砂质粉土冲击液化微观机理研究*

2022-10-06董晨曦郑文杰马建全李晓军

工程地质学报 2022年4期

关键词：粉土液化孔隙

段钊董晨曦郑文杰马建全李晓军

(①西安科技大学地质与环境学院，西安 710054，中国)

(②陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安 710054，中国)

(③西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055，中国)

0 引言

在外部荷载的影响下，土体结构会发生变化，当这种结构变化达到一定程度时，会引起土体的破坏。土体微观可以反映土体的外部力学特性，揭示力学破坏的原理，据此，国内学者运用多种方法，对土体在不同外部荷载情况下的微观特性变化展开了研究，以掌握土体变形破坏和灾变规律。

刘红玫等(2002)对黄土振动液化前后的各类孔隙进行了定量统计，从孔隙微结构角度揭示了饱和黄土的液化机理，建立了孔隙微结构特征与黄土液化势的关系；王家鼎等(2009)对地基黄土受振动荷载液化前后分形变化进行了研究，并据此解释了不同区域黄土结构性差异的原因；谷天峰等(2011)对原状及循环荷载作用后的Q3黄土微观结构进行了分析，并总结了循环荷载作用下的黄土微结构破坏规律；安亮等(2018，2019)对室内三轴试验后的试样进行了电镜扫描，研究了黄土液化前后的孔隙、裂隙发育情况，分析了微观结构与弹性模量之间的关系，阐释了黄土液化破坏机理；李瑞宽等(2018)对海原滑坡黄土进行了动三轴试验，并从微结构角度探讨了围压和水分对黄土颗粒的作用机制，由颗粒变化方面揭示了黄土破坏机理；Yuan et al.(2019)对经过环剪后的黄土与古土壤进行了微观试验，发现了两者在不同围压作用下的粒子破碎与重新定向现象，以此揭示了黄土与古土壤剪切破坏的微观机理。由此可见，从微观角度揭示土体受力破坏机理已经成为一种重要的研究方法。

振动液化是振动荷载作用下一种典型的土体结构破坏方式，对各类工程危害性极大。作为振动液化的一种特殊形式，冲击液化是冲击荷载作用于高饱和土体时产生的液化现象(孟祥跃等，1999；张钧峰等，2003)。近年来，冲击液化引起的工程地质问题已广泛出现在人们的视野中(王维国等，2016；韩培峰等，2019)，且冲击液化被认为是高速远程滑坡的重要机理之一，对此，有学者针对冲击液化作用下的滑坡运动机理展开了研究。Sassa et al.(2004)建立了滑坡冲击液化的三类地质模型，认为当滑体在冲洪积层、淤积层上运动时，饱和(或接近饱和)下垫土层会受到上部滑体的加载剪切作用，从而产生超孔隙水压力，使得下垫层有效应力降低，摩阻力减小；Wang et al.(2003)在前者的基础上进行了冲击压力(轴向荷载的成倍增加)环剪试验，发现冲击荷载会造成滑带超孔隙水压力的快速积累，从而导致滑体高速远程滑行；汪发武(2019)扩展了前者的滑坡地质模型，并深入讨论了两类不同液化型滑坡机理，认为滑坡滑动时由土粒子破碎造成的液化现象会对高速远程滑坡产生重要影响，强调了在此类滑坡中对土体微结构研究的重要性。

近期，在对泾阳滑坡的研究中，发现了部分黄土滑坡在运动的过程中会冲击阶地近饱和砂质粉土层而产生明显的液化现象，而这种液化作用可能是造成该类滑坡在运动时表现出高速远程特征的重要原因(Peng et al.，2017，2018；马鹏辉等，2018)。虽然已有学者对此开展了一系列试验(沈伟等，2016；沈月强等，2019；段钊等，2020)，但试验未探究土体微观这一重点，难以了解土体内部微结构变化对液化型滑坡运动产生的影响。对此，本文基于野外调查结果，设计了冲击试验以及相关的微细观测试，以研究冲击作用下砂质粉土液化的微观特性，揭示冲击液化机理。

