陳林萬， 張曉超， 范珊， 黎俊豪， 郝盛藍(lán)， 朱錦宇， 賈春峰

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059; 2.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 成都 610081; 3.山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站(有限公司)黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 太原 030006)

中國的黃土分布面積約6.31×106km2，其中黃土高原是世界上分布最集中、沉積最厚的地區(qū)[1]，同時也是“西部開發(fā)”的重點(diǎn)區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。近年來，隨著國家城鎮(zhèn)化建設(shè)和交通強(qiáng)國的不斷推進(jìn)，在黃土地區(qū)大挖大填，產(chǎn)生了許多黃土填方邊坡，最典型屬延安新區(qū)的橋兒溝黃土高填方邊坡，填筑高度超過100 m。如此大規(guī)模的填方邊坡使壓實(shí)度很難達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)，在降雨作用下會產(chǎn)生一定的安全隱患。

黃土填方工程的填料是典型的非飽和重塑土，一般是就地取材，在非飽和狀態(tài)下經(jīng)過人工壓實(shí)而成[2]。目前，對于壓實(shí)黃土，研究人員一方面從細(xì)觀入手，主要通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同密實(shí)度對黃土強(qiáng)度和滲透特性的影響[3-5]。李金華等[6]研究了含水率和擊實(shí)能對壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為壓實(shí)黃土的抗剪強(qiáng)度是由擊實(shí)能和含水率共同決定的。周春梅等[7]認(rèn)為含水率對壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響比壓實(shí)度大。井彥林等[8]和Zhang等[9]分別從土體顆粒接觸角與干密度之間的關(guān)系和原狀黃土與壓實(shí)黃土的剪切特性關(guān)系進(jìn)行深入研究。李華等[10]對不同干密度的壓實(shí)黃土進(jìn)行非飽和滲透性曲線特征研究，得出壓實(shí)黃土干密度的差異主要影響低吸力段滲透系數(shù)，且干密度越大滲透系數(shù)越小。趙樂等[11]通過一維土柱試驗(yàn)研究了壓實(shí)黃土的垂直積水入滲特性，得出壓實(shí)度越大，入滲率和濕潤鋒前進(jìn)速率越緩慢的結(jié)論。Zhang等[12]基于不同干密度和含水率的黃土試樣，研究了填埋場最終覆蓋層的氣、液滲透性，并提出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以有效地描述壓?shí)黃土在不同液體飽和度和干密度下的氣液滲透性。另一方面則是從微觀角度出發(fā)，通過掃描電鏡研究壓實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)特性。吳凱等[13]研究了不同壓實(shí)度下土體孔隙的微觀結(jié)構(gòu)特征，并與側(cè)限壓縮、直剪強(qiáng)度建立了關(guān)系。馬金蓮等[14]從黃土微觀結(jié)構(gòu)揭示了較高壓實(shí)度能有效地改善黃土抗剪強(qiáng)度內(nèi)在原因。趙天宇等[15]、Xie等[16]從電鏡掃描角度分析了干密度和干濕循環(huán)作用對黃土土水特征曲線的影響。葉萬軍等[17]通過直剪試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)，研究凍融作用下水分遷移對壓實(shí)黃土強(qiáng)度以及微觀孔隙的影響機(jī)制。趙天宇等[18]還研究了重塑黃土在增濕-減濕作用下宏觀變形特性和微觀結(jié)構(gòu)特性。此外，也有學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗(yàn)探討了降雨作用下不同坡型對黃土填方邊坡破壞模式的影響[19-21]。

綜上所述，學(xué)者們研究壓實(shí)黃土主要是通過單一的手段，很少有學(xué)者采用宏、細(xì)、微觀的方法同時對壓實(shí)黃土展開研究。鑒于此，現(xiàn)先從模型試驗(yàn)出發(fā)，探討不同壓實(shí)度下黃土填方邊坡的變形破壞特征[22]，同時對不同壓實(shí)度黃土試樣進(jìn)行等壓固結(jié)不排水(isobaric consolidation undrained，ICU)試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗(yàn)，旨在探討不同壓實(shí)度黃土的強(qiáng)度特性和結(jié)構(gòu)特性，以期為不同壓實(shí)度下黃土填方邊坡失穩(wěn)做出解釋，為黃土高原填方邊坡的填筑和防治提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣與模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣采自陜西省延安市安塞縣小南溝馬蘭黃土新鮮剖面。嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)對土樣進(jìn)行顆粒分級、液限、塑限、相對密度以及擊實(shí)試驗(yàn)，得到顆粒級配曲線見圖1。根據(jù)粒徑成分含量(表1)可知，試驗(yàn)土樣為粉質(zhì)黏土。

