干湿-冻融循环条件下膨胀土剪切特性的劣化机制研究

张 浩，张凌凯

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆，乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆，乌鲁木齐 830052)

新疆地处亚欧大陆腹地，属于典型的干旱、半干旱地区，降水稀少，存在严重的资源型缺水问题[1]。基于此，新疆建设了一批长距离输水明渠工程。例如北疆供水一期工程，该工程31.6%的区域经过膨胀土区域，在季节气温交替变化及渠道历年夏季通水、冬季停水的运行方式共同作用下[2]，土体表面和内部常常发育大量错综复杂的裂隙网络[3-4]，渠基土逐渐劣化，尤其在黏粒含量较高的膨胀土中，这种现象更加普遍和典型，裂隙对土体的工程性质有重要影响[5-6]，是许多工程地质问题的直接或间接原因[7]。在膨胀土灾害频发的背景下，膨胀土经过干湿-冻融循环条件下劣化机理等问题引起了越来越多学者的关注[8-10]。

对于裂隙性指标，冷挺等[11]、杜泽丽[12]对膨胀土进行干湿循环处理，提出一系列裂隙量化指标，分析了不同含水率和不同循环次数对裂隙发育的影响。袁俊平等[13]利用光学显微镜对膨胀土裂隙变化进行定量观测，认为裂隙图像的灰度熵可以很好的表示裂隙发育程度，可作为裂隙发育评价指标。唐朝生等[14]对室内不同土体进行干燥试验，利用图像处理技术对裂隙图像进行预处理，提出了一整套裂隙网络度量指标体系，在统计学角度探讨了裂隙的分布特征。TANG 等[15]为研究温度、干湿循环等对土体裂隙的影响，开发了裂隙图形分析系统(CIAS)，试验结果表明，温度、土体厚度及干湿循环等因素对土体裂隙的几何结构产生重大影响。VELDE[16]通过分析裂隙网络的分形维数，对裂隙夹角进行计算，并综合拓扑学方法，选取欧拉数对裂隙网络的连通性进行衡量。TOLLERNAAR 等[17]研究了在不同的初始和边界条件下对黏土干缩开裂的影响。ZHU 等[18]对土样进行干湿循环，利用三维显微镜和压汞仪揭示土样的粗糙度和微孔特性。上述研究对评价裂隙发展发挥了重要作用，有着一整套的评价指标，但存在着表达不够直观等问题，需用多个评价指标共同来评价裂隙的连通性。

关于裂隙性与抗剪强度的关系方面，曾铃等[19]开展了室外裂隙原位试验及试样直剪试验，拍摄不同干湿循环次数下裂隙图像，构建抗剪强度与裂隙参数关系模型。刘华强等[20]、蔡正银等[21]、张晨等[22]以及LU 等[23]进行了干湿循环、冻融循环作用下试样表面裂隙演化规律试验研究，发现干湿循环、冻融循环作用下土体抗剪强度参数均随裂隙发育程度增加而降低，裂隙参数均随干湿循环次数分为迅速增长、缓慢增长、趋于平缓3 个阶段。研究表明，循环作用下膨胀土的抗剪强度损失主要来源于循环作用产生的裂隙，并提出了描述循环作用下试样表面裂隙发育过程的量化参数。苗胜军等[24]通过开展循环加卸载转单调加载试验和疲劳破坏试验，揭示循环荷载下泥质石英粉砂岩的变形和力学响应特征。LI 等[25]采用通过模拟补水季节性冻土区的实际冻结边界条件，利用冻融试验和直剪试验相结合的方法，探究浅层膨胀土的抗剪强度特性。