1 试验内容及方法

1.1 试样基本性质

本次试验样品砂质粉土取自泾阳南塬。根据调查，该层样品受滑坡冲击作用产生了明显的液化现象(图1)，为滑坡在阶地的运动提供了有利的条件。经过野外调查，该砂质粉土层厚度约为28icm。试样天然物性指标见表1。试样颗粒粒径级配曲线如图2所示。

表1 试样参数表Table 1 Table of sample parameters

1.2 冲击试验设备与步骤

冲击试验设备主要分为5部分(图3d)，包括：1.冲击锤：底部直径为24icm圆形，并在四周装有旋页，每组旋页在水平方向长度为3icm，质量为20.87ikg，提供冲击所需能量；2.定滑轮装置：控制冲击能大小；3.导桶：内径为30icm，与冲击锤旋页接触，导向冲击锤下落；4.承样桶：内径为30icm的空心圆筒，装填试样；5.采集仪：采用Soil CR6进行数据采集。

设置试验落距分别为0.25im、0.5im、1im，根据重力做功公式：

W=mgh

(1)

式中：W为重力做的总功；m为冲击锤质量；h为冲击落距。计算得到理论冲击能分别为52iJ、104iJ与208iJ。

冲击试验步骤如下：

(1)反压制样(图3a)。将试样进行筛分，取少量烘干计算试样含水率。设计试样孔隙比为0.85。通过控制试样密度分层压制在承样桶内，单层厚度5icm，且静压时间不少于30imin，每层制样结束后做刨毛处理，使各层之间自然过渡，桶内试样最终达到30icm厚度。

(2)试样浸润(图3b)。制样结束后，在试样表面盖上与承样桶内径相同的开有导水孔的有机玻璃盖板。设计试样的饱和度为80%。分别计算所需水的质量，通过盖板小孔和接触边界渗入试样中，打开制样筒底部排气阀，密封承样桶防止水分蒸发，直至桶内土体充分浸润。浸润过程中不卸盖板，确保砂质粉土试样在浸润过程中既不受力也不发生变形。

(3)冲击试验及监测。试样浸润至目标饱和度后，将孔隙水压力传感器按图3c接入冲击桶内(土压力传感器预先埋设)，并将传感器与数据采集器连接(图3d)，其中P1、P2、P3与T1、T2、T3分别为埋深5icm、15icm、25icm的孔压传感器与总压传感器。接好后，打开数据采集系统进行初始标定，检查传感器工作状态正常后，按设计落距进行冲击试验。

1.3 扫描电镜实验设备与步骤

试验流程及设备如图4所示。

在承样桶中心位置如图3c所示位置取环刀样，烘干后滴加树脂固化，经打磨、剖光、喷金等流程后进行电镜扫描。电镜扫描选择日本电子株式会社的JSM-7610F型场发射扫描电子显微镜(图4h)，该仪器采用半浸没式物镜和High Power Optics照明系统，可通过r-filter分选信号以及低角度背散射电子来满足微观测试需求。为了获得较大的观测范围与较为准确的分析数据，选择250倍放大倍数、采用背散射镜头对试样进行拍照。

2 砂质粉土冲击液化细微观分析

2.1 砂质粉土冲击液化孔压总压变化分析

图5与图6分别为砂质粉土受冲击过程土压与孔压随时间变化图。对比图5与图6可知，本次试验中，各落距下P1、P2峰值较T1、T2峰值的出现具有一定的迟滞性(为20ims)，而P3与T3峰值会同时出现；各落距下峰值孔压P2、P3均超过了同位置峰值土压T2、T3，峰值孔压P1均小于同位置峰值土压T1，但两者大小非常接近。

由图5和图6中可知，在本次试验3种落距的冲击下，砂质粉土会液化并在不同层位处激发出很高的峰值孔压；各冲击落距下孔隙水压力的最大值均出现在P2位置处(15icm埋深)，这是由于试样中部向上的排水通道受阻，而顶部压缩明显而形成相对的隔水层，使得孔隙水中部聚集形成高孔压，孔隙水的聚集导致土体无法被进一步压缩，使得冲击力很难影响到下部土层，所以下部的孔压也很小；冲击后，试样中孔压继续残留在土体中，且在1is内不会完全消散。

