干濕循環(huán)作用下原狀黃土宏-微觀參數(shù)關系研究

劉禹陽，王 耕，來弘鵬，謝門東，安 馳

（1.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

1 研究背景

黃土中含有豐富的易溶膠結物質(zhì)和吸水膨脹礦物成分，其物理力學性能受水環(huán)境的影響顯著。干濕循環(huán)條件下，黃土的力學性能會產(chǎn)生明顯劣化，對實際工程建設將產(chǎn)生不利影響，如干濕循環(huán)劣化可能引起黃土邊坡滑坡事故［1-2］。黃土具有顯著的結構性［3］，其宏觀物理性能與微觀結構特征有著密切聯(lián)系，黃土微觀顆粒排列特征的改變會對宏觀力學性能造成重大影響。所以，全面了解黃土劣化過程中宏觀力學性能的演化規(guī)律和機理，需對目標黃土開展多尺度研究，既要對黃土宏觀尺度下力學性能的變化規(guī)律進行研究，也要對微觀尺度下黃土顆粒聯(lián)結和排列的變化機理進行分析，同時，黃土宏-微觀現(xiàn)象跨尺度聯(lián)合分析與黃土宏-微觀典型參數(shù)的關系研究也十分必要。

近年來，學者們對黃土微觀結構和宏觀性能的關系進行了很多研究。葉萬軍等［4-5］通過CT 掃描試驗分析了干濕循環(huán)過程中重塑黃土裂隙的演化規(guī)律及發(fā)育機理，并以此對重塑黃土宏觀力學性能衰減和黃土邊坡剝落的原因進行了解釋；田暉等［6］通過掃描電鏡試驗研究了干濕循環(huán)過程中重塑新黃土微觀結構的演化規(guī)律；許健等［7］通過三軸滲透試驗對干濕循環(huán)過程中新黃土的滲透系數(shù)進行了分析，利用CT 掃描試驗揭示了滲透系數(shù)演化規(guī)律的細觀機制；潘振興等［8］通過液塑限測定、直剪試驗以及核磁共振等手段分析了干濕循環(huán)過程中多種宏觀和微觀參數(shù)的演化規(guī)律；袁志輝等［9-10］通過三軸試驗和單軸壓縮試驗對壓實黃土微觀結構與宏觀力學性能的關系進行了定性分析；郝延周等［11］發(fā)現(xiàn)黃土的抗剪強度與干濕循環(huán)次數(shù)和干濕循環(huán)幅度均存在非單調(diào)關系，并基于干濕循環(huán)過程中黃土微觀結構的變化機理予以解釋，定義了臨界干濕次數(shù)和最不利干濕循環(huán)幅度；王飛等［12］對干濕循環(huán)過程中壓實黃土濕陷性演化規(guī)律進行了研究并從微觀尺度對其進行了解釋；胡長明等［13］通過三軸試驗得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓實黃土的強度參數(shù)，利用掃描電鏡圖像對強度劣化機制進行了定性分析；李麗等［14］從微觀尺度解釋了鹽分遷移對黃土強度和邊坡穩(wěn)定性的影響機理；劉博詩等［15］對不同固結度下人工濕陷性黃土的物理和力學性質(zhì)進行了研究，并通過掃描電鏡試驗分析了微觀結構參數(shù)對力學性能的影響；王鐵行等［16］通過動三軸試驗和掃描電鏡試驗獲得了不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓實黃土的動強度和微觀結構圖像，并從微觀尺度對黃土動強度劣化機制進行了解釋。

