含構(gòu)造節(jié)理黃土強(qiáng)度特性研究

王 平，王會(huì)娟，王麗麗，錢紫玲，邵生俊

(1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西 西安 710048； 2.中國(guó)地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.中國(guó)地震局蘭州巖土地震研究所，甘肅 蘭州 730000)

黃土高原是我國(guó)地震地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的區(qū)域，黃土中的構(gòu)造節(jié)理對(duì)黃土的自身物理力學(xué)性質(zhì)造成了極大的影響[1]。黃土構(gòu)造節(jié)理是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下沿應(yīng)力場(chǎng)主方向形成的特殊構(gòu)造，具有較強(qiáng)的延展性和切割能力以及成群成組排列的特性。

黃土構(gòu)造節(jié)理孕育了地質(zhì)災(zāi)害的控制面和分離面，是黃土高原地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因之一。它其密集程度和開(kāi)閉情況是控制滑坡滑動(dòng)面發(fā)育和穩(wěn)定性的重要控制因素，同時(shí)也是影響黃土滑坡致災(zāi)過(guò)程和災(zāi)害區(qū)域的重要原因[2]。將土體劃分為塊體結(jié)構(gòu)的黃土構(gòu)造節(jié)理，使土體不具有完整性，使得土體具有各向異性，增大滑坡推力，為滑坡崩塌準(zhǔn)提供了潛在滑動(dòng)面。節(jié)理極易發(fā)育為黃土地下水下滲和運(yùn)移的通道以及地下水賦存條件，使得黃土路堤、路塹和坑道邊坡更易于滲水，造成坡體等工程發(fā)生變形[3-4]。發(fā)育的土體內(nèi)節(jié)理，為地震波在節(jié)理面間的復(fù)雜折射反射提供了條件，使得斜坡內(nèi)極易出現(xiàn)地震放大效應(yīng)[5-6]。在大型地質(zhì)工程建設(shè)中，特別是黃土高原地區(qū)大型基礎(chǔ)工程施工中，大量發(fā)育的黃土構(gòu)造節(jié)理構(gòu)造往往會(huì)造成土體的不穩(wěn)定，為工程帶來(lái)隱患。它亦是造成黃土地區(qū)土質(zhì)惡化、地下水侵蝕加劇和水土流失嚴(yán)重的影響因素。貫通性好、密集發(fā)育的構(gòu)造節(jié)理組也是地下水的運(yùn)移通道和儲(chǔ)存場(chǎng)所，對(duì)地下水的滲流場(chǎng)造成劇烈影響，是土體內(nèi)部水力侵蝕的主要原因[7-9]。

黃土節(jié)理對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度具有相當(dāng)大的影響，但目前的室內(nèi)試驗(yàn)中，節(jié)理多為人工切割而成，簡(jiǎn)單的分為粗糙節(jié)理和光滑節(jié)理兩大類，與實(shí)際中天然節(jié)理面的復(fù)雜程度有著相當(dāng)程度的差距，并不能較好的模擬天然節(jié)理。黃土節(jié)理具有優(yōu)勢(shì)滲透性和節(jié)理面介質(zhì)的強(qiáng)烈水敏性，摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則適用于節(jié)理面[10-11]，隨著節(jié)理面滲水的含水量的增加，其抗剪強(qiáng)度減小。黃土節(jié)理的黏聚力受到含水量和節(jié)理面形態(tài)的影響，當(dāng)節(jié)理面相對(duì)粗糙時(shí)，黏聚力與含水量之間指數(shù)呈反比趨勢(shì)，但對(duì)于相對(duì)光滑的節(jié)理面，黏聚力隨含水量呈二次曲線關(guān)系。土體干密度對(duì)節(jié)理黏聚力也有一定影響，隨土體干密度增大黏聚力增大[12]，黃土節(jié)理的直剪試驗(yàn)存在尺寸效應(yīng)，大致表現(xiàn)為試樣越大抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)，因此在相關(guān)研究中應(yīng)開(kāi)展原位直剪試驗(yàn)[13]。葉萬(wàn)軍等[14]通過(guò)CT掃描成像技術(shù)研究了干濕循環(huán)作用下黃土體內(nèi)節(jié)理的發(fā)育、演化機(jī)制，結(jié)果表明土體節(jié)理產(chǎn)生的機(jī)制主要是濕溫耦合作用下土體內(nèi)部的含水率分布不均勻，出現(xiàn)水力梯度；在土體內(nèi)產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生節(jié)理。白玉鋒等[15]通過(guò)對(duì)黃土試樣開(kāi)裂機(jī)理的試驗(yàn)研究了兩組節(jié)理面產(chǎn)生的產(chǎn)生，得出黃土干燥開(kāi)裂過(guò)程中的節(jié)理、裂隙的衍生擴(kuò)展規(guī)律，并首先在洞穴處以及受約束部位產(chǎn)生，隨后逐漸擴(kuò)展延伸，同時(shí)指出在黃土開(kāi)裂過(guò)程中，與溫度、濕度、含水率、試樣形狀以及約束力息息相關(guān)。

