节理倾角对黄土力学特性影响试验研究*

祝艳波 李红飞 兰恒星 彭建兵 高明明 韩宇涛

(长安大学， 地质工程与测绘学院， 西安 710054， 中国)

0 引 言

黄土节理裂隙发育，降低黄土连续性、影响黄土力学特性，是控制和影响黄土边坡稳定性的重要因素(王景明等， 1994； 彭建兵等， 2014)。黄土节理种类多样，彭建兵等(2020)根据成因特征将其划分为构造节理、卸荷节理、垂直节理等8类，大部分节理展布角度陡倾，但构造节理、卸荷节理倾角多变(Wang et al.，2019)。构造节理从坡体内部控制黄土滑坡、崩塌灾害发生，卸荷节理从坡体表层加剧斜坡滑动(王景明， 1996； 康尘云等， 2020)。因此开展节理倾角对黄土力学性质影响研究，对于揭示黄土边坡地质结构界面效应及其促滑机制具有重要参考价值。

针对节理裂隙对岩土体力学性质影响研究，目前主要集中在岩体方面，成果丰硕(Prudencio et al.，2007； Perk et al.，2010； Yang et al.，2012； Sarfarazi et al.，2014； 黄彦华等， 2016)。针对土体主要集中在裂隙黏土，如Skempton(1964)认为裂隙对黏土体的力学性质产生较大影响，表现为弱化作用。Marsland(1972)通过研究发现硬黏土中裂隙所处位置影响其应力-应变关系，裂隙硬黏土应力-应变曲线具有明显峰值点。Potts et al.(1990)和 George(2014)则通过对黏性土填方地基研究发现裂隙存在对黏土性质产生较大影响，裂隙存在对土体强度及变形破坏具有控制作用(胡卸文等， 1994； 韦秉旭等， 2015)。

黄土节理种类多样、展布角度多变、分布密度及间距变化差异大，以上裂隙岩土体的研究成果不能完全适用于黄土，因此学者们开展了裂隙性黄土力学性质研究，结果表明试样含水率(李同录等， 2014； 叶万军等， 2016； 邹锡云等， 2018)、密实度(白冰等， 2011)、节理粗糙度(房江锋， 2010； 王铁行等， 2013)、节理密度(张大伟， 2018； 成玉祥等， 2019)、节理角度(卢全中等， 2009； 贾晖等， 2011； 周彬， 2013； Sun et al.，2015； 程龙虎等， 2017)对黄土力学性质影响显著。如房江锋(2010)、王铁行等(2013)通过直剪试验研究了含水量、节理表面粗糙度和干密度对黄土节理强度影响，发现黄土节理内摩擦角随含水量变化敏感，干密度和表面形态对内摩擦角影响不大。白冰等(2011)基于节理黄土强度试验发现干密度和节理粗糙度对节理黏聚力影响较大，对内摩擦角影响较小。卢全中等(2015)研究了不同含水量、不同裂隙角度黄土的变形破坏影响，并对其破坏类型进行分类。刘小军等(2017)研究发现随含水量增加，黄土节理峰值内摩擦角最初变化幅度较小，当大于界限含水量时，峰值内摩擦角减小幅度变大。成玉祥等(2019)通过三轴压缩试验研究不同裂隙密度黄土抗剪强度参数变化规律，发现随着裂隙密度增加，内摩擦角呈明显减小趋势。程龙虎等(2017)研究了不同裂隙倾角对裂隙性黄土强度特性的影响，发现裂隙性黄土破坏模式主要有压裂破坏、压剪破坏和滑移-压剪复合破坏3种。王丽丽等(2020)通过不同节理角度黄土试样的三轴压缩试验，发现节理低围压和45°倾角时节理试样表现出低强度效应。

综上所述，可见目前针对裂隙黄土力学性质，虽然开展了一些研究，但主要针对贯通性节理对黄土力学性质影响，而黄土破坏为节理裂隙受力下不断扩展、劣化土体强度的渐进式过程，因此查明非贯通节理扩展过程及其对黄土强度影响十分必要。目前节理裂隙分布差异对黄土强度影响尚不明确(成玉祥等， 2019)，而黄土节理倾角效应一直是研究热点(王丽丽等， 2020)，但目前关于黄土非贯通节理倾角变化对黄土力学影响研究鲜见。

