裂隙性黃土力學特性試驗研究

孫萍，彭建兵，吳樹仁，盧全中

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裂隙性黃土力學特性試驗研究

孫萍1, 2，彭建兵3，吳樹仁1, 2，盧全中3

(1. 中國地質科學院地質力學研究所，北京，100081；2. 國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室，北京，100081；3. 長安大學地測學院，陜西西安，710054)

裂隙性黃土中存在的節理裂隙結構面改變黃土本身的細微觀結構，是黃土地區地裂縫、地面沉陷、滑坡、崩塌和水土流失等地質災害的構造基礎之一。以陜西三原Q2裂隙性黃土為研究對象，分別對0°，30°，45°，60°及90° 5種不同角度裂隙試樣進行單軸拉伸試驗及三軸剪切試驗研究，分析不同角度裂隙黃土試樣的拉應力?應變關系及不同圍壓下不同角度裂隙黃土試樣的剪應力?應變關系，探討裂隙性黃土的抗拉破裂特性及抗剪破裂特性，為深入研究地質環境下黃土體中地質災害的力學機制提供參考。

裂隙性黃土；拉伸；剪切；應力?應變；破裂特性

黃土是一種特殊地質材料，內部富含不同階次隨機分布的各種缺陷，包括微裂紋、孔隙以及各種節理裂隙(縫)，這些缺陷體的存在影響了黃土的物理力學性質及工程地質性質，也是導致黃土具有濕陷性的根本原因之一，含有裂隙(縫)的黃土即為裂隙性黃 土[1?4]。裂隙性黃土中存在的節理裂隙結構面改變了黃土本身的細微觀結構，使得其有著比一般黃土更為復雜的性質。裂隙性黃土中的裂隙結構面是黃土地區地裂縫、地面沉陷、滑坡、崩塌和水土流失等地質災害的構造基礎之一，裂隙結構面的密集度及開啟程度，加之地表水和地下水的活動程度，構成了黃土地質災害的致災因素，也決定了致災過程及結果。人們發現土中裂隙對土的工程性質的影響始于黏土地基失穩破壞及黏土邊坡失穩的工程事故。Skempton等[5?7]對黏土邊坡開始了長期穩定性觀測，發現黏土中存在的節理及裂隙對土的性質有一定的影響，導致黏土結構的軟化[5?7]。Potts[8]和George等[9]對黏性土填方基礎的穩定性進行了研究，發現了裂隙存在對黏土性質的影響。后來，國外其他一些學者也開始了對裂隙性黏土工程性質的研究[10?14]。通過對裂隙性黏土的力學特性進行研究測試，認為裂隙性黏土的強度遠低于完整黏土的強度，并認為裂隙性黏土特有的工程性質會影響邊坡的穩定性[15?17]。另外，人們對裂隙性土的性質進行了大量研究[18?24]。以上成果大多是針對裂隙性黏土的研究，迄今為止，國內外針對具有特殊結構的裂隙性黃土的力學特性研究較少，尤其是對于裂隙性黃土抗拉特性的研究在國內外更少。為此，本文作者以裂隙性黃土為研究對象，通過單軸拉伸試驗及三軸剪切試驗對其破裂力學特性進行研究，以期更深入地研究地質環境下黃土體中地質災害的力學機制。

1 裂隙性黃土土料概況

試驗所用裂隙性黃土取自陜西三原試驗場內1個已開挖的地質剖面上。圖1所示為開挖剖面中展現的節理裂隙面，圖2所示為平直光滑的裂隙面。該區域內的黃土為離石黃土(Q2黃土)，取土深度約12 m，構造節理裂隙面平直光滑，局部擦痕明顯，表面覆有一層黑色有機質薄膜(見圖1、圖2)。

圖1 開挖剖面中展現的節理裂隙面

圖2 平直光滑的裂隙面

黃土構造節理面兩側土體土質較密實，含較多白色蝸牛殼及植物根系，蟲孔、鈣質結核也較發育。試驗測得裂隙性黃土的密度為2.74 g/cm3，天然含水率為11.3%，天然干密度為1.5 g/cm3，液限為26.7%，塑限為19.9%。顆粒粒徑分布曲線見圖3。

