干濕循環(huán)作用下壓實黃土三軸剪切特性試驗研究

郝延周，王鐵行，汪 朝，金 鑫

（1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學資源工程學院，陜西西安 710055；3.西安工業(yè)大學建筑工程學院，陜西西安 710021）

1 研究背景

壓實處理后的黃土壩基、路基和邊坡等在后期運營中受自然因素如水位升降、降水、蒸發(fā)等反復干濕循環(huán)的作用，導致其力學性能發(fā)生變化。干濕循環(huán)會使巖土體的力學性質(zhì)發(fā)生不可逆轉的變化［1-3］，對巖土體的微細觀結構造成一定的損傷，引起強度的劣化［4-5］。直接用壓實黃土的三軸剪切特性去評價長期運營中土的力學特性會產(chǎn)生一定的誤差，導致壓實黃土壩基、地基、邊坡等在后期運營中出現(xiàn)沉降、開裂等工程問題。因此，研究干濕循環(huán)作用下壓實黃土的強度變化規(guī)律具有重要的工程意義。

目前，不少學者對干濕循環(huán)作用下土的力學特性進行了研究。干濕循環(huán)導致土體強度和變形模量明顯降低，且在第一次干濕循環(huán)后的衰減最大［6］。呂海波等［7］通過試驗得出膨脹土抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減，最終趨于穩(wěn)定。原狀膨脹土的抗剪強度在同一級荷載下隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而衰減［8-10］。孫德安等［11］對初始狀態(tài)相同南陽膨脹土試樣進行1～6次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)過程中相同吸力的試樣含水率略降低、孔隙比略增大、持水能力略降低。Al-Homoud［12］、Zhang 等［13］、Nowamooz等［14］研究了干濕循環(huán)對膨脹土的變形特性的影響，膨脹土的變形在第一次干濕循環(huán)時最為明顯，且在經(jīng)歷3～5次循環(huán)后達到平衡狀態(tài)。Aldaood［15］等研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)導致人工改良土的強度衰減。劉文化等［16-17］通過試驗對大連典型粉質(zhì)黏土6次干濕循環(huán)前、后的力學特性的變化規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)初始干密度對干濕循環(huán)響應具有影響，干濕循環(huán)過程中試樣內(nèi)部結構調(diào)整和基質(zhì)吸力的壓密作用使得土體的力學特性發(fā)生了不可逆轉的變化。程富陽等［18］通過不固結不排水三軸試驗，得出隨干濕循環(huán)次數(shù)增加和干濕循環(huán)幅度增大，飽和紅土的黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，干濕循環(huán)次數(shù)的影響大于干濕循環(huán)幅度的影響。曹玲等［19］通過三軸試驗探討了三峽庫區(qū)滑帶土經(jīng)過多次干濕循環(huán)后飽和試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角下降情況。袁志輝等［20］發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對原狀黃土與壓實黃土的抗剪強度均會產(chǎn)生劣化效應；王飛等［21］認為割線模量與干濕循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)減小，與初始壓實度呈指數(shù)增大關系；劉宏泰等［22］通過三軸壓縮和三軸滲透試驗，得出干濕循環(huán)作用使重塑黃土強度逐漸衰減和滲透性增強的規(guī)律；胡長明等［23］建立了考慮干密度、干濕循環(huán)幅度、干濕循環(huán)下限含水量的干濕循環(huán)強度劣化模型，通過該模型分析了壓實黃土填方邊坡穩(wěn)定，并揭示了強度劣化的微觀機制；張芳枝等［24］研究發(fā)現(xiàn)吸濕-脫濕循環(huán)過程不僅使非飽和土的有效內(nèi)摩擦角降低，而且對吸力內(nèi)摩擦角值產(chǎn)生一定影響。王鐵行等［25］通過試驗研究了干濕循環(huán)作用下壓實黃土動強度性質(zhì)，結果表明壓實黃土的動強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先減小再逐漸增大。

