增濕-凍融劣化原狀黃土結(jié)構(gòu)強度試驗研究

折海成， 胡再強， 薛 婷， 張瑞杰， 李 磊， 何玫玫

(1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所， 西安 710048； 2.水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室，南京 210024；3.西北綜合勘察設(shè)計研究院， 西安 710003)

黃土顯著的結(jié)構(gòu)性是黃土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)的主要原因，也是黃土嚴(yán)重致災(zāi)性的重要根源，如黃土滑坡、崩塌、濕陷性、地面塌陷、地裂和不穩(wěn)定邊坡等。巖土工程問題的研究核心就是在復(fù)雜外界環(huán)境和力學(xué)擾動作用下土體的變形、強度和穩(wěn)定性分析。黃土邊坡和設(shè)施受到外界環(huán)境(包括地下和雨水入滲、溫度等)的擾動作用導(dǎo)致黃土微結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和排列方式的改變，改變了黃土物理性質(zhì)，劣化了黃土結(jié)構(gòu)強度，使其在外部加荷時，黃土結(jié)構(gòu)的劣化程度、孔隙變化、以及土結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生破壞等均與水量入滲、凍融循環(huán)及其耦合作用必然存在密切關(guān)系，迫需量化研究。

沈珠江院士[1]提出土的結(jié)構(gòu)性數(shù)學(xué)模型的研究是21世紀(jì)研究的核心。高國瑞[2]對通過掃描電子顯微鏡對中國各地黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征和局域性變化規(guī)律進行了詳細(xì)的總結(jié)，并結(jié)合黃土的濕陷性特征對黃土進行分類。謝定義等[3]最早提出了土的綜合結(jié)構(gòu)勢，能夠綜合反映引起土顆粒排列和顆粒聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化的力學(xué)響應(yīng)。邵生俊等[4]通過三軸壓縮試驗提出了在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)性參數(shù)即應(yīng)變綜合結(jié)構(gòu)勢，大大拓展了綜合結(jié)構(gòu)勢的應(yīng)用范圍。陳正漢等[5]運用CT-三軸技術(shù)對膨脹土和黃土分別進行微觀測試，提出了考察土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的定量指標(biāo)，并分析了多種工況下這兩種土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化方程和屈服準(zhǔn)則的新方法。羅愛忠等[6]基于綜合結(jié)構(gòu)勢分析了考慮結(jié)構(gòu)性的黃土非線性的本構(gòu)關(guān)系。陳存禮等[7-8]研究黃土結(jié)構(gòu)性對壓實黃土側(cè)限和無側(cè)限壓縮特性的影響，陳昌祿等[9]系統(tǒng)分析了多種空間滑動面及其強度準(zhǔn)則對結(jié)構(gòu)性黃土的適應(yīng)性。郅彬等[10]研究了人工制備結(jié)構(gòu)性黃土抗拉強度。目前，凍融擾動對黃土結(jié)構(gòu)強度劣化的研究報道較少，齊吉琳等[11]、Edwin 等[12]以飽和蘭州黃土和天津粉質(zhì)黏土在凍融作用下，通過土力學(xué)試驗和掃描電子顯微鏡試驗，分析了凍融前后土的力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律，進一步得出凍融循環(huán)作用對土體結(jié)構(gòu)性的影響比較大。宋春霞等[13]為了研究凍融作用對黃土結(jié)構(gòu)性的影響，對蘭州黃土土樣在閉系統(tǒng)下經(jīng)歷一次凍融循環(huán)條件下進行土力學(xué)參數(shù)測定試驗，得出凍脹和融沉作用對不同干容重的土具有強化和弱化的雙重影響。穆彥虎等[14]分析開放系統(tǒng)下，對經(jīng)過多次凍融循環(huán)壓實黃土進行了宏觀物理性質(zhì)和微觀掃描電子顯微鏡試驗，分析二者之間的聯(lián)系，并揭示凍融作用對壓實黃土結(jié)構(gòu)影響的過程與機理。田俊峰等[15]運用GCTS電液伺服低溫高壓動態(tài)三軸測試系統(tǒng)，對考慮濕、載、凍、融作用的洛川黃土進行三軸試驗，研究含水率、載荷、凍結(jié)、融化聯(lián)合作用對黃土強度的影響及其作用機理。葉萬軍等[16]也研究了凍融循環(huán)作用下黃土抗剪強度劣化過程和機理。

