謝婉麗，葛瑞華，郭倩怡，王根龍，成天娥

(1.大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西 西安 710069；2.國土資源部黃土地質災害重點實驗室/中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054；3.西北大學城市與環(huán)境學院/外語學院，陜西 西安 710069)

灌溉作用下黃土宏觀力學響應及微觀結構特性研究

謝婉麗1,2，葛瑞華1，郭倩怡1，王根龍2，成天娥3

(1.大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西 西安 710069；2.國土資源部黃土地質災害重點實驗室/中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054；3.西北大學城市與環(huán)境學院/外語學院，陜西 西安 710069)

從黃土特有的水敏性和微結構角度出發(fā)，開展灌溉作用下，水體入滲過程中黃土宏觀力學響應與微觀結構特性之間變化規(guī)律的研究。設定了不同含水量下的黃土宏觀力學與微觀結構試驗，旨在得到水對黃土的應力應變響應規(guī)律及試驗前后剪裂面上黃土微觀結構的變化特征。結果表明：研究區(qū)Q3黃土的應力-應變曲線隨著圍壓的增大呈現(xiàn)出由應變軟化型向應變硬化型轉變，隨著含水量的增大呈現(xiàn)出由應變硬化型向應變軟化型轉變的規(guī)律；并以此確定了研究區(qū)黃土結構屈服應力σk所對應的應變值一般小于2%；結合飽和Q3黃土三軸固結不排水剪切試驗獲得了研究區(qū)黃土的穩(wěn)態(tài)線參數(shù)及狀態(tài)邊界面參數(shù)，并在假設不同圍壓條件下穩(wěn)定狀態(tài)收斂的前提下，得到近似狀態(tài)臨界面公式；分析了Q3黃土在不同圍壓和含水量下的破壞模式，其特征表現(xiàn)在黃土試樣剪切前后的微觀結構變化主要表現(xiàn)在微結構類型的轉變、孔隙含量減小及微裂隙的發(fā)育程度上。

黃土；灌溉作用；力學試驗；微觀結構

涇陽南塬地區(qū)大面積引水灌溉工程，在滿足了耕地需求的同時，改變了臺塬灌區(qū)的自然地質環(huán)境條件，破壞了灌區(qū)坡體內部的水土平衡，進而引發(fā)了滑坡、崩塌和地面沉陷等大量的難以解決的環(huán)境地質問題[1]。自20世紀80年代以來，涇陽南塬由于灌溉作用，誘發(fā)黃土滑坡約有23起，嚴重威脅塬區(qū)居民的生命財產安全。因此，灌溉誘發(fā)機制形成的黃土滑坡值得深度研究與解析，為揭示灌溉誘發(fā)型黃土滑坡形成機理奠定基礎，從而為防治減災工作提供理論依據(jù)。

灌溉作用下，滑坡土體宏觀力學方面，雷祥義通過對滑坡土體力學特性及水文地質條件詳細分析，認為地下水位上升是導致灌溉誘發(fā)黃土滑坡的主要因素[2]；隨后，日本學者D. Ma等分析了甘肅省永靖縣黑方臺地區(qū)階地邊緣的黃土滑坡分布情況和形成原因[3]，認為黑方臺地區(qū)在提水灌溉期為滑坡多發(fā)期，間接表明水對滑坡土體強度的影響是不可忽視的；王家鼎等[4]、王志榮等[5]、朱立峰等[6]在對甘肅省永靖縣黑方臺黃土滑坡進行詳細調查的基礎上，對灌溉誘發(fā)黃土滑坡形成的力學機制和運動機理進行了探討分析，進一步肯定了水的重要促發(fā)原因；許嶺等[7]、董英等[8]、何小亮等[9]分別以涇陽南塬滑坡和黑方臺滑坡為例，對灌溉導致地下水位上升進而影響滑坡穩(wěn)定性的過程進行數(shù)值解析，模擬結果顯示，水位上升對滑坡穩(wěn)定性的影響是巨大的。