上述研究大多認為土體在3～6次干濕循環(huán)作用后其強度趨于穩(wěn)定，但受土的類型、結構和礦物成分以及干濕循環(huán)路徑和干濕循環(huán)幅度等影響，這一結論具有一定的局限性，且對更多干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑條件下土的強度性質(zhì)變化趨勢的研究甚少；另外，上述研究主要集中在干濕循環(huán)作用下土的強度劣化規(guī)律，對干濕循環(huán)作用下強度劣化程度的評價方法還未提出。因此，需要對更多干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑條件下的壓實黃土強度變化趨勢進行深入研究，并從中得出能夠評價干濕循環(huán)作用下壓實黃土強度劣化程度大小的方法?；诖?，本文通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑的壓實黃土試樣進行三軸剪切試驗，研究不同干濕循環(huán)路徑和多次干濕循環(huán)作用下壓實黃土的三軸剪切特性變化規(guī)律，探討能夠指導壓實黃土實際工程的干濕循環(huán)強度劣化程度評價方法。

2 試驗概況

2.1 試樣制備試驗所用黃土樣取自西安市某基坑，屬于Q3馬蘭黃土，呈黃褐色、可塑、稍濕-濕，其物理性質(zhì)指標見表1。通過室內(nèi)標準擊實試驗測定土的最大干密度為1.73 g/cm3，最優(yōu)含水率為18.9%。將現(xiàn)場土層中取得的原狀黃土土樣自然風干，用橡皮錘捶碎，然后過2 mm孔徑篩，配制成含水率w為18.9%的土樣，密封放置48 h以上使水分分布均勻。將土樣分4層豎向壓實，制備干密度為1.70 g/cm3（壓實度為98.3%），土樣尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm的干濕循環(huán)試樣，干濕循環(huán)后用于三軸剪切試驗。干密度誤差小于等于0.02 g/cm3。

表1 黃土的主要物理特性指標

2.2 干濕循環(huán)試驗為使干濕循環(huán)作用對壓實黃土強度劣化充分發(fā)揮，設置4種干濕循環(huán)路徑（見表2），對應的試驗編號分別為a、b、c、d，下限含水率分別設置為：18.9%、12.9%、6.9%、0.9%，對應的干濕循環(huán)幅度（A）分別為：4.1%、10.1%、16.1%和22.1%，以模擬壓實黃土施工完成后不同深度處飽和（水位上升）、減濕（水位下降）、再飽和、再減濕的循環(huán)過程。試樣飽和過程采用抽真空飽和法，試驗測得飽和后的含水率均在23%左右，且相差不超過0.1%，飽和度大于98%；減濕過程采用烘干法（40 ℃），由于d循環(huán)路徑采用低溫烘干無法達到目標含水率0.9%，因此，d循環(huán)路徑在低溫烘干至含水率3%后采用高溫烘干（105 ℃）法減濕至目標含水率；干濕循環(huán)歷時（1循環(huán)）包括飽和過程時間和減濕至目標含水率的時間（見表2）。試樣增濕或減濕后用保鮮膜密封放置在保濕缸中24 h以上使試樣中含水率達到均勻分布。將試樣制備好后用保鮮膜包裹并用膠帶輕松纏繞以利于土中水分只能通過試樣的兩端進行遷移，近似模擬水分的一維遷移。試樣的含水率通過控制其質(zhì)量來實現(xiàn)，精度控制在±0.1 g。干濕循環(huán)次數(shù)達到試驗要求的次數(shù)后由飽和減濕至同一試驗含水率18.9%進行三軸剪切試驗，以利于試驗數(shù)據(jù)的對比分析。

表2 壓實黃土干濕循環(huán)方案

2.3 三軸剪切試驗三軸剪切試驗采用SLB-1型應力應變控制式三軸儀，采用不固結不排水剪切試驗（UU），剪切速率為0.5 mm/min，圍壓設置為100、200和300 kPa。應力-應變曲線有峰值時取峰值偏應力作為三軸剪切強度，無峰值時取軸向應變15%所對應的偏應力作為三軸剪切強度。試驗結束的標準為軸向應變達到20%。