在這樣的地質(zhì)背景下，如若在施工過(guò)程中忽略黃土構(gòu)造節(jié)理對(duì)工程的影響，勢(shì)必會(huì)對(duì)工程的抗震設(shè)防等級(jí)、工程周邊的邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等造成巨大的失誤。因此，開(kāi)展黃土構(gòu)造節(jié)理對(duì)黃土強(qiáng)度性質(zhì)影響的研究具有重要的工程意義和現(xiàn)實(shí)迫切性，研究成果一方面能夠?qū)?jié)理邊坡的安全防治問(wèn)題帶來(lái)新的解決方案，對(duì)斜坡的設(shè)計(jì)、施工方案提供理論指導(dǎo)，另一方面能夠推進(jìn)地震作用下的斜坡破壞模式研究的發(fā)展和創(chuàng)新。

1 黃土構(gòu)造節(jié)理的分布特征

通過(guò)對(duì)陜、甘、晉三個(gè)省份20余個(gè)市縣地區(qū)的典型構(gòu)造節(jié)理發(fā)育地點(diǎn)的勘察，對(duì)黃土構(gòu)造節(jié)理的發(fā)育和產(chǎn)狀做了細(xì)致的調(diào)查，如圖1所示，為4例典型黃土構(gòu)造節(jié)理。

圖1 黃土構(gòu)造節(jié)理Fig.1 Structural joints of loess

由圖可以看出，黃土構(gòu)造節(jié)理一般由兩組構(gòu)成，呈X型交叉發(fā)育，根據(jù)交切關(guān)系可以進(jìn)行分期，也有部分構(gòu)造節(jié)理為同期形成。同組構(gòu)造節(jié)理間呈平行等間距排列發(fā)育，節(jié)理面較為光滑，閉合程度較高，基本沒(méi)有填充物在節(jié)理內(nèi)充填，節(jié)理具有較強(qiáng)的延伸性和貫穿性，基本呈現(xiàn)出直線型發(fā)育，也有部分呈現(xiàn)粗波浪狀和階梯狀。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文所用試樣，取自甘肅省定西岷縣梅川鎮(zhèn)下轄的永光村特大地震滑坡遺址處，屬全新世Q4黃土，土質(zhì)較為疏松，孔隙發(fā)育，可見(jiàn)部分根系、蟲(chóng)孔，承載力低，屬于高濕陷性和壓縮性黃土。

通過(guò)對(duì)所取試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得該處土體原狀試樣比重約為2.57。采用烘干法測(cè)定該試樣天然含水率為7.65%，天然密度1.61 g/cm3，試樣物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土試樣物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of loess sample

室內(nèi)試驗(yàn)仍然是研究黃土體性質(zhì)的主要方法，主要通過(guò)三軸試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等方法研究含節(jié)理試樣的各項(xiàng)物理力學(xué)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)方法的差別，對(duì)真實(shí)反映節(jié)理在土體內(nèi)部的影響有極大的影響，如何使得室內(nèi)試驗(yàn)的精度和改進(jìn)方法，仍然是亟待解決的問(wèn)題。目前的室內(nèi)試驗(yàn)中，節(jié)理多為人工切割而成，簡(jiǎn)單的分為粗糙節(jié)理和光滑節(jié)理兩大類，與實(shí)際中天然節(jié)理面的復(fù)雜程度有著相當(dāng)程度的差距，并不能較好的模擬天然節(jié)理。為此設(shè)計(jì)并制作出了一項(xiàng)專門用于制作室內(nèi)試驗(yàn)中含黃土構(gòu)造節(jié)理試樣的工具，如圖2、圖3所示。該工具有效的解決了如何在制作試樣的過(guò)程中，精確控制節(jié)理的傾角以及通過(guò)擊錘有效的控制了試樣強(qiáng)度，極大促進(jìn)了節(jié)理試樣的精確度和室內(nèi)試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

