濕陷性黃土力學(xué)性質(zhì)與裂隙發(fā)展干濕循環(huán)效應(yīng)

尹今朝 胡同

摘 要：黃河中游地區(qū)廣泛存在濕陷性黃土，對黃土試樣進(jìn)行干濕循環(huán)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(huán)對黃土強度與裂隙發(fā)展規(guī)律的影響。試驗結(jié)果表明：黃土樣品的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均為“硬化型”，有效內(nèi)摩擦角與黏聚力指標(biāo)隨循環(huán)次數(shù)增加分別呈指數(shù)型和線性下降趨勢;提取裂隙率作為表面裂隙的量化指標(biāo)，黃土的裂隙率與循環(huán)次數(shù)之間為指數(shù)型關(guān)系;干濕循環(huán)作用使得黃土顆粒間的微裂隙逐漸擴(kuò)張，干密度顯著減小，這是導(dǎo)致表面裂隙改變和力學(xué)性能衰減的本質(zhì)原因。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;干濕循環(huán);裂隙特征;三軸試驗;微觀形態(tài)

中圖分類號：TV41;TU525 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)性質(zhì)與裂隙發(fā)展干濕循環(huán)效應(yīng)[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(qū)分布廣泛的第四紀(jì)沉積物，具有可壓縮性強、垂直節(jié)理與裂隙發(fā)育等特點，浸水后容易發(fā)生濕陷，失水后容易發(fā)生干裂，故稱之為“濕陷性黃土”[1]。黃河中游地區(qū)的自然環(huán)境較復(fù)雜，渠道、水庫和大壩等水利工程邊坡發(fā)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(xué)性質(zhì)會發(fā)生衰變，嚴(yán)重影響水利工程邊坡的安全建設(shè)和運營[2]。前人研究表明，反復(fù)的干濕循環(huán)作用會導(dǎo)致黃土內(nèi)部的可溶性膠結(jié)物質(zhì)發(fā)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(fù)波動與雨水的入滲，濕陷性黃土頻繁處于干濕循環(huán)的過程中，導(dǎo)致黃河流域水利工程邊坡穩(wěn)定安全性存在一定隱患[4]，因此開展?jié)裣菪渣S土受反復(fù)干濕循環(huán)作用的影響研究具有重要現(xiàn)實意義[5]。

濕陷性黃土孔隙度高，浸水后顆粒結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性會被嚴(yán)重?fù)p傷[6-7]。Yan等[8]開展不同干濕循環(huán)次數(shù)下原狀和重塑黃土樣品的無側(cè)限壓縮試驗，并給出了樣品相對動彈性模量和質(zhì)量損傷率之間的定量關(guān)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(huán)損傷程度的關(guān)系;程佳明等[10]對水泥固化黃土在侵蝕環(huán)境下的干濕循環(huán)效應(yīng)開展試驗研究，得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)對試樣的抗剪強度指標(biāo)弱化程度，并討論了水泥改性對黃土力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律;葉萬軍等[11]對干濕循環(huán)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(tài)和深度，研究了黃土裂隙發(fā)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(fā)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(zhì)，分析了濕陷性黃土在干濕循環(huán)條件下的強度劣化機理，旨在為黃土分布地區(qū)的工程建設(shè)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(huán)使得黃土邊坡具有明顯的層狀剝落結(jié)構(gòu)，剝落層表面廣泛分布著白色的晶體，且坡面的裂縫較為發(fā)育。該現(xiàn)象說明反復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致邊坡內(nèi)部的黃土結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑。

本試驗采用的濕陷性黃土顆粒級配曲線測定結(jié)果如圖2所示。可以得到，該地區(qū)黃土的不均勻系數(shù)Cu約為3.05，曲率系數(shù)Cc約為1.27（基本物理性質(zhì)指標(biāo)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(jìn)行。力學(xué)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(jié)果的基礎(chǔ)上確定了重塑土最大干密度為1.58 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.2%。由無側(cè)限壓縮試驗發(fā)現(xiàn)重塑土的無側(cè)限抗壓強度為0.13 MPa。

1.3 干濕循環(huán)處理

在試樣制備完成后，對濕陷性黃土的重塑樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗，步驟如下：①將黃土重塑樣平放于鋼制柱狀飽和器內(nèi)，對其進(jìn)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(huán)境中使土體脫濕12 h。

2 試驗結(jié)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(jìn)行觀測。對5組不同干濕循環(huán)次數(shù)n的試樣進(jìn)行觀測，得到各試樣的表面開裂行為特征，以0次循環(huán)的黃土試樣為例，干燥后的試樣狀態(tài)如圖3（a）所示，在圖像中截取一個正方形區(qū)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(jìn)行二值化處理，提取出裂隙形態(tài)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(huán)次數(shù)下黃土樣品表面的二維裂隙特點，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)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(huán)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(jìn)行二值化處理后，統(tǒng)計圖像中的表面裂隙面積Anc和樣品橫斷面的面積An，據(jù)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(huán)次數(shù)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(huán)影響的結(jié)構(gòu)損傷程度[12-13]。根據(jù)二值化方法計算得到黃土裂隙率Rn和干濕循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線，如圖5所示。黃土樣品的Rn與n為指數(shù)型關(guān)系函數(shù)，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(biāo)