3 試驗結果分析

3.1 應力-應變關系不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑壓實黃土的三軸剪切應力-應變關系曲線見圖1，限于篇幅，這里僅列出各干濕循環(huán)路徑在圍壓為100 kPa的應力-應變關系。

圖1 干濕循環(huán)作用下壓實黃土應力-應變曲線（σ3=100kPa）

由圖1可以明顯得出，不同干濕循環(huán)路徑和不同干濕循環(huán)次數(shù)的壓實黃土應力-應變曲線差異比較明顯。除n=0時的初始應力-應變曲線呈弱軟化型外，其余應力-應變曲線均呈應變硬化型。

同一圍壓條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實黃土的應力-應變曲線均在n=0時應力-應變曲線的下方，這說明干濕循環(huán)對壓實黃土初始結構具有損傷作用，導致其力學特性降低。在n=1和n=3時降低幅度最大，這與此前學者［7，9-11］的研究結論一致，當n≥6時，壓實黃土的應力-應變曲線分布在一定范圍內(nèi)。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各干濕循環(huán)路徑壓實黃土試樣的力學特性并非逐漸減小趨于穩(wěn)定值，當干濕循環(huán)次數(shù)達到一定值時，壓實黃土的應力-應變曲線位于最底部，之后逐漸上移，其力學特性有所提高，但均距離n=0時的初始應力-應變曲線較遠。

對比分析不同干濕循環(huán)路徑的壓實黃土應力-應變曲線可以得出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各干濕循環(huán)路徑的應力-應變曲線下移至最底部對應的干濕循環(huán)次數(shù)不同，其中a路徑對應的干濕循環(huán)次數(shù)n=9，b、c路徑對應的干濕循環(huán)次數(shù)n=6，d路徑對應的干濕循環(huán)次數(shù)n=3。當干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時，各干濕循環(huán)路徑的應力-應變曲線開始上移，d路徑上移幅度最大，a路徑上移幅度最小，其中a、b、d路徑在n≥12時，c路徑在n≥15時，曲線分布在較窄的區(qū)域，但應力-應變曲線整體緩慢上移。

3.2 干濕循環(huán)作用下壓實黃土的三軸剪切強度為進一步分析干濕循環(huán)作用下壓實黃土三軸剪切強度的變化特征，對各循環(huán)路徑在不同干濕循環(huán)次數(shù)的三軸剪切強度進行統(tǒng)計分析，建立三軸剪切強度與干濕循環(huán)次數(shù)n的關系見圖2。由圖2可知，壓實黃土的三軸剪切強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先減小后逐漸增大，但增大幅度較小。其中，干濕循環(huán)路徑a的強度劣化主要集中在前9次，干濕循環(huán)路徑b、c的強度劣化主要集中在前6次，干濕循環(huán)路徑d的強度劣化主要集中在前3次。將三軸剪切強度達到最小值對應的干濕循環(huán)次數(shù)定義為臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc，則干濕循環(huán)路徑a、b、c、d的臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc分別為9次、6次、6次和3次。當干濕循環(huán)次數(shù)小于臨界干濕循環(huán)次數(shù)時，各干濕循環(huán)路徑的三軸剪切強度逐漸減小，當干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加大于臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc時，各干濕循環(huán)路徑的三軸剪切強度相對于臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc對應的三軸剪切強度有增大的趨勢，但曲線較平緩；在σ3=100kPa 時，n=21 次對應的三軸剪切強度相對于臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc對應的三軸剪切強度增幅：干濕循環(huán)a路徑為18.69%，干濕循環(huán)b路徑為38.7%，干濕循環(huán)c路徑為64.32%，干濕循環(huán)d路徑增幅達到60.07%。

