力的變化規(guī)律；張英等[6]發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下，土體的孔隙分布發(fā)生改變，其孔徑、孔密度均增大；唐瑞華等[7]的研究表明，孔隙分布特征與其形成過程密切相關(guān)。壓汞法所獲得的孔隙分布曲線是土體內(nèi)部孔隙的等效圓半徑與相對應(yīng)孔隙體積(含量)之間關(guān)系的定量表示，反映的是超過某一孔徑值的孔隙總體積與該孔徑之間的關(guān)系，對土壤孔隙的描述有直觀性、定量性的優(yōu)點(diǎn)。

分形理論是評價土壤結(jié)構(gòu)的有效工具，研究巖土體孔隙的分維特性具有重要的實(shí)踐意義，土壤微結(jié)構(gòu)能夠用分維值量化[8-9]。運(yùn)用分形理論還能得到更符合研究對象孔隙特征的分類標(biāo)準(zhǔn)，王清等[10]通過研究將黃土分為微孔隙(<0.02μm)、小孔(0.02～0.8μm)和大孔隙(>0.8μm)；苑曉青等[11]提出了適用于吹填土的微、小、中、大和超大孔隙的孔徑區(qū)間分布標(biāo)準(zhǔn)。

SWCC是反映基質(zhì)吸力隨土壤含水率變化的曲線，能反映土體保水的基本特性。它是計算和預(yù)測非飽和土參數(shù)(如非飽和剪切強(qiáng)度參數(shù)、滲透系數(shù))的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的試驗測量方法普遍繁瑣，測量周期長，存在一定的局限性?？琢顐サ萚12]依據(jù)毛細(xì)管模型原理，提出通過孔隙累計分布曲線間接獲得SWCC的方法。曾召田等[5]將這一方法應(yīng)用于膨脹土的干濕循環(huán)研究中，取得了比較理想的結(jié)果。張芳芝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)改變了SWCC，同時也會使同等含水率所對應(yīng)的基質(zhì)吸力減小?；|(zhì)吸力的改變源于微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化，而土體微觀結(jié)構(gòu)也受基質(zhì)吸力的影響，因此，同時討論微觀孔隙結(jié)構(gòu)和基質(zhì)吸力的變化規(guī)律對揭示干濕循環(huán)作用下滑帶土的響應(yīng)機(jī)制具有十分重要的實(shí)踐意義。

本次研究采用壓汞試驗的方法，結(jié)合分形理論對孔隙進(jìn)行重新分類，分析干濕循環(huán)過程黃土坡滑帶土孔隙結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律。利用孔徑分布曲線間接推算SWCC，研究干濕循環(huán)作用對滑帶土基質(zhì)吸力的影響。探究庫水位漲落引起的干濕循環(huán)作用對庫岸滑坡滑帶土的孔隙結(jié)構(gòu)與基質(zhì)吸力影響。

1 試驗方案

試驗滑帶土取自黃土坡滑坡臨江I號崩滑體TP3平硐滑帶位置，進(jìn)行篩分試驗，并剔除粒徑2 mm以上顆粒。通過室內(nèi)土工試驗，得到滑帶土相關(guān)物理指標(biāo)見表1。

表1 滑帶土基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical property parameters of Huangtupo slip zone soils

圖1 滑帶土礦物組成Fig.1 Mineral composition of slip zone soils

通過XRD測試鑒定滑帶土礦物成分(見圖1)，結(jié)果顯示，滑帶土中有超過總質(zhì)量32%的是具有膨脹性的黏土礦物，在反復(fù)的干濕循環(huán)過程中，膨脹土的脹縮特性將是滑帶土性質(zhì)變化的關(guān)鍵。