微觀結構方面，高國瑞等[10]指出黃土具有開放的亞穩(wěn)結構，是導致其變形破壞的主要原因。進一步的研究結果認為黃土的亞穩(wěn)定結構是造成黃土濕陷的基礎[11～15]；蒲毅彬等[16]、雷勝友等[17]利用CT技術實時獲得了黃土在壓縮變形和濕陷過程中微觀結構特征，表明黃土的結構特性在大于某一含水量時，其應變響應最強烈；陳正漢等[18]、朱元青[19]、李加貴等[20]將三軸儀與CT技術相結合，系統(tǒng)研究了黃土微觀結構在加載和增濕過程中的變化規(guī)律，進一步證實了黃土遇水之后結構強度下降的事實。那么，從微結構方面解釋灌溉誘發(fā)黃土滑坡形成機理就成為了必要。

基于此，本文從黃土特有的水敏性和微結構角度出發(fā)，開展灌溉作用下水體入滲過程中黃土宏觀力學響應與微觀結構特性之間變化規(guī)律的研究。設定了不同含水量下的黃土宏觀力學與微觀結構試驗，旨在得到水對黃土的應力應變響應規(guī)律及試驗前后剪裂面上黃土微觀結構的變化特征，為我國黃土地區(qū)地質災害應急防治工作中急待解決的關鍵技術問題提供科學依據(jù)，具有重要的參考應用價值。

1 宏觀力學響應

1.1 應力-應變特征分析

對研究區(qū)Q3黃土進行常規(guī)三軸剪切試驗。試驗共設計5級含水量：天然含水量(10.6%)，15%，18%，20%和飽和試樣，分別在50，100，200和300 kPa圍壓下進行等壓固結不排水三軸剪切試驗(ICU)，并對飽和試樣進行等壓固結排水三軸剪切試驗(ICD)。研究區(qū)Q3原狀黃土在不同含水量不同圍壓下的應力-應變曲線如圖1、圖2所示，其應力-變關系具有如下特征：

圖1 不同含水量下Q3黃土的應力-應變曲線Fig.1 The stress-strain curve of Q3 loess in different water content

圖2 研究區(qū)Q3飽和黃土的應力-應變曲線Fig.2 The stress-strain curve of Q3 Saturated loess in the study area

(1)從整體來看，Q3黃土的應力-應變曲線含水量為15%，18%黃土的應力-應變關系曲線在較低圍壓條件下表現(xiàn)出“應變軟化”特征，在較高圍壓條件下表現(xiàn)出“應變硬化”特征；天然含水狀態(tài)下的黃土和含水量為20%黃土的應力-應變關系表現(xiàn)出“應變硬化”特征；“應變軟化”特征表現(xiàn)為偏應力隨著應變的增加增大到峰值偏應力后逐漸降低，趨于穩(wěn)定，且其峰值對應的應變較??；“應變硬化”特征表現(xiàn)為偏應力隨應變的增加逐漸增大，隨著應變的繼續(xù)增大，土體內部的結構發(fā)生變化，土顆粒重新排列，土體結構強度增大，偏應力增大幅度逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。

(2)曲線出現(xiàn)拐點時所對應的偏應力可認為是結構屈服應力σk，當σ<σk時，土體呈彈性特征，結構性完整；當σ≥σk時，土體呈塑性特征，結構迅速發(fā)生破壞，顆粒間產生滑移，應變量顯著增大，形成剪切破壞。從圖中可以看出，σk所對應的應變值一般小于2%。

(3)在相同圍壓條件下，土樣的強度隨含水量的增高逐漸降低。

(4)當含水量一定時，圍壓越大，土樣的強度越大；隨著圍壓的增加，應力-應變關系由應變軟化型向應變硬化型轉變。

(5)進行固結不排水剪切試驗的飽和黃土試樣應力-應變關系曲線變現(xiàn)為“應變軟化”型，而進行固結排水剪切試驗的飽和黃土試樣應力-應變關系曲線在較低圍壓下(σ3=50 kPa，100 kPa)呈“應變軟化”特征，在較高圍壓下(σ3=200 kPa，300 kPa)呈“應變硬化”特征；前者的強度值低于后者的強度值。