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of soil sample

1.2 模型試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)概況。試驗(yàn)邊坡在長寬高為1.2 m×0.4 m×0.6 m水槽中進(jìn)行，該水槽三面為透明的有機(jī)玻璃。模型試驗(yàn)原始邊坡坡度54°，填方邊坡45°，填方邊坡高50 cm。設(shè)置壓實(shí)度為80%、90%、95% 3個梯度，在降雨強(qiáng)度為29.8 mm/h下開展室內(nèi)模型試驗(yàn)。

表1 土樣物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of soil sample

(2)試驗(yàn)結(jié)果。圖2是不同壓實(shí)度下黃土填方邊坡的最終破壞圖?？梢钥闯?，不同壓實(shí)度的邊坡破壞形式不同。壓實(shí)度80%的邊坡所需累積雨量最少，為121.7 mm，失穩(wěn)時間最短，為245 min，滑動特征為滑動距離遠(yuǎn)、滑體潰散，并且在失穩(wěn)之前先有坡頂濕陷沉降過程，表現(xiàn)出濕陷沉降-蠕滑拉裂的失穩(wěn)模式[圖2(a)]；中壓實(shí)度90%邊坡在滑動之前坡頂有明顯張拉裂縫，滑動距離相對壓實(shí)度80%邊坡較短，累積雨量195.7 mm，失穩(wěn)時間394 min，以蠕滑拉裂方式破壞[圖2(b)]。這兩組試驗(yàn)邊坡都表現(xiàn)出滑動面較深的特點(diǎn)。而壓實(shí)度95%的邊坡則所需累積雨量最多，共需208.6 mm，失穩(wěn)時間最長，經(jīng)歷了420 min，表現(xiàn)出滑動距離短，滑面淺的特點(diǎn)，破壞模式為多級漸進(jìn)失穩(wěn)[圖2(c)]。

圖2 降雨作用下不同壓實(shí)度邊坡破壞圖Fig.2 Failure diagram of slope with different compactness under rainfall

2 壓實(shí)黃土細(xì)微觀試驗(yàn)

通過室內(nèi)降雨模型試驗(yàn)表明，壓實(shí)度大的黃土填方邊坡所需累積雨量多，失穩(wěn)時間長，且破壞模式不同。認(rèn)為與壓實(shí)黃土的強(qiáng)度及滲透性有關(guān)。為此，從等壓固結(jié)不排水試驗(yàn)(ICU)和微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)出發(fā)，對壓實(shí)黃土強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入探討。

2.1 壓實(shí)黃土等壓固結(jié)不排水試驗(yàn)

為了研究不同壓實(shí)度試樣的強(qiáng)度特性，考慮壓實(shí)度為80%、90%、95%試樣黃土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，每組試樣分別在圍壓100、200、300、400 kPa下進(jìn)行等壓固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。先對試樣采用蒸餾水和CO2的方法飽和，之后進(jìn)行排水固結(jié)，達(dá)到固結(jié)要求后進(jìn)行不排水剪切，剪切速率為0.1 mm/min。

2.2 壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡試驗(yàn)

為了探討不同壓實(shí)度試樣的微觀結(jié)構(gòu)特性，考慮壓實(shí)度為80%、90%、95%的黃土試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。先將黃土試樣制成直徑為6.28 cm、高為2.0 cm的環(huán)刀樣，然后將其烘干備用。之后將用于電鏡掃描試驗(yàn)的土樣從中部掰開，將其削成0.5 cm×0.2 cm×0.2 cm的長方體，為電鏡掃描試驗(yàn)做好前期準(zhǔn)備，在這過程中，盡可能地保持新鮮面不被破壞。為了能使試驗(yàn)效果更好，還需對試樣進(jìn)行鍍金處理。隨后采用由荷蘭生產(chǎn)的飛納臺式掃描電子顯微鏡Phenom ProX對試樣進(jìn)行掃描。

3 壓實(shí)黃土等壓固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓實(shí)黃土飽和強(qiáng)度