1.1 干濕循環(huán)試驗

控制試樣的初始含水率為15.97%(天然含水率)，采用擊實(shí)的方法制備試樣。按照要求的密度2.03 g/m3(天然密度)稱取所需質(zhì)量的土，將土料分6層裝入飽和容器中，并分層擊實(shí)。使各層土料質(zhì)量相等，將每層土料擊實(shí)到一定程度后，再將土樣表面刨毛。然后接著添加第2層土，擊實(shí)，刨毛，如此反復(fù)進(jìn)行直到最后一層，要求制備的各組試樣密度誤差均低于0.02 g/m3。本次試驗設(shè)置的干濕循環(huán)(含水率)幅度為10.00%～20.95%，具體步驟如下：

(1)將制備好的試樣(含水率15.97%，密度2.03 g/m3)留下1組用保鮮膜包好，作為0次循環(huán)試樣。剩下全部先進(jìn)行干燥處理，干燥過程采用自然風(fēng)干，要求每隔3 h測量1次試樣質(zhì)量，通過測量質(zhì)量來監(jiān)測含水率變化，當(dāng)?shù)?次干濕循環(huán)的土樣達(dá)到含水率10.00%時，立即停止干燥脫水，用保鮮膜將所有試樣包好，然后放在養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)至少24 h，保證試樣內(nèi)外溫度和含水率保持一致。

(2)增濕過程采用抽氣浸泡飽和。將完成脫水的試樣放入真空飽和缸中抽氣浸泡24 h，使之達(dá)到飽和(含水率20.95%)。

(3)將步驟(2)中的飽和試樣進(jìn)行干燥處理，當(dāng)含水率減小到15.97%時，取出1組用保鮮膜包好，養(yǎng)護(hù)24 h，作為1次循環(huán)試樣。對余下的3組試樣按上述步驟分別進(jìn)行第2,3,4次干濕循環(huán)。將完成干濕循環(huán)的試樣留作備用。

1.2 壓汞試驗

進(jìn)行壓汞試驗之前必須對干濕循環(huán)后的試樣作如下處理：①切塊，壓汞試驗所需的樣品須放入專用的試管中進(jìn)行測試，所以試樣的尺寸不能太大，一般采用鋼絲將試樣鋸切成1 cm×1 cm×1 cm大小的土塊。②冷凍干燥，為了保證土樣在干燥過程中孔隙不發(fā)生變化，需要采用液氮將土塊中的水分快速冷凝成非結(jié)晶態(tài)冰，接著在-50 ℃狀態(tài)下使土體中的冰完全升華，這樣可以獲得干燥完全而又保存完好的試樣。

本研究采用AutoPore IV9500壓汞儀，儀器最大進(jìn)汞壓33 kPa，孔徑測試范圍5×10-3～360×103μm。其原理是通過壓力作用驅(qū)使汞進(jìn)入土體孔隙中，當(dāng)壓力大于毛細(xì)管壓力時，才會有汞進(jìn)入該毛細(xì)管。壓力不斷增大，更小半徑的孔隙將逐漸被汞充填。在直徑d毛細(xì)管中壓入汞，達(dá)到平衡時，毛細(xì)管壓力恰好等于此時的進(jìn)汞壓力，即：

(1)

式中：p為進(jìn)汞壓力；σ1為汞的表面張力系數(shù)；α為汞與所測材料的接觸角，一般取0；d為圓柱形孔隙半徑。

采用上述試驗方法，得到不同循環(huán)次數(shù)滑帶土的孔隙累計分布曲線見圖2。

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下孔隙分布曲線Fig.2 Pore distribution curves in different cycles

從圖2(a)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，累計分布曲線整體“上移”，表明干濕循環(huán)過程中孔隙體積有所增加，且孔隙整體結(jié)構(gòu)變化不明顯，這是滑帶土中的膨脹性礦物成分引起的，膨脹性成分的吸水膨脹和脫水收縮，會使滑帶土在干濕循環(huán)作用下出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，孔隙增多的現(xiàn)象。圖2(b)分布曲線顯示，土體孔隙呈雙峰分布，表明孔隙直徑主要集中在0.2～0.6 μm和20～60 μm兩個區(qū)間，最可幾孔隙直徑約為0.4 μm。