由表2可知，随着落距增大，冲击所能激发出的峰值孔压增大，在落距为1im时，孔压最大，为91.07ikPa；单位冲击能下所能激发的最大孔压随落距增大而减小，在0.25im落距时最大，为0.93ikPa·J-1。

表2 峰值孔压与单位冲击能下产生的孔压增量Table 2 Peak pore pressure and increment of pore pressure under unit impact energy

2.2 砂质粉土冲击液化表观特征

如图7为冲击试验结束后试样照片。在未受冲击时，试样表层土体平整排列均匀，未见有明显的裂隙与大孔隙，指尖按压时有明显的强度(图7a)。受0.25im与0.5im落距冲击时，在试样表层出现一些微小的裂隙，试样表面平整且有水分渗出，用指尖触及时有平滑感(图7b、图7c)。受1im落距冲击时，由于冲击能较大，试样内部形成贯穿性的裂纹(深度2～4icm)，并在试样表层发生鼓胀开裂，用指尖触及时会有试样粘黏(图7d)。

2.3 砂质粉土冲击液化微观特性

如图8为不同冲击能作用下砂质粉土试样纵断面微观结构。在未受冲击时，颗粒排列较为分散，矿物颗粒相对完整，颗粒形状不规则，颗粒间接触关系为角点接触或边角接触，颗粒架空结构显著(图8a)。受0.25im落距冲击后，颗粒间排列变得紧密，颗粒边缘棱角与架空性孔隙变少，颗粒主要接触关系变为边角接触，架空性结构比例明显减少(图8b)。受0.5im落距冲击后，颗粒排列变得更为紧密，少数大矿物颗粒出现明显的挤碎现象，此时颗粒接触关系也多为边边接触(图8c)。受1im落距冲击后，颗粒之间接触变得非常致密，颗粒因为冲击作用出现了更为显著的颗粒破碎现象，破碎颗粒棱角分明，并形成团粒化几何体，颗粒间小孔隙居多，但有贯通性的大孔隙出现，颗粒间主要接触关系为边边接触(图8d)。

2.4 砂质粉土冲击液化微观结构的定量分析

利用PCAS软件(刘春等，2018)对微观原始灰度图像进行二值化处理(图9)，再分别利用Matlab与ImageiJ软件提取图像中的颗粒与孔隙参数数据，主要提取孔隙与颗粒的面积、周长、长轴长度、短轴长度、方向角等参数，通过孔隙率、孔隙分布、方向频率、丰度与分形维数等参数完成对砂质粉土冲击液化微观结构的定量分析。

2.4.1 面孔隙率及孔隙分布

土体的孔隙数据是反映土体结构性的重要指标，通过研究砂质粉土的孔隙度与孔隙分布可以分析砂质粉土冲击液化前后的结构变化。

经过软件计算，得到各冲击状态面孔隙率数据(图10)。在未受冲击前，试样的面孔隙率最大，可达到25.61%。受不同冲击后，试样的面孔隙率均有所减小，其中：受0.25im落距冲击后的面孔隙率最小，为16.22%。

本次试验的样品为重塑样，试样砂质粉土为河相沉积物，颗粒间胶结弱，连通性较好，微孔隙含量非常少，参照雷祥义(1987)的分类标准将砂质粉土孔隙按孔径大小分为：大孔隙(孔隙直径d>32iμm)，中孔隙(8iμm<孔隙直径d<32iμm)与微小孔隙(孔隙直径d<8iμm)。按照以上分类标准，对砂质粉土冲击前后各孔隙数量及面积分布进行统计并绘制直方图(图11)。