可以看出，關于黃土宏觀與微觀尺度間的聯(lián)系研究已經(jīng)取得了豐厚的成果，但相關研究主要集中在黃土微觀結構的演化機理和黃土宏-微觀關系的定性分析方面，黃土宏觀和微觀典型參數(shù)定量分析需要作更深入地研究。同時，黃土干濕循環(huán)方面的研究多集中于地表新黃土或重塑黃土，而Q2原狀黃土同樣可能受到干濕循環(huán)作用影響，例如在地下水位升降和季節(jié)性降雨的影響下，黃土塬區(qū)隧道底部黃土圍巖以及低等級公路的深路塹黃土邊坡均處于干濕循環(huán)環(huán)境之中，加之地下Q2黃土的干濕賦存環(huán)境，如溫度、下限含水率和含水率循環(huán)幅度等，與地表黃土差異較大，不同干濕循環(huán)條件勢必產(chǎn)生不同的干濕劣化效應，Q2原狀黃土宏-微觀干濕劣化效應研究也有待開展。

本文以Q2原狀老黃土為研究對象，通過三軸試驗和掃描電鏡試驗獲取干濕循環(huán)過程中原狀黃土的宏觀和微觀土性參數(shù)，分析干濕循環(huán)過程中宏-微觀土性參數(shù)的變化規(guī)律，明確不同干濕循環(huán)條件對宏微觀土性參數(shù)的影響差異，最后利用宏觀力學參數(shù)定義了原狀黃土可變性參數(shù)，同時推導了用于描述黃土微觀結構特征的孔隙特征參數(shù)，以二者作為橋梁對原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關系進行了研究。

2 試驗研究

2.1 試驗材料試驗土體為Q2原狀黃土，取自甘肅省慶陽市寧縣上閣村隧道掌子面，取土點埋深約68 m。該類黃土分布于黃土塬表層上更新統(tǒng)地層下部，呈棕黃色，土質(zhì)均勻且較為致密。原狀黃土基本物理性質(zhì)指標如表1所示。

表1 Q2原狀黃土基本物理性質(zhì)指標

2.2 試驗方案本次研究首先將Q2原狀黃土削制為39.1 mm × 80 mm 的三軸試樣，之后對其進行干濕循環(huán)試驗，在達到規(guī)定干濕循環(huán)次數(shù)后，開展三軸壓縮及掃描電鏡試驗，獲得不同干濕循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的宏觀力學參數(shù)和微觀結構參數(shù)。

（1）干濕循環(huán)試驗。根據(jù)隧道地勘資料，相近埋深黃土的天然含水率總體在17% ～19%之間，飽和含水率為26%，為方便分析和區(qū)別循環(huán)參數(shù)的影響，試驗將18%和26%定為關鍵含水率，以干濕循環(huán)幅度和下限含水率為劃分標準，三種干濕循環(huán)工況設置為：工況1 為含水率10% ～18%循環(huán)、工況2 為含水率10% ～26%循環(huán)、工況3 為含水率18% ～26%循環(huán)，其中，工況1 與工況2 下限含水率相同循環(huán)幅度不同，工況1 與工況3 循環(huán)幅度相同下限含水率不同。工況3 可以反映試驗黃土在天然條件下的性能劣化情況，分別對比工況1 與工況2、工況1 與工況3 試驗結果，可得到不同循環(huán)幅度和不同下限含水率對黃土劣化規(guī)律的影響。

取樣點為隧道洞周黃土2 m 深處，地層溫度在17 ～20 ℃之間，試件干燥過程中烘箱溫度設定為20 ℃。由于黃土試樣干密度已知，在確定目標含水率后，可換算得到相對應的試樣目標質(zhì)量，烘干過程中，通過監(jiān)測試樣質(zhì)量變化，可實現(xiàn)目標含水率的控制。在眾多黃土干濕循環(huán)研究中［3-14］，黃土的干濕循環(huán)次數(shù)為3 ～12 次不等，黃土的劣化程度與干濕循環(huán)次數(shù)正相關。對于Q2原狀黃土，其顆粒排列緊密，對干濕循環(huán)作用的抵抗能力較強，因此，為了使試驗土體在干濕循環(huán)過程中充分劣化，本試驗分別對3 種工況下的原狀黃土試樣進行12 次干濕循環(huán)，并在第1、3、6、9、12 次循環(huán)后進行三軸壓縮和掃描電鏡試驗。