2 孔隙特征分析

目前，對土體內(nèi)部孔隙尺寸分類標(biāo)準(zhǔn)的研究多數(shù)建立在非飽和土孔隙的研究基礎(chǔ)上。Shear[14]等對原狀和重塑的沖擊性黏土進(jìn)行大量的試驗研究，認(rèn)為可以根據(jù)孔徑大小將黏土內(nèi)的孔隙分為顆粒內(nèi)的孔隙(≤0.007 μm)、顆粒間的孔隙(0.007～0.9 μm)、團(tuán)粒內(nèi)隙(0.9～35 μm)、團(tuán)粒間的孔隙(35～2 000 μm)和宏觀孔隙(≥300 μm)5種。

土體孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征，孔隙的大小和分布等特征反映了土體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究干濕循環(huán)作用下滑帶土的分形特征變化，能夠更深層次地分析在該過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，基于壓汞試驗數(shù)據(jù)，Menger海綿模型可以用來計算孔隙分維值[15-16]。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下滑帶土孔隙分維Fig.3 Pore fractal dimension of slip zone soils in different cycles

(2)

表2 各區(qū)間孔隙體積百分比Tab.2 Percentage of pore volume in each interval

由圖3可知，2個拐點(diǎn)所對應(yīng)的孔隙直徑分別是1.59和0.56 μm。其中，首段和末段均具有明顯的線性關(guān)系，表明直徑大于1.59 μm的孔隙和小于0.56 μm的孔隙具有明顯的自相似性，對應(yīng)孔隙分維值大小范圍分別為2.41～2.59和2.63～2.97，中間段斜率不滿足要求，認(rèn)為沒有明顯的自相似性。為探明干濕循環(huán)過程中試樣孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，結(jié)合分形曲線和前人的分界標(biāo)準(zhǔn)，考慮到壓汞儀的測量范圍(5×10-3～360×103μm)，提出了適用于本研究的黃土坡滑帶土的孔隙區(qū)間分界標(biāo)準(zhǔn)：直徑大于1.59 μm為大孔隙，小于0.56 μm為小孔隙，中間過渡段(0.56～1.59 μm)為中孔隙。參照Shear[14]的分類標(biāo)準(zhǔn)可知，本文的小孔隙對應(yīng)于顆粒內(nèi)、顆粒間孔隙，大孔隙對應(yīng)于團(tuán)粒內(nèi)、團(tuán)粒間孔隙、宏觀孔隙，不妨稱小孔隙為顆粒孔隙、大孔隙為團(tuán)粒孔隙，而中孔隙則屬于顆?？紫兜綀F(tuán)?？紫兜倪^渡段。

由表2可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，滑帶土孔隙中小孔隙體積含量降低，大孔隙體積含量增加。這是由于反復(fù)干濕循環(huán)作用下，土體發(fā)生周期性的收縮與膨脹，濕潤膨脹的幅度大于干燥收縮的幅度時，土體顆粒就會發(fā)生不可逆的裂紋擴(kuò)展，開裂現(xiàn)象從小尺度不斷延伸到大尺度，顆?？紫稊U(kuò)大，并轉(zhuǎn)化成團(tuán)?？紫?，小孔隙轉(zhuǎn)化成大孔隙。

3 干濕循環(huán)作用下滑帶土基質(zhì)吸力演化分析

3.1 SWCC的間接計算方法

基質(zhì)吸力在一定程度上主要表現(xiàn)為孔隙的毛細(xì)管力，SWCC實(shí)際上反映了毛細(xì)管力對土壤水的作用[16]。它對于描述土的水理性質(zhì)至關(guān)重要，研究干濕循環(huán)作用下滑帶土的SWCC變化情況有利于分析在庫水作用下，庫岸滑坡滑帶土微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，對庫岸滑坡的預(yù)測、防治、演化機(jī)理分析等具有重要意義。