綜上調(diào)研近幾年的研究成果，對結(jié)構(gòu)性黃土在增濕、載荷、凍融作用下的變形和強度特性都有研究，但是，將這些作用與損傷力學(xué)結(jié)合起來卻鮮有報道。通過以質(zhì)量變化來確定黃土的體積和孔隙的變化規(guī)律，并應(yīng)用側(cè)限壓縮試驗定量化研究增濕、凍融循環(huán)及兩者共同作用下的黃土結(jié)構(gòu)強度劣化規(guī)律研究，具有一定科學(xué)研究價值和創(chuàng)新性。具體擬設(shè)研究如下：首先，通過在實驗室模擬增濕和凍融循環(huán)兩種情況下原狀黃土試樣的體積和孔隙變化規(guī)律；其次，采用側(cè)限壓縮試驗測量各種含水率和凍融次數(shù)下的e-lgp壓縮曲線，并對試驗結(jié)果進行分析；最后，基于損傷力學(xué)原理和e-lgp壓縮曲線新定義黃土結(jié)構(gòu)強度、剩余結(jié)構(gòu)強度和劣化因子等變量，采用數(shù)理統(tǒng)計方法擬合出這些變量的數(shù)值表達式，并分析不同含水率和凍融次數(shù)下的黃土剩余結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)強度劣化因子的變化規(guī)律。

1 試驗方案及試驗方法

試驗選取的土樣來自西安臨潼某基坑側(cè)壁處Q3黃土，具有較強的結(jié)構(gòu)性，埋藏深度約16 m左右。其基本參數(shù)見表1。

表1 黃土基本參數(shù)Table 1 Essential parameter of loess

1.1 試驗方案

試驗采用分級滴定注水法(又稱水膜轉(zhuǎn)移法)對原狀黃土進行配制含水量為9%、15%、20%、25%、30%、飽和試樣，將達到試驗含水量的試樣靜置于密閉的保濕缸內(nèi)3 d以上，以保證水分在試樣中均勻運移。然后分別對原狀土和凍融循環(huán)1、2、3、6、9、15次試樣進行體積膨脹率和孔隙率變化試驗及側(cè)限壓縮試驗，在凍融循環(huán)時會出現(xiàn)水分遷移損失，按照試驗過程質(zhì)量守恒的規(guī)律定量補充被蒸發(fā)失去的水分。

試驗分別模擬黃土未凍和不同凍融循環(huán)次數(shù)下，原狀黃土隨含水率增加的體積膨脹率和孔隙比的變化規(guī)律，試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案Table 2 Experiment scheme

1.2 試驗方法

試樣屬于側(cè)限的自由膨脹變形，為了提高測量精度試驗測定膨脹量的質(zhì)量。根據(jù)表1可知，本試驗黃土試樣屬于膨脹性黃土，認(rèn)為自由膨脹由吸水膨脹和凍脹組成。原狀黃土試樣在配制不同含水率試樣時，隨增濕過程試樣會產(chǎn)生一定量的膨脹，在環(huán)刀上下面產(chǎn)生凸出，這凸出的部分筆者認(rèn)為是吸水膨脹的部分；在不同含水率，每次凍融后，黃土試樣也會產(chǎn)生一定量的膨脹，在環(huán)刀上下面產(chǎn)生凸出，這凸出的部分筆者認(rèn)為是凍脹的部分。則具體試驗方法、試驗流程及體積膨脹率和孔隙變化計算如下。

1.2.1 試驗設(shè)備

試驗的主要設(shè)備有；環(huán)刀、削土刀、保鮮膜、密封袋、保濕缸、電子天平、電冰柜、側(cè)限壓縮儀。

1.2.2 試驗操作步驟

(1) 將制備好的原狀黃土試樣按照表2命名進行標(biāo)注，采用分級滴定注水法對試樣進行增濕，并按照試驗方案分別配制含水率為9%、15%、20%、25%、30%和飽和黃土試樣各7個。

(2) 將配制好的試樣用保鮮膜包好，裝入密封袋放入保濕缸，靜止72 h，以便水分?jǐn)U散均勻和吸水膨脹充分。并用削土刀將環(huán)刀上下面凸出的部分進行修剪，將修剪的部分黃土進行稱其質(zhì)量，記錄為Δmw。

