含構造節理黃土強度特性研究

王 平，王會娟，王麗麗，錢紫玲，邵生俊

(1.西安理工大學巖土工程研究所，陜西 西安 710048； 2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中國地震局蘭州巖土地震研究所，甘肅 蘭州 730000)

黃土高原是我國地震地質災害多發的區域，黃土中的構造節理對黃土的自身物理力學性質造成了極大的影響[1]。黃土構造節理是在區域構造應力作用下沿應力場主方向形成的特殊構造，具有較強的延展性和切割能力以及成群成組排列的特性。

黃土構造節理孕育了地質災害的控制面和分離面，是黃土高原地區滑坡地質災害的主要誘因之一。它其密集程度和開閉情況是控制滑坡滑動面發育和穩定性的重要控制因素，同時也是影響黃土滑坡致災過程和災害區域的重要原因[2]。將土體劃分為塊體結構的黃土構造節理，使土體不具有完整性，使得土體具有各向異性，增大滑坡推力，為滑坡崩塌準提供了潛在滑動面。節理極易發育為黃土地下水下滲和運移的通道以及地下水賦存條件，使得黃土路堤、路塹和坑道邊坡更易于滲水，造成坡體等工程發生變形[3-4]。發育的土體內節理，為地震波在節理面間的復雜折射反射提供了條件，使得斜坡內極易出現地震放大效應[5-6]。在大型地質工程建設中，特別是黃土高原地區大型基礎工程施工中，大量發育的黃土構造節理構造往往會造成土體的不穩定，為工程帶來隱患。它亦是造成黃土地區土質惡化、地下水侵蝕加劇和水土流失嚴重的影響因素。貫通性好、密集發育的構造節理組也是地下水的運移通道和儲存場所，對地下水的滲流場造成劇烈影響，是土體內部水力侵蝕的主要原因[7-9]。

黃土節理對黃土抗剪強度具有相當大的影響，但目前的室內試驗中，節理多為人工切割而成，簡單的分為粗糙節理和光滑節理兩大類，與實際中天然節理面的復雜程度有著相當程度的差距，并不能較好的模擬天然節理。黃土節理具有優勢滲透性和節理面介質的強烈水敏性，摩爾-庫倫強度準則適用于節理面[10-11]，隨著節理面滲水的含水量的增加，其抗剪強度減小。黃土節理的黏聚力受到含水量和節理面形態的影響，當節理面相對粗糙時，黏聚力與含水量之間指數呈反比趨勢，但對于相對光滑的節理面，黏聚力隨含水量呈二次曲線關系。土體干密度對節理黏聚力也有一定影響，隨土體干密度增大黏聚力增大[12]，黃土節理的直剪試驗存在尺寸效應，大致表現為試樣越大抗剪強度越強，因此在相關研究中應開展原位直剪試驗[13]。葉萬軍等[14]通過CT掃描成像技術研究了干濕循環作用下黃土體內節理的發育、演化機制，結果表明土體節理產生的機制主要是濕溫耦合作用下土體內部的含水率分布不均勻，出現水力梯度；在土體內產生一定的拉應力，當拉應力大于土體抗拉強度時，便產生節理。白玉鋒等[15]通過對黃土試樣開裂機理的試驗研究了兩組節理面產生的產生，得出黃土干燥開裂過程中的節理、裂隙的衍生擴展規律，并首先在洞穴處以及受約束部位產生，隨后逐漸擴展延伸，同時指出在黃土開裂過程中，與溫度、濕度、含水率、試樣形狀以及約束力息息相關。

在這樣的地質背景下，如若在施工過程中忽略黃土構造節理對工程的影響，勢必會對工程的抗震設防等級、工程周邊的邊坡的穩定性評價等造成巨大的失誤。因此，開展黃土構造節理對黃土強度性質影響的研究具有重要的工程意義和現實迫切性，研究成果一方面能夠對含節理邊坡的安全防治問題帶來新的解決方案，對斜坡的設計、施工方案提供理論指導，另一方面能夠推進地震作用下的斜坡破壞模式研究的發展和創新。

1 黃土構造節理的分布特征

通過對陜、甘、晉三個省份20余個市縣地區的典型構造節理發育地點的勘察，對黃土構造節理的發育和產狀做了細致的調查，如圖1所示，為4例典型黃土構造節理。

圖1 黃土構造節理Fig.1 Structural joints of loess

由圖可以看出，黃土構造節理一般由兩組構成，呈X型交叉發育，根據交切關系可以進行分期，也有部分構造節理為同期形成。同組構造節理間呈平行等間距排列發育，節理面較為光滑，閉合程度較高，基本沒有填充物在節理內充填，節理具有較強的延伸性和貫穿性，基本呈現出直線型發育，也有部分呈現粗波浪狀和階梯狀。