相關(guān)研究表明，土體顆粒與水分之間的吸引力[17]有氫鍵力、范德華力和毛細(xì)管力，它們的作用范圍分別是2.0×10-10～3.0×10-10m, 3.0×10-10～10-7m, 10-9～10-5m。可見，只有毛細(xì)管力的作用范圍與土壤的孔徑范圍相一致，因此，在非飽和土的研究中，假定基質(zhì)吸力主要由毛細(xì)力引起是可行的。壓汞法獲取SWCC具有周期短，數(shù)據(jù)客觀、精確的優(yōu)點(diǎn)，據(jù)此確定的SWCC可以彌補(bǔ)以往試驗中操作過程繁瑣、試驗周期長、高基質(zhì)吸力無法測量等缺點(diǎn)，應(yīng)用前景較大[5]。基于孔隙直徑累計分布曲線間接確定的SWCC的求解計算方程如式(3)所示，該方法計算所得的是土體脫濕時的SWCC[12]。

(3)

式中：(μa-μw)i為基質(zhì)吸力大?。籨i為孔徑；σ2為水的表面張力系數(shù)，取72.75×10-3N/m；V(di)為孔徑小于di的孔隙總體積；wi為含水率；ρw為水的密度。

3.2 干濕循環(huán)過程中的SWCC

圖4 滑帶土干濕循環(huán)作用下SWCCFig.4 Calculated SWCC of slip zone soils in different cycles

依據(jù)上述計算方法，間接推算出不同干濕循環(huán)次數(shù)下，黃土坡滑帶土的SWCC如圖4所示。

分析圖4可見，黃土坡滑帶土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的SWCC具有如下特征：在干濕循環(huán)幅度(10%～21%)范圍內(nèi)，基質(zhì)吸力變化在0～103kPa范圍內(nèi)；不同于孔隙特征曲線，在SWCC中部存在一個特征點(diǎn)，它是所有曲線近似公共的交點(diǎn)，也是各曲線近似的拐點(diǎn)，對應(yīng)的含水率約等于塑限含水率(13.86%)。當(dāng)含水率大于特征點(diǎn)含水率時，隨著循環(huán)次數(shù)增大，同等含水率下基質(zhì)吸力逐漸增大；當(dāng)小于特征點(diǎn)含水率時，同等含水率下基質(zhì)吸力減小。此外，循環(huán)次數(shù)越多，SWCC波動幅度越大。

表3 特定含水率下基質(zhì)吸力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Tab.3 Relationship between matric suction and cycle numbers at given water contents

特征點(diǎn)前后，基質(zhì)吸力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律相反，其原因是：通過壓汞試驗間接得到的是脫濕時的土-水特征曲線，在脫濕過程中，具有較大勢能的大孔隙水先排出[18]，隨后小孔隙開始排水，因此，土體中含水率降低的過程中，基質(zhì)吸力逐漸增大。含水率較高時，基質(zhì)吸力增大主要取決于失去一部分水的大孔隙，即當(dāng)大于特征點(diǎn)含水率(塑限)時，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，同等含水率下基質(zhì)吸力增大；含水率較低時，小孔隙中的水分逐漸排出，小孔隙開始在基質(zhì)吸力變化中占據(jù)主導(dǎo)地位，即當(dāng)小于特征點(diǎn)含水率(塑限)時，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，同等含水率下基質(zhì)吸力減小，這也是存在特征點(diǎn)的原因。

圖5 特定含水率下基質(zhì)吸力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between matric suction and cycle numbers at three given water contents