因此，本文通过预制不同倾角的非贯通节理裂隙黄土试样，开展其强度力学特性试验，揭示了节理倾角变化对黄土力学特性影响规律。根据试验结果，分析不同节理黄土的应力-应变曲线特征、峰值强度变化和破坏模式，揭示节理倾角变化对黄土抗剪强度指标影响规律，并通过黄土抗剪强度随节理倾角、围压变化关系，分析节理试样强度随影响因素变化敏感性。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验土料

研究区位于陕西富县某工程场地，因工程建设开挖形成高陡边坡(图 1)，开挖坡面可见黄土构造节理、垂直节理、卸荷裂隙发育，开挖边坡滑塌频繁。因此为研究节理裂隙对黄土力学性质劣化、揭示黄土研究区边坡滑移机制，选取现场黄土(Q2)为研究对象，土料呈褐黄色，土质密实，天然含水率高，获取其基本物理性质指标如表 1所示。

图 1 研究区及取样点Fig. 1 Study area and sampling site

图 2 节理试样制备过程Fig. 2 Preparation process of joints samples

表 1 黄土基本物性指标Table 1 Basic physical properties of loess

1.2 试验方案与试样制备

基于现场黄土节理调查，为全面研究节理倾角对黄土力学性质影响，并充分揭示黄土节理受力扩展劣化过程，制定如下试验方案：分别开展6种展布倾角的非贯通节理(0°、30°、45°、60°、75°、90°)对黄土力学性质影响试验。试样采用重塑试样，干密度为1.7g·cm-3，初始含水率为18%，试样直径39.1mm，高80mm，预制的非贯通节理长度为20mm、宽度为0.3mm。分别对节理黄土试样开展单轴压缩试验和三轴压缩试验，以充分揭示节理黄土力学性质，三轴试验围压选取为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。

黄土贯通裂隙制备相对简单，可由试样制备完成后切割而成(成玉祥等， 2019)，也可在试样制备过程中压制而成(王丽丽等， 2020)，非贯通节理制作过程相对复杂。为制备具不同倾角的非贯通节理，首先配备工业微型电钻、钨钢微细加长钻头(直径0.3mm)，以及超细金刚砂切割线钢丝锯(直径0.3mm)，试样制备分为两步(图 2)：首先利用自制压实装置制备重塑试样，试样分5层压制，为消除试样离散性，尽量保证每层土料接触界面粗糙度一致，所有试样一次制备完成，放入保湿缸中备用。第2步为预制非贯通节理，首先利用细马克笔在橡胶膜上绘制预制节理线，确定好预制节理位置、长度及展布角度等，并按照一定间隔在节理线上绘制钻孔点位，绘制完毕将橡皮膜包裹在黄土试样上，试样两侧则均可见预制节理标注位置。其次将试样两端固定，利用微型电钻配备微细钻头沿试样表面钻孔标注点钻穿试样，按照顺序完成节理上不同标记点钻孔工作。最后利用超细金刚砂切割线钢丝锯贯通第一个钻孔点，沿节理方向顺不同钻孔点依次切割试样，最终形成贯通的预制节理。重复以上步骤即可完成不同展布角度预制节理试样的制备工作。该预制节理方法对试样扰动小，可制备出多角度、任意长度的非贯通节理(图 2)，且节理界面两侧分离、间距小，与实际黄土节理较为接近。

1.3 试验设备与方法

为开展黄土试样强度试验，试验设备选用FLSY30-1型应力-应变控制式三轴仪，采用应变控制式加载，加载速率为0.4mm·min-1，对于单轴压缩试验当轴向应变达到10%时停止试验； 对于三轴压缩试验当轴向应变达到20%时停止试验。试验过程及数据采集均由计算机伺服控制。为减小试验结果离散性，每组方案完成5个平行样试验。