在微观物理机制方面，王永东[26]、戴张俊等[27]利用扫描电镜(Scan Electric Microscopy, SEM)研究不同土样的微观图像，并对图像进行定量分析，得到土粒的形状特征参数，探究不同土样的微观参数与宏观工程特性之间的联系。郭金喜[28]通过扫描电镜技术，研究了脱湿过程中试样表面和断面的微观形态、孔隙结构、孔径、微观裂隙的变化，直观地反应试样的微观变化。HIROAKI 等[29]采用纳米焦点X 射线CT、X 射线衍射结合三维显微结构分析，研究了不同溶胀性能的致密蒙脱石在不同干密度时的显微结构。ZENG 等[30]利用扫描电子显微镜(SEM)，压汞法(MIP)和氮吸附(NA)技术对两种延吉泥岩的孔隙结构进行循环。结果表明干湿-冻融循环使重塑的黄棕色泥岩的孔隙更加混乱和平坦，由于裂缝和大孔隙的形成导致聚集体内部孔隙体积的增加。梁维云等[31]、张意江等[32]学者通过压汞试验、显微观测与SEM 扫描电镜试验，研究了膨胀土微观孔隙结构与压缩特性之间的关系，揭示了土体的微观机理。胡传林等[33]对 C-S-H 微观力学性能进行解析和设计，提高水泥基材料宏观力学性能。CHANG 等[34]利用扫描电镜和X 射线衍射试验分析了酸雨循环干湿后膨胀土的微观结构和矿物组成的变化。探讨酸雨和干湿循环对膨胀土膨胀变形和裂隙发育的影响机理。

综上所述，目前国内外学者在膨胀土剪切特性及微观机理方面的研究已取得明显进展，但以裂隙为评价指标，将宏观力学特性，细观裂隙描述以及微观机理阐释三个角度分析膨胀土经过干湿-冻融循环的剪切特性的劣化机理研究较少。鉴于此，本文从裂隙性指标、宏观力学性质与裂隙的关系以及微观机理三个方面展开研究，通过实时拍摄不同干湿-冻融循环次数下试样裂隙扩展图像，基于裂隙图像特征参数对各阶段裂隙进行定量化描述，并提出新的裂隙性指标，进而构建膨胀土的宏观力学性质与裂隙参数关系模型，并通过电镜扫描观察微观结构变化，阐述其物理机制变化。

1 工程概况

1.1 试验材料

试验所用膨胀土取自北疆供水一期工程总干渠某挖方段的黄色泥岩，具有强膨胀性，颜色呈土黄色，带有少量青色杂质，具有较好的代表性。取一定质量土样进行基本物理性质试验，该土粒的不均匀系数Cu为33，曲率系数Cc为0.33，属于不良级配。采用轻型击实试验测定最优含水率和最大干密度，基本物理性质如表1 所示。X 射线衍射谱如图1 所示，测定膨胀土的矿物成分如表2 所示。

图1 膨胀土X 线衍射图谱Fig.1 X - ray diffraction pattern of Expansive Soil

表1 膨胀土基本物理性质指标Table 1 Index of basic physical properties of expansive soil

表2 膨胀土矿物成分及含量 /(%)Table 2 Mineral composition and content of expansive soil

1.2 试验方案

1.2.1 试样制备

先将膨胀土自然风干24 h，重复碾压，并过2 mm 土工筛，以18.9%的含水率，1.60 g·cm-3的干密度为制样标准，用喷壶向干土样中加水，拌合均匀后放入密封袋，并密封于保湿缸内静置2 天。48 h 之后用土盒盛取土样，进行含水率的校核。试样通过轻型击实法制备高20 mm，直径61.8 mm 的重塑环刀样。

1.2.2 循环方案

表3 为试验方案示意表，由表可知，干湿-冻融循环分为干湿循环和冻融循环两部分：① 干湿循环，湿润过程采用抽气饱和法模拟渠基土湿润过程(试样抽气2 h，浸泡10 h)，干燥过程参考北疆供水一期渠道沿线地温分布，确定干燥阶段边界温度为40 ℃，干燥过程在烘箱中进行12 h，约烘干至天然含水率14.8%；② 冻融循环，冻结和融化阶段均在GDJ/YH-225 L 高低温交变湿热试验箱中进行，温度及持续时间分别对应-20 ℃，24 h和20 ℃，24 h。试验共进行9 次循环。