（2）三軸剪切試驗。研究通過GDS 靜態(tài)三軸儀進行三軸固結不排水剪切試驗，采用應變控制，根據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019），剪切速率設為0.08 mm/min。分別對不同工況和干濕循環(huán)次數(shù)下的原狀黃土試樣重復進行3次剪切試驗，用以確定不同循環(huán)條件下黃土的抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角，測試含水率為各工況的干濕循環(huán)下限含水率，即工況1和工況2為10%，工況3為18%。受開挖卸荷作用影響，深埋黃土隧道圍巖壓力一般在100 ～500 kPa左右，本次試驗圍壓σ3分別取100、200、300 kPa。

（3）掃描電鏡試驗。采用JSM-6460LV 型低高真空數(shù)字化電子顯微鏡進行掃描電鏡試驗，基于不同工況和干濕循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的微觀圖像，直觀觀測土顆粒與孔隙的形態(tài)和結構特征，定性分析黃土微觀結構的演化規(guī)律，通過ipp 軟件進行圖像處理定量獲取黃土微觀結構參數(shù)。為確保清晰觀測到黃土顆粒和孔隙的微觀結構，試驗中微觀圖像的放大倍數(shù)取為1000 倍。孔隙面積比F為孔隙總面積AV和圖像總面積A0的比值，用于衡量黃土中的孔隙含量，孔隙面積比越大則孔隙含量越高；孔隙分形維數(shù)D可以反映黃土中孔隙結構的復雜程度，分形維數(shù)越大則孔隙分布越復雜，孔隙集中度越高，計算公式見下。

式中：F為孔隙面積比；D為孔隙分形維數(shù)；AV為孔隙總面積；A0為圖像總面積；L為孔隙等效周長；A為單個孔隙面積；C為常數(shù)。AV、A0、L和A可由圖像處理直接得到。

2.3 試驗結果及分析

（1）宏觀和微觀土性參數(shù)定量分析。不同干濕循環(huán)工況下原狀黃土峰值偏應力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖1 所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土試樣的峰值偏應力持續(xù)降低，同一工況不同圍壓下，峰值偏應力變化曲線整體相似（圖1（a））。工況2 條件下，原狀黃土峰值偏應力衰減量最大且速度最快，特別是循環(huán)3 次后，工況2 峰值偏應力衰減量遠大于其他工況，工況3 和工況1 條件下黃土峰值偏應力變化量除第3 次循環(huán)時偏差較大外，其他循環(huán)整體變化量較為接近（圖1（b））。

圖1 原狀黃土峰值偏應力與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線

不同工況原狀黃土宏觀力學參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖2 所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，3 種工況下原狀黃土試樣的黏聚力均持續(xù)降低，工況2 條件下黏聚力衰減最快且衰減值最大，12次循環(huán)后降低48.9 kPa，衰減率達到27.9%，工況3 黏聚力衰減速度與衰減值低于工況2，12 次循環(huán)后降低24.6 kPa，衰減率22.0%，工況1 黏聚力衰減最慢且衰減值最小，降低22.4 kPa，衰減率12.1%（圖2（a））。干濕循環(huán)過程中，3 種工況下原狀黃土內(nèi)摩擦角變化幅度始終較小，工況2 條件下變化幅度最大但仍僅有1°（圖2（b））。

圖2 原狀黃土宏觀力學參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線

圖3 為不同工況黃土微觀結構參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線。如圖所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各工況孔隙面積比基本呈線性顯著增加，工況2 條件下孔隙面積比的增長速度最快且量值最大，量值增加0.14，工況3次之，量值增加0.08，工況1增長最慢且最小，增加0.03（圖3（a））；12次干濕循環(huán)過程中，3種工況下原狀黃土的孔隙分形維數(shù)均呈非單調(diào)緩慢增大，但整體變化不大，工況2 條件下黃土孔隙分形維數(shù)增長速度最快，增加0.15，工況3 次之，增加0.06，工況1 最慢，增加0.04（圖3（b））。

