湿陷性黄土力学性质与裂隙发展干湿循环效应

尹今朝 胡同

摘 要：黄河中游地区广泛存在湿陷性黄土，对黄土试样进行干湿循环处理后，开展土工三轴剪切试验，同时记录样品表面裂缝的拓展特点，探究干湿循环对黄土强度与裂隙发展规律的影响。试验结果表明：黄土样品的应力应变关系均为“硬化型”，有效内摩擦角与黏聚力指标随循环次数增加分别呈指数型和线性下降趋势;提取裂隙率作为表面裂隙的量化指标，黄土的裂隙率与循环次数之间为指数型关系;干湿循环作用使得黄土颗粒间的微裂隙逐渐扩张，干密度顯著减小，这是导致表面裂隙改变和力学性能衰减的本质原因。

关键词：湿陷性黄土;干湿循环;裂隙特征;三轴试验;微观形态

中图分类号：TV41;TU525 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.029

引用格式：尹今朝，胡同.湿陷性黄土力学性质与裂隙发展干湿循环效应[J].人民黄河，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

湿陷性黄土是我国黄河中游地区分布广泛的第四纪沉积物，具有可压缩性强、垂直节理与裂隙发育等特点，浸水后容易发生湿陷，失水后容易发生干裂，故称之为“湿陷性黄土”[1]。黄河中游地区的自然环境较复杂，渠道、水库和大坝等水利工程边坡发生滑坡、崩塌和泥石流等工程事故的隐患较大。在人类活动与气候变化双重作用的影响下，湿陷性黄土的力学性质会发生衰变，严重影响水利工程边坡的安全建设和运营[2]。前人研究表明，反复的干湿循环作用会导致黄土内部的可溶性胶结物质发生溶解和析出，加速黄土边坡工程性能的劣化[3]。由于地下水的反复波动与雨水的入渗，湿陷性黄土频繁处于干湿循环的过程中，导致黄河流域水利工程边坡稳定安全性存在一定隐患[4]，因此开展湿陷性黄土受反复干湿循环作用的影响研究具有重要现实意义[5]。

湿陷性黄土孔隙度高，浸水后颗粒结构与力学特性会被严重损伤[6-7]。Yan等[8]开展不同干湿循环次数下原状和重塑黄土样品的无侧限压缩试验，并给出了样品相对动弹性模量和质量损伤率之间的定量关系;袁志辉等[9]对湿陷性黄土重塑样开展卸荷剪切试验，分析了抗拉性能和干湿循环损伤程度的关系;程佳明等[10]对水泥固化黄土在侵蚀环境下的干湿循环效应开展试验研究，得到了不同干湿循环次数对试样的抗剪强度指标弱化程度，并讨论了水泥改性对黄土力学性质的影响规律;叶万军等[11]对干湿循环作用下黄土开展面积裂隙率定量分析，同时观测裂隙开展的形态和深度，研究了黄土裂隙发展的微观机理。

本文以黄河流域安阳段的湿陷性黄土为对象，利用裂缝发展特征观测与三轴剪切试验研究了黄土裂隙特点和强度性质，分析了湿陷性黄土在干湿循环条件下的强度劣化机理，旨在为黄土分布地区的工程建设提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 湿陷性黄土

本文所用的黄土取自安阳市的一处水库边坡。土样收集处边坡的实拍图像如图1所示。可以看出，长期的干湿循环使得黄土边坡具有明显的层状剥落结构，剥落层表面广泛分布着白色的晶体，且坡面的裂缝较为发育。该现象说明反复的干湿循环导致边坡内部的黄土结构发生重塑。

本试验采用的湿陷性黄土颗粒级配曲线测定结果如图2所示。可以得到，该地区黄土的不均匀系数Cu约为3.05，曲率系数Cc约为1.27（基本物理性质指标见表1）。

1.2 制备样品

试验前先制备湿陷性黄土的重塑样品，采用分层击实的方法进行。力学测试的样品直径为38 mm、高度为80 mm，裂隙观测所用的样品直径为61.8 mm、高度为20 mm。在前期试验结果的基础上确定了重塑土最大干密度为1.58 g/cm3，最优含水率为15.2%。由无侧限压缩试验发现重塑土的无侧限抗压强度为0.13 MPa。

1.3 干湿循环处理

在试样制备完成后，对湿陷性黄土的重塑样进行干湿循环试验，步骤如下：①将黄土重塑样平放于钢制柱状饱和器内，对其进行抽气饱和。②将样品连同饱和器一同浸泡在水面下12 h。③将水槽中的水排空，将试样放入干燥箱中，在温度40 ℃左右的环境中使土体脱湿12 h。

2 试验结果

2.1 黄土的开裂行为

使用单反相机对干燥后的黄土试样表面裂隙进行观测。对5组不同干湿循环次数n的试样进行观测，得到各试样的表面开裂行为特征，以0次循环的黄土试样为例，干燥后的试样状态如图3（a）所示，在图像中截取一个正方形区域的土样图像（如图3（b）所示），利用图像处理软件image J将图像进行二值化处理，提取出裂隙形态的图像，如圖3（c）所示。