2 试验结果与分析

完成14组黄土试样强度试验，获取不同节理倾角对试样剪切破坏模式、应力-应变曲线特征、峰值强度变化、抗剪强度指标影响规律，分析结果如下：

2.1 剪切破坏模式

观察黄土试样单轴压缩下破坏形态(图 3)，可见黄土试样均为剪切破坏，但因节理存在试样剪切破裂面形态有所不同。不含预制节理试样为单斜面剪切破坏模式，含预制节理黄土试样破坏模式根据剪切破裂面形态，可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型两类。当节理倾角为0°、30°、90°时，试样破坏模式为节理面与破裂面斜交型，预制节理未贯通，与剪切破裂面斜交，但预制节理尖端均产生次生裂纹，如倾角0°时节理尖端产生翼裂纹和次生倾斜裂纹，倾角30°时节理尖端产生次生倾斜裂纹，倾角90°时节理尖端产生翼裂纹和次生倾斜裂纹； 当节理倾角为45°、60°、75°时，试样破坏模式为节理面与破裂面贯通型，预制节理均与剪切破裂近共面贯通，但节理角度与尖端次生共面裂纹交角略有差异，如倾角60°时节理面与剪切破裂面呈平直单斜面，与不含节理试样破坏模式一致，倾角45°、75°时节理与次生共面裂纹呈小角度相交，但试样剪切破坏仍为典型的节理贯通型破坏。

图 3 试样剪切破坏模式Fig. 3 Shear failure modes of specimens

图 4 次生裂纹种类Fig. 4 Types of secondary cracks

综上所述，试样受压时，非贯通节理受压时尖端萌生次生裂纹，不同倾角节理尖端萌生次生裂纹种类不同，节理裂隙扩展劣化过程不同，导致试样破坏模式具有差异。不同倾角节理尖端产生的次生裂纹主要有翼裂纹、次生共面裂纹及次生倾斜裂纹3类(图 4)，其中翼裂纹是张拉裂纹，产生于节理尖端，起裂后转向最大主应力并持续扩展，次生共面裂纹和次生倾斜裂纹为剪切裂纹。

节理尖端裂纹的萌生、扩展控制着试样的宏观破坏模式。由滑动裂纹模型(Horii et al.，1985； Ashby et al.，1986)可知，沿节理面的有效剪应力是节理尖端裂纹萌生、扩展的动力，而不同倾角节理表面有效剪应力不同，因此导致试样破坏模式差异。节理倾角为0°时，预制节理与最大主应力方向垂直，节理面上有效剪应力为0，节理尖端发育的翼裂纹和次生倾斜裂纹萌生扩展与剪切破裂面斜交，试样为破裂面与节理面呈交角剪切破坏； 节理倾角为30°时，预制节理与最大主应力面交角小，节理面上有效剪应力小，试样沿节理面产生相对滑动较困难，节理尖端次生倾斜裂纹萌生扩展成剪切破裂面，试样为节理面与破裂面呈斜交破坏； 节理倾角为90°时，预制节理与最大主应力方向一致，节理面受有效剪应力为0，节理不发生相对滑动，节理尖端翼裂纹和次生倾斜裂纹萌生扩展与剪切破裂面相交或扩展成剪切破裂面，试样为节理与破裂面斜交破坏； 当节理倾角为45°、60°、75°时，节理与最大主应力方向交角大，节理面上有效剪应力大，节理尖端次面共生裂纹萌生扩展成剪切破裂面，试样为沿节理面贯通型剪切破坏，且节理角度越接近试样剪切破裂角，试样剪切破裂面与节理面越近平直。

2.2 应力-应变曲线特征

节理倾角不仅影响试样剪切破坏模式，其应力-应变曲线演化规律也有差异(图 5)，可见单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型，包含弹性变形阶段、塑性屈服阶段、软化破坏阶段、残余阶段。对比节理倾角对试样应力-应变曲线影响(图 6)，可见节理存在弱化了曲线的应变软化特征，降低了试样峰值强度。试样应力-应变曲线弹性变形段基本重合，表明节理倾角对试样弹性模量影响不大。但弹性变形阶段后区别较大，含预制节理试样剪切破坏位移均较不含节理试样小(图 7)，不同节理倾角试样剪切破坏位移随节理倾角呈“V”字型变化， 90°节理试样剪切破坏位移最大，但较不含节理试样峰值强度有所降低，塑性屈服阶段持续时间较接近； 60°节理试样剪切破坏位移最小，峰值强度最低，屈服阶段时间最短。表明节理存在显著降低黄土峰值强度，试样剪切破坏时间提前，破坏时的塑性变形量小，这是由于试样受压过程中，预制节理作为软弱面承受压力不断增大，节理尖端由于应力集中导致次生裂纹萌生、扩展，试样更易变形，试样塑性变形发展更快，同时裂纹扩展不断降低土体承载单元整体性，加速试样剪切破裂面形成与贯通速度，试样更易破坏。节理倾角越接近60°，剪切破坏点位移越小，试样峰值强度越低，试样越容易沿节理产生贯通型剪切破坏。这说明60°接近黄土试样的剪切破裂角，与图 3不含节理试样剪切破裂面实测角度基本一致。