1.2 變形破壞模式解析

對研究區(qū)Q3黃土應力-應變關系曲線和試驗后照片進行歸納、總結發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)黃土的變形破壞模式主要以剪切破壞和塑性破壞為主(圖3)。剪切破壞在較低含水量和較小圍壓條件下時，可見明顯的剪裂面，剪切面與最大主應力方向以45°-φ/2斜交，應力-應變曲線表現(xiàn)出“應變軟化”特性(圖3a)；

塑性破壞主要出現(xiàn)在含水量和圍壓較高條件下，試樣側向發(fā)生明顯鼓脹，部分試樣出現(xiàn)細微剪裂面(帶)，其應力-應變曲線為較強的“應變軟化”型，而未出現(xiàn)剪切面的試樣應力-應變曲線呈“應變硬化”型(圖3(b))。相同含水量下，隨著圍壓的增大，剪切后試樣的變形程度逐漸降低，其應力-應變曲線也由“應變軟化”型逐漸向“應變硬化”型轉變(圖4)。

結合上述試樣的破壞模式，斜坡中不同位置處的變形破壞特征可以簡單概述為：在坡頂處受灌溉作用的影響，發(fā)生濕陷，產生不均勻沉降，形成豎向裂縫；在坡體深處的土體圍壓較高，但含水量較坡頂減少，土體在自重和上部荷載的作用下發(fā)生剪切破壞或者塑性破壞；在坡腳處土體含水量較高，且圍壓較高，在后方土體的擠壓作用下，呈現(xiàn)塑性破壞。

圖3 研究區(qū)Q3黃土破壞模式Fig.3 Failure mode of Q3 loess in the study area

圖4 不同圍壓下黃土的變形特征(Q3黃土)Fig.4 Degeneration characteristics in different confining pressure of Q3 loess

1.3 強度參數(shù)變化規(guī)律

表1為Q3黃土的抗剪強度指標。從表1中可以看出，含水量對黃土的抗剪強度影響顯著，主要表現(xiàn)為黃土的黏聚力c隨著含水量的增大逐漸減小，而內摩擦角φ基本上保持不變或者以很小的梯度在減小。為確保黃土強度參數(shù)的準確性，利用土的極限平衡條件(式)加以驗證，對比驗證計算結果如表1所示。

表1 黃土的抗剪強度指標(單位：kPa)

可以看出，通過應力摩爾圓和極限平衡公式獲得的抗剪強度參數(shù)值與含水量的關系一致，但兩種方法獲得的強度參數(shù)值存在差異。試驗誤差和確定摩爾圓抗剪強度包絡線調參的過程中均會導致結果有差異。

1.4 狀態(tài)邊界面

Sladen等[21]通過對砂土的三軸不排水剪切試驗提出三維e-p′-q空間的破壞面概念，但它并非真正的狀態(tài)邊界面。Sasitharan等[22]指出三軸不排水剪切試驗中應力路徑峰值后的部分可用一條通過不同穩(wěn)態(tài)點的直線近似表示。在e-p′-q空間有無數(shù)條這樣的直線形成一個通過穩(wěn)定狀態(tài)線(SSL)的破壞面，稱為狀態(tài)邊界面(即state boundary surface)。超過此邊界不可能有應力狀態(tài)存在，當土體的應力狀態(tài)接近或位于該狀態(tài)邊界面之上時，如果排泄通道受阻，就會發(fā)生液化或破壞。段釗通過對涇陽南塬Q2黃土進行ICU試驗建立p′-q空間中穩(wěn)定狀態(tài)點，認為土樣埋深、固結圍壓不同導致黃土初始孔隙比不一致，從而造成穩(wěn)定狀態(tài)點收斂性較差，因此必須利用求狀態(tài)邊界面平均斜率的方法來確定狀態(tài)邊界。

過對研究區(qū)黃土應力路徑峰值點和穩(wěn)定點數(shù)據(jù)整理(表2)。按照空間線性關系，定義S為p′-q空間狀態(tài)邊界的近似斜率，有：

