濕陷性黃土力學性質與裂隙發展干濕循環效應

尹今朝 胡同

摘 要：黃河中游地區廣泛存在濕陷性黃土，對黃土試樣進行干濕循環處理后，開展土工三軸剪切試驗，同時記錄樣品表面裂縫的拓展特點，探究干濕循環對黃土強度與裂隙發展規律的影響。試驗結果表明：黃土樣品的應力應變關系均為“硬化型”，有效內摩擦角與黏聚力指標隨循環次數增加分別呈指數型和線性下降趨勢;提取裂隙率作為表面裂隙的量化指標，黃土的裂隙率與循環次數之間為指數型關系;干濕循環作用使得黃土顆粒間的微裂隙逐漸擴張，干密度顯著減小，這是導致表面裂隙改變和力學性能衰減的本質原因。

關鍵詞：濕陷性黃土;干濕循環;裂隙特征;三軸試驗;微觀形態

中圖分類號：TV41;TU525 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.029

引用格式：尹今朝，胡同.濕陷性黃土力學性質與裂隙發展干濕循環效應[J].人民黃河，2022，44（2）：143-146，152.

Abstract： Infavorable geological bodies of collapsible loess are widely found in the middle section of the Yellow River Basin. After multiple dry-wet cycles of the samples， geo-triaxial shear test and surface cracking behaviour observation were carried out to explore the correlation between dry-wet cycle on loess strength and the cracking characteristics. The results show that the stress-strain relationship of the loess samples is “hardening type”. The effective angle of internal friction and cohesion index respectively show an exponential and linear decreasing trend with the increasing number of dry-wet cycles. The crack rate was calculated as a quantitative parameter of surface cracking behaviour. And the crack rate of loess and the number of dry-wet cycles was exponential related. The voids in the loess microstructure gradually expand and decreased significantly due to the dry and wet circulation. The change of microstructure during dry-wet cycles is the fundamental cause of fracture expansion and mechanical property decay of loess.

Key words： collapsible loess;drying-wetting cycles;fracture;triaxial test;microstructure

濕陷性黃土是我國黃河中游地區分布廣泛的第四紀沉積物，具有可壓縮性強、垂直節理與裂隙發育等特點，浸水后容易發生濕陷，失水后容易發生干裂，故稱之為“濕陷性黃土”[1]。黃河中游地區的自然環境較復雜，渠道、水庫和大壩等水利工程邊坡發生滑坡、崩塌和泥石流等工程事故的隱患較大。在人類活動與氣候變化雙重作用的影響下，濕陷性黃土的力學性質會發生衰變，嚴重影響水利工程邊坡的安全建設和運營[2]。前人研究表明，反復的干濕循環作用會導致黃土內部的可溶性膠結物質發生溶解和析出，加速黃土邊坡工程性能的劣化[3]。由于地下水的反復波動與雨水的入滲，濕陷性黃土頻繁處于干濕循環的過程中，導致黃河流域水利工程邊坡穩定安全性存在一定隱患[4]，因此開展濕陷性黃土受反復干濕循環作用的影響研究具有重要現實意義[5]。

濕陷性黃土孔隙度高，浸水后顆粒結構與力學特性會被嚴重損傷[6-7]。Yan等[8]開展不同干濕循環次數下原狀和重塑黃土樣品的無側限壓縮試驗，并給出了樣品相對動彈性模量和質量損傷率之間的定量關系;袁志輝等[9]對濕陷性黃土重塑樣開展卸荷剪切試驗，分析了抗拉性能和干濕循環損傷程度的關系;程佳明等[10]對水泥固化黃土在侵蝕環境下的干濕循環效應開展試驗研究，得到了不同干濕循環次數對試樣的抗剪強度指標弱化程度，并討論了水泥改性對黃土力學性質的影響規律;葉萬軍等[11]對干濕循環作用下黃土開展面積裂隙率定量分析，同時觀測裂隙開展的形態和深度，研究了黃土裂隙發展的微觀機理。

本文以黃河流域安陽段的濕陷性黃土為對象，利用裂縫發展特征觀測與三軸剪切試驗研究了黃土裂隙特點和強度性質，分析了濕陷性黃土在干濕循環條件下的強度劣化機理，旨在為黃土分布地區的工程建設提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 濕陷性黃土

本文所用的黃土取自安陽市的一處水庫邊坡。土樣收集處邊坡的實拍圖像如圖1所示。可以看出，長期的干濕循環使得黃土邊坡具有明顯的層狀剝落結構，剝落層表面廣泛分布著白色的晶體，且坡面的裂縫較為發育。該現象說明反復的干濕循環導致邊坡內部的黃土結構發生重塑。

本試驗采用的濕陷性黃土顆粒級配曲線測定結果如圖2所示。可以得到，該地區黃土的不均勻系數Cu約為3.05，曲率系數Cc約為1.27（基本物理性質指標見表1）。

1.2 制備樣品

試驗前先制備濕陷性黃土的重塑樣品，采用分層擊實的方法進行。力學測試的樣品直徑為38 mm、高度為80 mm，裂隙觀測所用的樣品直徑為61.8 mm、高度為20 mm。在前期試驗結果的基礎上確定了重塑土最大干密度為1.58 g/cm3，最優含水率為15.2%。由無側限壓縮試驗發現重塑土的無側限抗壓強度為0.13 MPa。

1.3 干濕循環處理

在試樣制備完成后，對濕陷性黃土的重塑樣進行干濕循環試驗，步驟如下：①將黃土重塑樣平放于鋼制柱狀飽和器內，對其進行抽氣飽和。②將樣品連同飽和器一同浸泡在水面下12 h。③將水槽中的水排空，將試樣放入干燥箱中，在溫度40 ℃左右的環境中使土體脫濕12 h。