(3) 將編號為1-0、2-0、3-0、4-0、5-0、6-0的試樣進行側(cè)限壓縮試驗(沒進行凍融作用)，其余試樣全部放入電冰柜冷凍24 h。

(4) 將不同含水率，冷凍24 h的試樣觀察其體積變化，并用削土刀將環(huán)刀上下面凸出的部分進行修剪，將修剪的部分黃土進行稱其質(zhì)量，記錄為Δmi，當(dāng)凍融循環(huán)1次，取i=1。

(5) 將修剪好的試樣再放入保濕缸24 h，進行融化，將編號為1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、6-1的試樣進行側(cè)限壓縮試驗，其余試樣全部放入電冰柜冷凍24 h。

(6) 重復(fù)試驗步驟(4)和步驟(5)，最終可得凍融循環(huán)n次后的累積凍脹量Δmn，其值大小是將每次凍融循環(huán)的Δmi進行疊加獲得。

1.2.3 試驗注意事項

(1)試驗操作需在濕度為40%～60%、溫度在3～6 ℃的密閉室，但保濕缸的溫度控制在20 ℃左右。

(2)除了修剪膨脹部分時，需拆除保鮮膜和密封袋，再其余試驗過程需做好試樣密封工作。

(3)如果水分被蒸發(fā)損失量過大，需要按照試驗過程質(zhì)量守恒定量補充。

2 體積膨脹率和孔隙比計算分析

通過上述試驗方法分別對黃土試樣吸水膨脹部分的質(zhì)量和冷凍后凍脹部分的質(zhì)量進行統(tǒng)計計算，得到自由膨脹率、吸水膨脹率和凍脹率的質(zhì)量表達式如下：

ΔVw=Δmw/ρw=Δmw/αwρ

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

η=ηw+ηn

(6)

式中:η為自由膨脹率；ηw為吸水膨脹率；ηn為凍脹率；V為環(huán)刀內(nèi)體積，mm3；ΔVw為試樣吸水后膨脹部分的體積，mm3；ΔVn為試樣冷凍后凍脹部分的累計總體積，mm3；ρ為不同含水率下的濕密度，g/cm3；Δmw為試樣吸水后膨脹部分的質(zhì)量，g；Δmn為試樣冷凍后凍脹部分的質(zhì)量，g；Δmi為每次冷凍后試樣凍脹部分的質(zhì)量，g；αw和αn為密度變化系數(shù)(試驗測定)。

由于黃土微觀初始孔隙結(jié)構(gòu)在增濕和凍融循環(huán)作用下均發(fā)生不同程度的改變，進而改變了其強度，微觀孔隙結(jié)構(gòu)改變常用孔隙比的變化來表征:

(7)

(8)

式中：ew為未凍融循環(huán)作用，吸水增濕作用下的孔隙比；en為在不同含水率下，n次凍融作用下的孔隙比。

通過對試樣原始孔隙比和體積變化進行試驗測量，并利用式(7)和式(8)計算出不同含水率凍融循環(huán)作用下黃土的體積和孔隙比的變化，如圖1～圖3所示。

圖1 增濕體積和孔隙比變化規(guī)律Fig.1 The change law of volume and void ratio after moistening

圖2 凍融循環(huán)體積變化規(guī)律Fig.2 Volume change after freezing and thawing cycles

由圖1～圖3可知：①隨著含水率增加過程中，起初體積變化緩慢，含水率超過15%后，體積變化率明顯增加，表明該黃土屬于膨脹性黃土;②隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，在凍融循環(huán)前3次，體積變化率比較快，隨后減緩，到9次以后變化較平緩，表明在凍融循環(huán)初期，對黃土原狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生破壞，形成新的結(jié)構(gòu)直至新結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定；同時，隨含水率的增加，凍融循環(huán)對黃土結(jié)構(gòu)擾動增強，表現(xiàn)為原始含水率條件下，原狀黃土試樣的膨脹率和孔隙比隨凍融循環(huán)基本沒有發(fā)生變化，即原狀黃土不受凍融循環(huán)的影響；在含水15%及以上，黃土試樣的膨脹率和孔隙比隨凍融循環(huán)越來越增大，即黃土結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)影響增強；③由于孔隙比和膨脹率的相關(guān)性，所以孔隙比隨含水率和凍融循環(huán)的變化規(guī)律同膨脹率是相一致的。