圖2 干濕循環(huán)作用下壓實黃土三軸剪切強度變化規(guī)律

壓實黃土的三軸剪切強度變化受干濕循環(huán)路徑的影響顯著。不同干濕循環(huán)路徑中三軸剪切強度與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線在臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc之前斜率逐漸減小，且減小幅度較大，其中在n=1時曲線最陡，斜率最大；干濕循環(huán)路徑a的強度在臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc之前隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大減小相對比較緩慢，曲線斜率相對較小，而干濕循環(huán)路徑d的強度減小相對比較劇烈，曲線斜率相對較大；對比分析不同干濕循環(huán)路徑在相同圍壓條件下的強度與干濕循環(huán)次數(shù)關系曲線的最低點對應的強度值可以明顯得出，干濕循環(huán)c路徑的強度值最小，其次為d路徑和b路徑，a路徑的強度值相對最大。在臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc之后強度與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線斜率由負值變?yōu)檎岛笾饾u增大，增大幅度相對較小，其中干濕循環(huán)路徑a、b在n≥15時，干濕循環(huán)路徑c、d在n≥12時曲線趨于平緩。

干濕循環(huán)幅度和下限含水率對壓實黃土三軸剪切強度的劣化具有一定影響。隨著干濕循環(huán)幅度的逐漸增大和下限含水率的逐漸減小，在σ3=100 kPa圍壓下，不同干濕循環(huán)路徑壓實黃土三軸剪切強度劣化的最大程度分別為：干濕循環(huán)路徑a（A=4.1%）為42.48%，干濕循環(huán)路徑b（A=10.1%）為55.55%，干濕循環(huán)路徑c（A=16.1%）為65.95%，干濕循環(huán)路徑d（A=22.1%）為63.56%；其中干濕循環(huán)路徑c的三軸剪切強度劣化最明顯。在σ3=100 kPa圍壓下，不同干濕循環(huán)路徑的壓實黃土試樣在干濕循環(huán)12 次后的三軸剪切強度最終劣化程度分別為：干濕循環(huán)路徑a 為37.93%，干濕循環(huán)路徑b 為42.49%，干濕循環(huán)路徑c為53.22%，干濕循環(huán)路徑d為44.54%。

根據(jù)摩爾-庫倫理論求得抗剪強度指標：黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。建立黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ與干濕循環(huán)次數(shù)n的關系曲線見圖3 和圖4。由圖3 可知壓實黃土的黏聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先急劇減小再逐漸增大，具有明顯的轉折點，轉折點與干濕循環(huán)路徑有關。轉折點前的曲線較陡，斜率較大。干濕循環(huán)路徑a 的黏聚力在n=9 次以后開始逐漸增加，但增大幅度不大，干濕循環(huán)路徑b、c 的黏聚力在干濕循環(huán)n=6 次以后開始逐漸增大，干濕循環(huán)路徑d 的黏聚力在干濕循環(huán)n=3 次以后開始逐漸增大；干濕循環(huán)路徑a、b、c、d 分別在其曲線轉折點處的黏聚力與初始值相比分別降低了36.1、43.71、74.23 和72.05 kPa，其中干濕循環(huán)路徑c 的降低幅度最大，干濕循環(huán)路徑a 的降低幅度最小。當干濕循環(huán)次數(shù)大于12 次時，壓實黃土的黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關系曲線斜率逐漸減?。划敻蓾裱h(huán)次數(shù)大于15 次時，各干濕循環(huán)路徑的黏聚力變化曲線逐漸趨于平緩。

圖3 黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關系

圖4 內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關系

由圖4 可知壓實黃土的內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律與黏聚力的變化趨勢相似，在n=1次干濕循環(huán)作用下除干濕循環(huán)a路徑外其他路徑內(nèi)摩擦角減小明顯，在達到各自臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc之后內(nèi)摩擦角稍有增加，僅在約0～3°很小的范圍內(nèi)變化。當干濕循環(huán)次數(shù)大于12次時，壓實黃土的內(nèi)摩擦角曲線趨于平緩。

實際填方工程中壓實黃土在后期運營中經(jīng)歷無數(shù)次干濕循環(huán)，且干濕循環(huán)路徑和幅度復雜多變，壓實黃土的三軸剪切強度及其強度指標在其孔隙和顆粒結構基本趨于穩(wěn)定之后，三軸剪切強度的指標趨于穩(wěn)定值。本文黏聚力和內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定值所對應的干濕循環(huán)次數(shù)分別為n=15 和n=12次，其他干濕循環(huán)路徑及循環(huán)幅度條件下的壓實黃土強度及強度指標變化特征還需在后續(xù)的工作中繼續(xù)研究。

