干湿循环对滑坡区黄土收缩性的影响规律

程文瑜, 储春妹

(新疆大学地质与矿业工程学院, 乌鲁木齐 830017)

黄土广泛分布于新疆各地,主要在山前洪积扇中下部及山间洼地区分布。乌鲁木齐地区作为一带一路核心发展区,广泛分布的黄土位于天山北麓冲洪积平原上,由于工程建设、农业灌溉、降雨及融雪等影响,近年来黄土滑坡灾害越来越多。据昌吉州地质环境监测站统计,该区滑坡灾害主要分布在三屯河流域及其支流支沟内,头屯河流域金涝坝-硫磺沟段及支沟东庙尔沟、红沟内,庙尔沟-索尔巴斯套景区道路沿线,其中13.6%为黄土滑坡,为当地经济发展和人民生命财产安全带来严重影响。

湿陷变形是黄土区别于其他土类的显著特征,也是引发黄土地质灾害和黄土地基失稳的主要原因,暴雨所产生的地表径流主要通过落水洞和节理裂隙等宏观优势通道点状短期快速入渗,增大黄土含水率,软化黄土体,降低斜坡稳定性,引发黄土滑坡[1-2]。随着干湿循环的作用,黄土自身的力学性质也发生了变化.大量研究表明经过干湿循环作用后的土体,呈现出土体强度减弱、土体变形变大的特点[3]。在针对黄土变形性质的以往的研究中,张芳枝等[4]研究了干湿循环对土体变形及强度等特性的影响。袁志辉等[5]研究了干湿循环对原状黄土与压实黄土的抗剪强度均会产生劣化效应。Goh等[6]研究得出在干湿循环过程中的脱湿及吸湿期间抗剪强度的特征参数。刘宏泰等[7]研究得出干湿循环作用使重塑黄土强度逐渐衰减和渗透性增强的规律。刘平[8]依靠土的收缩特性影响因素及通过蜡封法开展体变收缩试验,研究在干旱情况下土体的变形与开裂。汪东林[9]、邵生俊等[10]、杨玉生等[11]根据收缩曲线图分析土体干燥过程中饱和度和孔隙比的关系,得出随着土体饱和度的降低试样逐渐发生收缩变形。宋洋等[12]在进行湿陷性黄土在不同含水率和不同压力下的体变试验研究时,根据试验结果总结了许多经验关系。王永鑫等[13]研究了黄土的浸水入渗时其压缩变形的特征,为相关研究提供了可借鉴的方法。折海成等[14]建立了以体积膨胀率作为考察变量的黄土微观取样制样扰动、吸水增湿和增湿-冻融循环耦合统计损伤模型,说明含水率和孔隙率随时间的变化对黄土变形特征的影响成相关性。谢飞等[15]建立了不同含水率下延安原状Q3黄土应力应变关系的归一化方程。朱振等[16]通过实验得出不同干湿循环路径下黄土土样的e-lgp(p为压力,e为压力p下压缩稳定后的孔隙比)曲线在干湿循环次数低于5次时差异较大,在干湿循环次数达到10次时趋于一致,可以看出干湿循环次数对变形特征影响的规律性。

以上研究干湿循环作用下土体的特性大多是基于循环完成后的试样进行的,而对该过程中土体随含水率变化的收缩特征和裂隙结构变化的循环特性研究较少。不同季节不同地区的大气降水成不同的循环模式,土体水分反复出现入渗和散失,土体体积失水时发生的收缩导致裂隙的产生,为后续水分入渗提供了通道,从而影响斜坡稳定性。黄土滑坡就是在干湿循环过程中裂隙变化和土体变形积累的最终结果,故找到干湿循环过程中裂隙变化和土体变形的规律对了解黄土斜坡灾害发育程度以及防治工程设计提供了科学依据。