為了探索一種節(jié)理面間材料模擬天然黃土構(gòu)造節(jié)理，共選取了打印紙、單層抽紙、打孔塑料薄膜3種材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。同時(shí)試驗(yàn)一種制樣方法模擬節(jié)理，該方法為在制樣時(shí)通過(guò)制樣器造出節(jié)理后，不進(jìn)行刮毛直接壓實(shí)，制造一種光滑節(jié)理面。為了探討各類模擬材料的不同對(duì)構(gòu)造節(jié)理黃土試樣抗拉強(qiáng)度的影響，系統(tǒng)開(kāi)展了含劈裂(節(jié)理)黃土試樣抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，研究各組試樣的極限抗拉強(qiáng)度，節(jié)理選取45°斜節(jié)理。測(cè)試內(nèi)容為干密度ρ=1.6 g/cm3，含水率為10%的各項(xiàng)試樣，其中原狀試樣分為原狀黃土試樣(Ty1)、原狀構(gòu)造節(jié)理黃土試樣(Ty2)兩項(xiàng)各3組，重塑無(wú)節(jié)理黃土試樣(Tc)3組，接觸面材料為打印紙的試樣為重塑打印紙黃土試樣(Td)3組，接觸面材料為單層抽紙的試樣為重塑單層抽紙節(jié)理試樣(Tz)3組，接觸面材料為打孔塑料薄膜的試樣為重塑打孔塑料薄膜節(jié)理試樣(Ts)各3組，含接觸面材料光滑節(jié)理面試樣(Tg)3組。結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同試樣模擬接觸關(guān)系抗拉強(qiáng)度示意圖Fig.4 Tensile strength diagram of simulated contact relationship of different samples

原狀無(wú)節(jié)理試樣抗拉峰值強(qiáng)度是最大的，其次是重塑無(wú)節(jié)理試樣，而在含節(jié)理試樣的抗拉強(qiáng)度中，可以看出節(jié)理的存在明顯降低了土體的抗拉強(qiáng)度，原狀構(gòu)造節(jié)理試樣的抗拉強(qiáng)度最大，接觸面為塑料薄膜和打印紙的抗拉強(qiáng)度最小，相對(duì)來(lái)說(shuō)單層抽紙的接觸面和光滑型接觸面較為接近原狀節(jié)理試樣，具體表現(xiàn)為Ty1>Tc>Ty2>Tz>Tg>Ts>Td。光滑節(jié)理面的峰值抗拉強(qiáng)度和單層抽紙作為接觸面的峰值抗拉強(qiáng)度近似，原則上光滑節(jié)理面在模仿原狀構(gòu)造節(jié)理更具優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)光滑節(jié)理面試樣在破壞后，很難區(qū)分試樣的破裂面和節(jié)理面，導(dǎo)致后續(xù)觀察受阻，無(wú)法確定節(jié)理面在其中起到的作用，而單層抽紙能夠較為清晰的反映節(jié)理的破壞程度以及節(jié)理對(duì)黃土試樣的影響。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，選擇單層抽紙作為節(jié)理的模擬面。

為了研究構(gòu)造節(jié)理傾角的變化對(duì)試樣的強(qiáng)度參數(shù)的影響，選取不同傾角構(gòu)造節(jié)理進(jìn)行研究。黃土地區(qū)的構(gòu)造帶具有極強(qiáng)的復(fù)雜性，各應(yīng)力場(chǎng)的主方向千差萬(wàn)別，本研究以15°為間隔，考慮多種傾角下土體強(qiáng)度特性的變化規(guī)律。水平節(jié)理與豎向節(jié)理體現(xiàn)了構(gòu)造節(jié)理黃土強(qiáng)度特性的兩個(gè)極限，實(shí)驗(yàn)中將這兩組情況也包含在內(nèi)。同時(shí)考慮含水率對(duì)試樣強(qiáng)度特性的影響，選取了含水率分別為5%、10%、15%三個(gè)梯度開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。為了更清晰的揭示破裂時(shí)試樣側(cè)面破裂面痕跡，本研究室內(nèi)試驗(yàn)主要選取無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，研究構(gòu)造節(jié)理黃土抵抗軸向壓力的極限抗壓強(qiáng)度和極限抗剪強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 不同傾角試驗(yàn)試樣節(jié)理示意圖Fig.5 The joint diagram of test samples with different dip angles