表2 飽和Q3黃土ICU試驗結果中峰值點和穩(wěn)定點

(1)

三維空間的狀態(tài)邊界面表達式如下：

(2)

根據(jù)ICU試驗結果，獲得了研究區(qū)飽和黃土狀態(tài)邊界面參數(shù)，見表3。

表3 研究區(qū)飽和Q3黃土狀態(tài)邊界面參數(shù)

將上述參數(shù)帶入式(2)有：

(3)

假設不同圍壓條件下穩(wěn)定狀態(tài)收斂，則可采用50 kPa固結圍壓時的孔隙比作為計算狀態(tài)邊界面的近似參數(shù)(Q3黃土在50 kPa固結圍壓時的孔隙比分別為0.8640)，可近似求得狀態(tài)臨界面公式：

(4)

2 宏微觀特性相關分析

2.1 微觀結構特征與圍壓

通過對常規(guī)三軸剪切試驗后土樣進行微觀結構分析發(fā)現(xiàn)黃土微觀結構特征隨圍壓的增大具有相似的變化規(guī)律，以含水量為15%的Q3黃土在圍壓分別為50，100，200和300 kPa剪切后剪切面上或者鼓脹變形較明顯處的微觀結構圖像為例。如圖5所示，在較低圍壓下，土骨架顆粒較為清晰，接觸關系以鑲嵌接觸為主，大、中孔隙較為發(fā)育，顆粒接觸處和表面賦存一定的黏土物質，為鑲嵌結構。隨著圍壓的增大，土骨架顆粒逐漸模糊，接觸關系由鑲嵌接觸逐漸轉變?yōu)殍偳?分散分布，大孔隙數(shù)量減少，小孔隙數(shù)量增加，顆粒接觸處和表面小的碎屑物質和黏粒物質有所增加，可能由于團粒在外部荷載的作用下被破壞、分散和土顆粒間摩擦破碎所致，土樣結構由鑲嵌結構向膠結結構轉變，這些物質成分在外力的作用下具有一定的定向性(圖6)。另外，圖像中裂縫的發(fā)育程度也可以直接反映土體的抗剪能力，從掃描電鏡圖像中可以看出，在較低圍壓條件下，土樣的微觀結構圖像可見明顯裂縫，達到隨著圍壓的增大，裂縫寬度逐漸減小(圍壓為50，100和200 kPa時，裂縫最寬處的寬度分別為71.18，9.4和7.9μm)。在圍壓為300 kPa時，在較低倍數(shù)下幾乎看不見裂縫，當放大倍數(shù)較大時，才可大致看到少量細微裂縫。這就說明在較低的圍壓下，黃土的內部結構抵抗外部荷載的能力較差，在豎向荷載的作用下，顆粒連結力不能抑制土體的變形，土顆粒在外力的作用下發(fā)生明顯滑動，土體結構穩(wěn)定性發(fā)生破壞；在較高的圍壓條件下，土骨架顆粒受外界圍壓的約束不易發(fā)生明顯滑動，在一定的豎向荷載在作用下，土體骨架顆粒發(fā)生滑動或旋轉，不斷向孔隙處擠密，隨著豎向荷載的持續(xù)增大，強度較低的團粒發(fā)生破碎，分散，被擠密的土顆粒發(fā)生滑移，土體結構穩(wěn)定性發(fā)生破壞。