對濕陷性黃土樣品開展了三軸固結(jié)不排水CU剪切試驗，獲取了不同循環(huán)次數(shù)與圍壓條件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示。圖6中的曲線均呈“應(yīng)變硬化”的曲線變化特點。干濕循環(huán)次數(shù)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(huán)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(huán)的黃土強度變化幅度相對平緩，說明在干濕循環(huán)后期強度衰減程度逐漸趨于穩(wěn)定。

經(jīng)過對不同固結(jié)圍壓下應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行回歸分析，得到強度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。圖7所示的曲線表明，濕陷性黃土樣品在干濕循環(huán)前的有效黏聚力c=26.5 kPa、有效內(nèi)摩擦角φ=20.2°，隨著干濕循環(huán)次數(shù)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(biāo)進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)φ與n為線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，c與n為指數(shù)型負(fù)相關(guān)關(guān)系，且擬合結(jié)果誤差較小。擬合得到的預(yù)測公式分別為

2.3 裂隙率與強度指標(biāo)的關(guān)系分析

由樣品表面裂隙觀察和固結(jié)不排水剪切試驗結(jié)果（見圖8）。可以看出：隨著干濕循環(huán)次數(shù)n增加，濕陷性黃土樣品的強度指標(biāo)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(shù)學(xué)方程。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合分析將c與n的數(shù)學(xué)關(guān)系用線性方程擬合，將φ與n的數(shù)學(xué)關(guān)系用二次方程擬合。擬合的結(jié)果證明了黃土樣品的裂隙率可以較為合理地預(yù)測土體宏觀力學(xué)性能指標(biāo)，干濕循環(huán)對濕陷性黃土產(chǎn)生了顯著的損傷作用[14]。圖8 裂隙率與土體強度參數(shù)的關(guān)系

2.4 黃土的微觀形態(tài)

濕陷性黃土干濕循環(huán)損傷的微觀形態(tài)可以由掃描電鏡（SEM）結(jié)果反映，如圖9所示。在500倍放大圖像中可以看出：經(jīng)歷0次干濕循環(huán)的黃土顆粒排列較密實，內(nèi)部微裂隙尺寸較小，數(shù)量較少;經(jīng)歷2次干濕循環(huán)后，土體內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)有明顯變化，新生裂隙的數(shù)量和長度開始增多;經(jīng)過5次和10次干濕循環(huán)后，土體內(nèi)部的裂隙范圍不斷擴(kuò)張，結(jié)構(gòu)愈發(fā)疏松。

為了進(jìn)一步分析黃土強度的衰變機理，進(jìn)行了不同干濕循環(huán)次數(shù)后黃土試樣的干密度測試。通過測量環(huán)刀樣的烘干質(zhì)量，計算得到干濕循環(huán)次數(shù)為0、2、5、10次時對應(yīng)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(huán)次數(shù)增多，黃土的干密度逐漸減小。影響重塑黃土抗剪強度指標(biāo)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(xué)性能產(chǎn)生重要影響。結(jié)合葉萬軍等[15]的研究成果，在多次干濕循環(huán)作用下，濕陷性黃土內(nèi)部顆粒間的孔隙水發(fā)生反復(fù)多次的蒸發(fā)和吸水，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(nèi)摩擦角更依賴于土體的黏結(jié)特性，而干濕循環(huán)破壞了土體黏結(jié)性能，所以干密度下降的現(xiàn)象對黏聚力的影響遠(yuǎn)大于對內(nèi)摩擦角的[16]。

3 結(jié) 論

濕陷性黃土在干濕循環(huán)過程中表現(xiàn)出明顯的開裂現(xiàn)象，新生裂隙的尺寸與數(shù)量隨干濕循環(huán)進(jìn)行呈指數(shù)型增長趨勢，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，裂隙率呈指數(shù)型增長特征。

濕陷性黃土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈“硬化型”特點，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，有效黏聚力和內(nèi)摩擦角分別呈指數(shù)型和線性下降特征。

濕陷性黃土樣品的力學(xué)特性和土體結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)中的變化規(guī)律具有同步性，有效黏聚力、內(nèi)摩擦角與裂隙率的關(guān)系分別可用線性和二次函數(shù)擬合。

微觀結(jié)構(gòu)的改變是黃土表面裂隙擴(kuò)張和強度指標(biāo)降低的本質(zhì)原因。根據(jù)SEM掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)使得黃土內(nèi)部的膠結(jié)物流失，干密度顯著減小，進(jìn)而使得土體裂隙擴(kuò)張和力學(xué)性能下降。

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【責(zé)任編輯 張華巖】