凍融循環(huán)下滑坡古土壤細微觀結構及力學性能研究

白楊 陳義乾 張小輝

摘要：

為了研究滑坡古土壤經(jīng)過凍融循環(huán)后的微觀結構變化及其與宏觀力學性質的關聯(lián)性，在宏觀方面，進行了大量常規(guī)三軸試驗;在微細觀方面，進行了掃描電鏡和核磁共振。結果表明：① 宏觀方面體現(xiàn)為隨著凍融次數(shù)的增加，在相同含水率下，應力應變曲線從軟化型轉變?yōu)橛不筒⑶彝馏w的抗剪強度降低，說明凍融循環(huán)導致黃土結構產生劣化使其抗剪強度降低;隨著含水率的增加，破壞偏差應力在一定程度下會呈現(xiàn)緩慢增加現(xiàn)象。② 在微觀結構方面主要表現(xiàn)為顆粒發(fā)育，顆粒接觸形式以面-面接觸、面-邊接觸為主，微小孔隙占比較大，分布集中;隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙平均形狀系數(shù)先減小后增加，而形態(tài)分布分形維數(shù)持續(xù)增大且在凍融循環(huán)15次后趨于平穩(wěn)。③ 在細觀尺度上，T2譜曲線主峰占據(jù)大部分，且伴隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，T2峰值曲線明顯降低，曲線寬度有小幅度增加，峰面積逐漸減小，初始凍融循環(huán)峰值降低幅度最大，說明初始循環(huán)對土樣結構改變明顯。

關 鍵 詞：

古土壤細微觀結構; 凍融循環(huán); 掃描電鏡; 三軸試驗; 核磁共振

中圖法分類號： U416.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.032

0 引 言

中國地域幅員遼闊，黃土廣泛分布，且黃土類型分布全面，主要分布在陜西、山西、甘肅等地，工程應用很廣[1]。由于黃土具有大孔隙、垂直節(jié)理以及濕陷性三大特點，所以使得對黃土的研究被眾多學者所關注?，F(xiàn)今黃土高原地貌已經(jīng)成為陜北黃土的典型地貌，近年來，黃土地質災害頻發(fā)，特別是黃土滑坡，據(jù)相關資料記載，中國近1/3的滑坡發(fā)生在黃土地區(qū)[2]。隨著一帶一路建設的發(fā)展，西部建設也越來越快，人類開發(fā)利用的面積也越來越廣，從而對黃土邊坡進行的擾動也越來越多，以致引發(fā)了大量的滑坡地質災害。陜北地區(qū)僅延安地區(qū)沿古土壤面滑坡災害點就有139處[3-6]，而且陜北地區(qū)溫差大，研究古土壤在凍融循環(huán)作用下的微細觀結構及其力學特性，對開展該類滑坡的變形機理的研究具有一定的參考價值。

目前，對黃土的研究主要集中在力學特性及其微觀結構方面[7-10]。周泓等[11]以富平重塑黃土為例，分析了在不同凍融循環(huán)次數(shù)下黃土物理力學性質指標的變化。倪萬魁等[12]選取陜北洛川黃土，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下對其進行了電鏡掃描、單軸壓縮以及三軸剪切試驗，分析了凍融循環(huán)作用下黃土的微觀結構及其力學性質的變化。龐旭卿等[13]在考慮含水率、溫度、凍融循環(huán)次數(shù)等條件下對黃土開展了三軸剪切試驗，并分析了這幾種因素對黃土力學性質的影響，并在此基礎上，提出了一種基于凍融循環(huán)的損傷模型。王鐵行等[14]選取西安黃土，在考慮干密度及凍融循環(huán)次數(shù)的條件下，通過三軸試驗對黃土的滲透性展開了分析，并結合電鏡掃描在微觀方面分析了2種因素對黃土滲透性的影響。葉萬軍等[15]選取延安市黃陵縣黃土，通過掃描電鏡、GDS三軸試驗，分析了含水率及循環(huán)次數(shù)2種因素對黃土力學性質的影響。張奇瑩等[16]通過不同和相同的垂直壓力下的直剪試驗，得出原狀黃土具有剪切強度各向異性是因為沉積過程中土顆粒的不同排序所致。沙愛民等[17]利用掃描電鏡和能譜儀，探索了濕陷性與微觀結構的關系。綜上可以看出，結合核磁共振、電鏡掃描技術對土體進行分析測試方面的研究較少。