圖3 裂隙性黃土顆粒粒徑分布曲線

2 裂隙性黃土拉伸破裂特性

2.1 試驗

黃土是一種特殊的松散材料，抗拉強度很低，一般不能像其他材料那樣進行豎向的單軸拉伸試驗，土的自重常常足以導致土體在進行試驗之前被拉斷。因此，本次試驗所用儀器為應力控制式臥式單軸土工拉伸儀, 儀器主要由拉伸系統及測力系統構成，能夠準確測出土樣在拉伸過程及斷裂瞬間的拉應力及拉應變，避免了豎向拉伸操作過程中試樣的拉裂破壞。

在單軸拉伸試驗過程中，由于試樣和傳力板是作為整體一起運動的，因此，在進行試驗前，首先需用502瞬間黏接劑將試樣與拉伸儀傳力板黏接為一體。為保證黏結牢固，黏結過程需等待幾分鐘。為保證黃土試樣的起始含水率，避免試樣在等待過程中水分蒸發，應在黃土試樣表面預先涂一薄層硅脂以保證試樣水分不受損失。待試樣黏結牢固后，將黏接好的試樣放到單軸拉伸儀上，根據試驗要求，選擇合適的砝碼逐級加于加力盤上進行試驗。加荷方法參照SL237?1999“土工試驗規程”單軸拉伸強度試驗進行，直到試樣被拉斷為止。

黃土試樣的抗拉強度用拉斷時的砝碼總重與上一級砝碼總重的平均值確定，應變由與試樣接觸的百分表讀出。

2.2 試樣

試驗所用裂隙性黃土試樣均包含構造節理裂隙面，為直徑39.1mm、高80mm的圓柱形單貫通裂隙試樣。以裂隙面方向與試樣拉應力面方向夾角為控制角度(以下簡稱裂隙面傾角)，將裂隙性黃土分別制成0°，30°，45°，60°及90° 5種不同角度裂隙試樣(圖4)，以便研究不同裂隙面傾角裂隙性黃土的抗拉特性。

裂隙面傾角/(°)：(a) 0；(b) 30；(c) 45；(d) 60；(e) 90

2.3 試驗結果分析

2.3.1 抗拉強度分析

通過對5種不同裂隙面傾角的裂隙性黃土試樣進行單軸拉伸試驗，得到拉應力?應變關系曲線如圖5所示。由圖5可以看出：

圖5 裂隙性黃土應力(σL)?應變(εL)關系曲線

1) 每一種傾角的裂隙性黃土應力?應變關系曲線均無明顯峰值點，表現為應變硬化型。

2) 隨著拉應變的逐漸增大，拉應力也逐漸增大，當拉應變達到一定值時，試樣會突然斷裂，這種斷裂是突發性的，斷裂前試樣沒有明顯的征兆，屬脆性斷裂。

3) 不同裂隙面傾角的裂隙性黃土試樣的應力?應變曲線具有不同的特征，傾角越大，試樣達到破壞前的極限拉應力越大，抗拉強度也越大。

根據試驗結果，繪制裂隙面傾角與裂隙性黃土抗拉強度關系曲線，如圖6所示。

圖6 裂隙面傾角α與抗拉強度σ1關系曲線

由圖6可以看出：當裂隙面傾角由0°增大到90°時，裂隙性黃土的抗拉強度則由2.61 kPa增大到8.56 kPa。裂隙面傾角與裂隙性黃土的抗拉強度之間滿足遞增的指數關系，其關系式可以表示為

其中：為抗拉強度；為裂隙面傾角；為相關系數。

2.3.2 抗拉破裂特性分析

試驗發現，裂隙性黃土拉伸破裂時所表現出的破裂特征與完整黃土明顯不同。圖7所示為完整黃土拉伸破裂特征，圖8所示為裂隙性黃土拉伸破裂特征。就完整黃土而言，拉裂縫均是產生于與加荷軸相互垂直的方向，破裂面平滑且垂直于拉應力方向(圖7)[25]。然而，對于裂隙性黃土，由于裂隙結構面的存在，破壞了黃土試樣的完整性，進而改變了試樣的拉伸破裂特征，拉裂縫不再產生在與加荷軸相互垂直的方向，破裂面也不再是沿垂直于拉應力方向產生，而是沿裂隙性黃土中原有的裂隙結構面產生(90°除外)(圖8)。由于90°裂隙黃土的裂隙面平行于拉應力方向，所以裂隙結構面的存在不影響該類裂隙性黃土的拉伸破裂特征，其破裂特征與不含裂隙的完整黃土拉伸破裂特征一致。