3.3 干濕循環(huán)作用下壓實黃土強度指標的劣化度為進一步定量研究干濕循環(huán)作用下壓實黃土的三軸剪切強度指標劣化程度，將三軸剪切強度指標按式（1）、式（2）定義的三軸強度參數(shù)指標劣化度對不同干濕循環(huán)作用次數(shù)壓實黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角進行計算，計算結果見圖5和圖6。

式中：DRc、DRφ分別為黏聚力劣化度和內(nèi)摩擦角劣化度，當DR=0時，強度指標未發(fā)生劣化，當0＜DR＜1時，強度指標表現(xiàn)為劣化，%；c0、cn分別為干濕循環(huán)次數(shù)為0的初始黏聚力和干濕循環(huán)次數(shù)為n的黏聚力，kPa；φ0、φn分別為干濕循環(huán)次數(shù)為0 的初始內(nèi)摩擦角和干濕循環(huán)次數(shù)為n的內(nèi)摩擦角，°。

由圖5可知，干濕循環(huán)路徑a、b、c、d的黏聚力劣化度均隨干濕循環(huán)次數(shù)先增大至峰值后逐漸減小，其中在峰值之前各干濕循環(huán)路徑的曲線由陡變緩的順序為d、c、b、a，之后曲線逐漸趨于平緩。干濕循環(huán)路徑a、b、c、d的黏聚力最大劣化度分別出現(xiàn)在干濕循環(huán)n=9次、n=6次、n=6次、n=3次，這與臨界干濕循環(huán)次數(shù)一致。

由圖6可知，不同干濕循環(huán)路徑的壓實黃土內(nèi)摩擦角劣化度變化趨勢與黏聚力的劣化度變化趨勢相似，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，內(nèi)摩擦角劣化度先增大，之后緩慢減小。其中干濕循環(huán)路徑b、c、d均在干濕循環(huán)次數(shù)n=3次時達到最大值，在之后的9次干濕循環(huán)中，內(nèi)摩擦角劣化度變化相對不大，只在0～5%范圍內(nèi)變化。干濕循環(huán)路徑a的內(nèi)摩擦角劣化度逐漸增大，在干濕循環(huán)次數(shù)n=9次時達到最大值，之后緩慢減小。干濕循環(huán)路徑a、b、c、d的內(nèi)摩擦角劣化度曲線達到峰值之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加逐漸減小，在n=12次之后內(nèi)摩擦角劣化度變化很小，曲線趨于平緩。

采用分段函數(shù)法利用式（3）對壓實黃土黏聚力劣化度和內(nèi)摩擦角劣化度計算結果進行擬合，擬合參數(shù)見表3和表4。

圖5 不同干濕循環(huán)路徑黏聚力劣化度

圖6 不同干濕循環(huán)路徑內(nèi)摩擦角的劣化度

由表3和表4的擬合參數(shù)可以看出，式（3）對壓實黃土的黏聚力劣化度和內(nèi)摩擦角劣化度擬合分別具有很高的相關性，相關指數(shù)R2均大于0.97以上，該分段函數(shù)關系式能夠反映出劣化度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化過程，各擬合參數(shù)能夠較好的反映出曲線的發(fā)展規(guī)律。因此，可利用式（3）對壓實黃土的劣化度進行預測計算，以評估一定干濕循環(huán)作用后壓實黃土的強度性質(zhì)。

表3 壓實黃土黏聚力c劣化度擬合參數(shù)

表4 壓實黃土內(nèi)摩擦角φ劣化度擬合參數(shù)