本文選取延安市一處滑坡體古土壤，基于三軸試驗、掃描電鏡以及核磁共振試驗數(shù)據(jù)，分析了凍融循環(huán)作用下不同含水率、不同圍壓下古土壤的宏觀力學特性及其微觀結構的變化;同時還分析了宏觀力學特性變化與微細觀結構的響應規(guī)律及其破壞機制，研究成果可為實際工程防災減災提供一定的參考。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

本文以延安市一處滑坡古土壤作為土樣進行室內試驗，所取樣品為中更新世（ Q2 ）黃土古土壤地層序列中S1古土壤。

為了對土樣的物理性質進行分析，將所取土樣進行室內土工實驗，以取得土樣的基本物理性質指標，如表1所列。

1.2 試驗裝置

主要試驗設備如下：

① 日立可變真空度熱場發(fā)射掃描電鏡;

② 英國GDS公司生產的標準非飽和土三軸試驗系統(tǒng);

③ NMRC12-010V 核磁共振孔隙分析儀。

1.3 試驗方案

試驗方案的設計是以古土壤為背景，研究古土壤在凍融循環(huán)作用下的微觀結構變化情況，以及對強度劣化開展試驗。

1.3.1 掃描電鏡試驗

為研究不同粒徑范圍內顆粒礦物組成的差異，利用日立可變真空度熱場發(fā)射掃描電鏡對古土壤進行面掃描，以分析其所含元素的成分。

對初始含水率下經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)的土樣進行電鏡掃描，經(jīng)過凍融循環(huán)后選取1 cm3左右的試樣，試樣掃描前應充分干燥，在其表面進行噴金處理，使之能更好地反射信號。

1.3.2 凍融循環(huán)試驗

將含水率為16%、20%、24%的試樣進行分類并放入-20 ℃的恒溫冰箱進行凍結，之后在室溫環(huán)境下進行融化，凍融循環(huán)次數(shù)為：0，1，5，10，15次和20次。

1.3.3 三軸壓縮試驗

在上述凍融循環(huán)次數(shù)下，分為6組，每組分3種含水率，每種含水率取4個試樣。試樣圍壓根據(jù)實際工況選擇50，100，200，300 MPa 4種圍壓，剪切速率選取0.2 mm/min。

1.3.4 核磁共振實驗（NMR）

對相同初始含水率不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣做核磁共振實驗，分為6組，每組2個試樣，從而得到不同凍融循環(huán)次數(shù)的土樣的T2譜分布。

2 試驗結果及分析

2.1 凍融循環(huán)對古土壤抗剪強度的影響

圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同圍壓下的古土壤靜三軸試驗偏應力-應變變化曲線。圖1中的q0表示某一應變ε時原狀黃土的應力值σ1-σ3。

由圖1可知：在未凍融情況下，應力應變曲線存在峰值，即應變軟化階段。在試驗過程中，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，應力應變曲線從軟化型轉變?yōu)橛不?，并且硬化幅度越來越明顯。其主要原因是黃土在結構上具有大孔隙、垂直節(jié)理及濕陷性三大特點;未凍融時，在偏應力作用下先壓縮土中孔隙，應變不斷增大，當壓縮到一定程度時，隨著應變的不斷增大，偏差應力不繼續(xù)增長，這就是原狀黃土的“壓硬性”;而隨著凍融循環(huán)的進行，凍脹力的產生破壞了土體原有的結構，破壞了原有的顆粒膠結，使土顆粒結構發(fā)生重組，強度產生劣化。從圖1中也可以看出：在凍融循環(huán)次數(shù)和含水率均較大時，偏應力存在緩慢的增加。其原因主要是在凍融過程中，土體水分會產生遷移，土體表面和內部會形成溫度梯度，融解過程中土體水分向土體表面遷移，伴隨著水分的析出，土體含水率有所降低，從而導致黃土強度會產生小幅度增加。