现针对一带一路核心发展区——乌鲁木齐地区广泛发育在天山北麓冲积平原的黄土展开相关研究,围绕该地区黄土滑坡在多次干湿循环条件下的失稳机制这一科学问题,依托自治区自然科学基金项目,以现场调查、室内实验、计算模拟等方法,通过压实黄土进行浸水增湿和自然条件下风干脱湿的力和变形等参量的连续变化,揭示干湿循环条件下该区黄土湿陷干燥过程中的收缩特性和规律,总结循环次数和含水率影响下的土体收缩曲线方程,可直接可应用于当地防治工程设计,弥补了当地此类研究的空白;裂隙识别分析软件PCAS在黏性土中应用较多,而对粉土鲜有研究,利用PCAS软件对土样表面裂隙进行定量分析,总结面孔隙度、面裂纹率与循环次数关系,结果与收缩曲线方程有良好的印证,说明PCAS对于粉土有一定的适应性。

1 试验材料

天山北麓平原区黄土广泛分布在昌吉市南部山区谷地两侧,试验中所用原状土样取自昌吉市阿什里乡小昌吉河南岸——中型滑坡体,Q2黄土,厚3～30 m不等,下层为浅灰色的砂砾石,取样深度为滑动面以上4 m范围。通过室内土工试验获得其各项基本物理性质指标,如表1所示。

表1 土样基本物理指标Table 1 Basic physical index of soil samples

2 试验方法

2.1 制备试样

按照《土工实验规程》用环刀法制样,环刀内部直径为61.8 mm,高为20 mm,容积为59.96 cm3。使用干燥箱烘干试样,选择干密度控制参数,在经过多次击实试验,确定试样平均干密度为1.43 g/cm3;风干土含水率经计算为2.03%;研究区滑坡一般发生在雨季和春季融雪时节,促滑因素主要是是降雨, 根据天然含水率范围将目标含水率设定为20%、25%和30%。同一含水率下制作6组18个试件,共54个试件。

2.2 干湿循环试验

每组试件需经历9次干湿循环,先增湿至目标含水率后脱湿至风干土含水率,每次脱湿结束为一次循环结束,不同含水率的试件循环过程一致。

增湿:使用铁架台和滴定管组成增湿装置,滴定速率控制在0.05 mL/s,滴定过程中不断测定滴定量和对试样称重,直到达到目标含水率和质量计算值,将试样放到保湿筒中静置 24 h,使试样中水分均匀。

脱湿:将增湿完成的试样自然风干,每隔一段时间称重一次,当含水率达到风干土含水率2.03%时停止风干,此过程即为一次干湿循环。增湿装置如图1所示。

图1 增湿装置Fig.1 Humidifying device

2.3 收缩试验

每次干湿循环中,采用SS-1型土体收缩仪量侧试件脱湿过程的线缩率,如图2所示。每组试件重复9次循环,操作流程如下。

图2 收缩试验装置Fig.2 Shrinkage test device

(1)用推土器推出环刀中的试样,放在多孔板上,再将测板放置在土样表部中心位置。

(2)将多孔板托起放在垫块之上,调节量表量测头位置,使量测头对准测板中心位置,记录此时量表读数。

(3)使用温度计观察试验环境温度,需要在室温小于30 ℃条件下进行收缩实验。

(4)每1～4 h测量一次读取百分比表,用精密电子天平测量整个装置和试样的质量。

(5)当两个观测量表的读数不变时,一次循环观测结束。

(6)每次循环结束后,对试件表面进行拍照。

并在使用干燥箱110 ℃下烘干,称量试样干质量,最后测定烘干后的试样体积。

3 试验结果及讨论

3.1 含水率、线缩率随时间变化规律

不同干湿循环次数下,不同初始含水率w0的试件含水率随时间变化的曲线(以20%和30%初始含水率试件为例),如图3所示。可以看出:含水率随时间的增大而逐渐减小,试验开始阶段含水率的降低速率较大大体呈线性关系。随着时间含水率的下降逐渐变慢,最后达到一个稳定状态,随后直线逐渐变缓,试验开始阶段含水率的降低速率较大,在30～40 h之后曲线渐渐变缓,在40～50 h后曲线趋于稳定,在温度湿度较稳定的环境中,试样中的含水率与外部环境形成平衡状态,此时含水率不再发生变化。