3 構(gòu)造節(jié)理對(duì)試樣破壞模式的影響

在試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的傾角在破裂時(shí)都遵循一定的破裂準(zhǔn)則和模式，而這種模式與構(gòu)造節(jié)理的傾角息息相關(guān)。

(1)滑動(dòng)破壞

該破壞模式大多發(fā)生在構(gòu)造節(jié)理傾角為20°～45°的范圍區(qū)間內(nèi)，其中傾角75°時(shí)偶有發(fā)現(xiàn)。這種破壞模式主要表現(xiàn)為節(jié)理面上下土體沿節(jié)理面相對(duì)滑動(dòng)，節(jié)理面基本沒(méi)有出現(xiàn)任何由于剪脹、蠕變導(dǎo)致的節(jié)理面變形和試樣損壞。這類破壞樣式的推測(cè)機(jī)理為，由于節(jié)理面黏聚力極小，摩擦力也相對(duì)較低，因此在上覆土層受到壓力時(shí)，節(jié)理面所抗滑力遠(yuǎn)小于外力產(chǎn)生的下滑力，導(dǎo)致試樣沿節(jié)理面發(fā)生整體滑移破壞，強(qiáng)度極速喪失并下降至0。

(2)滑動(dòng)剪切破壞

滑動(dòng)剪切破壞這一類型破壞模式主要在構(gòu)造節(jié)理傾角45°時(shí)集中出現(xiàn)，其余角度構(gòu)造節(jié)理偶有出現(xiàn)但數(shù)量較少。這種破壞模式主要表現(xiàn)為節(jié)理面上下土層在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的同時(shí)，節(jié)理面產(chǎn)生了剪脹和壓脹破壞，節(jié)理面上下土體出現(xiàn)剪切破壞，一般情況下裂隙從節(jié)理處開(kāi)始向外延伸，但其發(fā)育程度有限。

該類型破壞機(jī)理推測(cè)如下，當(dāng)試樣受來(lái)自上方外力作用時(shí)，節(jié)理面產(chǎn)生緩慢的相對(duì)滑動(dòng)，節(jié)理面上下表現(xiàn)為剪切破壞，土體強(qiáng)度降低，節(jié)理面出現(xiàn)剪脹破壞。此時(shí)，節(jié)理面上下土層運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿浠?，?yīng)力消散較慢，節(jié)理面間摩擦強(qiáng)度承擔(dān)了土體間的殘余強(qiáng)度，該強(qiáng)度約為土體峰值強(qiáng)度的50%。

同時(shí)值得注意的時(shí)，這種破壞類型與土體的含水率也有一定關(guān)系，在我們所選取的5%、10%、15%三個(gè)梯度下，33°構(gòu)造節(jié)理傾角的條件下，含水率越高，越容易出現(xiàn)這樣的破壞模式。同理，在其他角度出現(xiàn)該類型的破壞模式時(shí)，含水率越高，該破壞類型出現(xiàn)的概率越高。

(3)劈裂破壞

該種破壞模式主要出現(xiàn)在含水率5%以下的含構(gòu)造節(jié)理的黃土試樣中，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)構(gòu)造節(jié)理傾角在0～20°范圍內(nèi)時(shí)出現(xiàn)最多。該破裂類型主要特征有，節(jié)理面上下土層不沿節(jié)理面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，而是試樣整體自上至下出現(xiàn)一條貫穿試樣的豎向裂隙，該裂隙貫穿節(jié)理面，值得注意的是，當(dāng)裂隙穿越節(jié)理面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)少量的錯(cuò)斷。

在受到上部土層壓力作用下，因節(jié)理傾角過(guò)小或其他原因，節(jié)理上下表面不沿節(jié)理面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在壓力逐漸增大的狀況下，土層內(nèi)部收到的剪應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)土顆粒間作用力小于壓力影響下的膨脹力，試樣便會(huì)沿薄弱帶裂開(kāi)，形成劈裂破壞。