2.2 微觀結構特征與含水量

圖7為天然含水量(含水量為10.6%)，15%，18%，20%的Q3原狀黃土在圍壓為100 kPa時剪切后剪裂面上或者鼓脹變形較明顯處的微觀結構圖像。從圖7中可以看出，剪切后土樣的土骨架顆粒較為模糊，顆粒接觸處和表面小的碎屑物質和黏粒物質較多，土樣結構以鑲嵌-膠結結構為主。試驗后土樣微觀結構圖像隨著含水量的增大也有所改變，主要表現(xiàn)在隨著含水量的增大，孔隙數(shù)量逐漸減小，顆粒接觸處和表面小的碎屑物質和黏粒物質增多。這是由于土體內部含水量增多對土體產生軟化作用，降低了膠結物質的膠結能力，使得在較低的豎向荷載的作用下，土骨架顆粒發(fā)生滑動、旋轉，先向孔隙處擠密，后發(fā)生滑移；同時含水量較高的條件下，團粒內部的膠結物被軟化，并且在外部荷載的作用下，團粒被肢解，造成土骨架顆粒接觸處和表面的細小碎屑物和黏粒物質增多，也為黃土的剪切變形提供更多空間，使黃土在較小的豎向荷載作用下發(fā)生較大的變形。

圖5 Q3黃土常規(guī)三軸剪切面微觀結構圖像(ω=15%)Fig.5 Microstructure image after conventional triaxial shear of Q3 loess(ω=15%)

圖6 剪切破壞Fig.6 Shear breakage

圖7 Q3黃土常規(guī)三軸剪切面微觀結構圖像(σ3=100 kPa)Fig.7 microstructure image after conventional triaxial shear of Q3 loess(σ3=100 kPa)

3 結論

(1)研究區(qū)Q3黃土的應力-應變曲線隨著圍壓的增大呈現(xiàn)出由應變軟化型向應變硬化型轉變，隨著含水量的增大呈現(xiàn)出由應變硬化型向應變軟化型轉變的規(guī)律，黃土的結構屈服應力σk所對應的應變值一般小于2%。

(2)坡頂黃土受灌溉作用影響，發(fā)生濕陷，產生不均勻沉降，形成豎向裂縫；坡體深處的土體圍壓較高，但含水量較坡頂減少，土體在自重和上部荷載的作用下發(fā)生剪切破壞或者塑性破壞；在坡腳處土體含水量較高，且圍壓較高，在內部土體的擠壓作用下，呈現(xiàn)塑性破壞。

(3)結合飽和Q3黃土三軸固結不排水剪切試驗獲得了研究區(qū)黃土的穩(wěn)態(tài)線參數(shù)及狀態(tài)邊界面參數(shù)，并在假設不同圍壓條件下穩(wěn)定狀態(tài)收斂的前提下，得到近似狀態(tài)臨界面公式。

(4)黃土的微觀結構特性反映了黃土的應變特征。隨著圍壓的增大黃土微結構類型由架空結構逐漸轉變?yōu)殍偳督Y構再到膠結結構，孔隙的復雜程度逐漸增大，孔隙各向異性增大，抗剪強度增大；而隨著含水量的增大主要表現(xiàn)為大、中孔隙數(shù)量減少及小、微孔隙的消失，孔隙含量減小，這些變化主要是由于水對土體的軟化作用造成的，其剪切后掃描電鏡圖像中裂縫的發(fā)育程度也可以直接反映土體的抗剪能力。

[1] 范立民,岳明,冉廣慶. 涇河南岸崩岸型滑坡的發(fā)育規(guī)律[J]. 中國煤田地質, 2004, 16(5):33-35.[FAN L M, YUE M, RAN G Q. Development pattern of slumping bank type landslide at the south bank of Jinghe, Shaanxi Province[J].Coal Geology of China, 2004, 16(5):33-35.(in Chinese)]

[2] 雷祥義. 陜西涇陽南塬黃土滑坡災害與引水灌溉的關系[J]. 工程地質學報, 1995, 3(1):56-64. [LEI X Y. The hazards of loess landslides in the southern tableland of Jingyang county, Shaanxi and their relationship with the channel water into fields[J].Journal of Engineering Geology, 1995, 3(1):56-64. (in Chinese)]

[3] Ma D, Zhao S, Li H.由灌溉引起的階地邊緣黃土滑坡[J]. 曾康,譯.四川水利, 1998,19(4):63-64.[Ma D, Zhao S, Li H. The loess landslides caused by irrigation terrace edge[J]. ZENG K, trans. Sichuan Water Resources, 1998,19(4):63-64. (in Chinese)]