為了進(jìn)一步研究基質(zhì)吸力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，選取此次干濕循環(huán)幅度范圍內(nèi)的3個特定含水率：含水率(18.0%)、天然含水率(15.97%)、塑限含水率(13.86%)所對應(yīng)的基質(zhì)吸力，整理結(jié)果見表3和圖5。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，3個特定含水率對應(yīng)的基質(zhì)吸力大小均呈“S”型增長。1次循環(huán)后，基質(zhì)吸力增幅較小，到第2,3次循環(huán)之后，出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，最后到第4次循環(huán)后，基質(zhì)吸力大小已趨于穩(wěn)定。水分含量越低，基質(zhì)吸力對干濕循環(huán)的敏感性越高，變化越明顯。

3.3 土水特征曲線擬合驗證

國內(nèi)外許多學(xué)者對SWCC數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，取得了豐碩的研究成果。目前已提出的水土特征曲線模型主要有：Brooks & Corey模型、Van Genuchten方程以及Fredlund & Xing方程等[19]。為了驗證上述方法確定SWCC的準(zhǔn)確性，采用已被廣泛認(rèn)同的Van Genuchten方程對試驗所得土水特征曲線進(jìn)行擬合，其表達(dá)式如下：

圖6 干濕循環(huán)中土水特征曲線的Van Genuchten方程Fig.6 Fitting curves of SWCC

(4)

式中：θw為體積含水率；Ψ為基質(zhì)吸力；θs，θr分別表示飽和、殘余體積含水率(見表4)；a,b,c均為擬合參數(shù)[20]。

由于含水率是以質(zhì)量含水率的形式給出的，所以質(zhì)量水含量可以代替上述方程中的體積水含量。試樣各次干濕循環(huán)的SWCC的擬合結(jié)果如圖6所示。從表4中擬合方差R2值可以看出，Van Genuchten方程對各次循環(huán)的SWCC均有很好的擬合效果。表明采用壓汞試驗數(shù)據(jù)推算出滑帶土的SWCC是有效可行的。

表4 SWCC(Van Genuchten方程)參數(shù)擬合值Tab.4 Fitting results of SWCC by Van Genuchten equation

4 結(jié) 語

從微觀孔隙結(jié)構(gòu)入手，以壓汞試驗為基礎(chǔ)，研究干濕循環(huán)作用下滑帶土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀基質(zhì)吸力的響應(yīng)機(jī)制，并分析兩者之間的聯(lián)系。主要研究成果有：

(1)滑帶土孔隙結(jié)構(gòu)呈“雙峰”分布，干濕循環(huán)作用下，孔隙總體積增大，但整體結(jié)構(gòu)變化不明顯；結(jié)合分形理論，以0.56和1.59 μm為2個分界點(diǎn)，將孔隙分成大孔隙、中孔隙和小孔隙。研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)過程中，小孔隙總體積減少，大孔隙體積增大，并將這種現(xiàn)象歸結(jié)為基質(zhì)吸力的反復(fù)加載、卸載作用。

(2)通過壓汞試驗間接獲取滑帶土的水-土特征曲線有效可行。土-水特征曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的滑帶土含水率值接近塑限含水率，在拐點(diǎn)左右兩側(cè)，干濕循環(huán)作用對基質(zhì)吸力的影響相反。當(dāng)含水率大于拐點(diǎn)含水率時，隨著循環(huán)次數(shù)增大，同等含水率下基質(zhì)吸力增大，而當(dāng)含水率小于拐點(diǎn)含水率時，則結(jié)果恰好相反，這是因為在排水脫濕過程中，基質(zhì)吸力在高含水率時主要受大孔隙控制，而在低含水率卻受小孔隙控制。

(3)反復(fù)干濕循環(huán)作用下，滑帶土基質(zhì)吸力和孔隙結(jié)構(gòu)特征是相互影響的，孔隙結(jié)構(gòu)特征的改變引起相同含水率下基質(zhì)吸力的變化，反過來，基質(zhì)吸力也對土體顆粒產(chǎn)生作用，引起土體顆粒發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動，進(jìn)而引起微觀結(jié)構(gòu)改變。