(4)共軛剪切破壞

該類破壞類型所涉及的節(jié)理類型最為寬泛，每組傾角節(jié)理試樣均產(chǎn)生了該種破壞模式。在該類破壞模式中，節(jié)理間是沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)的，受壓產(chǎn)生的X型共軛剪裂隙可貫穿試樣節(jié)理，通過(guò)不同傾角下破壞模式的分析可知，節(jié)理面與破裂面的夾角與節(jié)理傾角有一定的正相關(guān)性，隨著節(jié)理傾角的增大而逐漸增大。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)最多剪裂隙的一組試樣時(shí)構(gòu)造節(jié)理傾角為20°時(shí)，剪裂隙為3組。

在研究構(gòu)造節(jié)理黃土試樣的變形破壞模式中，節(jié)理傾角在0°、90°這兩種極端情況下的破壞模式也值得注意。構(gòu)造節(jié)理為90°的情況下，試樣的破壞由試樣邊界處開(kāi)始沿與豎直方向呈“45°”夾角位置發(fā)育，隨后沿豎向節(jié)理繼續(xù)產(chǎn)生破壞，呈現(xiàn)“丿型”破壞。節(jié)理傾角在0°時(shí)，試樣在節(jié)理面附近呈“壓碎式破壞”，這是因?yàn)樗焦?jié)理面相當(dāng)于軟弱結(jié)構(gòu)面，豎向壓力作用下，節(jié)理面處形成最大受壓區(qū)，雖然試樣的破壞以節(jié)理面處的“壓碎式破壞”為表象，水平節(jié)理面破壞后仍然發(fā)生了進(jìn)一步的剪切破壞。

圖6 構(gòu)造節(jié)理控制下黃土破壞模式Fig.6 Failure mode of loess controlled by structural joints

4 節(jié)理傾角變化對(duì)土體強(qiáng)度影響

4.1 節(jié)理傾角變化對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

分析可得，在相同含水率條件下，不同節(jié)理的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度σ1與節(jié)理傾角的變化有相當(dāng)密切的關(guān)系。總體關(guān)系表現(xiàn)為峰值強(qiáng)度隨傾角的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化過(guò)程?？梢栽趫D7中看到，節(jié)理在20～45°時(shí)，抗壓強(qiáng)度相對(duì)是較弱的，例如當(dāng)含水率為10%時(shí)，20°構(gòu)造節(jié)理試樣峰值抗壓強(qiáng)度僅為76 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)節(jié)理試樣。隨著節(jié)理傾角的緩慢增大，試樣的抗壓峰值強(qiáng)度也在逐漸變大，試樣中傾角為0°時(shí)，對(duì)試樣的影響是最小的，例如5%含水率時(shí)，無(wú)節(jié)理試樣的峰值抗壓強(qiáng)度是210 kPa，而節(jié)理試樣傾角為0°的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)接近200 kPa。說(shuō)明當(dāng)節(jié)理傾角達(dá)到75°以上時(shí)，對(duì)節(jié)理的抗壓強(qiáng)度影響已經(jīng)逐漸在減小了。

4.2 含水率對(duì)不同節(jié)理傾角峰值抗壓強(qiáng)度的影響

如圖8所示，各傾角試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度σ1隨含水率ωσ的變化?？芍袃A角狀態(tài)下構(gòu)造節(jié)理試樣的峰值抗壓強(qiáng)度，隨著含水率的增大，均有不同程度的減小。因此可以推斷出，構(gòu)造節(jié)理黃土試樣的抗壓強(qiáng)度是由含水率和節(jié)理共同控制的。在相同含水率情況下，節(jié)理傾角為0的時(shí)候，試樣強(qiáng)度最大，隨后是75°傾角的試樣強(qiáng)度，20°節(jié)理傾角的試樣強(qiáng)度最小。當(dāng)含水率達(dá)15%時(shí)，黃土試樣強(qiáng)度降低速度有一定的減緩，表明含水率超過(guò)某一閾值時(shí)，節(jié)理不再是影響土體強(qiáng)度的主要因素。

由上述破裂模式、節(jié)理傾角和含水率對(duì)土體強(qiáng)度性質(zhì)影響的分析，結(jié)合前人研究可以推斷出，黃土土體破壞模式受控于兩部分主導(dǎo)因素——含水率與節(jié)理傾角，而這兩類因素在控制構(gòu)造節(jié)理黃土體的破裂模式時(shí)是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)。隨著含水率增大，各傾角下試樣的抗壓強(qiáng)度均有減小趨勢(shì)。