同圍壓、同凍融周期下，隨著含水率的增大，破壞時主應力差逐漸減小。這是由于隨著圍壓的增加試樣進行排水固結，土樣內部孔隙隨之減小，偏差應力隨之增大，土體表現(xiàn)出“壓硬性”;而隨著土中水的增加，試驗過程中，水在土粒當中起到了潤滑作用，隨著含水率的增大，潤滑作用變得明顯，使得土體更容易產生壓縮變形，從而使主應力差減小。同含水率、同圍壓下，凍融循環(huán)次數(shù)的增大導致破壞時主應力差逐漸減小。其

原因是凍融循環(huán)作用使土體內外產生溫差，從而發(fā)生水分遷移現(xiàn)象，并隨著土中水的凍結會產生凍脹力，因而改變了土體的原始結構，造成土中孔隙的增多，破壞了原狀團粒體，致使土體產生強度劣化。而伴隨著主應力的增大，對土體不斷的壓縮又會導致土體孔隙的減小，使土體產生新的次生結構。相同含水率、同凍融周期下，隨著圍壓的增大，峰值偏應力越來越大，斜率也越來越大，這是由于隨著圍壓的增加試樣固結排水，使得土體內空隙體積減小，土體密實，破壞強度越來越大。

2.2 不同放大倍數(shù)下古土壤的掃描電鏡結果

2.2.1 掃描電鏡的定性分析

將試驗試樣分別放大500，1 000，3 000倍和5 000倍，獲得其掃描電鏡圖像，如圖2所示。

從結果可以看出：土體呈扁平狀，粘聚體結構，孔隙排列無規(guī)律，分布紊亂，土體中顆粒之前的附存形態(tài)多以面面接觸或邊面接觸為主?？紫缎螒B(tài)多樣，沒有定向排列特性。

2.2.2 掃描電鏡的定量分析

從圖2可以看出：放大1 000倍的圖像在整體和局部均能較好地顯示出土體的微觀特性，因此采用放大1 000倍的電鏡掃描圖片進行微觀定量分析。圖3為不同凍融循壞次數(shù)下試樣的SEM圖片。

對顆?？紫都傲严秷D像采用 PCAS系統(tǒng)進行微觀定量分析[18]。對SEM圖像借助于軟件進行矢量化處理后，分析其平均直徑、平均形狀系數(shù)以及形態(tài)分布分形維數(shù)在凍融循環(huán)過程中的變化規(guī)律，從而從微觀層面來分析土體結構所產生的變化。

（1） 土樣微觀孔隙大小及所占百分比的變化。

由于土體顆粒的各向異性，從而顆粒間的孔隙也變得無特有痕跡線索，所以本文選取與孔隙具有等效面積的圓的直徑來作為衡量標準[19]，如式（1）所示：

前人研究過程中，眾多學者對孔隙結構進行過分類，本次研究選取雷祥義[20]對黃土微觀孔隙的分類標定，對孔隙大小分為4類：大孔隙（D>32 μm）、中孔隙（8 μm≤D≤32 μm）、小孔隙（2 μm≤D<8 μm）、微孔隙（D<2 μm）。

