列车长持时振动引起黄土滑坡微结构变化研究

任 权，王家鼎，谷天峰，高建勋

（1.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2.陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安 710068）

黄土作为我国分布广泛的一种特殊土，其主要特点是结构疏松，多具孔隙和裂隙性，力学性质相对较差，在各种外界荷载作用下易变形破坏而形成灾害(湿陷、振陷、液化等)［1～3］。随着近年来黄土地区高速铁路(郑西高铁、大西高铁等)的快速发展，由列车振动引起的黄土地基稳定性问题得到越来越多的关注和研究。唐益群等［4］研究了地铁列车振动荷载作用下南京淤泥质粉质粘土的动强度和动本构关系，注意到了长持时(最大振次为10000次)这种特殊的振动荷载；王家鼎［5］在综述大量国内外研究现状的基础上，提出了列车长持时、小振幅、多循环的振动特点，并用其来进行黄土滑坡及黄土振陷等的研究；胡瑞林等［6］通过室内模拟强夯试验研究了黄土在动力荷载作用下强度的变化规律；秋仁东等［7］通过大量的数值模拟分析对边坡的动力响应规律进行研究，发现了高岩石边坡在水平动荷载下动力响应的加速度、速度、位移三量放大系数等值线在边坡剖面上分布的规律性特点；任权［8］、郭乐［9］、余文龙［10］等通过从黄土微观结构的角度对结构定量化进行了详细深入的研究。

本文在总结国内外有关黄土微观结构、土动力学研究现状的基础上，以黄土地区铁路沿线滑坡为研究对象，结合室内试验，对列车“长持时、小振幅”振动引起黄土滑坡滑带土微结构孔隙定向性的变化进行了较为深入的研究，拟探索其与黄土滑坡产生的关系。

1 研究方法

根据研究内容，本文所选土样均来自郑西高速铁路客运专线沿线典型的黄土滑坡，原状黄土取样深度5～6m，属Q3黄土。试样基本物理力学参数见表1。

表1 试样基本物理力学参数Table 1 Basic physical mechanics parameters

试验在西北大学大陆动力学国家重点实验室的英国GDS动三轴仪上进行动三轴试验以及Quota 400 FEG热场发射环境扫描电子显微镜进行扫描电镜试验。

动三轴试验:试验选择标准尺寸为 Φ50mm×h100mm的土样进行固结，固结完成后根据试验设计方案，分别在围压为30，50，100kPa状态下，加载不同的轴向应力和动应力。表2为围压100kPa条件下的动三轴试验结果(其余条件下试验结果未示出)。

扫描电镜试验:动三轴试验结束后，将不同试验状态下的试样取下，经过脱水处理后，制作成实验室所需的标准试件进行扫描电镜试验，获得黄土微观结构的照片，并对其进行图像处理取得数据结果，并分析研究，确定动力作用下的黄土微结构变化特征。

表2 围压100kPa下试样动三轴试验结果Table 2 Dynamic triaxial test results under 100 KPa confining pressure

经过处理后的照片可以算得黄土的微观结构参数——定向角:为表示孔隙在某一方向上的分布强度，将0～360°分成 n等份(区位)，则每一区位代表方向的角度范围为a=360°/n，由此可以统计出0～360°范围内第n个分区的个数，然后以任意长度为半径做半圆，将各个区位上孔隙的个数绘于图上。

2 结果分析

按照上节所述方法对扫描电镜照片进行处理，选取可以直接量测的孔隙进行孔隙定向性统计，并做孔隙定向玫瑰花图。

在30kPa围压下，相对较小的动应力条件下，孔隙的定向性与原状土相差不大，但当动应力超过50kPa后，可以看出明显的定向性，动荷载为50kPa时，孔隙长轴方向主要为NEE向，说明此时该条件下动三轴试验试样已经开始产生较大残余变形，动荷载为80kPa时，孔隙长轴方向近EW向(图1)。

在50kPa围压下，相对围压来说，较小的动应力条件下，孔隙的定向性与原状土相差不大，但也呈现一定的定向性，主要为NNE向，但当动应力超过50kPa后，孔隙长轴向EW向发展(图2)。