圖7 完整黃土拉伸破裂特征

裂隙面斜角/(°)：(a) 0；(b) 30；(c) 45；(d) 60

因此，節理裂隙面是存在于黃土體中的薄弱面，在外界應力作用下，黃土體的變形破壞首先沿著薄弱面發生，這也是含有裂隙的巖土邊坡及地基等重大工程容易失穩破壞的原因之一。

3 裂隙性黃土剪切破裂特性研究

3.1 試驗儀器及試驗方法

對裂隙性黃土抗剪特性的測試設備采用TSZ30?2.0型應變控制式三軸儀，排水條件為不固結不排水常規三軸剪切試驗。根據本次裂隙性黃土的特殊性及SL237?1999“土工試驗規程”，剪切速率選為0.18 mm/min。

3.2 試樣情況

試驗所用裂隙性黃土試樣仍采用圓柱形，為了更加清楚直觀地觀察裂隙性黃土的抗剪特性，采用大試樣進行三軸剪切實驗。試樣直徑61.8 mm，高125 mm。以裂隙面方向與試樣拉應力面方向夾角為控制角度，將裂隙性黃土分別制成30°，45°，60°及90° 4種不同裂隙面傾角的試樣(圖4)，并且對于每一種裂隙面傾角的試樣，分別在4種不同的圍壓下對其抗剪破裂特性進行試驗研究，試樣總個數為16個，具體試樣情況見表1。

表1 裂隙性黃土試樣參數

3.3 試驗結果分析

3.3.1 剪切特性分析

通過對各種不同裂隙面傾角的裂隙性黃土試樣分別在50，100，200及300 kPa的周圍壓力下進行不固結不排水三軸剪切試驗，得出每種裂隙性黃土的應力?應變關系曲線，見圖9。通過對圖9中曲線進行分析可知：

裂隙面傾角/(°)：(a) 30；(b) 45；(c) 60；(d) 90

1) 不同裂隙面傾角的裂隙性黃土的應力?應變曲線具有不同的特征。

2) 不同圍壓下的應力?應變曲線性狀不同。在低圍壓下(50 kPa)，各種不同裂隙面傾角的裂隙性黃土均在應變很低的情況下因應力達到了峰值而破壞，應力?應變曲線均表現出應變軟化的特征；在中等圍壓及較高圍壓下，多數應力?應變曲線表現出應變硬化的特征。

3) 對于同一裂隙面傾角的裂隙性黃土試樣，圍壓越大，達到極限應變時所對應的主應力差越大，即試樣在較高圍壓下越不容易破壞。

由圖9得到的應力?應變關系曲線，通過繪制破壞總應力圓，作諸圓包線后得到4種不同裂隙面傾角的裂隙性黃土的抗剪強度指標見表2。

表2 裂隙性黃土抗剪強度指標

不同傾角裂隙性黃土的黏聚力與裂隙面傾角的關系見圖10。

圖10 不同傾角裂隙性黃土黏聚力c變化關系曲線

由圖10及表2可以看出：隨著裂隙傾角的增大，裂隙性黃土的黏聚力逐漸減小，內摩擦角變化不大。黃土的抗剪強度主要由黏聚力決定，黏聚力反映了土體結構本身的抗剪能力，由于不同裂隙面傾角的存在，使得黃土體原始結構中產生了宏觀結構面，結構面的存在在不同程度上影響了裂隙性黃土的力學性質。因此，隨著裂隙面傾角不同，裂隙性黃土的黏聚力有所改變，兩者之間滿足負指數遞減關系，指數的具體表達形式如下：

其中：為裂隙性黃土的內聚力；為裂隙面傾角。

土的內摩擦角主要反映土顆粒的大小及形態，對于同一種性質的裂隙性黃土試樣，由于內部微結構基本相同，因此，不同傾角的裂隙性黃土的內摩擦角基本接近。

以上分析表明，對于裂隙性黃土，在低圍壓下更容易達到其峰值強度而發生破壞，在較高圍壓下可以達到一定程度的應變而不發生破壞；隨著裂隙面傾角的不同，裂隙性黃土的抗剪能力也不同，在相同的正應力作用下，裂隙面傾角越大，黃土的抗剪能力越弱。

