湿干循环作用下紫色土微观孔径分析

张 言 张 华 黄 亮 张英莹 朱潇钰

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

三峡库区范围内普遍分布着紫色土，每年夏季，三峡库区水位变化，形成岸坡消落带[1].库岸边坡土体经历反复的干湿循环后，土颗粒间的胶结方式以及强度与变形特征将受到一定程度的影响，可能导致滑坡等地质灾害的发生，进而降低库岸边坡的稳定性.因此，掌握湿干循环作用对紫色土强度和变形的影响规律[2-3]，对库岸边坡的加固，保证库岸边坡安全性具有十分重要的意义.而土体在宏观上表现出来的变形、强度等性质从微观上看是土体的内部微观孔径发生了变化[4-8]，为深入研究干湿循环作用下紫色土体内部微观孔径的变化，本文进行了液氮冻干和压汞试验分析，得出的相关试验结论，可供后续学者参考借鉴.

1 试验方法

1.1 试验材料

土样取自宜昌市秭归县境内临近河道边坡的紫色土，取土深度0.5m 左右.该紫色土的基本物理性质指标见表1.

表1 紫色土的物理性质指标

针对重塑紫色土不同粒径的土颗粒，采用筛分法与密度计法相结合的方式分别对不同粒径范围土样进行测试，得到土的颗粒级配曲线如图1所示.

图1 土的颗粒级配曲线

从图1中可以看出，重塑土样中各粒组占比较为均匀但仍有细微的差别，其中黏粒(粒径≤0.005 mm)含量百分比为32%，粉粒(0.005mm≤粒径≤0.075mm)含量百分比为39.5%，而砂粒(0.075mm≤粒径≤2mm)含量百分比为28.5%，依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)中相关规定将此土壤名称定为粉质黏土.

1.2 湿干循环试验

依据所取土样的基本物理性质指标，确定试样的含水率为10.3%，以两种不同初始干密度(ρ=1.5g/cm3、ρ=1.7g/cm3)重塑土样作为研究对象.在浸泡开始前用电子天平称取每个环刀样(环刀+土样)的质量，并进行编号.为避免浸泡环刀样的过程中，土样因水流冲刷自然崩解，选用叠式饱和器限制土样变形，注入纯水浸泡试样至饱和.环刀样的干燥过程选择将环刀样用硬质塑料盒盛装，然后置于鼓风干燥机中干燥，采用鼓风干燥箱进行干燥处理时，考虑当地实际气温，故设定试验温度为35℃，干燥过程中，每间隔一定时间从鼓风干燥箱中取出各土样称量质量，待土样质量减少至浸泡前记录的干燥质量时即停止干燥试验，此时认为完成一次湿干循环过程.依据上述步骤重复进行5次湿干循环.

1.3 孔隙结构试验

1)试样制备

首先，将1.2节中干湿循环后的土样用锋利的刀片切出15mm×15mm×15mm 的不规则立方体块，然后修整成长宽高均为10mm 的立方块，再将切好的立方体土块放入直径20mm、高60mm 的圆柱状周围布满小孔的不锈钢筒内，每个立方体土块均用一个不锈钢筒分开盛装并进行编号.

2)液氮冻干和压汞试验

将所有不锈钢筒集中放入小型敞口容器中并倒入液氮(如图2所示)，土样迅速冷却至-196℃，土样中的水全部变成非晶态的冰，随后真空抽气，在确定液氮全部凝结成固态后迅速取出圆柱状不锈钢筒置于真空冷冻干燥机(如图3所示)，在图-50℃环境温度下抽真空24h，此时土样内的冰会逐渐升华，土样在此过程中未受到任何外力作用，其孔隙体积也不会发生变化.将经冷冻干燥机干燥好的土样取出进行压汞试验，利用汞与土体互不相融的特点将经过干燥的土样完全浸没进水银中，然后在外部施加一定的压力，此时水银在压力的作用下就会进入到处于真空环境的孔隙内.将水银注入圆柱形孔隙所需的压力根据Washbum 公式：

式中，P为绝对压力(kPa)；Ts为水银的表面张力(0.484N/m)；θ为水银和土之间的接触角(14℃)；d为当量孔隙直径(μm).根据试验过程中压力与压入汞的体积关系，通过Washburn方程可计算出孔隙直径的分布曲线.

图2 液氮试验

图3 真空冷冻干燥机

2 试验结果与分析

2.1 干湿循环后试样表观特征分析

图4分别为试样未经历湿干循环(DW0)，经历1次(DW1)、3次(DW3)、4次(DW4)和5次(DW5)湿 干循环的照片，其干燥后的状态如图4所示.

图4 干湿循环后试样表观

从图4可以看出：随着干湿循环过程的进行，土体慢慢与环刀分离，环刀与土样间出现较明显的间隙，说明土样的体积发生了一定的收缩，试样表面的主裂隙首先生成，已经形成的裂隙在吸湿过程中完全愈合，脱水之后会重新显现，主裂隙宽度随着干湿循环次数增多而增加，主裂隙呈放射状延伸，并且周围伴有新的裂隙生成，土样表面破损更剧烈，但在土样经历第5次干湿循环后，其表面裂隙和前一次相比几乎没有变化，说明裂隙没有继续发展，而保持一个相对稳定的状态.