图1 围压30kPa不同轴向动应力下水平截面孔隙定向玫瑰花图Fig.1 Pore-directed rose diagram under 30 kPa confining pressure and different axial dynamic stresses

图2 围压50kPa不同轴向动应力下水平截面孔隙定向玫瑰花图Fig.2 Pore-directed rose diagram under 50 kPa confining pressure and different axial dynamic stresses

在围压100kPa试验条件下，即使是原状黄土其孔隙都表现有一定的定向性，随着所施加动应力的增加以及轴向累计残余变形的增加，孔隙表现出强烈的定向性，方向主要由NEE方向逐渐向EW向发展，但在动应力达到160kPa时，孔隙方向在近NS方向也有发育。笔者认为造成这种现象的主要原因是:此时试样发生很大残余变形，孔隙破碎严重以致孔隙产生两组近乎垂直的主要方向孔隙。

从室内动荷载作用后的土样与荷载前的土样微结构的变化分析，振陷试验过程中土体微观结构变化可以简述如下:黄土土体强度的变化与其结构状态调整有直接的关系，土体在自然沉积过程中受地球的自转和重力的影响，土体孔隙接近于圆形和椭圆形，经过动荷载作用后，土体在压缩过程中，粒状架空接触的大孔隙首先被压而断裂破碎，孔隙周边发生折断，且压缩过程中首先从中、大孔隙开始，一个孔隙压成多个，中、大孔隙减少，孔隙形态从圆形或椭圆形向长条形变化且呈现一定的定向性，从而产生土体被压密的现象，导致土体残余变形增加，强度发生变化。

图3 围压100kPa不同轴向动应力下水平截面孔隙定向玫瑰花图Fig.3 Pore-directed rose diagram under 100kPa confining pressure and different axial dynamic stress

图4 围压100kPa下轴向累积残余变形曲线Fig.4 Accumulated residual deformation curve under 100 kPa confining pressure

基于上述对振陷实验前后滑带黄土微观结构的分析对比，笔者认为列车“长持时、小振幅”振动在一定程度上可以诱发黄土滑坡，因此提出了车辆长持时振动荷载作用下的一种黄土滑坡形成机理。

由土动力学理论和实验可知，长持时、小振幅的组合与短持时、大振幅的组合所产生的作用是基本等同的，因此是不容忽视的。加之黄土具大孔隙结构，结构疏松，节理发育，土粒间的胶结力弱，强度低，在非雨季含水量低的特点，它在过往车辆长期的小振幅振动下，大、中孔隙结构逐渐遭到破坏，微小的土颗粒(粉粒)在振动力的作用下，跳跃滑移到附近的稍大的孔隙中，土体变密实，残余应变逐渐增加，从而发生振陷，导致土体抗剪强度降低，并且随着车辆小振幅振动时间的延续而增长，斜坡体的变形逐渐积累，振陷量也逐渐增大，斜坡体中的应力状态在这种长持时、小振幅循环力的不断作用下也不断的调整。最终在振动力的诱发作用下，剪应力超过土体的抗剪强度时便发生破坏，形成一段剪切破坏带，此时坡脚产生破坏后，坡体内部应力调整，在坡体自重的作用下，易产生危险滑面，并最终导致滑坡等灾害发生。

3 结论

(1)通过动三轴试验以及扫描电镜试验进行综合对比分析，可以认为土体强度的变化与其微观结构状态的调整有直接的关系，土样在动力荷载作用下强度变化的主要原因在于土体颗粒及其孔隙在整个进程中出现了“破碎”和“重分布”现象。

(2)从以上分析可以看出车辆长持时振动荷载作用下黄土滑坡形成机理也是一个动态变化的过程，这一动态变化的过程可以总结为:车辆长持时振动—黄土微观结构发生变化—土颗粒之间胶结程度减弱—斜坡体黄土振陷—土体抗剪强度降低—应力状态调整—坡脚应力集中产生剪切破坏—剪应力再调整—斜坡再剪切破坏(循环)—滑动带(面)逐渐形成—黄土滑坡形成。

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