2 實驗方案設計

本文所用試樣，取自甘肅省定西岷縣梅川鎮下轄的永光村特大地震滑坡遺址處，屬全新世Q4黃土，土質較為疏松，孔隙發育，可見部分根系、蟲孔，承載力低，屬于高濕陷性和壓縮性黃土。

通過對所取試樣進行測試，測得該處土體原狀試樣比重約為2.57。采用烘干法測定該試樣天然含水率為7.65%，天然密度1.61 g/cm3，試樣物理參數指標如表1所示。

表1 黃土試樣物理參數Table 1 Physical parameters of loess sample

室內試驗仍然是研究黃土體性質的主要方法，主要通過三軸試驗、直剪試驗等方法研究含節理試樣的各項物理力學規律。實驗方法的差別，對真實反映節理在土體內部的影響有極大的影響，如何使得室內試驗的精度和改進方法，仍然是亟待解決的問題。目前的室內試驗中，節理多為人工切割而成，簡單的分為粗糙節理和光滑節理兩大類，與實際中天然節理面的復雜程度有著相當程度的差距，并不能較好的模擬天然節理。為此設計并制作出了一項專門用于制作室內試驗中含黃土構造節理試樣的工具，如圖2、圖3所示。該工具有效的解決了如何在制作試樣的過程中，精確控制節理的傾角以及通過擊錘有效的控制了試樣強度，極大促進了節理試樣的精確度和室內試驗的準確度。

為了探索一種節理面間材料模擬天然黃土構造節理，共選取了打印紙、單層抽紙、打孔塑料薄膜3種材料進行對比試驗。同時試驗一種制樣方法模擬節理，該方法為在制樣時通過制樣器造出節理后，不進行刮毛直接壓實，制造一種光滑節理面。為了探討各類模擬材料的不同對構造節理黃土試樣抗拉強度的影響，系統開展了含劈裂(節理)黃土試樣抗拉強度試驗，研究各組試樣的極限抗拉強度，節理選取45°斜節理。測試內容為干密度ρ=1.6 g/cm3，含水率為10%的各項試樣，其中原狀試樣分為原狀黃土試樣(Ty1)、原狀構造節理黃土試樣(Ty2)兩項各3組，重塑無節理黃土試樣(Tc)3組，接觸面材料為打印紙的試樣為重塑打印紙黃土試樣(Td)3組，接觸面材料為單層抽紙的試樣為重塑單層抽紙節理試樣(Tz)3組，接觸面材料為打孔塑料薄膜的試樣為重塑打孔塑料薄膜節理試樣(Ts)各3組，含接觸面材料光滑節理面試樣(Tg)3組。結果如圖4所示。

圖4 不同試樣模擬接觸關系抗拉強度示意圖Fig.4 Tensile strength diagram of simulated contact relationship of different samples

原狀無節理試樣抗拉峰值強度是最大的，其次是重塑無節理試樣，而在含節理試樣的抗拉強度中，可以看出節理的存在明顯降低了土體的抗拉強度，原狀構造節理試樣的抗拉強度最大，接觸面為塑料薄膜和打印紙的抗拉強度最小，相對來說單層抽紙的接觸面和光滑型接觸面較為接近原狀節理試樣，具體表現為Ty1>Tc>Ty2>Tz>Tg>Ts>Td。光滑節理面的峰值抗拉強度和單層抽紙作為接觸面的峰值抗拉強度近似，原則上光滑節理面在模仿原狀構造節理更具優勢，但是在實驗過程中，發現光滑節理面試樣在破壞后，很難區分試樣的破裂面和節理面，導致后續觀察受阻，無法確定節理面在其中起到的作用，而單層抽紙能夠較為清晰的反映節理的破壞程度以及節理對黃土試樣的影響。因此在后續的實驗中，選擇單層抽紙作為節理的模擬面。