图 5 试样应力-应变曲线Fig. 5 Stress-strain curves of samples

图 6 不同节理倾角试样应力-应变曲线Fig. 6 Stress-strain curves of samples with different joints angles

图 7 试样剪切破坏位移变化Fig. 7 Variation of shear failure displacement of samples

图8为黄土试样三轴压缩条件下的应力-应变曲线，与单轴压缩试验相比，其均为应变硬化型，试样无峰值强度。围压越大，曲线应变硬化特征越显著(图 8a)，主应力差也越大，试样塑性特征越显著，表明节理试样在高围压下不易破坏。这是由于围压增大限制试样土体侧向变形，使节理面闭合、节理界面摩擦效应增强，土体不易变形、节理不易扩展，因此试样压硬性增强，强度不断提高。同时节理存在降低黄土试样强度，试样主应力差随节理倾角增大呈先减小后增大趋势(图 8b)，同一围压下不同节理倾角试样应力-应变曲线的弹性变形段基本重合，说明节理倾角对试样弹性模量影响较小，但屈服及强化阶段具有差别， 45°、60°、75°倾角节理试样越早进入屈服阶段，但强化阶段曲线越靠下，强度越低，并且节理角度变化对试样应力-应变曲线特征影响随围压越大而减弱。

图 8 不同围压下试样应力-应变曲线Fig. 8 Stress-strain curves of samples under different confining pressure a. 不同围压； b. 不同节理倾角

图 9 试样峰值强度随节理倾角变化Fig. 9 Variation of peak strength of samples with joints angle a. 峰值强度变化; b. 峰值强度劣化程度

综上所述，节理存在劣化试样抗变形能力，节理角度越接近试样剪切破裂角，试样剪切破坏位移越小，试样剪切破坏提前，破坏时塑性变形量越小，试样越容易破坏。

2.3 强度特性

节理对试样峰值强度影响如图 9所示，可见试样峰值强度随节理倾角增大呈先减小后增大趋势(图 9a)，两者关系呈“V”形变化。定义峰值强度劣化系数为节理试样与不含节理试样峰值强度差与不含节理试样峰值强度之比，用以表征节理对试样强度影响，由图 9b可见节理存在显著降低试样峰值强度，强度降低为8.4%～41.1%之间。60°节理试样峰值强度最低，为不含节理试样峰值强度的58.9%，峰值强度劣化程度最大，这与试样破坏模式有关。由三轴压缩试样获得黄土试样内摩擦角为30°，因此试样剪切破裂面角度为60°。节理角度60°与黄土试样剪切破裂角相同，节理受压后尖端萌生的次生裂纹越容易与剪切破裂面扩展贯通，试样越易剪切破坏，峰值强度越小。当节理倾角小于60°时，试样峰值强度随节理倾角增大而降低，这是由于试样节理倾角越接近剪切破裂角，节理面的有效剪应力越大，节理尖端的次生共面裂纹不断萌生扩展，试样越易沿节理面产生剪切破坏，破坏模式由节理面与破裂面斜交型逐渐转变为节理面与破裂面贯通型，试样更易破坏，峰值强度不断降低。当节理倾角大于60°时，试样峰值强度随节理倾角增大而增大，这是由于节理倾角与剪切破裂角差值增大，节理面上有效剪应力逐渐减小，节理尖端的剪切裂纹逐渐减少，张拉裂纹不断萌生扩展，试样越不易沿节理面剪切破坏，试样破坏模式由节理面与破裂面贯通型向节理面与破裂面斜交型过渡，试样破坏难度增大，峰值强度不断提高。