表3 试验方案示意表Table 3 Test plan schematic table

1.3 试验方法

1.3.1 细观裂隙图像处理

试样过筛碾碎后通过轻型击实法制备高20 mm，直径61.8 mm 的重塑环刀样。将膨胀土试样共进行干湿-冻融循环9 次。用铁架台将数码相机固定，确保相机取景方向垂直于试样表面，并固定相机镜头与膨胀土试样之间的间距，拍摄试样干湿-冻融循环1 次、3 次、5 次、7 次、9 次的裂隙图像。

由于裂隙与土块的差异体现在色彩上，不能直接用于数据分析，需要进行一系列的预处理操作。裂隙图像的预处理包含3 个步骤，见图2 所示：① 二值化处理，选取一个合适的灰度阈值，使裂隙和土块分别以黑色和白色图像显示，实现裂隙与试样二者的分离；② 降噪处理，由于土样中常常存在杂质，图像经过二值化处理后，土块的白色区域内存在孤立黑点或黑色小块，孤立黑点或黑色小块会对后期的定量分析结果产生误差；③ 指标提取，通过对裂隙网络进行骨架化处理，根据膨胀土裂隙的分布密度、长度、宽度、条数等裂隙图像的主要构成要素，选取裂隙率、裂隙长度及裂隙条数等[14]裂隙相关定量参数，上述相关操作在Image-J 图像处理软件中实现。

图2 裂隙处理过程Fig.2 Fracture treatment process

1.3.2 宏观抗剪强度试验

采用ZJ 型应变控制式直剪仪，对经过干湿-冻融循环1 次、3 次、5 次、7 次、9 次试样进行快剪试验，每组四个试样，轴向压力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，操作步骤均严格按《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)要求执行，并计算其抗剪强度参数，建立干湿-冻融循环作用下膨胀土裂隙参数和抗剪强度参数间的关系曲线。

1.3.3 微观扫描颗粒试验

将1 次、3 次、5 次、7 次、9 次干湿-冻融循环后的膨胀土环刀试样放置烘箱中，待其完全烘干后，选取具有代表性的新鲜面作为扫描面并切片制样，对试样表面进行真空离子束溅射喷金镀膜。将试验试样分别放大250 倍、1000 倍、2000 倍、4000 倍、8000 倍和10 000 倍，定性分析土体微观结构图像，利用 Image-J 软件对放大10 000 倍的SEM 微观图像进行二值化、颗粒识别等预处理，如图3 所示，揭示干湿-冻融循环作用对颗粒微观结构及颗粒间孔隙的影响规律。

图3 SEM 图像微观结构处理Fig.3 SEM image microstructure processing

1.3.4 试验流程

图4 为膨胀土的干湿-冻融循环试验流程，首先将膨胀土按照最优含水率，天然干密度制环刀样，采用抽气饱和法模拟湿润过程，干燥过程在烘箱中进行，冻结和融化阶段均在高低温交变湿热试验箱中进行，试验共进行9 次循环。在应变控制式直剪仪上进行直剪试验，其次利用image-J进行裂隙指标提取，建立膨胀土裂隙参数和抗剪强度关系曲线，最后使用扫描电子显微镜进行微观扫描，揭示颗粒结构变化规律，具体试验流程如图4 所示。

图4 膨胀土的干湿-冻融循环试验流程Fig.4 Drying-wetting-freezing-thawing cycle test flow of expansive soil

2 裂隙性指标的提出

2.1 裂隙性指标的评价

表4 为膨胀土裂隙评价指标，表面裂隙率Rsc定义为裂隙面积与 试样面积A之比，该指标从总体上反映了土体的开裂程度，但不能反应裂隙的分布[13]；裂隙条数Nseg定义为各裂隙条数Ni相加，该指标反映了土体的土体的裂隙的多少，但存在量度指标单一的问题[14]；裂隙总长度Lsum[14]及裂隙平均长度Wav[19]定义为各裂隙长度Li相加及总长度Lsum与裂隙条数Nseg的比值，该指标可反映土体的裂隙的成长情况，但存在表达不够直观的问题；裂隙相交点数En定义为各裂隙点数Ei相加，该指标一定程度上反映了土体的破碎程度，但不能反应裂隙发展[19]；长径比C定义为裂隙总长度Lsum与试样初始直径D之比，该指标可以客观的比较不同尺寸试样裂隙的相对长度，但对同尺寸试样裂隙无法直观描述[35]。故本文提出了一种新的可描述裂隙连通性的新指标。