3.3.2 剪切破裂特性分析

圖11所示為低圍壓下(50 kPa)裂隙性黃土剪切破裂特征。通過對各種裂隙面傾角的試樣在不同圍壓下進行三軸剪切實驗，發現不同的裂隙面傾角試樣在不同圍壓下剪切破裂后有不同的破裂特征。在低圍壓下，裂隙性黃土基本表現出3種破裂特征，即彎曲變形破裂(圖11(a))、沿原有裂隙結構面破裂(圖11(b)和(c))及沿最大剪應力面破裂(圖11(d))。

裂隙面傾角/(°)：(a) 30；(b) 45；(c) 60；(d) 90

圖11表明：當試樣發生彎曲變形破裂時，試樣的另外一側會出現明顯的拉張裂隙，由圖11(a)可以看出：在試樣彎曲的另一側產生了3條近似水平的拉張裂隙；當試樣中原有裂隙面較為均勻地分割黃土試樣時，在正應力的作用下，裂隙性黃土試樣會沿原有裂隙面產生明顯裂縫，隨著應力逐漸增大，裂隙面的破裂跡象越明顯，直至整個裂隙面貫通致使試樣完全破裂；當試樣中裂隙面平行于主應力方向時，試樣的剪切破裂形式與一般完整黃土試樣基本一致，即沿最大剪應力面發生剪切破裂，破壞面與最大主應力的夾角即為破裂角。

圖12所示為較高圍壓下裂隙性黃土剪切破裂特征。在較高圍壓下，裂隙性黃土試樣一般不會沿著原有裂隙面產生裂縫，這些原有裂隙面反而在高圍壓下更加閉合(圖12)。高圍壓下裂隙性黃土的抗剪破裂特征大致包括鼓形破裂、彎曲變形破裂以及這兩種破裂方式的耦合破裂。

裂隙面傾角/(°)：(a) 30；(b) 45；(c) 60；(d) 90

4 結論

1) 裂隙性黃土的強度及變形特征與其中的裂隙面傾角有關，隨著裂隙性黃土中所含裂隙面傾角的不同，其強度也隨之發生變化。

2) 裂隙性黃土的拉應力?應變曲線為應變硬化型，土體發生拉伸破裂時是突發性的，屬脆性破裂，破裂面沿著土體中原有裂隙面產生。

3) 裂隙性黃土在低圍壓下的三軸剪切實驗中，應力?應變曲線表現為應變軟化型，高圍壓下則大多表現為應變硬化型。

4) 裂隙性黃土在低圍壓情況下容易沿原有裂隙結構面產生裂縫而破壞，在高圍壓下一般僅發生一定程度的彎曲破裂及鼓形破裂。

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(編輯 陳愛華)

An experimental study on mechanical properties of fractured loess

SUN Ping1,2, PENG Jianbing3, WU Shuren1,2, LU Quanzhong3

(1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;3. College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

The joint structural plane changes the fine microstructure of loess itself, and it is one of the structure factors of geo-hazards in loess areas, such as ground fissures, ground subsidence, landslide, collapse and loss of soil and water, etc. Taking Shaanxi Sanyuan Q2fractured loess as a case study, the loess fracture specimens with five different fracture angles of 0°, 30°, 45°, 60° and 90° were tested by uniaxial tensile test and triaxial shear test. Both the tensile and shear stress-strain relationships of fractured loess specimens under different confining pressures were discussed, and the tensile fracture and shear fracture characteristics were studied, which is enlightening for further research on mechanism of geo-hazards in geo-environment of loess area.

fractured loess; tensile; shear; stress-strain; fracture characteristics

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.029

P642.2

A

1672?7207(2015)06?2188?08

2014?06?13；

2014?08?20

國家自然科學基金資助項目(41472296)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK10B02)(Project (41472296) supported by the National Natural Science Foundation Program; Project (2012BAK10B02) supported by the 12th Five-year National Science and Technology Support Project)

孫萍，副研究員，博士，從事巖土工程與地質災害的研究；E-mail：sunpingcgs@163.com