3.4 壓實黃土干濕循環(huán)最劣含水率干濕循環(huán)幅度對黏聚力和內(nèi)摩擦角的劣化度影響顯著。其中c路徑的干濕循環(huán)幅度為16.1%，其黏聚力劣化程度最大，在n=6次時達到了69.24%；干濕循環(huán)幅度最小的a路徑（干濕循環(huán)幅度為4.1%）的黏聚力降低程度在n=9次時為33.68%，僅為干濕循環(huán)c路徑的黏聚力劣化程度的一半。相同干濕循環(huán)次數(shù)下，黏聚力劣化從小到大依次為干濕循環(huán)路徑a、b、d、c。在21次干濕循環(huán)過程中，干濕循環(huán)路徑a的內(nèi)摩擦角降低程度最小，僅為9.09%；干濕循環(huán)路徑c的內(nèi)摩擦角降低程度最大，達到36.36%。

存在一個最劣干濕循環(huán)幅度Aw，在最劣干濕循環(huán)幅度條件下，壓實黃土強度指標劣化度最大，最劣干濕循環(huán)幅度Aw對應的從飽和含水率減濕到的下限含水率定義為壓實黃土干濕循環(huán)最劣含水率ww，干濕循環(huán)達到最劣含水率時壓實黃土的強度劣化度最大，對壓實黃土后期運營最不利。為確定最劣干濕循環(huán)幅度Aw，分別建立干濕循環(huán)幅度A與黏聚力劣化度和內(nèi)摩擦角劣化度的關系曲線見圖7和圖8，根據(jù)曲線峰值所對應的橫坐標值即為最劣干濕循環(huán)幅度Aw。由圖7和圖8可以得出本文壓實度為98.3%的壓實黃土的黏聚力最劣干濕循環(huán)幅度Awc為18.05%，對應的黏聚力最劣含水率為wwc=4.95%；內(nèi)摩擦角最劣干濕循環(huán)幅度Awφ為14.1%，對應的內(nèi)摩擦角最劣含水率為wwφ=8.9%。

圖7 黏聚力劣化度與干濕循環(huán)幅度的關系

圖8 內(nèi)摩擦角劣化度與干濕循環(huán)幅度的關系

在壓實黃土實際工程中，可以根據(jù)壓實完成后黃土的瞬時含水率是否接近或等于最劣含水率來評價干濕循環(huán)對其強度的劣化程度，當壓實黃土的含水率接近或等于最劣含水率時，壓實黃土的強度劣化程度最大，反之最小。壓實施工完成之后盡量避免使壓實黃土在最劣干濕循環(huán)幅度Aw范圍內(nèi)進行干濕循環(huán)，通過對壓實土體表面覆蓋遮擋物等措施降低太陽輻射、風對土體水分的蒸發(fā)，從而減小干濕循環(huán)幅度以避免減濕至最劣含水率，從而保證壓實黃土施工完成后干濕循環(huán)使其三軸剪切強度的劣化程度降到最低。

3.5 剪切強度劣化機制分析干濕循環(huán)使壓實施工完成后的黃土體初始結構發(fā)生損傷，結構的損傷導致其強度發(fā)生劣化。增濕過程使壓實黃土中的微小土顆粒不斷填充大孔隙，使大孔隙向中小孔隙演化，但總孔隙率增大，導致土顆粒間的吸附強度減弱；減濕過程會使土樣內(nèi)部和表面產(chǎn)生裂隙（圖9），裂隙又使土樣的孔隙率增大，進一步加劇吸附強度的減弱；孔隙數(shù)量增多和裂隙的發(fā)育是導致壓實黃土發(fā)生結構損傷和強度降低的主要因素。隨著干濕循環(huán)幅度的增大，土樣在減濕過程中，體積含水率不斷減小，基質(zhì)吸力不斷增大，基質(zhì)吸力的增加不僅加劇了土樣中裂隙的發(fā)育，同時由基質(zhì)吸力導致的壓應力使土顆粒間的孔隙間距減小，孔隙比減小。