為了研究構造節理傾角的變化對試樣的強度參數的影響，選取不同傾角構造節理進行研究。黃土地區的構造帶具有極強的復雜性，各應力場的主方向千差萬別，本研究以15°為間隔，考慮多種傾角下土體強度特性的變化規律。水平節理與豎向節理體現了構造節理黃土強度特性的兩個極限，實驗中將這兩組情況也包含在內。同時考慮含水率對試樣強度特性的影響，選取了含水率分別為5%、10%、15%三個梯度開展實驗。為了更清晰的揭示破裂時試樣側面破裂面痕跡，本研究室內試驗主要選取無側限抗壓試驗和直剪試驗，研究構造節理黃土抵抗軸向壓力的極限抗壓強度和極限抗剪強度，如圖5所示。

圖5 不同傾角試驗試樣節理示意圖Fig.5 The joint diagram of test samples with different dip angles

3 構造節理對試樣破壞模式的影響

在試驗開展過程中，發現絕大多數的傾角在破裂時都遵循一定的破裂準則和模式，而這種模式與構造節理的傾角息息相關。

(1)滑動破壞

該破壞模式大多發生在構造節理傾角為20°～45°的范圍區間內，其中傾角75°時偶有發現。這種破壞模式主要表現為節理面上下土體沿節理面相對滑動，節理面基本沒有出現任何由于剪脹、蠕變導致的節理面變形和試樣損壞。這類破壞樣式的推測機理為，由于節理面黏聚力極小，摩擦力也相對較低，因此在上覆土層受到壓力時，節理面所抗滑力遠小于外力產生的下滑力，導致試樣沿節理面發生整體滑移破壞，強度極速喪失并下降至0。

(2)滑動剪切破壞

滑動剪切破壞這一類型破壞模式主要在構造節理傾角45°時集中出現，其余角度構造節理偶有出現但數量較少。這種破壞模式主要表現為節理面上下土層在發生相對滑動的同時，節理面產生了剪脹和壓脹破壞，節理面上下土體出現剪切破壞，一般情況下裂隙從節理處開始向外延伸，但其發育程度有限。

該類型破壞機理推測如下，當試樣受來自上方外力作用時，節理面產生緩慢的相對滑動，節理面上下表現為剪切破壞，土體強度降低，節理面出現剪脹破壞。此時，節理面上下土層運動方式轉變為蠕滑，應力消散較慢，節理面間摩擦強度承擔了土體間的殘余強度，該強度約為土體峰值強度的50%。

同時值得注意的時，這種破壞類型與土體的含水率也有一定關系，在我們所選取的5%、10%、15%三個梯度下，33°構造節理傾角的條件下，含水率越高，越容易出現這樣的破壞模式。同理，在其他角度出現該類型的破壞模式時，含水率越高，該破壞類型出現的概率越高。

(3)劈裂破壞

該種破壞模式主要出現在含水率5%以下的含構造節理的黃土試樣中，通過試驗發現，當構造節理傾角在0～20°范圍內時出現最多。該破裂類型主要特征有，節理面上下土層不沿節理面發生相對滑動，而是試樣整體自上至下出現一條貫穿試樣的豎向裂隙，該裂隙貫穿節理面，值得注意的是，當裂隙穿越節理面時，會出現少量的錯斷。

在受到上部土層壓力作用下，因節理傾角過小或其他原因，節理上下表面不沿節理面發生相對滑動，在壓力逐漸增大的狀況下，土層內部收到的剪應力逐漸增大，當土顆粒間作用力小于壓力影響下的膨脹力，試樣便會沿薄弱帶裂開，形成劈裂破壞。

(4)共軛剪切破壞

該類破壞類型所涉及的節理類型最為寬泛，每組傾角節理試樣均產生了該種破壞模式。在該類破壞模式中，節理間是沒有相對滑動的，受壓產生的X型共軛剪裂隙可貫穿試樣節理，通過不同傾角下破壞模式的分析可知，節理面與破裂面的夾角與節理傾角有一定的正相關性，隨著節理傾角的增大而逐漸增大。實驗中出現最多剪裂隙的一組試樣時構造節理傾角為20°時，剪裂隙為3組。

在研究構造節理黃土試樣的變形破壞模式中，節理傾角在0°、90°這兩種極端情況下的破壞模式也值得注意。構造節理為90°的情況下，試樣的破壞由試樣邊界處開始沿與豎直方向呈“45°”夾角位置發育，隨后沿豎向節理繼續產生破壞，呈現“丿型”破壞。節理傾角在0°時，試樣在節理面附近呈“壓碎式破壞”，這是因為水平節理面相當于軟弱結構面，豎向壓力作用下，節理面處形成最大受壓區，雖然試樣的破壞以節理面處的“壓碎式破壞”為表象，水平節理面破壞后仍然發生了進一步的剪切破壞。