重塑黃土抗剪強(qiáng)度是影響工程穩(wěn)定性和長期安全的重要參數(shù)，分析抗剪強(qiáng)度對研究邊坡失穩(wěn)及破壞機(jī)理非常重要[23]。圖3表示的是不同壓實(shí)度的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?？梢钥闯?，不同壓實(shí)度飽和土體的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)不同，內(nèi)摩擦角變化不大，最大值和最小值之間僅相差1.6°；而黏聚力相差較大，特別是壓實(shí)度90%到95%相差達(dá)到24.2 kPa，這與前人研究結(jié)果一致[24]。這是因?yàn)樵嚇訅簩?shí)度小，土體處于疏松狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度主要由黏聚強(qiáng)度提供，隨著壓實(shí)度逐漸增大，土體顆粒接觸緊密，此時黏聚強(qiáng)度開始向摩擦強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，壓實(shí)度最大時，土體顆粒接觸最緊密，孔隙比小，顆粒之間咬合力增大，抗剪強(qiáng)度主要由咬合摩擦強(qiáng)度提供。這表明在黃土填方邊坡施工過程中壓實(shí)度的增大，可以提高土體黏聚力，在一定程度上控制邊坡的變形破壞。

圖3 不同壓實(shí)黃土飽和強(qiáng)度Fig.3 Saturated strength of loess under different compaction

3.2 壓實(shí)黃土應(yīng)力狀態(tài)

圖4為不同壓實(shí)黃土的不穩(wěn)定線。分析不同壓實(shí)度下土體的應(yīng)力狀態(tài)可知，隨著壓實(shí)度的增加，土體的殘余偏應(yīng)力增大，且不穩(wěn)定線的斜率也增大，不穩(wěn)定性區(qū)間減小，土體越趨于穩(wěn)定。

q=Mp′

(1)

(2)

式中：q為偏應(yīng)力；p′為平均有效應(yīng)力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；M為臨界狀態(tài)線在q-p′空間平面中的斜率。

圖4 不同壓實(shí)黃土不穩(wěn)定線Fig.4 Unstable line of loess under different compaction

3.3 壓實(shí)度與u-qmax曲線關(guān)系

將不同壓實(shí)度的黃土試樣在不同圍壓下的孔隙水壓力(u)和峰值強(qiáng)度(qmax)聯(lián)系起來，可以得到壓實(shí)度與u-qmax曲線關(guān)系，如圖5所示。

由圖5可知，壓實(shí)度80%的土體在u-qmax關(guān)系圖中位于下邊界，壓實(shí)度90%的土體處于中間，壓實(shí)度95%的土體位于上邊界；在同一孔隙水壓力下，土體峰值強(qiáng)度隨壓實(shí)度的增大而增加。在一定峰值強(qiáng)度下，土體孔隙水壓力隨壓實(shí)度的減小而增大。這表明壓實(shí)度小的土體在遇水后更容易使孔隙水壓力增大。根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)孔隙水壓力增大，而總應(yīng)力又保持不變時，有效應(yīng)力則會減小進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。這就從應(yīng)力的角度探討了壓實(shí)度小的邊坡首先發(fā)生破壞。

圖5 壓實(shí)度與u-qmax曲線Fig.5 Compactness and u-qmax curve

4 壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)特征定量分析

利用PCAS軟件[25]對電鏡掃描500倍圖像進(jìn)行處理。首先將掃描電鏡SEM圖片[圖6(a)]導(dǎo)入軟件中設(shè)定一定閾值后進(jìn)行二值化處理(黑色代表土體顆粒，白色代表孔隙)[圖6(b)]，識別出土體顆粒和孔隙[圖6(c)]；然后進(jìn)行矢量化處理。圖像處理后可以獲得孔隙個數(shù)、孔隙面積、孔隙平均面積、孔隙率以及概率熵等參數(shù)。定量對比分析不同壓實(shí)度試樣的孔隙分布等特征的差異性，從微觀角度解釋不同壓實(shí)度黃土的結(jié)構(gòu)特性以及對滲透性的影響。

4.1 壓實(shí)黃土孔隙結(jié)構(gòu)分布特征

參照雷祥義[26]對黃土孔隙的分類標(biāo)準(zhǔn)：大孔隙半徑大于16 μm，中孔隙在4～16 μm，小孔隙在1～4 μm，半徑小于 1 μm 的孔隙為微孔隙。按照此分類標(biāo)準(zhǔn)，對不同壓實(shí)度試樣的孔隙數(shù)量和孔隙面積進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)可知，隨著壓實(shí)度的增大孔隙總個數(shù)增加，且隨著壓實(shí)度的增大，試樣的微小孔隙增多，壓實(shí)黃土孔隙主要以微小孔隙為主。由圖7(b)可知，隨著壓實(shí)度的增大，試樣微、小、中孔隙的面積都在增大，而大孔隙面積則是隨壓實(shí)度的增大而減小。大、中孔隙的面積決定了黃土孔隙的面積。壓實(shí)度95%的土體孔隙以鑲嵌孔隙為主，該孔隙多呈裂縫狀，孔隙面積小，比較穩(wěn)定；而壓實(shí)度90%和80%的土體孔隙主要以支架孔隙為主，尤其是壓實(shí)度80%的黃土試樣支架孔隙最為發(fā)育，該類孔隙連通性好，透水性強(qiáng)，且孔隙面積大，當(dāng)雨水浸入土體，減弱了顆粒間的連接強(qiáng)度，土體顆粒陷入孔隙，更容易發(fā)生破壞。這解釋了壓實(shí)度80%的試驗(yàn)邊坡最先破壞是出現(xiàn)坡頂濕陷沉降。