圖9 干濕循環(huán)過程中試樣表面裂隙發(fā)育

當干濕循環(huán)次數(shù)小于臨界干濕循環(huán)次數(shù)時，增、減濕不僅使土中孔隙率增大，還會使土的孔隙率減小，在這一階段，孔隙率以增大為主，最終導致壓實黃土的三軸剪切強度降低。當干濕循環(huán)次數(shù)大于臨界干濕循環(huán)次數(shù)時，基質(zhì)吸力對土顆粒的反復作用使土顆粒相互靠近，孔隙比相對降低；顆粒對大、中孔隙和裂隙的充填減小了孔隙率和提高了顆粒間的聯(lián)結作用及咬合作用，使壓實黃土的三軸剪切強度相對于臨界干濕循環(huán)次數(shù)所對應的三軸剪切強度有所增大，但增大幅度相對較低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，最終壓實黃土的三軸剪切強度趨于定值，該定值不會達到或超過壓實黃土的初始三軸剪切強度。

為進一步驗證上述分析的合理性，對壓實黃土a、b、c、d 路徑的試樣分別在干濕循環(huán)作用0次、3次、6次和12次后的試樣進行電鏡掃描試驗得到SEM圖像，限于篇幅，本文只列出干濕循環(huán)c路徑的SEM圖像見圖10。對的SEM圖像分析可知：干濕循環(huán)為0次時，干密度為1.70 g/cm3的壓實黃土骨架顆粒為集粒，呈凝塊狀；顆粒間以線-面、面-面的鑲嵌接觸為主；顆粒間以中、小孔隙為主，大孔隙含量相對較少；土顆粒棱邊、棱角相對比較明顯（圖10（a）（e））。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的線-面接觸減少，面-面接觸增加；土中孔隙由大、中孔隙逐漸向中、小孔隙演化（圖10（b）—（d）（f）—（h））。增濕過程中水的作用使微小顆粒填充顆粒間大孔隙和中孔隙，初始結構發(fā)生損傷，大、中孔隙不斷向中、小孔隙演化，使孔隙數(shù)量增加；另外隨著團粒表面微小顆粒和可溶鹽被沖刷，團粒內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，總孔隙率增大。減濕過程中土發(fā)生干縮，干縮使土中裂隙和微裂隙發(fā)育，增大了壓實黃土的孔隙率。當干濕循環(huán)次數(shù)超過臨界干濕循環(huán)次數(shù)（c路徑為6次）時，土中微小顆粒不斷填充大、中孔隙，同時干縮導致土體體積減小，土中孔隙率降低［25］。

圖10 c路徑不同干濕循環(huán)次數(shù)的SEM圖像

4 結論

通過對壓實度為98.3%的黃土試樣進行干濕循環(huán)試驗、三軸剪切試驗（UU），研究了不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑條件下壓實黃土的三軸剪切力學特性，得出以下結論：干濕循環(huán)作用下的壓實黃土應力-應變關系曲線隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加在坐標中先逐漸下移，然后又逐漸上移，最終逐漸趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)對壓實黃土三軸剪切強度具有劣化作用。存在臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc，當n＜nc時，三軸剪切強度及強度指標急劇減??；當n＞nc時，三軸剪切強度及強度指標逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。三軸剪切強度指標劣化度能夠定量反映干濕循環(huán)作用下壓實黃土的強度劣化規(guī)律，通過分段函數(shù)對劣化度進行擬合，擬合相關系數(shù)均在0.97以上，分段函數(shù)能夠較好反映強度指標的劣化過程。壓實黃土干濕循環(huán)最劣含水率對應的強度指標劣化度最大，在壓實黃土實際工程中，可以根據(jù)壓實完成后黃土的瞬時含水率是否接近或等于最劣含水率來評價干濕循環(huán)對三軸剪切強度的劣化程度。增濕過程使土顆粒間的吸附強度減弱和減濕過程使土樣內(nèi)部和表面產(chǎn)生裂隙是壓實黃土強度劣化的主要原因?；|(zhì)吸力的壓密作用和土顆粒對大、中孔隙和裂隙的充填提高了顆粒間的聯(lián)結作用及咬合作用，使壓實黃土的強度有所增大，但增大幅度相對較低，最終趨于定值。