图3 含水率随时间变化的曲线Fig.3 Curve of moisture content with time

不同干湿循环次数条件,初始含水率为25%和30%的试样线缩率随时间变化的关系曲线如图4所示。可以看出,试样发生了较明显的收缩变形,线缩率随时间的增大而增大,在试验初期,线缩率的变化速率较大,大体呈线性关系,在过段时间以后,线缩率的变化速率降低,曲线变缓,在最后线缩率的变化趋于稳定,不同循环次数线缩率稳定的时间也有所不同。

图4 线缩率随时间变化的曲线Fig.4 Curve of linear shrinkage with time

根据试验结果得到了研究区的非饱和重塑黄土在不同的初始含水率,同样的干密度条件下的失水收缩特征曲线,如图5所示,因含水率逐渐减少引起土体发生收缩变形,当含水率减小到某一界含水率后,土体收缩变形不再发展。土体的收缩过程大致可分为3个阶段[17]。直线收缩阶段,其斜率为收缩系数;减速阶段,随着含水率的逐渐减少,土体收缩速度变慢;最后是稳定阶段,曲线近似水平,随着含水率的达到一定的程度时,土体收缩几乎不再发生变化。通过分析可以知道含水率的增加对非饱和重塑黄土的收缩有一定的促进作用,线缩率随着含水率的增加而增加,在不同干湿循环条件下的土体失水收缩变化趋势相同[17]。以初始含水率25%的土样为例,其不同循环次数下含水率与线缩率的关系曲线,如图6所示。可以看出:不论循环次数如何,在干缩时间达到32 h以后,含水率和线缩率均变值减小,趋于稳定。

图5 含水率和线缩率关系曲线1Fig.5 Relationship curve 1 of water content and linear shrinkage

图6 含水率和线缩率关系曲线2Fig.6 Relationship curve 2 of water content and linear shrinkage

3.2 干湿循环下收缩曲线方程讨论

选取初始干密度为ρd=1.42 g/cm3,初始含水率为20%、25%、30%的6组试样进行对比分析不同初始含水率对非饱和重塑黄土失水收缩曲线的影响,每组3个平行试样,取每组线缩率的均值进行计算分析。

通过含水率和线缩率关系曲线拟合不同循环条件下的土体收缩曲线,并且可以得出含水率与收缩率的回归曲线方程,如表2所示。

表2 不同循环次数下土体收缩曲线方程Table 2 Soil shrinkage curve equation under different cycles

在相同干密度条件下,随着干湿循环次数的增加最终线缩率变小,且不同干湿循环次下的土体收缩曲线的趋势相似:随着时间的增大,收缩速度逐渐缓慢,收缩量也逐渐变小,最后收缩量大概不变;同一含水率土样,当含水率达到一定程度时,线缩率变化很小,几乎不变。

对不同循环次数下的最终线缩率进行探讨,拟合曲线如图7所示。

图7 循环次数和线缩率关系曲线Fig.7 The relationship between the number of cycles and linear shrinkage

可以发现试样最终线缩率与循环次数呈指数关系,对曲线进行回归分析,描述方程为

(1)

式(1)中:n为干湿循环次数;δΖ为最终线缩率,其相关系数分别为0.981、0.872、0.917。

3.3 干湿循环下黄土收缩系数讨论

根据试验可知,干湿循环作用对黄土的收缩性具有显著影响,土体的线缩主要发生在直线收缩阶段(图5),可看出不同干湿循环次数下3个初始含水率的试件含水率和线缩率关系曲线的直线部分,对这个阶段进行线性拟合,拟合直线的斜率即为收缩系数,拟合方程及主要参数见表3。