[4] 王家鼎, 惠泱河. 黃土地區(qū)灌溉水誘發(fā)滑坡群的研究[J]. 地理科學, 2002, 22(3):305-310.[WANG J D, HUI Y H. Scientia Geographica Sinica Landslides in Crows Induced by Irrigated[J]. Water in Loess Area, 2002, 22(3):305-310. (in Chinese)]

[5] 王志榮, 吳瑋江, 周自強. 甘肅黃土臺塬區(qū)農業(yè)過量灌溉引起的滑坡災害[J].中國地質災害與防治學報, 2004, 15(3):43-54.[WANG Z R, WU W J, ZHOU Z Q. Landslide induced by over-irrigation in loess platform areas in Gansu Province[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2004, 15(3):43-54. (in Chinese)]

[6] 朱立峰, 胡煒, 賈俊,等. 甘肅永靖黑方臺地區(qū)灌溉誘發(fā)型滑坡發(fā)育特征及力學機制[J].地質通報, 2013,32(6):840-846.[ZHU L F, HU W, JIA J,etal. The development characteristics and mechanics of irrigation induced landslide in Heifangtai, Yongjing, Gansu Province[J]. Geological Bulletin of China, 2013,32(6):840-846. (in Chinese)]

[7] 許領, 戴福初. 涇陽南塬黃土滑坡特征參數(shù)統(tǒng)計分析[J]. 水文地質工程地質, 2008,35(5):28-32.[XU L, DAI F C. Statistical analysis of the characteristic parameters of loess landslides at the South Jingyang Plateau[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2008,35(5):28-32. (in Chinese)]

[8] 董英, 賈俊, 張茂省,等. 甘肅永靖黑方臺地區(qū)灌溉誘發(fā)作用與黃土滑坡響應[J].地質通報,2013，32(6):893-898.[DONG Y, JIA J, ZHANG M S,etal. Irrigation induced effect and the loess landslide response in Heifangtai, Yongjing, Gansu Province[J]. Geological Bulletin of China, 2013，32(6)：893-898. (in Chinese)]

[9] 何小亮, 謝婉麗, 丁勇,等. 涇陽南塬黃土剪切強度的三軸試驗研究[J]. 工程地質學報, 2010,18(增刊1)：76-80.[HE X L, XIE W L, DING Y,etal. The triaxial test research of The loess shear strength in southern Yuan Jingyang[J].Journal of Engineering Geology, 2010,18(Sup 1)：76-80. (in Chinese)]

[10] 高國瑞. 蘭州黃土顯微結構和濕陷機理的探討[J]. 蘭州大學學報, 1979(2): 123-134.[GAO G R. Study of the Microstructures and the collapse mechanism in loess soil from Lanzhou[J]. Journal of Lanzhou University, 1979(2): 123-134. (in Chinese)]

[11] 謝婉麗,王延壽,馬中豪,等.黃土濕陷機理研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代地質,2015,30(2):397-407. [XIE W L, WANG Y S, MA Z H,etal. Research status and prospect of loess collapsibility mechanism[J]. Geoscience,2015,30(2):397-407. (in Chinese)]

[12] Dudley J H. Review of collapsing soil[J]. Soil Mech & Found Div, ASCE, 1970, 96(SM3):925-939.

[13] Barden L. The collapse mechanism in partly saturated soil[J]. Eng Geol, 1973 (7): 49-60.

[14] Smalleya I J, Mavlyanova N G, Rakhmatullaev Kh L,etal. The formation of loess deposits in the Tashkent region and parts of Central Asia; and problems with irrigation, hydrocollapse and soil erosion[J]. Quaternary International, 2006 (152/153): 59-69.

[15] Dibben S C, Jefferson I F, Smalley I J. The “Loughborough loess” Monte Carlo model of soil structure[J]. Computers & Geosciences, 1998, 24 (4):345-352.