圖3 原狀黃土微觀結構參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線

綜上所述，3 種干濕循環(huán)工況對原狀黃土的劣化影響效果明顯不同且存在較為相同的規(guī)律。工況2 的干濕循環(huán)條件下，原狀黃土試樣劣化效果最顯著，宏觀強度參數(shù)和微觀結構參數(shù)的變化速度最快（圖2（a）、圖3（a）（b）），工況3 整體次之，工況1 整體最小。對比3 種工況發(fā)現(xiàn)，工況1 和工況2 的下限含水率相同，但工況2 的干濕循環(huán)幅度更大；工況1 和工況3 的干濕循環(huán)幅度相同，但工況3 的下限含水率更高。因此，干濕循環(huán)幅度越大，下限含水率越高，則干濕循環(huán)對黃土的劣化影響越顯著，黃土內(nèi)部孔隙含量和集中度的增長速度越快，黏聚力和抗剪強度的衰減速度也越快。另外，工況3 的測試含水率遠大于工況1 和工況2，較高的含水率使得黃土顆粒間的原始黏聚力和固化黏聚力降低，滑動摩擦與咬合摩擦變?nèi)?。因此，從量值上來看，工況3 中原狀黃土的峰值偏應力、黏聚力和內(nèi)摩擦角均小于另外兩種工況（圖1（a）、圖2（a）（b））。

（2）電鏡圖像定性分析。利用微觀圖像直接觀測黃土顆粒和孔隙的微觀結構，對不同循環(huán)條件下的黃土微觀結構變化特征進行定性分析，限于篇幅，僅展示工況2 中第1 次和第12 次干濕循環(huán)后黃土試樣微觀結構圖像，如圖4 所示。1 次干濕循環(huán)條件下，黃土結構較為緊密，土顆粒間以嵌固排列和面接觸為主，孔隙含量相對較低，如圖4（a）。12 次干濕循環(huán)后，黃土微觀結構逐漸松散，大量中、大孔隙存在，黃土結構較為薄弱位置有孔隙貫通形成微觀裂隙，孔隙發(fā)育處黃土顆粒間的連接方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧芸张帕泻忘c接觸，如圖4（b）。究其原因為干濕循環(huán)過程中，黃土顆粒間的膠結物質(zhì)反復溶解遷移，使得顆粒間的聯(lián)結強度持續(xù)降低，部分礦物在干濕循環(huán)過程中不斷膨脹或收縮，導致顆粒間的聯(lián)結作用在不均勻的拉應力下發(fā)生破壞，顆粒較大的集粒逐漸破碎，土顆粒間趨向于離散。

圖4 工況2 干濕循環(huán)中原狀黃土微觀圖像

由上述宏微觀結果分析可知，干濕循環(huán)過程中，原狀黃土表現(xiàn)出了明顯的劣化特征，土顆粒間穩(wěn)定的面接觸和嵌固排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的點接觸和架空排列（圖4（a）（b）），黃土結構變得松散。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土孔隙結構持續(xù)發(fā)育，孔隙含量不斷增長（圖3（a）），同時由于原狀黃土內(nèi)部孔隙分布不均勻［17］，孔隙的擴張過程主要集中在孔隙較多的脆弱部位，因此孔隙的集中度也呈現(xiàn)增長趨勢（圖3（b））。隨著黃土孔隙結構的不斷擴張，黃土顆粒間的距離逐漸增大，使得顆粒間的吸引力不斷降低，與此同時，黃土中普遍存在的膠結物質(zhì)在干濕循環(huán)作用下反復溶解遷移，使得顆粒間的膠結力持續(xù)衰減，導致黃土黏聚力在干濕循環(huán)過程中不斷減?。▓D2（a））。然而，黃土顆粒間的咬合摩擦作用受干濕循環(huán)影響并不顯著，黃土內(nèi)摩擦角變化幅度較?。▓D2（b））。原狀黃土峰值偏應力反映黃土抗剪強度，受黏聚力和內(nèi)摩擦角影響，呈現(xiàn)出持續(xù)減小的變化規(guī)律（圖1（a））。