2.2 裂隙指标变化规律

图5 为裂隙指标随干湿-冻融循环次数变化曲线，由图5 可知，第一行由左向右依次为表面裂隙率、裂隙条数以及裂隙总长度，第二行左向右依次为裂隙平均长度、裂隙相交点数以及长径比，六个裂隙评价指标均为第一次干湿-冻融循环增长幅度最大，增长幅度分别达到48%、58%、36%、63%、41%以及36%，随后经过循环的土样裂隙也有增加，但增长幅度均小于第一次，循环到达第5 次时，裂隙发育达到最终程度的85%、88%、90%、102%、87%以及90%，第5 次之后，土样裂隙发展趋于稳定，其中裂隙平均长度略有下降。

2.3 新指标的提出及变化分析

总结各类膨胀土裂隙性评价指标，难以对膨胀土裂隙进行全面的连通性描述，为了更好描述膨胀土裂隙的连通性，建立合理的评价指标，故通过相交点数和裂隙条数来定义裂隙网络的连通性，Q的关系式如式(1)所示：

式中：En为相交点数；Nseg为裂隙条数。Q的取值范围为 0≤Q<1 当Q等于零时，表明所有裂隙均为独立的个体，没有相交；而Q趋近于1 时，表明绝大部分裂隙相互连接成相互贯通的裂隙网络，裂隙分布更为复杂。

图6 为不同干湿-冻融循环次数下膨胀土裂隙变化规律，由左向右依次为第1 次、3 次、5 次、7 次、9 次循环后裂隙图像。由图6 可知：① 裂隙发育在第一次干湿-冻融循环后有较大变化，随着干湿-冻融循环次数的增加，第五次循环后裂隙的增长幅度逐渐减小，裂隙发育逐渐趋于稳定；② 试样主裂隙首先在土样下表面出现，裂隙宽度增加，伴随大量的微小裂隙的发展，随着循环次数的增加，发育的裂隙为沿着主裂纹周边生成的微小裂隙。

图6 不同循环次数试样表面裂隙图像Fig.6 Surface crack images of samples with different cycles

图7 为Q随干湿-冻融循环次数变化曲线图像，Q随干湿-冻融循环次数的增加而增加，第1 次干湿-冻融循环下Q变化最为显著，而后变化速度变缓，第5 次之后，Q值发展趋于稳定。

图7 裂隙指标Q随干湿-冻融循环次数变化曲线Fig.7 Curve of fracture indexQchanging with dryingwetting-freezing-thawing cycles

分析原因可知：随着干湿-冻融循环次数的增加，土体开裂程度增加。张拉应力是影响膨胀土裂隙发育的重要影响因子，干湿-冻融循环过程中张拉应力在土体中的分布并不均匀，当张拉应力大于土颗粒间的联接强度时，土体就会产生裂隙。再次进行抽气饱和后，裂隙逐渐消失，当再次进行干湿-冻融循环时，消失的裂隙会首先产生，新的裂隙会在原有的裂隙的基础上继续发展，在干湿-冻融循环进行到一定程度时，裂隙发育程度增大，试样被裂隙割裂成多个小土块，土块的尺寸越小，含水率更容易达到平衡，土块内部要出现较高含水率就越困难，当土体裂隙发育到一定程度时，土体产生的拉应力小于土体的抗剪强度，土体将不再产生裂隙，故第五次循环以后较难产生新的裂隙。

3 宏-细-微观力学机制研究

从膨胀土的宏观-细观-微观角度，建立裂隙参数与剪切强度指标关系曲线、裂隙参数与微观指标关系曲线以及剪切强度指标与微观指标的关系曲线，分析膨胀土在干湿-冻融循环条件下的劣化机理。研究思路如图8 所示。