图10为试样残余强度随节理倾角变化关系，可见残余强度随节理倾角增大整体上呈先减小后增大趋势(图 10a)，由残余强度劣化系数变化可见界面存在显著降低试样残余强度(图 10b)， 0°、90°倾角节理试样残余强度相差不大，较不含节理试样残余强度降低10%。30°、45°、60°、75°倾角节理试样残余强度相差不大，较不含节理试样残余强度降低34%，这是由于该倾角范围内节理试样剪切破坏模式均为节理贯通型，残余强度为试样沿剪切破裂面间摩擦强度，因此残余强度相差不大，但与含节理试样相比，节理试样剪切破裂面一部分为预制节理面，预制界面间的摩擦阻力小，因此剪切破裂面间的摩擦强度小，残余强度低。整体可见沿节理面贯通剪切破坏试样的残余强度较节理面与剪切破裂面斜交破坏试样的残余强度低。

图 10 试样残余强度随节理倾角变化Fig. 10 Variation of residual strength of samples with joints angle a. 残余强度变化； b. 残余强度劣化程度

图 11 试样抗剪强度与节理倾角、围压变化关系Fig. 11 Variation of shear strength with joints angle and confining pressure

综上所述，节理试样强度随节理倾角及围压变化，为分析其变化敏感性，绘制试样抗剪强度随节理倾角、围压空间变化图(图 11)，可见其空间展布近似呈“V”型面。其中试样强度均随节理倾角增大近似呈“V”形变化，表明节理倾角对试样强度影响存在极值，该角度与黄土试样剪切破裂角有关，与围压无关。随围压增大，试样强度不断增大，但强度随节理倾角变化的“V”型开口逐渐变大，表明随围压增大节理角度对试样强度影响幅度逐渐降低，这是由于围压增大，试样压硬性越强，因此节理倾角变化对试样强度影响幅度降低。

绘制节理试样抗剪强度指标变化如图 12所示，可见其随节理倾角增大均呈“V”字形变化，试样黏聚力随节理角度增大呈先减小后增大趋势(图 12a)，与峰值强度变化规律相同， 0°倾角节理试样黏聚力最大， 60°倾角节理试样黏聚力最小。试样内摩擦角随节理倾角变化幅度不大(图 12b)，在4°范围内波动。由上可见节理存在对黄土试样抗剪强度指标具有明显劣化作用，这是由于节理裂隙作为宏观界面，降低了界面两侧土体间黏聚强度与剪切破坏后界面间的摩擦强度，且节理倾角越接近试样剪切破裂角，剪切破裂面越易沿节理面贯通，因此节理试样抗剪强度指标整体降低，并且节理倾角越接近60°，试样抗剪强度指标劣化程度越大。

图 12 试样抗剪强度指标变化Fig. 12 Variation of shear strength index a. 黏聚力与节理倾角关系； b. 内摩擦角与节理倾角关系

3 结 论

本文通过开展含预制节理试样单轴与三轴压缩强度试验，揭示了非贯通节理劣化扩展过程及贯通模式，探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律，主要得到以下结论：

(1)节理试样破坏模式为典型压剪破坏，节理存在对剪切破裂面扩展具有引导作用。节理面受压后尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生扩展，加速试样剪切破坏过程，节理倾角与试样剪切破裂角越接近，试样越易沿节理面剪切破坏。

(2)单轴压缩下节理试样应力-应变曲线均呈应变软化型，节理存在弱化应变软化特征。预制节理对试样弹性模量影响不大，但降低试样屈服阶段变形模量，减小试样剪切破坏位移，加速试样剪切破坏。

(3)节理存在显著降低试样强度，峰值强度及残余强度均随节理倾角呈先减小后增大变化趋势。节理倾角对试样抗剪强度指标劣化明显，黏聚力随节理倾角变化较为敏感，呈“V”形变化趋势。

(4)非贯通节理倾角与试样剪切破裂角越接近，节理受压后越易劣化扩展形成剪切面，节理倾角60°左右试样强度性质劣化最显著。实际黄土节理倾角角度较大，节理对黄土力学特性影响不可忽略。