圖5 不同含水率下黃土凍融循環(huán)后e-lgp曲線Fig.5 The e-lgp curve of loess after freezing-thawing cycles in different water content

3 黃土壓縮試驗分析

通過上述試驗方法和黃土體積膨脹后的孔隙比的試驗結(jié)果，對原狀黃土增濕后進行側(cè)限壓縮試驗，測得原狀黃土e-lgp壓縮曲線如圖4所示。同樣，在不同含水率情況下，黃土凍融循環(huán)后e-lgp壓縮曲線如圖5所示。

(1)從圖1、圖4可知，隨含水率的增加，壓縮指數(shù)Cc變大，壓縮模量Es減小，表明黃土隨含水率增加土微結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)和摩擦強度減小，故黃土結(jié)構(gòu)強度降低。

圖4 原狀黃土增濕后e-lgp曲線Fig.4 Undisturbed loess e-lgp curve after moistening

(2)從圖5(a)和圖5(b)可知，原狀黃土在w≤wP時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，壓縮指數(shù)Cc和壓縮模量Es變化很小，表明水分相變體增對黃土結(jié)構(gòu)影響小。

(3)從圖3和圖5(c)～圖5(f)可知，在wPwL后，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加壓縮指數(shù)Cc變化幅度變緩和壓縮模量Es變化幅度變緩，表明黃土具有流變性，在固態(tài)水在融化后由于黃土結(jié)構(gòu)微顆粒的蠕變作用具有自愈合作用，故結(jié)構(gòu)強度降低速率減緩。

4 黃土結(jié)構(gòu)強度劣化規(guī)律研究

前文分析了原狀黃土在增濕和凍融循環(huán)作用下體積和孔隙變化規(guī)律，其規(guī)律是對黃土在這兩種外環(huán)境作用擾動的宏觀結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。原狀結(jié)構(gòu)的擾動，必然會對其結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生影響。黃土結(jié)構(gòu)性強弱可用結(jié)構(gòu)強度大小表示，黃土結(jié)構(gòu)強度是土顆?？臻g構(gòu)型而自生的一種膠結(jié)性的聯(lián)結(jié)強度，其伴隨土體結(jié)構(gòu)的形成而生成，隨土體結(jié)構(gòu)的破壞而消失。其大小由黃土結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒之間的聯(lián)結(jié)力和摩擦力所決定。黃土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力包括土顆粒之間膠體化學(xué)的膠結(jié)力、分子引力和基質(zhì)吸力，這些黃土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的膠結(jié)力形成了黃土結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)強度；摩擦力是黃土土體受力時土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力被克服后由相互錯動、運移、空間重新排列的運動或趨勢時才產(chǎn)生阻止土體變形的力，包括顆粒之間的摩擦力和咬合力、接觸面的表面張力，這種黃土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力形成了黃土結(jié)構(gòu)的摩擦強度。但黃土結(jié)構(gòu)強度極易受到外界環(huán)境擾動，常見的有如雨水入滲的增濕或凍融循環(huán)作用下的凍脹與融沉都會引起黃土的原始結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破壞。黨進謙等[17]提出了非飽和黃土結(jié)構(gòu)強度的來源和組成，其大小的確定方法，分析了結(jié)構(gòu)強度的發(fā)揮和變化規(guī)律，以及建立了考慮結(jié)構(gòu)性強度的非飽和黃土的抗剪強度。胡再強等[18]對原狀黃土和人工制備結(jié)構(gòu)性黃土通過側(cè)限壓縮試驗考察了在不同含水量下的結(jié)構(gòu)強度、壓縮曲線、濕陷系數(shù)及飽和時的固結(jié)系數(shù)定量化關(guān)系，結(jié)果非常接近，提出了用人工制備結(jié)構(gòu)性黃土代替原狀黃土來研究非飽和黃土是可行的。田堪良等[19-20]定量描述黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，即黃土聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)強度和摩擦結(jié)構(gòu)強度的變化規(guī)律。