圖6 SEM圖像處理過程Fig.6 SEM image processing process

圖7 不同壓實(shí)黃土孔隙分布Fig.7 Pore distribution of loess under different compaction

4.2 壓實(shí)黃土平均孔隙面積、孔隙率及概率熵分析

平均孔隙面積能反映孔徑，其值越大，大孔隙占比越多，土體結(jié)構(gòu)越疏松，在遇水時穩(wěn)定性越差。由圖8可知，孔隙的平均面積與壓實(shí)度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)壓實(shí)度為95%時，平均孔隙面積才74.91 μm2，而當(dāng)壓實(shí)度為80%時，平均孔隙面積增加了153.06 μm2達(dá)到227.97 μm2。壓實(shí)度最大，平均孔隙面積最小，既孔徑也最小。土體孔徑小導(dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小，水分就很難入滲到土體深部。這從側(cè)面解釋了壓實(shí)度大的邊坡失穩(wěn)時所需的累積雨量更多，失穩(wěn)時間長的原因。

孔隙率是影響水分在孔隙中流動的重要參數(shù)。圖9所示為不同壓實(shí)度下試樣的孔隙率，可以看出，隨著壓實(shí)度的增大，壓實(shí)黃土的孔隙率在減小。從壓實(shí)度80%到90%減少了4.86%，壓實(shí)度90%到95%減少了5.72%，減小速率在增大。這可能是黃土在壓實(shí)過程中壓實(shí)功造成土體顆粒破碎充填大中孔隙引起的?？梢钥闯鳇S土壓實(shí)度的增加可以減小土體的孔隙率，進(jìn)而減緩了水分在孔隙中的流動。

圖8 不同壓實(shí)黃土平均孔隙面積Fig.8 Average pore area of loess under different compaction

圖9 不同壓實(shí)黃土孔隙率Fig.9 Porosity of loess with different compaction

概率熵(Hm)[27]是反映孔隙單元有序性的定量指標(biāo)，其值越大，表明孔隙排列越混亂，有序性越差；反之，有序性越好，取值在0～1。當(dāng)Hm=0時，表示孔隙按照一定方向定性排列，當(dāng)Hm=1時，孔隙隨機(jī)排列。

圖10表示孔隙概率熵隨壓實(shí)度的變化?？梢钥闯?，孔隙概率熵隨著壓實(shí)度的增大而增大，且都在0.82以上，可以看出土體壓實(shí)度越大，孔隙排列越趨于隨機(jī)性，均勻越分布，土體顆粒排列更穩(wěn)定，黃土填方邊坡在降雨作用下就不易失穩(wěn)。

圖10 不同壓實(shí)黃土概率熵Fig.10 Probability entropy of different compacted loess

5 結(jié)論

(1)隨著黃土試樣壓實(shí)度增加，飽和抗剪強(qiáng)度隨之增大，但內(nèi)摩擦角沒有黏聚力表現(xiàn)的敏感。再有土體臨界狀態(tài)線的斜率隨壓實(shí)度的增大而增大。壓實(shí)度的提高增強(qiáng)了土地的強(qiáng)度參數(shù)，能在一定程度上防止黃土填方邊坡的變形破壞。

(2)通過對不同壓實(shí)度黃土試樣孔隙微觀結(jié)構(gòu)定量分析，得到微小孔隙是決定壓實(shí)黃土的主要孔隙。隨著壓實(shí)度增加，大中孔隙減小，微小孔隙增多，并且孔隙面積也隨著壓實(shí)度增加而減小。

(3)不同壓實(shí)度黃土試樣的平均孔隙面積、孔隙率都隨壓實(shí)度增加而減小，而概率熵則表現(xiàn)出隨壓實(shí)度增大而增大的規(guī)律，這表明壓實(shí)度越大，土體越趨于穩(wěn)定且水分越難入滲到邊坡內(nèi)部，在降雨作用下壓實(shí)度大的黃土填方邊坡更穩(wěn)定。