圖6 構造節理控制下黃土破壞模式Fig.6 Failure mode of loess controlled by structural joints

4 節理傾角變化對土體強度影響

4.1 節理傾角變化對無側限抗壓強度影響

分析可得，在相同含水率條件下，不同節理的無側限抗壓強度σ1與節理傾角的變化有相當密切的關系。總體關系表現為峰值強度隨傾角的增大呈現出先減小后增大的變化過程。可以在圖7中看到，節理在20～45°時，抗壓強度相對是較弱的，例如當含水率為10%時，20°構造節理試樣峰值抗壓強度僅為76 kPa，遠遠小于無節理試樣。隨著節理傾角的緩慢增大，試樣的抗壓峰值強度也在逐漸變大，試樣中傾角為0°時，對試樣的影響是最小的，例如5%含水率時，無節理試樣的峰值抗壓強度是210 kPa，而節理試樣傾角為0°的抗壓強度已經接近200 kPa。說明當節理傾角達到75°以上時，對節理的抗壓強度影響已經逐漸在減小了。

4.2 含水率對不同節理傾角峰值抗壓強度的影響

如圖8所示，各傾角試樣的無側限抗壓強度σ1隨含水率ωσ的變化。可知，所有傾角狀態下構造節理試樣的峰值抗壓強度，隨著含水率的增大，均有不同程度的減小。因此可以推斷出，構造節理黃土試樣的抗壓強度是由含水率和節理共同控制的。在相同含水率情況下，節理傾角為0的時候，試樣強度最大，隨后是75°傾角的試樣強度，20°節理傾角的試樣強度最小。當含水率達15%時，黃土試樣強度降低速度有一定的減緩，表明含水率超過某一閾值時，節理不再是影響土體強度的主要因素。

由上述破裂模式、節理傾角和含水率對土體強度性質影響的分析，結合前人研究可以推斷出，黃土土體破壞模式受控于兩部分主導因素——含水率與節理傾角，而這兩類因素在控制構造節理黃土體的破裂模式時是一個此消彼長的狀態。隨著含水率增大，各傾角下試樣的抗壓強度均有減小趨勢。

4.3 節理對土體抗剪強度的影響

通過庫倫抗剪強度公式可知，黃土土體的抗剪強度主要由摩擦強度和黏聚強度兩個部分組成，這里面有兩個重要的指標便是內摩擦角和黏聚力。

分析圖9可知，在垂直荷載相等時，垂直節理的抗剪強度最大，次之的依序為45°、33°、20°傾角，而含水平節理的試樣其抗剪強度表現為最差。可以看出隨著節理角度的上升，土體抗剪強度有所提升。土體的抗剪強度與90°節理的抗剪強度在低含水率下強度遠超低角度構造節理黃土強度，一定程度上能夠反映出，在低含水率、包含眾多節理裂隙中的黃土土體內，垂直節理對其抗剪強度的影響是最小的，而低角度構造節理，尤其是在30°以下的超低角度構造節理，是造成土體抗剪強度下降的主要原因。

圖9 w=5%時，構造節理傾角對黃土抗剪強度的影響Fig.9 When w=5%,the influence of dip angle of structural joint on shear strength of loess

如圖10所示，垂直節理在土體10%含水率情況下依然對土體的抗剪強度影響相對較小，構造節理在20°、33°、45°這三類低角度情況下，抗剪強度較為接近，高垂直荷載下這3種節理強度趨于相同。當節理傾角為0°時，土體強度最小，且在高垂直荷載下與其他節理角度下土體強度的差距有明顯增大。天然黃土含水率一般分布在10%左右，也就是說在真實環境中，深部土層的抗剪強度，很大一部分決定于土體內部低角度節理的分布和發育。那么有理由推測，構造節理黃土斜坡發生滑坡的過程中，低角度構造節理在相較于高角度構造節理乃至于垂直節理，起到了更為重要的促進作用。

圖10 w=10%時，構造節理傾角對黃土抗剪強度的影響

含水率達到15%時，如圖11，節理傾角對黃土抗剪強度的影響依然遵循隨節理傾角增大土體抗剪強度也在不斷增強這一規律。但在高含水率下，可以看出，高角度節理與低角度節理之間的抗剪強度差異已經越來越小，強度趨于相同，表明在高含水率情況下，節理的傾角已經不是控制土體抗剪強度的主要指標，含水率在其中起到了更為重要的作用。