4.1 黃土結(jié)構(gòu)強度定義

原狀黃土在側(cè)限壓縮試驗加荷過程中，e-lgp壓縮曲線可以表征黃土結(jié)構(gòu)從平緩直線階段的彈性變形到由局部微觀結(jié)構(gòu)開始破壞而使線段曲率突增進入塑性變形，則定義曲率最大點處對應(yīng)的壓力為試驗原狀黃土結(jié)構(gòu)強度。本文為了追究取樣制樣過程對原狀黃土結(jié)構(gòu)強度的影響，所以采用先期固結(jié)壓力所對應(yīng)的點與該點處孔隙比對應(yīng)飽和重塑黃土的壓力差表示原狀黃土結(jié)構(gòu)強度更為合理，定義為原狀黃土結(jié)構(gòu)強度q0，如圖6所示。

①為壓縮曲線的末段直線方程；②為過最大曲率點的切線方程；③為過最大曲率點的水平直線；④為直線②和③角平分線圖6 原狀黃土的結(jié)構(gòu)強度Fig.6 Structural strength of undisturbed loess

則原狀黃土的結(jié)構(gòu)強度可表示為

q0=pc-ps

(9)

圖7 擾動黃土的剩余結(jié)構(gòu)強度Fig.7 Residual structural strength of disturbed loess

式(9)中:pc是先期固結(jié)壓力[21]，kPa。先期固結(jié)壓力最常采用卡莎格蘭德方法確定，該方法需要嚴(yán)格進行試驗操作和數(shù)據(jù)讀取，以便提高精度。

而對于受到外界環(huán)境(增濕、溫度變化、加荷等)擾動作用黃土的結(jié)構(gòu)強度，采用壓縮曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點，該點也認(rèn)為是黃土微觀結(jié)構(gòu)的破壞起點，該點處孔隙比所對應(yīng)的外界環(huán)境擾動黃土與飽和重塑黃土的壓力差最大，此數(shù)值定義為黃土殘余結(jié)構(gòu)強度qr，如圖7所示。

則擾動黃土殘余結(jié)構(gòu)強度可表示為

qr=pc max-ps

(10)

基于損傷力學(xué)原理，定義劣化因子為

(11)

一般情況下，Ω取值在0～1之間。當(dāng)Ω=0時，表明沒有受到任何擾動損傷，當(dāng)Ω=1時，表明充分?jǐn)_動損傷，即飽和重塑狀態(tài)。

當(dāng)qr取原狀黃土的剩余結(jié)構(gòu)強度，用q0r表示取樣制樣擾動劣化因子，則式(11)變化為

(12)

Ωd大小表示黃土在開挖后上覆壓力釋放和取樣制樣過程對黃土產(chǎn)生不同程度的擾動，其值越大表示擾動越大。Ωd大小可以根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)值圖形進行求解，首先確定擬合曲線轉(zhuǎn)折點(最大曲率點)處壓力和先期固結(jié)壓力。

4.2 轉(zhuǎn)折點處的壓力

根據(jù)圖6試驗曲線可以看出滿足一元多次函數(shù)模型。由于橫坐標(biāo)為函數(shù)，故令x=lgpkPa，則根據(jù)數(shù)值模擬壓縮曲線函數(shù)設(shè)為一元多次函數(shù):

e(x)=a1+a2x+an+1xn

(13)

式(13)中：n為自然數(shù)，其大小取決于圖像的形狀，一般取值3～5。ai為擬合數(shù)學(xué)表達式的系數(shù)，i=1,2,…,n。

為了方便討論，取n=3，代入曲率公式計算得:

(14)

求解最大曲率方法，將式(14)中的絕對值符號去掉，改變?yōu)榍蠛瘮?shù)極值問題，將所有的極大值和極限值取絕對值進行比較，最大值就為壓力曲線的最大曲率。最大曲率所對應(yīng)的點為最值點，為最大曲率點。對應(yīng)孔隙比和壓力為黃土結(jié)構(gòu)試驗破壞起點。故令：

(15)

經(jīng)化解式(15)得一個一元四次方程：

Ax4+Bx3+Cx2+Dx+E=0

(16)

根據(jù)費拉里法求解得:

n=1,2,3,4

(17)

考慮邊界條件，省略式(17)的無效解，得到K值最大值的點Rmin(lgpc max，ec max)就是最大曲率點，亦即這點上有最小曲率半徑。

則有:

n=1,2,3,4

(18)

當(dāng)n取1和3時結(jié)果為無理數(shù)，為無效解，當(dāng)n取2和4時結(jié)果互為相反數(shù)，取正值。

4.3 先期固結(jié)壓力[21]

