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滑带土剪切面微观孔隙分布特征的研究

王春林，牛岑岑，苑晓青，田桂莉，魏车车，李康，宋梓熙

（吉林大学建设工程学院，吉林长春 130021）

摘要以金沙江库坝区上游滑坡滑带土为研究对象，采用高速高压环剪试验仪与压汞仪联合试验，研究了不同剪切速率、法向应力对滑带土剪切面孔隙分布的影响。结果显示:滑带土剪切面孔隙分布随着法向应力和剪切速率的变化而重分布。在剪切速率为10mm/s时，随着剪切应力的增大，大孔隙逐渐转化为中、小孔隙，d=0.4-0.04μm孔隙增加最明显。在200kpa时，d<0.04μm孔隙从0增加到1.62%。剪切速率从1mm/s增加到10mm/s时，大孔隙逐渐转化为中、小孔隙，d=4-0.4μm孔隙缩减比例达到18%，d=0.4-0.04μm孔隙在10mm/s下百分比超过50%。

关键词滑带土；压汞试验；孔隙分布；剪切速率；

引言随着中国经济快速发展，各种大中小型水电站屹立在长江之上，伴随着上游区域水位的上升，滑坡对库坝区的威胁越来越严重，本文以金沙江旭龙水电站库坝区上游的曲龙堆积体为研究对象，从土体微观结构探究滑坡产生的机制继而对滑坡产生和发展进行预测，降低其造成的潜在危害。唐华瑞等人在前人基础上强调了颗粒体微结构和孔隙体微结构均影响着土体的工程性质，但在某些条件下孔隙体微结构对土体工程性质的影响大于颗粒体微结构。土体的宏观变化都是土体微观结构不断调整的结果，因此从微观角度定性、定量分析滑带土的微观结构特征并结合土体在不同条件下的变化，可进一步明确土体和微观结构之间存在的关系。

目前国内对滑带土的研究大多是以环剪试验为主，通过剪切速率、法向应力等条件的改变获取滑带土强度参数来分析滑带土的力学性质，较少研究滑带土微观孔隙分布对土体的影响，刘动等人指出滑带土环剪试验后的微观孔隙分布特征的研究重要性，通过对环剪前后土样进行扫描电镜试验发现剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列使土体微观结构发生变化，导致孔隙率增大、土颗粒形状变得狭长。谈云志等人研究了法向应力对红粘土孔隙分布的影响，对不同法向应力下的土样进行压汞试验得到压力仅对大孔径孔隙有影响，并按孔隙受压的稳定性划分孔隙为聚集体内与聚集体之间孔隙。苑晓青等人探讨了吹填土固结过程中孔隙分布的变化，利用压汞试验发现了逐级施加压力下土样中大孔隙先被压缩转化为中孔隙，其也被称为“大孔隙优先改变原则”，但目前研究法向应力和剪切速率对孔隙的文章较少，因此还需进一步探讨滑带土在法向应力、剪切速率、含水率等模拟滑坡发生条件参数的变化下孔隙分布的特征，分析滑带土微观孔隙分布特征与滑坡宏观力学之间的联系。本文以环剪试验获取滑带土剪切破裂面的土样为样本，再通过压汞试验研究孔隙分布特征，从不同的法向应力、剪切速率角度给出精确的孔隙分布参数，来分析滑带土微观孔隙分布特征与宏观力学特性的联系，为工程的选址以及防治滑坡提供可靠建议。

1.土样的基本概况

滑带土取样点为金沙江库坝区曲龙堆积体下部，土样磨圆较好、分选较差、胶结强度偏中等。通过筛分析与比重计法对滑带土的粒度成分进行测定，结果如如表1所示，根据GB 50021-2001岩土工程勘察规范定名为砂质粉土。在实验室测得土样天然含水率为22.0%