观察图11a，与未冲击试样相比，砂质粉土受到不同冲击力作用后，大中孔隙数量均减少，而微小孔隙数量均增多。0.25im落距冲击下，中孔隙数量比例由15%减小至7%，微小孔隙数量比例由82%增加至93%，大孔隙消失；当落距增加至0.5im时，砂质粉土中孔隙增多，微小孔隙减少；当落距达到1im时，砂质粉土中出现大孔隙，中小孔隙数量随之减少。观察图11b，与未冲击试样相比，受不同冲击作用后，微小孔隙面积比例有明显增多，中孔隙面积比例均有一定程度的下降。在0.25im落距冲击后，微小孔隙面积占各孔隙面积比例最大，达到63%；与受0.25im落距冲击相比，在0.5im落距冲击后，微小孔隙面积比例下降，中孔隙面积比例最大，达到54%；当落距由0.5im增加至1im后，中小孔隙面积比例均下降，随之出现大孔隙，大孔隙比例达到24%。

2.4.2 方向频率

在力的作用下，土体颗粒的单元结构形态会发生一定程度的变化，颗粒与孔隙的方向频率可以反映土体受力后孔隙与颗粒排列的定向特征，解释在颗粒与孔隙的组合方式(薛喜成等，2020)。利用数量统计分析方向频率会因为单元体面积大小不同而产生误差，故本文在分析方向频率时，采用了统计一定区间内单元体方向面积的方法。

图12a中，当试样未受冲击时，试样中孔隙方向频率在多个方向都具有极大值，说明试样定向性较差。当试样受0.25im与0.5im落距冲击时，试样的孔隙方向在一定角度存在极大值，有明显的定向性，最大方向频率分别为9.4%和10.9%。当试样受1im落距冲击时，孔隙定向性变差。

图12b中，试样的颗粒在未冲击有着很好的定向性，最大方向频率可达13.1%。当试样受到0.25im与0.5im落距冲击后，颗粒仍有一定的定向性，但随着落距的增大，最大方向频率下降。当落距增大至1im时，颗粒定向性明显减弱。

2.4.3 丰度

以单元体的短轴与长轴之比定义单元体的丰度：

C=W/L

(2)

式中：C为单元体丰度；W为单元体短轴长度；L为单元体长轴长度。通过计算得到不同冲击状态下砂质粉土颗粒与孔隙平均丰度(图13)，由图13可知，砂质粉土颗粒在受冲击后颗粒丰度会小幅增大，而孔隙丰度基本不变。砂质粉土的颗粒丰度在受到不同冲击后均会小范围增大，较0.25im落距与0.5im落距冲击，1im冲击下颗粒丰度增量最小。

2.4.4 分形维数

Voss et al.(1985)提出，若试样的单元体形态存在分形特征，则单元体周长与面积存在如下关系：

lnP=(D/2)×lnA+C

(3)

式中：P为单元体周长；A为单元体面积；C为常数；D为单元体分形维数。颗粒分形维数可以反映土体结构的复杂程度，颗粒分形维数越小，土体结构越简单(王宝军等，2004)。

根据试样颗粒、孔隙的面积与周长做对数点的点密度分布图(图14)，并对对数点进行线性拟合，判断单元体的分形特征。根据线性拟合得出的直线斜率K，求得单元体的分形维数D，即D=2K。

通过拟合发现各单元体面积与周长的散点图具有较高线性相关度，说明各试样颗粒、孔隙均具有分形特征。根据计算得出单元体的分形维数(图15)。在试样受到0.25im与0.5im落距冲击后，试样的孔隙分形略有升高；当冲击落距达到1im时，孔隙分形剧烈下降，分形维数变为1.27。试样受到0.25im与0.5im落距冲击时，颗粒分形有略微的下降；当冲击落距达到1im时，颗粒分形剧烈下降，此时颗粒分形变为1.06。

3 微观机理讨论

根据上节研究可知，在冲击作用下，砂质粉土被明显压缩，其中的大中孔隙被压缩为小孔隙。冲击力越大，对砂质粉土的结构改变越大，主要表现在颗粒接触关系、破碎程度、孔隙形态及方向。因此，根据其微观变化特征及规律，参考段钊等(2020)对冲击液化过程中含水率迁移的分析结果，冲击作用下砂质粉土的液化应为以下过程。