2 試驗結果

2.1 黃土的開裂行為

使用單反相機對干燥后的黃土試樣表面裂隙進行觀測。對5組不同干濕循環次數n的試樣進行觀測，得到各試樣的表面開裂行為特征，以0次循環的黃土試樣為例，干燥后的試樣狀態如圖3（a）所示，在圖像中截取一個正方形區域的土樣圖像（如圖3（b）所示），利用圖像處理軟件image J將圖像進行二值化處理，提取出裂隙形態的圖像，如圖3（c）所示。

按照上述圖像處理方法獲得了不同干濕循環次數下黃土樣品表面的二維裂隙特點，結果如圖4所示。根據圖3和圖4所示的干燥后的黃土表面二維裂隙圖像可以看出，干濕循環作用對黃土的開裂行為有明顯的影響。在對黃土的裂隙圖像進行二值化處理后，統計圖像中的表面裂隙面積Anc和樣品橫斷面的面積An，據此可以計算黃土樣品的裂隙率Rn。

式中：dn1和dn2為不同干濕循環次數下試樣端面方形的兩條邊長。

通過裂隙率評價黃土受干濕循環影響的結構損傷程度[12-13]。根據二值化方法計算得到黃土裂隙率Rn和干濕循環次數n的關系曲線，如圖5所示。黃土樣品的Rn與n為指數型關系函數，且式（2）的曲線擬合程度較高。

Rn=5.275-2.187e（-n+0.12）/3.137（2）

2.2 三軸強度指標

對濕陷性黃土樣品開展了三軸固結不排水CU剪切試驗，獲取了不同循環次數與圍壓條件的應力—應變關系曲線，如圖6所示。圖6中的曲線均呈“應變硬化”的曲線變化特點。干濕循環次數n越大，濕陷性黃土樣品的剪切強度越小，且在第一次干濕循環處理后的強度衰減程度最高。從圖6還可以看出，5～10次干濕循環的黃土強度變化幅度相對平緩，說明在干濕循環后期強度衰減程度逐漸趨于穩定。

經過對不同固結圍壓下應力—應變關系曲線進行回歸分析，得到強度參數與干濕循環次數的關系曲線。圖7所示的曲線表明，濕陷性黃土樣品在干濕循環前的有效黏聚力c=26.5 kPa、有效內摩擦角φ=20.2°，隨著干濕循環次數n增加，濕陷性黃土的c和φ均有所減小，且c下降幅度更明顯。對黃土樣品的強度指標進行擬合分析，發現φ與n為線性負相關關系，c與n為指數型負相關關系，且擬合結果誤差較小。擬合得到的預測公式分別為

2.3 裂隙率與強度指標的關系分析

由樣品表面裂隙觀察和固結不排水剪切試驗結果（見圖8）。可以看出：隨著干濕循環次數n增加，濕陷性黃土樣品的強度指標逐漸衰減，表觀裂隙率逐漸提高，兩者的變化趨勢較同步。分別建立了c、φ與Rn的數學方程。根據數據擬合分析將c與n的數學關系用線性方程擬合，將φ與n的數學關系用二次方程擬合。擬合的結果證明了黃土樣品的裂隙率可以較為合理地預測土體宏觀力學性能指標，干濕循環對濕陷性黃土產生了顯著的損傷作用[14]。圖8 裂隙率與土體強度參數的關系

2.4 黃土的微觀形態

濕陷性黃土干濕循環損傷的微觀形態可以由掃描電鏡（SEM）結果反映，如圖9所示。在500倍放大圖像中可以看出：經歷0次干濕循環的黃土顆粒排列較密實，內部微裂隙尺寸較小，數量較少;經歷2次干濕循環后，土體內部裂隙結構有明顯變化，新生裂隙的數量和長度開始增多;經過5次和10次干濕循環后，土體內部的裂隙范圍不斷擴張，結構愈發疏松。

為了進一步分析黃土強度的衰變機理，進行了不同干濕循環次數后黃土試樣的干密度測試。通過測量環刀樣的烘干質量，計算得到干濕循環次數為0、2、5、10次時對應干密度分別為1.58、1.51、1.43、1.38 g/cm3，可以看出隨著干濕循環次數增多，黃土的干密度逐漸減小。影響重塑黃土抗剪強度指標的主要因素為含水率和干密度，對于飽和試樣而言，干密度降低會對其力學性能產生重要影響。結合葉萬軍等[15]的研究成果，在多次干濕循環作用下，濕陷性黃土內部顆粒間的孔隙水發生反復多次的蒸發和吸水，導致結構的致密性降低，干密度減小，從而使其強度特性減弱。因為黏聚力比內摩擦角更依賴于土體的黏結特性，而干濕循環破壞了土體黏結性能，所以干密度下降的現象對黏聚力的影響遠大于對內摩擦角的[16]。

3 結 論

濕陷性黃土在干濕循環過程中表現出明顯的開裂現象，新生裂隙的尺寸與數量隨干濕循環進行呈指數型增長趨勢，隨著干濕循環次數增多，裂隙率呈指數型增長特征。

濕陷性黃土的應力應變關系呈“硬化型”特點，隨著干濕循環次數增多，有效黏聚力和內摩擦角分別呈指數型和線性下降特征。

濕陷性黃土樣品的力學特性和土體結構在干濕循環中的變化規律具有同步性，有效黏聚力、內摩擦角與裂隙率的關系分別可用線性和二次函數擬合。

微觀結構的改變是黃土表面裂隙擴張和強度指標降低的本質原因。根據SEM掃描結果發現干濕循環使得黃土內部的膠結物流失，干密度顯著減小，進而使得土體裂隙擴張和力學性能下降。

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【責任編輯 張華巖】