總結上述現象，可以發現不論含水率的高低，黃土體抗剪強度均隨著構造節理傾角的增大與之呈現出正相關的變化關系。

如圖12，在同含水率情況下，節理傾角越小，土體表現出抗剪強度的值就越低，這與節理面在土體中的位置和產狀有直接關系。直接剪切試驗中，構造節理傾角越小，與土體剪切面重合程度越高，能提供的抗剪能力便越小，表現出較低水平的抗剪強度，最極端的情況便是傾角為0°時，節理面與剪切面重合，土體抗剪強度等效為節理面間摩擦力。

隨著節理傾角的增大，節理面與土體剪切面的夾角也增大，表現為土體抗剪強度增強。但構造節理傾角并不始終是黃土抗剪強度的主要影響因素，而是僅在較低含水率情況下具有比較強的影響，可以看出在5%含水率下，隨著節理傾角的增大，各傾角下的抗剪強度差別明顯，沒有趨近的傾向。

黃土體含水率在較高水平下時，節理的傾角變化以不再是土體抗剪強度的主控因素，此時各節理傾角下土體的抗剪強度趨于相近，各節理傾角間抗剪強度趨于接近，此時影響土體抗剪強度的轉為土體本身的特有結構特性與物質組分情況。

分析圖13，可以看出在一定含水率下，隨著節理傾角的變大，黃土的內聚力也出現不同程度的增大現象。尤其是在低含水率的情況下，隨著構造節理傾角的增大，黏聚力的增速相對較快，如5%含水率下，節理傾角由0°增加到90°，黏聚力上升到了近100 kPa的幅度，相反在高含水率黃土體中，黏聚力隨傾角的增加，增速就相對慢了很多，15%含水率下，節理傾角自0°到90°時，黏聚力只增加了近20 kPa。

通過對節理傾角與黃土黏聚力和內摩擦角進行相關性分析，可以發現隨著節理傾角的變化，土體內摩擦角和黏聚力的變化不盡相同。隨著節理傾角的增大，黃土內摩擦角數值保持在一個比較穩定值，有較為輕微的增大，但黏聚力與節理傾角表現出較強的敏感性，傾角的增加對土體黏聚力表現出極強的增大作用。

5 結論

本文主要分析了構造節理傾角的變化以及含水率的高低對土體無側限抗壓強度和抗剪強度的影響，同時在無側限抗壓試驗中，總結并歸納了4類典型構造節理黃土破壞樣式，進一步分析了節理傾角和含水率對于土體內摩擦角和黏聚力之間的關系，并針對變化原因從機理上進行了分析和討論。

(1)受節理傾角及含水率影響的構造節理黃土共表現為四類典型的破壞模式，分別為滑動、滑動剪切、劈裂破裂、共軛剪切等。節理傾角對土體破壞模式的影響僅在低含水率下表現得較為明顯，節理傾角的變化直接決定了土體破裂面的發育和延展。高含水率下土體破裂面主要出現剪脹破壞，此時控制土體破裂模式的是土體物質組分和顆粒結構。相較于低含水率情況下的破裂面或節理面的脆性破壞，較大含水率的黃土體破壞在出現隨行變化后，會進一步在破裂面、節理面處發生塑性變化。

(2)黃土體的無側限抗壓強度與構造節理傾角有較強的相關性，隨著節理傾角的增大，抗壓峰值強度表現為先增大后減小，當傾角為20°時，黃土體抗壓強度最低，0°節理對抗壓強度的影響最小。在一定含水率下，構造節理的存在是導致試樣強度降低的直接原因。含水率的上升帶給土體強度較大的負面影響，而且在較高含水率的土體中，各傾角節理的抗壓強度趨于接近，節理已經不再是影響土體強度的主要因素。

(3)實驗中將剪切方向與節理傾向設置為相反。構造節理黃土抗剪強度與構造節理傾角的增大成正比，但該規律僅在較低含水率下有這種表現。含水率在較高水平下時，各節理傾角土體的抗剪強度趨于相近。節理的產狀和位置對黃土抗剪強度有直接的影響，隨著節理傾角的增大，黃土內摩擦角數值保持在一個比較穩定值，有較為輕微的增大，但黏聚力與節理傾角表現出較強的敏感性，節理傾角的增加的條件下，土體黏聚力表現出快速增長的變化規律。