表1 滑带土粒径大小成果

粒径范围

2 ~ 1mm

1~0.5mm

0.5~ 0.25mm

0.25~ 0.075mm

0.075~ 0.005mm

0.005~0.002 mm

定名

砂质粉土

百分比%

0.73

10.45

5.09

27.65

55.18

0.9

2.实验方案

将9个滑带土样本进行高速高压的环剪试验，条件为100kpa-ms、zs、ks，200kpa-ms、zs、ks，300kpa-ms、zs、ks（注:0.1mm/s=ms、1mm/s=zs和10mm/s=ks），再进行压汞试验后获得4个有效样本分别为100kpa-ks、200kpa-ks、300kpa-zs、300kpa-ks，通过分析不同法向应力不同剪切速度下孔隙分布特征，进一步分析土体微观结构与宏观力学性质之间存在的联系。
3.环剪试验

本实验仪器是日本京都大学防-灾研究所的高速环剪试验机，其自动化数据处理与分析能力很高，可模拟多种法向应力状态、剪切速率进行试验并用电脑进行处理。首先将土样放置于105℃下烘干24 h，取出碾碎并过2 mm筛，取小于2 mm部分配置成天然含水率状态w=22.00%。静置24 h，使土样湿度均匀。揉搓成较小的圆球状以便于装进环剪仪的凹槽中，放置在保湿袋中。环剪结果得出总体上残余强度、峰值强度随着剪切速率、法向应力的增大而增大并有较强的线性。

4.压汞试验
4.1试样制备

本次试验采用美国麦克公司的Auto pore 9500型全自动压汞仪对滑带土剪切面的土样进行测试。取表面较完整的环剪试验后的滑带土剪切面的土样，如图1所示，用小刀切成0.5cm³的立方体，剪切面表面在上进行放置，然后用自制的网兜（有可松可紧的绳）将其装在液氮容器中，再将压汞土样经冻干仪抽干保证土样结构不被破坏，小心装进膨胀计中进行压汞试验。

图1 环剪后剪切面土样

4.2压汞结果进行分析

4.2.1压汞试验统计结果

如图2、表2，通过对比100kpa-ks、200kpa-ks、300kpa-zs、300kpa-ks四个样本中孔隙的分布随着法向应力与剪切速率的变化，最后结合环剪的结果进行综合分析。

表2 压汞试验结果

剪切速率（mm/s）	法向应力（kPa）	孔隙体积百分含量%
剪切速率（mm/s）	法向应力（kPa）	>4μm	4-0.4μm	0.4-0.04μm	<0.04μm
10	100	32.69	50.36	16.95	0
	200	6.98	51.22	40.18	1.62
	300	3.45	34.44	50.73	11.38
1	300	13.1	52.24	33.05	1.61

4.2.2孔隙特征与法向应力的关系

如图3，剪切面的孔隙总体趋势是随着法向应力的增加，中、小孔隙的比例增加，大孔隙的比例减少。如图4，大于4μm的孔隙从100kpa到300kpa下降最快，从33%下降到3%，0.4-0.004μm的孔隙增长最明显且在300kpa下达到50%以上。4-0.4μm的孔隙在100kpa和200kpa下均大于50%，当达到300kpa时下降到34%。小于0.04μm的孔隙从100kpa下的0逐渐增加到300kpa下的11%。

4.2.3孔隙特征与剪切速率的关系

前人大多是研究剪切速率对土体强度的影响，史卜涛等人利用直剪仪指出剪切速率越大，剪切面周围超孔隙水压力越大，使土体总强度降低。孙涛利用环剪仪研究了不同超固结比的黏土峰值强度和残余强度有着明显的不同，剪切速率越大，峰值强度越大，但剪切速率对残余强度几乎没有影响。本文从剪切速率对孔隙分布影响的角度，进一步揭示剪切面强度与孔隙分布的关系。

如图5所示。剪切速率从1mm/s到10mm/s的大、中孔隙减少量明显多于法向应力的变化。4-0.4μm的孔隙缩减幅度达到18%且在10mm/s下的百分比减小到34.44%。0.4-0.04μm在10mm/s下其孔隙百分比达到50%以上。<0.04μm的孔隙增加幅度达到9.7%。