按照上述图像处理方法获得了不同干湿循环次数下黄土样品表面的二维裂隙特点，结果如图4所示。根据图3和图4所示的干燥后的黄土表面二维裂隙图像可以看出，干湿循环作用对黄土的开裂行为有明显的影响。在对黄土的裂隙图像进行二值化处理后，统计图像中的表面裂隙面积Anc和样品横断面的面积An，据此可以计算黄土样品的裂隙率Rn。

式中：dn1和dn2为不同干湿循环次数下试样端面方形的两条边长。

通过裂隙率评价黄土受干湿循环影响的结构损伤程度[12-13]。根据二值化方法计算得到黄土裂隙率Rn和干湿循环次数n的关系曲线，如图5所示。黄土样品的Rn与n为指数型关系函数，且式（2）的曲线拟合程度较高。

Rn=5.275-2.187e（-n+0.12）/3.137（2）

2.2 三轴强度指标

对湿陷性黄土样品开展了三轴固结不排水CU剪切试验，获取了不同循环次数与围压条件的应力—应变关系曲线，如图6所示。图6中的曲线均呈“应变硬化”的曲线变化特点。干湿循环次数n越大，湿陷性黄土样品的剪切强度越小，且在第一次干湿循环处理后的强度衰减程度最高。从图6还可以看出，5～10次干湿循环的黄土强度变化幅度相对平缓，说明在干湿循环后期强度衰减程度逐渐趋于稳定。

经过对不同固结围压下应力—应变关系曲线进行回归分析，得到强度参数与干湿循环次数的关系曲线。图7所示的曲线表明，湿陷性黄土样品在干湿循环前的有效黏聚力c=26.5 kPa、有效内摩擦角φ=20.2°，随着干湿循环次数n增加，湿陷性黄土的c和φ均有所减小，且c下降幅度更明显。对黄土样品的强度指标进行拟合分析，发现φ与n为线性负相关关系，c与n为指数型负相关关系，且拟合结果误差较小。拟合得到的预测公式分别为

2.3 裂隙率与强度指标的关系分析

由样品表面裂隙观察和固结不排水剪切试验结果（见图8）。可以看出：随着干湿循环次数n增加，湿陷性黄土样品的强度指标逐渐衰减，表观裂隙率逐渐提高，两者的变化趋势较同步。分别建立了c、φ与Rn的数学方程。根据数据拟合分析将c与n的数学关系用线性方程拟合，将φ与n的数学关系用二次方程拟合。拟合的结果证明了黄土样品的裂隙率可以较为合理地预测土体宏观力学性能指标，干湿循环对湿陷性黄土产生了显著的损伤作用[14]。图8 裂隙率与土体强度参数的关系

2.4 黄土的微观形态

湿陷性黄土干湿循环损伤的微观形态可以由扫描电镜（SEM）结果反映，如图9所示。在500倍放大图像中可以看出：经历0次干湿循环的黄土颗粒排列较密实，内部微裂隙尺寸较小，数量较少;经历2次干湿循环后，土体内部裂隙结构有明显变化，新生裂隙的数量和长度开始增多;经过5次和10次干湿循环后，土体内部的裂隙范围不断扩张，结构愈发疏松。

为了进一步分析黄土强度的衰变机理，进行了不同干湿循环次数后黄土试样的干密度测试。通过测量环刀样的烘干质量，计算得到干湿循环次数为0、2、5、10次时对应干密度分别为1.58、1.51、1.43、1.38 g/cm3，可以看出随着干湿循环次数增多，黄土的干密度逐渐减小。影响重塑黄土抗剪强度指标的主要因素为含水率和干密度，对于饱和试样而言，干密度降低会对其力学性能产生重要影响。结合叶万军等[15]的研究成果，在多次干湿循环作用下，湿陷性黄土内部颗粒间的孔隙水发生反复多次的蒸发和吸水，导致结构的致密性降低，干密度减小，从而使其强度特性减弱。因为黏聚力比内摩擦角更依赖于土体的黏结特性，而干湿循环破坏了土体黏结性能，所以干密度下降的现象对黏聚力的影响远大于对内摩擦角的[16]。

3 结 论

湿陷性黄土在干湿循环过程中表现出明显的开裂现象，新生裂隙的尺寸与数量随干湿循环进行呈指数型增长趋势，随着干湿循环次数增多，裂隙率呈指数型增长特征。

湿陷性黄土的应力应变关系呈“硬化型”特点，随着干湿循环次数增多，有效黏聚力和内摩擦角分别呈指数型和线性下降特征。

湿陷性黄土样品的力学特性和土体结构在干湿循环中的变化规律具有同步性，有效黏聚力、内摩擦角与裂隙率的关系分别可用线性和二次函数拟合。

微观结构的改变是黄土表面裂隙扩张和强度指标降低的本质原因。根据SEM扫描结果发现干湿循环使得黄土内部的胶结物流失，干密度显著减小，进而使得土体裂隙扩张和力学性能下降。

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【责任编辑 张华岩】