3 原狀黃土宏-微觀參數(shù)關系研究

大量研究表明，土體微觀結構特征的改變會對宏觀力學性能產(chǎn)生重大影響，二者之間有著千絲萬縷的聯(lián)系。為定量研究原狀黃土宏觀和微觀參數(shù)間的數(shù)量關系，分別定義黃土可變性參數(shù)和孔隙特征參數(shù)表達式，將二者作為橋梁用以研究原狀老黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關系。

3.1 基于宏觀力學參數(shù)的原狀黃土可變性參數(shù)

3.1.1 原狀老黃土可變性參數(shù)表達式 綜合結構勢思想首先由謝定義等［18］提出，眾多專家學者在其基礎上進行了深入的研究并取得了豐碩的成果。綜合結構勢思想認為土體的結構性是聯(lián)結和排列兩方面的綜合反映，結構的聯(lián)結特征和排列特征分別稱為結構的可穩(wěn)性和可變性。結構性參數(shù)定義為m1與m2的比值［19］，其中m1反映土體的可變性，m1越大則可變性越大，m2反映土體的可穩(wěn)性，m2越小則可穩(wěn)性越大，即土體結構性的大小由可變性與可穩(wěn)性的乘積決定。黃土的結構性與其宏觀力學性能有著密切聯(lián)系［17］，原狀黃土在壓剪作用下的抗力構成主要表現(xiàn)為膠結產(chǎn)生的抗力、水膜吸力作用產(chǎn)生的抗力以及嵌固摩擦作用產(chǎn)生的抗力三部分，而黃土可變性和可穩(wěn)性的喪失會分別使三者所表現(xiàn)出的結構勢釋放，導致黃土抗剪強度衰減，即可以認為黃土的抗剪強度源于黃土的結構性，結構性越強，則在結構破壞前黃土的抗剪強度就越強。

基于以上觀點，本文將原狀黃土的可穩(wěn)性和可變性視為黃土宏觀抗剪強度的貢獻者，二者的乘積決定了原狀黃土抗剪強度的大小，可變性越大，則黃土抗剪強度中可變性的貢獻比例就越大，可穩(wěn)性亦然。將黃土抗剪強度與可穩(wěn)性的比值定義為黃土可變性參數(shù)m，用以反映黃土的可變性，m越大則可變性越大，反之則越小。對于原狀黃土抗剪強度，本文用三軸試驗下原狀黃土試樣的峰值偏應力q表示；對于黃土的可穩(wěn)性，其來源于所有土粒間的結合力［20］，在宏觀尺度下即為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的綜合反映，與c+tanφ成正比，由于干濕循環(huán)過程中黃土內(nèi)摩擦角φ變化幅度很?。▓D2（b）），因此本文用黏聚力c表示原狀黃土的可穩(wěn)性。則原狀黃土的可變性參數(shù)m可由式（3）表示：