2.2 孔隙体积累计分布特征分析

以10为底的对数对孔径数据进行处理，初始干密度ρ=1.5g/cm3和ρ=1.7g/cm3的试样在经历0次、3次和5次干湿循环后的孔隙累积分布曲线如图5所示.从图5可以看出：经历相同次数的干湿循环作用后，干密度ρ=1.5g/cm3土样的孔隙累积分布曲线均位于干密度ρ=1.7g/cm3土样孔隙累计分布曲线的上方，且两条曲线之间纵坐标的绝对值相差较大，说明土样孔隙的总体积随着干密度的增大而减小；干密度相同的试样在经历5次湿干循环以后的孔隙累积分布曲线基本位于3次和0次湿干循环试样的下方，但两条曲线之间的差异很小，其中在干密度ρ=1.5g/cm3试样的0.1～1μm 区域附近有部分曲线出现反超.

图5 孔隙累积分布曲线

为了更加直观的了解各孔径对应孔隙体积的变化，将所有孔径划分为＜0.1μm、0.1μm～10μm、＞10μm 三段进行统计，不同孔径范围内的孔隙体积见表2.

表2 紫色土的孔隙分布特征

从表中可以看出：在干密度较小的情况下，干湿循环作用对d＜10μm 的孔径影响较大，d＜0.1μm的孔径慢慢扩大至0.1μm＜d＜10μm 范围内，导致后者的占比有一定程度的提高，而d＞10μm 的孔径几乎不受其影响；在干密度较大时，湿干循环作用会影响3个孔径范围内的孔径，其中d＞10μm 的孔径局部收缩到d＜0.1μm 和0.1μm＜d＜10μm 两个区域范围内，d＜0.01μm 孔径的逐步扩展到0.1μm＜d＜10μm 区域内.

对比分别经历0次(DW0)、3次(DW3)和5次湿干循环(DW5)的试样孔隙体积占比变化规律可以发现：干密度的增大主要影响孔径(d＞0.1μm)内的孔隙体积，而对孔径范围(d＜0.1μm)内的孔隙体积影响不大，但随着湿干循环次数的增加，原来不受干密度变化影响的孔径范围(d＜0.1μm)内的孔隙体积也开始受到影响.

2.3 孔隙分布特征分析

孔径分布曲线表示不同孔径与孔隙体积的一一对应关系，常通过孔隙体积对孔隙半径的对数求微分获得.干密度ρ=1.5g/cm3和ρ=1.7g/cm3的试样在经历0次、3次和5次湿干循环作用后的孔隙分布曲线如图6所示.

图6 孔隙分布曲线

孔隙分布曲线中的峰值大小代表该孔径对应的孔隙体积的多少，两种不同干密度试样的孔径分布曲线均出现了两种典型的峰值，从图6可以看出：干密度ρ=1.5g/cm3的试样在经历5次湿干循环以后峰值1对应的孔径减小至未经历湿干循环作用试样峰值1对应孔径的0.6倍，峰值2对应的孔径减小至相对比孔径的0.8 倍，试样在经历湿干循环作用后，d＜0.1μm 的孔隙相应的减少，0.1μm＜d＜1μm 的孔隙增加且多集中在孔径1μm 附近，其他孔径范围的孔隙变化不大；干密度ρ=1.7g/cm3的试样在经历5次湿干循环以后峰值1对应的孔径增大至未经历湿干循环试样峰值1对应孔径的2.6倍，峰值2对应的孔径减小至相对比孔径的0.6倍，试样在经历湿干循环作用后，d＜1μm 的孔径范围孔隙逐渐扩大，孔径范围d＞10μm 的孔隙逐渐缩小，都逐步发展成为孔径范围1μm＜d＜10μm 的孔隙，此孔径范围的孔隙占比在逐步提高.

未经历湿干循环的试样，在干密度从1.5g/cm3增大至1.7g/cm3的过程中，后者峰值1对应的孔径减小至前者的0.6倍，后者峰值2对应的孔径减小至前者的0.5倍，从图中可以看出，d＞10μm 范围的孔隙都在向孔径10μm 附近靠拢，孔径范围0.1μm＜d＜1μm 的孔隙显著增加；而经历过5次湿干循环的试样，在干密度从1.5g/cm3增大至1.7g/cm3的过程中，后者峰值1对应的孔径增大至前者的2.6倍，后者峰值2对应的孔径减小至前者的0.4倍，从图7中可以看出孔径范围d＜0.1μm 和1μm＜d＜10μm的孔隙都急剧增加，孔径范围d＞10μm 的孔隙急剧降低，说明孔径向更小方向变化的趋势明显.

3 结 语

1)通过湿干循环作用下紫色土的微观孔径分析试验，揭示了紫色土在经历干湿循环后，土体内部结构发生变化，产生裂缝，有利于在工程实践中采取针对性的应对措施.

2)干湿循环作用对d＜10μm 的孔径影响大，揭示了此范围的孔隙稳定性较差；初始干密度的大小会影响微观孔径的变化.本文所做的试验是在较稳定的室内进行的，而自然环境下的气象影响不容忽视.因此，需进一步研究其他因素对边坡稳定性的影响.