4.3 節(jié)理對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

通過(guò)庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度公式可知，黃土土體的抗剪強(qiáng)度主要由摩擦強(qiáng)度和黏聚強(qiáng)度兩個(gè)部分組成，這里面有兩個(gè)重要的指標(biāo)便是內(nèi)摩擦角和黏聚力。

分析圖9可知，在垂直荷載相等時(shí)，垂直節(jié)理的抗剪強(qiáng)度最大，次之的依序?yàn)?5°、33°、20°傾角，而含水平節(jié)理的試樣其抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)為最差?？梢钥闯鲭S著節(jié)理角度的上升，土體抗剪強(qiáng)度有所提升。土體的抗剪強(qiáng)度與90°節(jié)理的抗剪強(qiáng)度在低含水率下強(qiáng)度遠(yuǎn)超低角度構(gòu)造節(jié)理黃土強(qiáng)度，一定程度上能夠反映出，在低含水率、包含眾多節(jié)理裂隙中的黃土土體內(nèi)，垂直節(jié)理對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響是最小的，而低角度構(gòu)造節(jié)理，尤其是在30°以下的超低角度構(gòu)造節(jié)理，是造成土體抗剪強(qiáng)度下降的主要原因。

圖9 w=5%時(shí)，構(gòu)造節(jié)理傾角對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響Fig.9 When w=5%,the influence of dip angle of structural joint on shear strength of loess

如圖10所示，垂直節(jié)理在土體10%含水率情況下依然對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度影響相對(duì)較小，構(gòu)造節(jié)理在20°、33°、45°這三類低角度情況下，抗剪強(qiáng)度較為接近，高垂直荷載下這3種節(jié)理強(qiáng)度趨于相同。當(dāng)節(jié)理傾角為0°時(shí)，土體強(qiáng)度最小，且在高垂直荷載下與其他節(jié)理角度下土體強(qiáng)度的差距有明顯增大。天然黃土含水率一般分布在10%左右，也就是說(shuō)在真實(shí)環(huán)境中，深部土層的抗剪強(qiáng)度，很大一部分決定于土體內(nèi)部低角度節(jié)理的分布和發(fā)育。那么有理由推測(cè)，構(gòu)造節(jié)理黃土斜坡發(fā)生滑坡的過(guò)程中，低角度構(gòu)造節(jié)理在相較于高角度構(gòu)造節(jié)理乃至于垂直節(jié)理，起到了更為重要的促進(jìn)作用。

圖10 w=10%時(shí)，構(gòu)造節(jié)理傾角對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響

含水率達(dá)到15%時(shí)，如圖11，節(jié)理傾角對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響依然遵循隨節(jié)理傾角增大土體抗剪強(qiáng)度也在不斷增強(qiáng)這一規(guī)律。但在高含水率下，可以看出，高角度節(jié)理與低角度節(jié)理之間的抗剪強(qiáng)度差異已經(jīng)越來(lái)越小，強(qiáng)度趨于相同，表明在高含水率情況下，節(jié)理的傾角已經(jīng)不是控制土體抗剪強(qiáng)度的主要指標(biāo)，含水率在其中起到了更為重要的作用。

總結(jié)上述現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)不論含水率的高低，黃土體抗剪強(qiáng)度均隨著構(gòu)造節(jié)理傾角的增大與之呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化關(guān)系。

如圖12，在同含水率情況下，節(jié)理傾角越小，土體表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度的值就越低，這與節(jié)理面在土體中的位置和產(chǎn)狀有直接關(guān)系。直接剪切試驗(yàn)中，構(gòu)造節(jié)理傾角越小，與土體剪切面重合程度越高，能提供的抗剪能力便越小，表現(xiàn)出較低水平的抗剪強(qiáng)度，最極端的情況便是傾角為0°時(shí)，節(jié)理面與剪切面重合，土體抗剪強(qiáng)度等效為節(jié)理面間摩擦力。

隨著節(jié)理傾角的增大，節(jié)理面與土體剪切面的夾角也增大，表現(xiàn)為土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。但構(gòu)造節(jié)理傾角并不始終是黃土抗剪強(qiáng)度的主要影響因素，而是僅在較低含水率情況下具有比較強(qiáng)的影響，可以看出在5%含水率下，隨著節(jié)理傾角的增大，各傾角下的抗剪強(qiáng)度差別明顯，沒(méi)有趨近的傾向。