图8 宏-细-微观研究思路Fig.8 Macro-mesoscopic-micro research ideas

3.1 强度特性与裂隙指标的关系(宏观↔细观)

3.1.1 剪切强度指标与循环次数之间的关系

图9 为强度参数c、φ与干湿-冻融循环次数之间的关系曲线，由图9 可知，随干湿-冻融循环次数N增长，膨胀土试样的裂隙逐渐发展，膨胀土的强度逐渐降低，其中，膨胀土的黏聚力c值随干湿-冻融循环次数N增加而不断衰减，第一次循环后强度衰减幅度最大，降幅达到初值的50%，经5 次干湿循环后，黏聚力的降幅已达初值的65%，在经历第五次循环后，黏聚力c逐渐趋向于一稳定值；内摩擦角φ受干湿-冻融循环的影响不大，基本处于一稳定值，在5.37°～6.59°之间振荡，基本上不受干湿-冻融循环作用影响。

图9 强度参数c、φ与干湿-冻融循环次数之间的关系曲线Fig.9 The relationship between strength parameterscandφand the number of drying-wetting-freezing-thawing cycles

为了预测干湿-冻融循环次数N对膨胀土抗剪强度c、φ的影响，对图9 中变化规律进行拟合，具体拟合函数关系式如下：

分析原因可得：① 膨胀土试样经过干湿-冻融循环作用，土体内部产生大量裂隙，破坏土体整体性，试样抗剪强度降低，黏聚力随干湿-冻融循环次数的增加呈现出下降的趋势，而后变化变缓最终趋于稳定，黏聚力主要组成部分为胶结力，干湿-冻融循环过程中膨胀土试样含水率反复变化以及冻胀力通常会导致颗粒间胶结力的破坏，胶结力作为相邻土体颗粒之间的相互吸引力，随着土中孔隙的形成，相邻分子间的相互作用力逐渐减小，故黏聚力显著降低；② 经过干湿-冻融循环膨胀土的内摩擦角有一定的变化，但变化基本稳定在一个稳定值，影响内摩擦角大小的主要是表面摩擦力和土粒之间的镶嵌作用而产生的咬合力，取决于土体本身，因此，内摩擦角随干湿-冻融循环次数的变化很小。

3.1.2 黏聚力c与Q之间的关系

上述研究表明，裂隙影响土体剪切强度主要通过影响膨胀土的黏聚力c，故建立膨胀土黏聚力c与裂隙参数Q的关系曲线开展深入研究，图10 为Q与 黏聚力c之间的关系曲线，由图10 可知：膨胀土裂隙的发育对膨胀土的强度影响十分显著，裂隙参数Q与 黏聚力c拟合变化曲线呈线性变化，即膨胀土试样裂隙参数Q增加，黏聚力c呈持续减少趋势。

图10Q与 黏聚力c之间的关系曲线Fig.10 The relation curve betweenQandc

通过数据进行拟合，分析膨胀土抗剪强度参数与裂隙参数的关系，关系式为：

分析原因可得：随着干湿-冻融循环次数的增多，土体内部不断经历湿润-干燥-冻结-融化，水分不断迁移，导致裂隙的数量随着干湿-冻融循环次数的增加而增加，而且裂隙的产生会导致胶结物的减少，最终导致膨胀土试样的黏聚力随着裂隙参数Q的增加而减小。

3.2 裂隙指标与微观结构的关系(细观↔微观)

将试验试样分别放大250 倍、1000 倍、2000 倍、4000 倍、8000 倍和10 000 倍获得扫描电镜结果，经比较，取放大2000 倍图像进行定性分析，取放大10 000 倍图像进行定量分析。

3.2.1 扫描电镜结果的定性分析

图11 为不同干湿-冻融循环次数下膨胀土放大2000 倍的图像，由图11 可知，未进行过干湿-冻融循环的试样微观层面相对平整，微观颗粒主要为较大的聚集体，局部黏粒组呈平层片状，较大的集聚体间主要呈面-面接触形式，微观结构相对牢固。随着干湿-冻融循环的进行，土体孔隙和结构发生了明显变化，部分较大土粒聚集体经过干湿-冻融循环逐渐分离变小，原有紧密结构消失，颗粒破碎严重，出现许多新的微小裂隙，局部薄片状颗粒卷曲，粒间孔隙贯通，微观土体结构整体变得松散。