砂质粉土会在受到冲击瞬间激发出极高的孔压(此处孔压为超孔隙水压力，下同)。孔压大小由孔隙压缩、颗粒移动与破损程度决定。在较低的冲击能作用下(冲击能介于52～104iJ时)，中低强度骨架结构即可发生破坏，过程中大中孔隙收缩并引起该部分孔压迅速增大，与周围未被压缩孔隙的压力差使孔隙水发生迁移。当这种迁移作用使得所有孔隙达到饱水状态时，冲击的进行无法进一步破坏土体骨架，仅会使得孔隙水压力增大，此时单位能量下孔压增量可达0.93ikPa·J-1，孔压迅速积累，峰值孔压出现，有效应力迅速降低，土体液化。达到峰值孔压后，因卸荷回弹作用孔隙水向上运动，孔压消散。由于上部土层受冲击后非常密实，排水消散方向受阻，孔隙水发生反复聚集与消散，因此出现了孔压形成二次(或多次)峰值现象，二次孔压峰值可达10ikPa。此种条件下土体孔隙率(面孔隙率)明显降低，大中孔隙均发生不同程度压缩，小孔隙显著增加，颗粒出现轻微破碎，但相对位置关系没有明显变化。

在较高的冲击能作用下(冲击能大于104iJ时)，冲击会使颗粒绝大部分骨架与孔隙同时受压产生变形。颗粒间会发生挤裂、折断、破碎而损耗掉部分冲击能，孔隙水会随着压缩的进行激发出较大的孔压。在此过程中，颗粒间形成稳定的镶嵌咬合结构，颗粒骨架会很难继续被压缩，孔隙水所承受的冲击压力逐渐增大，直至孔压等于总应力(杨海杰等，2001)，此时单位能量下孔压增量会根据冲击能的增加而减小。此时，孔隙水内部无法进一步储存冲击能量，峰值孔压出现，孔隙结构进而表现出弹性，土颗粒围绕孔隙水向下的滑移，部分孔隙水由表层排出，孔压骤降。而滑移的颗粒会堵塞中部的孔隙水通道造成孔压的二次(或多次)聚集，且孔压聚集较低冲击能下更为明显，最高可超过18ikPa。

在这种高冲击能作用下，土体在卸荷时颗粒骨架会产生一定的回弹，同时表面出现裂纹(土体受冲击产生横向的拉应力所致)，孔压则通过这种裂纹(作为渗流通道)实现迁移而消散，水对土颗粒的摩擦作用会再次带动破碎的小颗粒位移并重新组合排列形成新的团粒化几何体。此种条件下颗粒形态与位置发生显著变化，颗粒与孔隙定向性发生明显改变，分形维数降低。

从力的作用形式与作用结果来看，冲击液化较振动液化有以下特点：(1)时间更短(本试验40ims力的作用过程已经结束，对比文献(秦朝辉等，2015)，在频率为30iHz的振动力下，作用时长约40is，而在低频率下，作用时间更长)；(2)对土体原始骨架结构破坏更为深刻；(3)孔隙水压力的波动范围更大；(4)会产生额外的颗粒破碎。所以冲击液化较振动液化对土体的瞬时压缩更为剧烈，会造成额外的颗粒骨架破损与颗粒重组，而不是单纯的结构振缩。振动液化是在循环力的作用下，土颗粒发生不断地相对下沉，孔压不断增长，部分孔隙水随着振动进行被挤出，土体颗粒在下沉过程中受到足够大的渗流孔隙水阻力作用暂时处于悬浮状态时，土体发生液化(邓荣贵等，2001；杨振茂等，2004)。

根据以上讨论，金艳丽等(2008)与张艳美等(2018)对饱和土的试验研究，绘制了土体受冲击液化作用时的有效应力路径(图16)，分析冲击液化与其他液化方式的力学原理差异。较振动荷载与静态荷载作用而言，由于冲击荷载作用强、时间短，导致孔压振幅大、聚集快，土体极易由初始状态点直接到达稳态线，从而发生液化。