黃土體含水率在較高水平下時(shí)，節(jié)理的傾角變化以不再是土體抗剪強(qiáng)度的主控因素，此時(shí)各節(jié)理傾角下土體的抗剪強(qiáng)度趨于相近，各節(jié)理傾角間抗剪強(qiáng)度趨于接近，此時(shí)影響土體抗剪強(qiáng)度的轉(zhuǎn)為土體本身的特有結(jié)構(gòu)特性與物質(zhì)組分情況。

分析圖13，可以看出在一定含水率下，隨著節(jié)理傾角的變大，黃土的內(nèi)聚力也出現(xiàn)不同程度的增大現(xiàn)象。尤其是在低含水率的情況下，隨著構(gòu)造節(jié)理傾角的增大，黏聚力的增速相對(duì)較快，如5%含水率下，節(jié)理傾角由0°增加到90°，黏聚力上升到了近100 kPa的幅度，相反在高含水率黃土體中，黏聚力隨傾角的增加，增速就相對(duì)慢了很多，15%含水率下，節(jié)理傾角自0°到90°時(shí)，黏聚力只增加了近20 kPa。

通過(guò)對(duì)節(jié)理傾角與黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行相關(guān)性分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著節(jié)理傾角的變化，土體內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化不盡相同。隨著節(jié)理傾角的增大，黃土內(nèi)摩擦角數(shù)值保持在一個(gè)比較穩(wěn)定值，有較為輕微的增大，但黏聚力與節(jié)理傾角表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，傾角的增加對(duì)土體黏聚力表現(xiàn)出極強(qiáng)的增大作用。

5 結(jié)論

本文主要分析了構(gòu)造節(jié)理傾角的變化以及含水率的高低對(duì)土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的影響，同時(shí)在無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)中，總結(jié)并歸納了4類典型構(gòu)造節(jié)理黃土破壞樣式，進(jìn)一步分析了節(jié)理傾角和含水率對(duì)于土體內(nèi)摩擦角和黏聚力之間的關(guān)系，并針對(duì)變化原因從機(jī)理上進(jìn)行了分析和討論。

(1)受節(jié)理傾角及含水率影響的構(gòu)造節(jié)理黃土共表現(xiàn)為四類典型的破壞模式，分別為滑動(dòng)、滑動(dòng)剪切、劈裂破裂、共軛剪切等。節(jié)理傾角對(duì)土體破壞模式的影響僅在低含水率下表現(xiàn)得較為明顯，節(jié)理傾角的變化直接決定了土體破裂面的發(fā)育和延展。高含水率下土體破裂面主要出現(xiàn)剪脹破壞，此時(shí)控制土體破裂模式的是土體物質(zhì)組分和顆粒結(jié)構(gòu)。相較于低含水率情況下的破裂面或節(jié)理面的脆性破壞，較大含水率的黃土體破壞在出現(xiàn)隨行變化后，會(huì)進(jìn)一步在破裂面、節(jié)理面處發(fā)生塑性變化。

(2)黃土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與構(gòu)造節(jié)理傾角有較強(qiáng)的相關(guān)性，隨著節(jié)理傾角的增大，抗壓峰值強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減小，當(dāng)傾角為20°時(shí)，黃土體抗壓強(qiáng)度最低，0°節(jié)理對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最小。在一定含水率下，構(gòu)造節(jié)理的存在是導(dǎo)致試樣強(qiáng)度降低的直接原因。含水率的上升帶給土體強(qiáng)度較大的負(fù)面影響，而且在較高含水率的土體中，各傾角節(jié)理的抗壓強(qiáng)度趨于接近，節(jié)理已經(jīng)不再是影響土體強(qiáng)度的主要因素。

(3)實(shí)驗(yàn)中將剪切方向與節(jié)理傾向設(shè)置為相反。構(gòu)造節(jié)理黃土抗剪強(qiáng)度與構(gòu)造節(jié)理傾角的增大成正比，但該規(guī)律僅在較低含水率下有這種表現(xiàn)。含水率在較高水平下時(shí)，各節(jié)理傾角土體的抗剪強(qiáng)度趨于相近。節(jié)理的產(chǎn)狀和位置對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度有直接的影響，隨著節(jié)理傾角的增大，黃土內(nèi)摩擦角數(shù)值保持在一個(gè)比較穩(wěn)定值，有較為輕微的增大，但黏聚力與節(jié)理傾角表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，節(jié)理傾角的增加的條件下，土體黏聚力表現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的變化規(guī)律。