根據(jù)圖6所示，可采取不同方法分別確定直線①、直線②和直線④的方程。

直線①方程采用線性回歸分析法，取壓縮曲線末段m組試驗數(shù)據(jù)(ei，lgpi)，i=1, 2,…,m，(試驗數(shù)據(jù)按照從最后組向前依次獲取)。

則一元線性回歸方程設(shè)為

(19)

(20)

(21)

直線②方程采用點斜式來表示:

e-ec max=k2(lgp-lgpc max)

(22)

k2=a2+2a3lgpc max+3a4(lgpc max)2

(23)

直線④方程也采用點斜式來表示:

e-ec max=k(lgp-lgpc max)

(24)

(25)

聯(lián)立求解式(19)和式(24)得直線①和直線④交點E(lgpc，ec)。即

(26)

4.4 黃土取樣制樣擾動劣化值

飽和重塑黃土壓縮曲線近似為直線：

e=Aslgp+Bs

(27)

式(27)中：As和Bs是飽和黃土擬合直線系數(shù)。

則式(11)中q0和qr變化為

q0=10lgpc-lg(pc)s=10ec max-klgpc max-^β0^k1-k-ec-BsAsqr=10lgpc max-(lgpc max)s={(28) 10-B+(-1)n/2m+(-1)n+1S+(-1)n/2T4A-ec max-BsAs(29)

將式(28)和式(29)代入式(11)得：

Ω=1-

(30)

同式(30)確定方法，得取樣制樣擾動劣化值：

Ωd=1-

(31)

采用圖4試驗數(shù)據(jù)進行計算，原狀黃土壓縮曲線可擬合為

e=0.034 9x3+0.135 9x2-0.138 5x+0.921 2，r2=0.956

(32)

取原狀黃土壓縮曲線末段線性回歸曲線：

e=-0.263 2x+1.651 2，r2=0.956

(33)

飽和黃土壓縮曲線擬合為

e=-0.000 2x+0.868 5，r2=0.967

(34)

將表3所示計算參數(shù)代入式(31)得Ωd=0.177。

表3 計算參數(shù)Table 3 Calculation parameters

4.5 增濕-凍融作用下黃土結(jié)構(gòu)強度劣化規(guī)律

將黃土壓縮試驗數(shù)據(jù)，同試黃土取樣制樣擾動劣化值確定方法一致，將獲得的計算參數(shù)代入式(29)和式(30)中得到在增濕和凍融循環(huán)作用下黃土剩余結(jié)構(gòu)強度和劣化因子的變化規(guī)律，如圖8～圖11所示。

圖8 增濕作用下黃土剩余結(jié)構(gòu)強度Fig.8 Residual structural strength of loess after moistening

圖9 凍融循環(huán)作用下黃土剩余結(jié)構(gòu)強度Fig.9 Residual structural strength of loess afterfreezing-thawing cycles

圖10 增濕作用下黃土結(jié)構(gòu)強度劣化規(guī)律Fig.10 Deterioration law of loess structurestrength after moistening

圖11 凍融循環(huán)作用下黃土結(jié)構(gòu)強度劣化規(guī)律Fig.11 Deterioration law of loess structure strengthafter freezing-thawing cycles

(1)從圖8可看出，隨著含水率的增加黃土剩余結(jié)構(gòu)強度降低，變化規(guī)律為在w≤wP時，qr降低較緩慢，表明在黃土結(jié)構(gòu)中，聯(lián)結(jié)強度略有降低和摩擦結(jié)構(gòu)強度變化較??；在wP≤w≤wL時，qr降低速率較快，表明在黃土結(jié)構(gòu)中，聯(lián)結(jié)強度和摩擦結(jié)構(gòu)強度都有大幅度降低；在w>wL時，qr降低速率又減緩，表明在黃土結(jié)構(gòu)中，摩擦結(jié)構(gòu)強度基本降至零，聯(lián)結(jié)強度達到一個極限黏結(jié)強度。