表3 不同循环次数下线缩率相应直线段拟合方程Table 3 Linear segment fitting equation of linear shrinkage under different cycle times

由拟合方程及主要参数可知,试样的收缩系数随干湿循环次数的增加有递减的趋势。对干湿循环次数和收缩系数的关系曲线进行拟合,如图8所示。由图8可以看出收缩系数随循环次数的增加而减小,且呈较好的指数关系。

图8 循环次数和收缩系数关系曲线Fig.8 Relationship between cycle number and contraction coefficient

可以发现试样最终线缩系数与循环次数呈指数关系,对曲线进行回归分析,描述方程为

(2)

式(2)中:n为干湿循环次数;ε为最终线缩系数,其相关系数分别为0.978、0.875、0.912。

3.4 黄土收缩图像处理及分析

利用PCAS软件对土样表面裂隙进行定量分析,通过导入土样照片生成裂隙图像,进行二值化处理,自动识别裂隙网络中的区块,修复裂隙段,去除杂质点,识别裂隙网络,输出试样裂隙面积率和面孔隙度等参数,以此对黄土的裂隙收缩特性进行定量评价,此类研究针对土样微观结构较多[18]。以初始含水率为25%的土样第1、3、5、7次循环结束图像为例,原始照片与二值化处理后图像如图9和图10所示。

图9 脱湿后原始照片Fig.9 Original photos after dehumidification

图10 脱湿后二值化处理后图像Fig.10 Binary image after dehumidification

通过软件提供的参数,3个不同含水率土样在同一循环次下取均值,可绘制裂隙面积率、面孔隙度与循环次数的关系曲线,如图11所示。

图11 面孔隙度、面裂纹率与循环次数关系曲线Fig.11 Relationship curves of surface porosity and surface crack rate with cycle number

由面孔隙度、面裂纹率与循环次数关系曲线可看出:土样变形受到跟干湿循环次数的影响,面积首先增大,区域面积率越来越来增加,表面收缩开裂逐渐稳定;随着循环次数的增加,在第5次循环前,面孔隙度逐渐增大,第5次循环后变化很小,整体呈减小趋势;在第1次干湿循环脱湿过程中,土样的表面脱水速率比较快,开始收缩,第1～2次干湿循环过程中开始出现小裂隙。到第3次干湿循环,原裂隙累积扩大,样品损伤程度进一步增加,收缩明显。到第5次干湿循环时,试样的总变形达到最大值,到第7次干湿循环时几乎不变。在试样干湿循环过程中,收缩面积首先增加,然后达到极限,再收缩逐渐稳定。

4 结论

通过干湿循环过程中土样的收缩试验及循环后试样图像处理,总结干湿循环对天山北麓山区发生滑坡的非饱和重塑黄土收缩性影响规律如下。

(1)在相同干密度条件下,随着循环次数的增加,初始含水率与黄土的收缩性负相关。不同循环次数下土体收缩曲线方程拟合为一元二次方程,由方程可计算已知含水率下的线缩率。随干湿循环次数达5次后土样收缩速度逐渐缓慢,循环次数达7次后,收缩量逐渐变小并趋于稳定;随着含水率增大,最终线缩率随循环次数增加而减少,二者呈指数关系。

(2)不同循环次数下线缩率相应直线段拟合方程的斜率为相应循环下的收缩系数,试样轴向收缩系数随着干湿循环次数的增大而减小,且呈较好的指数关系。

(3)黄土的脱湿变形分为裂纹变形和收缩变形,通过对土样图像的处理分析得到干湿循环下黄土裂纹与收缩变形进行定性评价:第5次干湿循环前,裂隙面积率和收缩面积率随着干湿循环次数的增加逐渐增加,随后逐渐降低,7～9次循环后变化很小,变形趋于稳定。可以把1～5次循环期间的变形看作是试件的塑性变形,6次循环之后试件进入弹性变形阶段。