借助于軟件對SEM圖像進行分析后，得到了不同次數(shù)凍融循環(huán)試樣的不同孔隙平均直徑的分布以及不同孔隙所占的百分比，如圖4所示。

由圖4可以看出：原狀試樣的微孔徑占55%，小孔徑占30%，微小孔隙占比為絕大部分，說明土體的滲透性較弱。

現(xiàn)實工況當中，隨著氣候的不斷變化，土體會反復受到凍融循環(huán)過程的影響。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，微孔隙表現(xiàn)出了與循環(huán)次數(shù)呈正相關的變化;并且在第5次循環(huán)時，其值的變化相對顯著;這是因為土體中的水分發(fā)生了凍脹，使得土體顆粒間的連接結構發(fā)生了改變，體積變大，土體的孔隙也變大。而在土體融化過程中，隨著冰變?yōu)樗?，土顆粒由凍脹作用造成的大孔隙由于土顆粒的重力作用，致使顆粒結構的位置發(fā)生變化，部分顆粒下移，促使土樣小孔隙變多，大孔隙減少。

（2） 土樣微觀孔隙平均形狀系數(shù)。

平均形狀系數(shù)F[21]：

式中：Fi=PS，F(xiàn)為孔隙形態(tài)系數(shù);P 為與孔隙等面積圓的周長，S為孔隙實際周長。

圖5為不同凍融循環(huán)次數(shù)后平均形狀系數(shù)的變化情況。由圖5可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，平均形狀系數(shù)曲線變化規(guī)律為先減小后增大，而且循環(huán)5次以前減小幅度較大;在循環(huán)5次以后，曲線開始增大，在循環(huán)15次以后曲線趨于平緩。分析其原因：0～5次循環(huán)對土體的原生結構產生了較大沖擊，土體顆粒的結構形狀發(fā)生了較大改變，磨圓度變化大，而土體原狀的團粒結構也發(fā)生了破壞，且破壞產生的附著碎屑開始離開團粒，這樣就使得土體顆粒結構向混亂結構轉化;在經(jīng)過5次循環(huán)以后，結構的破壞進一步加劇，之前產生的破壞雛形開始進一步加劇，碎屑開始脫落，顆粒邊緣形狀開始產生新的結構，最終形成次生破壞結構。

（3） 形態(tài)分布分維數(shù)變化。

對于孔隙形態(tài)分布分形維數(shù)[22]等效面積、周長的線性關系采用下式計算：

LogP=D2×LogA+C（3）

式中：P為孔隙的等效周長;A為孔隙的等效面積;D為孔隙形態(tài)分布分形維數(shù);C為擬合常數(shù)。

圖6為循環(huán)次數(shù)與分析維數(shù)關系的曲線圖。從圖6可以看出：分形維數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，并且在第5次循環(huán)后出現(xiàn)了顯著增加的態(tài)勢;而在第15次循環(huán)后，其增加趨勢趨于平穩(wěn)。由此可以分析出土樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)過程中，土顆粒間的連接由于凍脹力作用發(fā)生破壞，致使膠結作用減弱，由原有膠結結構次生出的顆粒碎屑及凍結過程中團粒的散落而產生的新碎屑與原始土粒結構組成新的聚集體，這也是顆粒分形維數(shù)發(fā)生變化的原因。

2.3 基于核磁共振技術的孔隙結構分析

含水率為20%時試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的T2譜曲線如圖7所示。圖7中呈現(xiàn)出1個較高的波峰與2個較低的波峰，高峰位置弛豫時間集中在 0.1～1.0 ms之間。伴隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，T2峰值曲線明顯降低，曲線寬度有小幅度的增加，峰面積逐漸減小，初始凍融循環(huán)峰值降低幅度最大，說明初始循環(huán)對土樣結構的改變明顯，而且在凍融循環(huán)作用下土中有水析出。分析其原因：凍融條件下

，土體外部與內部形成了溫度梯度，土體內部產生水分遷移，使土體水分場重新進行了分布;而在試樣融解過程中，內部水分往外部遷移，水分開始從外部滲出，使得土樣中的含水率降低。因此在能譜曲線上呈現(xiàn)出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰譜面積隨之減小。剛好從細觀層面闡述了隨著含水率的增加，一定程度上反而會出現(xiàn)抗剪強度小幅度增加的現(xiàn)象，與前面所述三軸試驗結果相符。