式中：q為原狀黃土峰值偏應力；c為原狀黃土的黏聚力。

3.1.2 干濕循環(huán)條件下原狀黃土可變性參數(shù)變化規(guī)律 利用試驗所獲得的數(shù)據(jù)計算各工況下原狀黃土可變性參數(shù)m，σ3=100 kPa時可變性參數(shù)變化曲線如圖5 所示。由圖可知，在干濕循環(huán)過程中，原狀黃土可變性參數(shù)m總體呈現(xiàn)增長趨勢，其中，工況2 條件下m的增長速度最快，工況3 次之，工況1 最慢?？梢钥闯?，對于原狀老黃土而言，干濕循環(huán)作用會增大可變性對黃土抗剪強度的貢獻比例；干濕循環(huán)作用的影響能力越強，則干濕循環(huán)對黃土可變性的增大效果越顯著；土體可變性大小取決于結構破壞時所造成的宏觀強度損失量［21］，即為不穩(wěn)定結構的承載能力，受測試含水率影響顯著，雖然工況3條件下黃土可變性的增長速度快于工況1，但由于其測試含水率遠大于另外兩種工況，因此工況3條件下土體可變性對黃土抗剪強度的貢獻比例最低。另外，在3種工況下，原狀黃土可變性參數(shù)的變化規(guī)律均表現(xiàn)出了非單調(diào)性，這是由于黃土內(nèi)部結構的破壞和新結構的產(chǎn)生所導致的。

圖5 可變性參數(shù)的變化曲線

3.2 原狀黃土可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)關系研究

3.2.1 原狀老黃土孔隙特征參數(shù) 黃土內(nèi)部結構的穩(wěn)定性和承載力受孔隙含量及分布情況影響顯著［22］，孔隙結構的發(fā)育程度越高，則黃土顆粒排列越松散，架空排列結構越多，結構承載能力越弱。而對于黃土的可變性，其反映的是黃土內(nèi)部結構的承載能力。因此可以看出，原狀黃土的可變性與孔隙結構特征是存在聯(lián)系的。

在黃土的微觀結構參數(shù)中，孔隙面積比F可用于衡量黃土中的孔隙含量，孔隙分形維數(shù)D可以反映黃土中孔隙結構的復雜程度，本次研究將孔隙面積比F與孔隙分形維數(shù)D的乘積F·D定義為孔隙特征參數(shù)K，孔隙特征參數(shù)K越大，則表示黃土微觀孔隙結構發(fā)育程度越高，顆粒的排列結構越不穩(wěn)定，如下式所示。

利用試驗所獲得的數(shù)據(jù)計算不同工況下的孔隙特征參數(shù)K，繪制曲線如圖6 所示，在干濕循環(huán)過程中，原狀黃土的孔隙特征參數(shù)在3 種工況下均單調(diào)增長，其中工況2 條件下孔隙特征參數(shù)增長速率最快，工況3 次之，工況1 最慢?？梢钥闯觯瑢τ谠瓲罾宵S土而言，干濕循環(huán)影響能力和干濕循環(huán)次數(shù)的增長均會導致土體內(nèi)部孔隙結構發(fā)育，結構穩(wěn)定性降低。同時，3 種工況下孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律和大小關系與黃土孔隙含量（圖3（a））一致，說明孔隙特征參數(shù)K可以正確反映黃土的微觀孔隙結構特征。

圖6 孔隙特征參數(shù)的變化曲線

3.2.2 原狀黃土可變性參數(shù)隨孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律 為研究原狀黃土可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律，繪制3 種工況下黃土可變性參數(shù)m與孔隙特征參數(shù)K的關系圖像如圖7 所示，隨原狀黃土孔隙特征參數(shù)的增大，3 種工況下黃土可變性參數(shù)的變化規(guī)律均表現(xiàn)出了非單調(diào)性，可變性參數(shù)總體而言均有所增長，二者的變化規(guī)律與三角函數(shù)接近?？梢钥闯?，對于原狀老黃土而言，黃土內(nèi)部孔隙含量和分布情況的改變會對微觀結構的承載能力產(chǎn)生重大影響，進而導致黃土可變性產(chǎn)生變化。但是，黃土可變性參數(shù)隨孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律是非單調(diào)的，即孔隙特征參數(shù)并非是決定黃土可變性的唯一因素。