图11 不同干湿-冻融循环次数下膨胀土放大2000 倍的图像Fig.11 The image of expansive soil magnified 2000 times under different drying-wetting-freezing-thawing cycles

3.2.2 微观结构定量分析

通过Image-J 软件对不同循环次数的土样的SEM 图像进行微观信息处理，量化不同循环次数下的土体颗粒形态变化，限于篇幅，仅展示试样历经 0，1 次干湿-冻融循环后在放大10 000 倍下的 SEM 微观图像，图12 为不同干湿-冻融循环次数下膨胀土放大10000 倍图像，其结果如表5 所示。由表5 可知，微观结构在干湿-冻融循环作用下，颗粒总数逐渐增多，但颗粒总面积及颗粒平均尺寸等微观指标逐渐减小，由于干湿-冻融循环的作用，含水率反复变化，水分在试样内部反复迁移，反复冲刷试样内部以及原有孔隙，以及冻融循环的冻胀作用，较大的土粒聚集体经过循环逐渐分离变小，逐渐形成新的孔隙，循环次数达到5 次时，试样颗粒基本参数逐渐趋于稳定，在土粒间的黏聚力大于张拉应力，颗粒将不再破碎，试样表面将不会再产生裂隙，且由于进行微观扫描试验需将试样进行完全风干操作，易破坏试样的原有微观结构，存在细小误差，因此干湿-冻融循环条件下微观结构的影响有待进一步研究。

图12 不同干湿-冻融循环次数下膨胀土放大10 000 倍图像Fig.12 The image of expansive soil magnified 10 000 times under different drying-wetting-freezing-thawing cycles

表5 微观定量分析Table 5 Microquantitative analysis

3.2.3 灰色关联度分析

为确定各微观参数对裂隙指标的影响程度，引入灰色关联度的概念[36]。灰色关联度计算步骤如下所示。

1)确定参考序列和比较序列

选取裂隙参数Q为参考序列，选取颗粒总数、颗粒总面积等微观参数为对比序列：

2)无量纲化处理

式中：i=1, 2, ···,n；k=1, 2, ···,m。

3)计算灰色关联系数

式中：k=1, 2,···,m；j=1, 2,···,n，n为被评价对象的个数； ρ为分辨系数。

4) 关联度的计算

式中， γi为关联度。

各微观参数与裂隙参数Q的平均关联度如表6所示，各微观参数与Q的平均关联度在0.67～0.78之间，由大到小排序为颗粒总数、颗粒总面积、颗粒平均周长、颗粒面积占比及颗粒平均尺寸，故颗粒总数及颗粒总面积为影响裂隙参数Q的主要因素。

表6 微观参数平均关联度Table 6 Average correlation degree of micro parameters

3.2.4 裂隙指标与微观定量指标之间的关系

图13 为裂隙指标与微观指标之间的关系曲线，根据各微观参数与裂隙指标的平均关联度，选择颗粒总数及颗粒总面积与裂隙指标Q进行拟合，由图13 可知，① 随Q的增加，颗粒总数呈持续增大趋势，而颗粒总面积呈持续减小的趋势；②Q与颗粒总数及颗粒总面积拟合变化曲线不是单纯的线性变化，指数函数拟合效果良好，分别呈凹形与凸形的抛物线变化。

图13 裂隙指标Q与微观指标之间的关系曲线Fig.13 The relation curve between fracture indexQand microscopic index