在凍融作用下，原狀試樣的孔隙度增大，孔隙數(shù)增多，孔隙平均大小減小，成圓度減小，各向異性增強，孔隙面積分形維數(shù)增加，有利于孔隙增大、貫通，但不利于顆粒間的咬合力與摩擦力發(fā)揮，與上述進行的三軸試樣結果相吻合。

3 結 論

（1） 由掃描電鏡結果可知，在微觀結構方面主要呈現(xiàn)為集粒發(fā)育，顆粒接觸形式以面-面接觸、面-邊接觸為主，微小孔隙占比較大，分布集中。

（2） 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，古土壤微小孔隙所占比例逐漸增多，大中孔隙的含量逐漸減少，平均形狀系數(shù)變化呈現(xiàn)為先減小后增加的變化趨勢，分形維數(shù)逐漸增大。

（3） 隨著凍融次數(shù)的增加，在相同含水率條件下，應力應變曲線從軟化型轉變?yōu)橛不?，并且土體的抗剪強度降低，說明凍融循環(huán)導致黃土結構產生了劣化，使其抗剪強度降低;隨著含水率的增加，破壞偏差應力在一定程度上會呈現(xiàn)緩慢增加的現(xiàn)象。其原因主要是在凍融過程中，土體中的水分會產生遷移，土體表面和內部會形成溫度梯度，而在融化過程中，土體中的水分向土體表面遷移，伴隨著水分的析出，土體中的含水率有所降低，從而導致黃土強度會產生小幅度的增加。

（4） 在細觀尺度上，T2譜曲線主峰占據(jù)了大部分，而且伴隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，T2峰值曲線明顯降低，曲線寬度有小幅度的增加，峰面積逐漸減小，初始凍融循環(huán)峰值的降低幅度最大。說明初始循環(huán)對土樣結構的改變明顯，微觀、細觀和宏觀對比結果具有一致性。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：

白楊，陳義乾，張小輝.凍融循環(huán)下滑坡古土壤細微觀結構及力學性能研究

[J].人民長江，2021，52（7）：192-197，203.

Study on changes of fine microstructure and macro-mechanical properties

of landslide paleosoil under freeze-thaw cycle

BAI Yang1，CHEN Yiqian1，ZHANG Xiaohui2

（1.College of Architecture and Civil Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China; 2.PowerChina Huadong Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China; 3.Machinery Industry Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710043，China）

Abstract：

In order to study the microstructural changes of landslides paleosoil subjected to freeze-thaw cycling process and their correlation with macro-mechanical properties，this paper conducted a large number of conventional triaxial tests in macroscopic view and scanning electron microscopy and nuclear magnetic resonancein microscopic view.The results show that from macroscopic aspect，as the number of freeze-thaw cycles increases，the stress-strain curve changes from softening type to hardening type and the soil shear strength decreases under the same moisture content，which means that the freeze-thaw cycle causes deterioration of the loess structure and reduction of shear strength.And with the increase of moisture content，the failure deviation stress will increase slowly in a certain degree.From microscopic aspects，the particles develop，and the particle contact forms are mainly surface-to-surface contact and surface-to-edge contact，and micro-pores distributes intensively accounting for a large proportion.As the number of freeze-thaw cycles increases，the average shape coefficient of the pore decreases firstly and then increases，while the fractal dimension of the morphological distribution continues to increase and tends to stabilize after 15 freeze-thaw cycles.On microscopic view，the main peak of the T2 spectrum curve occupies most of the curve，and as the number of freeze-thaw cycles increases，the T2 peak curve decreases significantly with a small increase in the curve width and a gradual decrease in the peak area，and the peak of the initial freeze-thaw cycle decreases the most，indicating that the initial cycle changes the soil structure significantly.

Key words：

microstructure of paleosoil;freeze-thaw cycle;scanning electron microscope;triaxial test;nuclear magnetic resonance