(2)從圖9可看出，在不同含水率下，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度在增濕劣化的基礎(chǔ)上，繼續(xù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低，具體變化規(guī)律：在含水率很小時，剩余結(jié)構(gòu)強不隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化或產(chǎn)生微小降低(如原狀黃土)，原結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)強度和摩擦結(jié)構(gòu)強度不變化或產(chǎn)生微小變化；在wP≤w≤wL時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，表現(xiàn)為在1～6次間，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度降低速率最快，表明水分凍相變使黃土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大孔隙架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)強度大幅度降低，摩擦結(jié)構(gòu)強度也有了降低；在6次之后，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度降低速率變緩，明次生結(jié)構(gòu)緩慢形成。在w>wL時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，表現(xiàn)為在1～6次間，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度降低速率較快，表明凍脹產(chǎn)生較大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，6次之后，降低速率減緩，表明次生結(jié)構(gòu)基本形成。

從圖10、圖11可看出：①隨著含水率增加，黃土劣化因子增加，具體表現(xiàn)為在w≤wp時，劣化因子變化緩慢；在wP≤w≤wL時，劣化因子變化較快；在w>wL時，劣化因子又變緩慢; ②在不同的增濕后凍融循環(huán)對黃土結(jié)構(gòu)強度的劣化行為都是在增濕劣化的基礎(chǔ)上繼續(xù); ③當(dāng)含水率很小時，原狀黃土結(jié)構(gòu)強度不受凍融循環(huán)作用影響或影響很小; ④隨著含水率增加，凍融循環(huán)對黃土結(jié)構(gòu)強度影響劣化程度先增加，后減緩，具體表現(xiàn)為：當(dāng)wP≤w≤wL時，在1～6次間，黃土結(jié)構(gòu)強度劣化曲線較陡，在6次之后，其曲線變緩，明次生結(jié)構(gòu)緩慢形成；在w>wP時，在1～6次間，黃土結(jié)構(gòu)強度劣化曲線略陡，在6次之后，其曲線基本平緩，明次生結(jié)構(gòu)緩慢形成。

5 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)模擬增濕和凍融循環(huán)作用環(huán)境，測得隨含水率的增加黃土試樣體積和孔隙變化都增大，變化規(guī)律為起初較緩慢，含水率大于15%以后，變化速率明顯增大；在不同含水率情況下隨凍融循環(huán)次數(shù)增加黃土試樣的體積和結(jié)構(gòu)孔隙比也增加，具體表現(xiàn)為前3次凍融循環(huán)，隨后變緩，凍融循環(huán)到9次以后變化較為平緩。

(2)通過側(cè)限壓縮試驗e-lgp壓縮曲線可得：隨含水率增加的壓縮指數(shù)Cc變大，壓縮模量Es減小。在w≤wP時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，壓縮指數(shù)Cc和壓縮模量Es變化很??；在wP≤w≤wL時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加壓縮指數(shù)Cc變化幅度較大和壓縮模量Es變化幅度較小；在w>wL時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加壓縮指數(shù)Cc變化幅度變緩和壓縮模量Es變化幅度變緩。

(3)依據(jù)壓縮曲線定義黃土結(jié)構(gòu)強度、剩余結(jié)構(gòu)強度和黃土結(jié)構(gòu)強度劣化因子概念，采用數(shù)理統(tǒng)計方法擬合出e-lgp壓縮曲線的最大曲率點，即轉(zhuǎn)折點處的壓力，先期固結(jié)壓力和剩余結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)強度劣化因子的數(shù)值表達式，并通過計算試驗前黃土擾動劣化值進行驗證計算公式。

(4)隨著含水率的增加黃土剩余結(jié)構(gòu)強度變化降低，在不同的含水率區(qū)間，表現(xiàn)為當(dāng)w≤wp時，qr降低較緩慢；在wP≤w≤wL時，qr降低速率較快；在w>wL時，qr降低速率又減緩。而在不同含水率下，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低，具體變化規(guī)律：在含水率很小時，剩余結(jié)構(gòu)強度不隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化或產(chǎn)生微小降低；在wP≤w≤wL時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，表現(xiàn)為在1～6次間，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度降低速率最快；在6次之后，其降低速率變緩，明次生結(jié)構(gòu)緩慢形成。在w>wL時，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，表現(xiàn)為在1～6次間，黃土剩余結(jié)構(gòu)強度降低速率較快，表明凍脹產(chǎn)生較大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，6次之后，降低速率減緩，表明次生結(jié)構(gòu)基本形成。黃土劣化因子與剩余結(jié)構(gòu)強度變化規(guī)律基本一致。