对图13 中变化规律进行拟合，具体拟合函数关系式如下：

分析原因可得，随着干湿循环次数的增加，反复的饱和与烘干使土体破碎，水分不断迁移致使粗颗粒变细，导致颗粒总数增多。在该过程中，土体中孔隙作为水分不断迁移路径，水分反复冲刷原有孔隙，可溶性矿物溶解被孔隙间的水带走，使土粒间被架空，形成新的孔隙，孔隙总面积增加，粒间接触面积逐步减小；冻融循环中，试样不断地经历着形成冰晶和融化两个过程，冻结时，自由水凝结成冰，体积膨胀，致使小孔隙变大；融化阶段，团聚体间的中孔隙随着冻融次数的增加而增多，并逐渐贯通产生为细观层面的裂缝。

3.3 剪切指标与微观参数之间的关系(宏观↔微观)

图14 为剪切强度指标与微观指标之间的关系曲线，由图14 可知，随着循环次数的增加，颗粒总数增加，颗粒总面积减小，黏聚力呈逐渐减少的趋势，拟合变化曲线呈凹形的抛物线变化，而内摩擦角受微观结构的影响不大，基本处于稳定值。

图14 剪切强度指标与微观指标之间的关系曲线Fig.14 The relationship curve between shear strength index and microscopic index

对图14 中变化规律进行拟合，具体拟合函数关系式如下：

颗粒总数：

颗粒总面积：

图15 为未循环及干湿-冻融循环直剪机理示意图，由图15 可知，随着干湿-冻融循环次数的增加，微观结构发生剧烈变化，颗粒总数增多但颗粒总面积减少，微小裂隙随着循环次数的增加而逐渐贯通成中大孔隙，黏聚力主要组成部分为胶结力，为土颗粒之间的相互吸引力，颗粒总数的增加以及颗粒总面积的减小导致形成新的渗流通道，土体反复遭受湿润-干燥-冻结-融化，土体细小致密的黏土矿物反复胀缩，加快其周围土体结构损伤，介孔粗化贯通，膨胀土的凝胶物质逐渐溶解，胶结力减小，导致土颗粒之间的相互吸引力逐渐减小，黏聚力逐渐减小。内摩擦角主要是表面摩擦力和土粒之间的镶嵌作用而产生的咬合力以及土颗粒的棱角性，微观结构的变化对内摩擦角影响不大，始终保持在一个稳定值。

图15 未循环及干湿-冻融循环直剪机理示意图Fig.15 Schematic diagram of non-cycle and drying-wetting-freezing-thawing cycle direct shear mechanism

4 结论

本文以北疆供水一期工程为研究背景，通过对膨胀土进行宏观力学特性试验，细观裂隙性试验及微观机理试验，从宏-细-微观分析了北疆膨胀土在干湿-冻融循环条件下的劣化机理，可得以下结论：

(1) 膨胀土裂隙经过干湿-冻融循环裂隙发育是一个持续的过程，随循环次数的增加，裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度及平均宽度等裂隙参数均呈先快速增加，随后速度变缓，最终趋于稳定的规律。通过用相交点数与裂隙条数提出一种新的裂隙评价指标Q，可来评价整个裂隙网络的连通性，Q值越大说明裂隙网络的连通性越好，Q随着循环次数的增加而增加。

(2) 关于宏观力学特性与细观裂隙阐述方面，膨胀土试样经过干湿-冻融循环后，裂隙不断增加，其抗剪强度随着裂隙参数Q的增加而降低，抗剪强度的变化由黏聚力的变化而决定，内摩擦角几乎没有改变，拟合得到裂隙参数Q与黏聚力的关系曲线，其拟合变化曲线呈线性关系，随着裂隙参数Q的增加黏聚力减小

(3) 微观机理方面，扫描电镜结果表明，经过干湿-冻融循环后，土体孔隙和结构发生了明显变化，土颗粒团聚体经过循环逐渐分离变小，颗粒破损严重，颗粒总数逐渐增多，颗粒所占面积、颗粒总面积及颗粒平均尺寸逐渐减小，故裂隙产生逐渐增多；裂隙参数Q与各微观参数的灰色关联度均大于0.67，其中颗粒总数及颗粒总面积为主要影响因素；微观结构的破坏导致土颗粒之间的相互吸引力逐渐减小，黏聚力逐渐变小，内摩擦角变化不大。