圖7 原狀老黃土可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)的關系圖像

3.3 原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關系黃土的可變性參數(shù)由峰值偏應力q與黏聚力c的比值得到，孔隙特征參數(shù)由孔隙面積比F和孔隙分形維數(shù)D的乘積得到，上文定性分析了原狀黃土可變性參數(shù)隨孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者間存在聯(lián)系，即表明上述4 個宏觀和微觀參數(shù)間存在聯(lián)系。但是，可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)的變化曲線比較復雜，想要以此定量描述黃土宏觀和微觀參數(shù)間的關系是很困難的。為研究原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關系，以黃土黏聚力c作為橫坐標，峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)的比值q/K作為縱坐標，繪制二者的變化曲線如圖8 所示。

圖8 原狀老黃土峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)的比值和黏聚力的關系曲線

由圖可知，隨著黃土黏聚力的增大，3 種工況下峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)的比值均單調(diào)增加，且二者的變化規(guī)律均服從指數(shù)函數(shù)關系，擬合曲線如圖8 所示，由此得到原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關系如式（5）所示：

式中B1、B2為擬合參量。

可以看出，在3 種工況中，式（5）均取得了良好擬合效果，擬合度均大于0.9，且圖形較為簡單，僅含有兩個擬合參量，易于描述黃土各項宏觀和微觀參數(shù)間的數(shù)量關系。為研究式（5）的物理意義，參考原狀黃土可變性參數(shù)m，將原狀黃土抗剪強度視為黏聚力和孔隙特征參數(shù)的貢獻量之和，用q/K來衡量黏聚力c對原狀黃土抗剪強度的貢獻比例。隨著原狀黃土黏聚力的增加，一方面，顆粒間的聯(lián)結強度增大，黃土可穩(wěn)性對抗剪強度的貢獻增加；另一方面，黏聚力的增大使顆粒排列結構的穩(wěn)定性和承載力增強，可變性對黃土抗剪強度的貢獻增加，兩方面共同作用下，黏聚力的貢獻量在黃土抗剪強度中的占比呈指數(shù)增長。

為驗證上述黃土宏-微觀參數(shù)函數(shù)關系式的合理性，利用Jian Xu 等［23］的原狀黃土試驗數(shù)據(jù)進行驗證。文獻中試驗土體為Q3原狀黃土，干濕循環(huán)下限含水率為小于1%的絕對干燥條件，干濕循環(huán)上限含水率和三軸試驗測試含水率均為20%，文中以試樣不同初始含鹽量將干濕循環(huán)工況劃分為4 種，初始含鹽量分別為0.0%、0.5%、1.0%和1.5%。文獻中相關試驗數(shù)據(jù)，以及孔隙特征參數(shù)K和峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)比值q/K計算結果如表2所示，峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)的比值q/K和黏聚力c的擬合曲線如圖9 所示。由圖可知，文獻4 種工況下，試驗數(shù)據(jù)均服從式（5）分布，擬合度均大于0.9，說明利用式（5）來分析解釋黃土宏觀和微觀參數(shù)的函數(shù)關系是較為合理的。

圖9 4 種工況下原狀黃土峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)的比值和黏聚力的關系曲線

表2 不同循環(huán)工況下原狀黃土試驗數(shù)據(jù)［23］及計算結果

4 討論

由上文可知，隨著原狀黃土內(nèi)部孔隙含量和集中度的增大，黃土可變性參數(shù)m呈現(xiàn)出非單調(diào)變化規(guī)律（圖7）。現(xiàn)對干濕循環(huán)過程中黃土可變性的變化機理作進一步討論。