[16] 蒲毅彬, 陳萬業(yè), 廖全榮. 隴東黃土濕陷過程的CT結構變化研究[J]. 巖土工程學報, 2000, 22(1): 52-57.[PU Y B, CHEN W Y, LIAO Q R. Research on CT structure changing for damping process of loess in Longdong[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 22(1): 52-57. (in Chinese)]

[17] 雷勝友, 唐文棟. 黃土在受力和濕陷過程中微結構變化的CT掃描分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(24): 4166-4169.[LEI Y S, TANG W D. Analysis of microstructure change for loess in the process of loading and collapse with CT scanning[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(24): 4166-4169. (in Chinese)]

[18] 陳正漢, 方祥位, 朱元青,等. 膨脹土和黃土的細觀結構及其演化規(guī)律研究[J]. 巖土力學, 2009, 30(1): 1-11.[CHEN Z H, FANG X W, ZHU Y Q,etal. Research on meso-structures and their evolution laws of expansive soil and loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(1): 1-11. (in Chinese)]

[19] 朱元青, 陳正漢. 原狀Q3黃土在加載和濕陷過程中細觀結構動態(tài)演化的CT—三軸試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2009,31 (8): 1219-1228.[ZHU Y Q, CHEN Z H. Experimental study on dynamic evolution of meso-structure of intact Q3loess during loading and collapse using CT and triaxial apparatus[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009,31 (8): 1219-1228. (in Chinese)]

[20] 李加貴, 陳正漢, 黃雪峰,等. Q3黃土側向卸荷時的細觀結構演化及強度特性[J]. 巖土力學, 2010, 31(4): 1084-1091.[LI J G, CHEN Z H, HUANG X F,etal. Q3loess of lateral unloading mesoscopic structure evolution and strength characteristics[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(4): 1084-1091. (in Chinese)]

[21] Sladen J A, D Hollander R D, Krahn J. The liquefaction of sands, a collapse surface approach[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1985, 22:564-578.

[22] Sasitharan S, Robertson P K, Sego D C,etal. Collapse behavior of sand[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1993, 30:569-577.

A study of macro mechanical response and microstructure characteristics of loess under irrigation mechanism

XIE Wanli1,2, GE Ruihua1, GUO Qianyi1, WANG Genlong2, CHENG Tiane3

(1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China；2.KeyLaboratoryforGeo-hazardinLoessArea,MinistryofLandandResources/Xi’anCenterofChinaGeologicalSurvey,Xi’an,Shaanxi710054,China; 3.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences/SchoolofForeignLanguages，NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China)

Based on the properties of water sensitivity and microstructure of loess, the present study investigates the variation laws of macro mechanical response and microstructure of loess during the process of water infiltration. Tests of the macro mechanics and microstructure of loess with different amount of water content are conducted to explore the stress & strain response laws of the loess affected by water as well as the microstructure change of loess on the shearing surface. The results indicate that the stress-strain curve of the loess Q3in the study area transforms from strain softening to strain hardening with the increase in confining pressure but it transforms from strain hardening to strain softening with the increase in water content. As a result, this study concludes that the corresponding strain value of the studied loess structure yield SigmaK(σk) is generally less than 2%. Additionally, steady state parameters and boundary surface parameters are obtained from the tri-axial undrained consolidation shear test of the saturated loess Q3. Meanwhile, the approximate pro interface formula is obtained with the hypothesis of stable convergence state under different confining pressures. Failure modes of the loess Q3under different degree of confining pressures and different amount of moisture content are analyzed and it is found that the change in the microstructure of loess samples before and after being sheared is characterized by transformation of microstructure, pore content decrease and micro fracture development.

loess; irrigation; mechanical testing; microstructure

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.13

2016-10-08;

2017-01-11

大陸動力學國家重點實驗室自由申請課題(BJ14268)；陜西省國際科技合作與交流計劃項目(2016KW-030)；國土資源部黃土地質災害重點實驗室開放基金(KLGLAMLR201502)

謝婉麗(1974-)，女，副教授，主要從事黃土力學及其災害防治研究。E-mail：xiewanli@nwu.edu.cn

TU411.3; TU411.92

A

1000-3665(2017)02-0082-08