黃土的可變性是黃土內(nèi)部不穩(wěn)定結構承載能力的反映，在結構未發(fā)生破壞時，其本身可以承受部分荷載，增強黃土的抗剪強度，而在結構發(fā)生破壞后，其承載能力將會喪失，導致黃土強度降低。黃土可變性的大小并不僅僅取決于孔隙特征參數(shù)，同時與黃土的黏聚力也有著密切聯(lián)系。在干濕循環(huán)過程中，原狀黃土孔隙特征參數(shù)和黏聚力的變化規(guī)律示意圖如圖10 所示，黃土的孔隙含量隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增大（圖3（a）），且孔隙集中度增加（圖3（b）），而黃土的黏聚力卻隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減?。▓D2（a））。當黃土中的孔隙發(fā)育程度很低時，土顆粒間以面接觸和嵌固排列為主，內(nèi)部架空結構較少且均為穩(wěn)定結構，這些結構由于變形空間的限制而難以發(fā)生破壞。所以，即使黃土黏聚力較大，結構承載能力強，黃土的可變性實際上并不大；而當黃土中的孔隙發(fā)育程度很高時，土顆粒間存在大量點接觸和架空排列，結構很容易發(fā)生破壞，但由于黃土黏聚力低，顆粒間聯(lián)結強度弱，故結構的承載力不高，黃土可變性也不大?？梢钥闯?，在黏聚力和孔隙發(fā)育程度處于極大或者極小的情況下，黃土的可變性均不大，反而是在黏聚力和孔隙發(fā)育程度均處于大小適中的狀態(tài)時，黃土內(nèi)既存在充足的不穩(wěn)定結構，顆粒間也有足以維持結構穩(wěn)定承載的聯(lián)結力，黃土的可變性也較大。

圖10 黃土黏聚力和孔隙特征參數(shù)變化規(guī)律示意

對于結構密實的原狀老黃土，在初始狀態(tài)下，其內(nèi)部多為穩(wěn)定結構，黃土可變性較低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土內(nèi)部的不穩(wěn)定結構開始增多，黃土可變性有所增大。之后由于不穩(wěn)定結構的承載力持續(xù)降低，黃土可變性又會有所減小。因此干濕循環(huán)過程中，原狀老黃土的可變性參數(shù)會呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，考慮到黃土原生結構的破壞和次生結構的產(chǎn)生過程，可變性參數(shù)的增大和減小過程會不斷重復發(fā)生，其變化曲線的波動現(xiàn)象（圖5）可以得到解釋。

5 結論

本文通過三軸壓縮試驗和掃描電鏡試驗對不同干濕循環(huán)條件下原狀黃土的宏觀和微觀參數(shù)進行研究，基于綜合結構勢思想定義了黃土可變性參數(shù)，推導了孔隙特征參數(shù)表達式，并通過研究二者的數(shù)量關系，構建了原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關系式，得到結論如下：（1）在同一工況下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土孔隙含量不斷增大，孔隙集中度增加，黏聚力逐漸降低，抗剪強度持續(xù)劣化，但內(nèi)摩擦角變化幅度較??；干濕循環(huán)幅度越大，下限含水率越高，干濕循環(huán)對原狀黃土的劣化影響越強，宏觀力學性能的衰減和孔隙結構的擴張越快。（2）干濕循環(huán)過程中，原狀黃土可變性對抗剪強度的貢獻比例有所增大；干濕循環(huán)幅度越大，下限含水率越高，干濕循環(huán)作用對黃土可變性的增強效果越顯著；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土內(nèi)部原生結構逐漸破壞，次生結構逐漸產(chǎn)生，黃土可變性參數(shù)的變化規(guī)律表現(xiàn)出非單調(diào)特征。（3）原狀黃土可變性受孔隙發(fā)育程度影響顯著，可變性參數(shù)m隨孔隙特征參數(shù)K非單調(diào)變化。隨孔隙特征參數(shù)K的增大，原狀黃土可變性參數(shù)m整體呈增長趨勢變化，二者的變化規(guī)律與三角函數(shù)接近。（4）隨著原狀黃土黏聚力的增大，一方面，顆粒間的聯(lián)結強度增大，可穩(wěn)性對黃土抗剪強度的貢獻增加；另一方面，顆粒排列結構的承載力增大，可變性對黃土抗剪強度的貢獻增加，兩者共同作用下，黃土峰值偏應力與孔隙特征參數(shù)的比值q/K隨黏聚力c的變化規(guī)律服從指數(shù)函數(shù)關系。