劉小軍，王 震，王鐵行,魯 潔

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

原狀黃土節(jié)理抗剪強度試驗研究

劉小軍，王 震，王鐵行,魯 潔

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

黃土節(jié)理的剪切強度特性對于含節(jié)理黃土工程的穩(wěn)定性有重要影響，為此在大量野外調(diào)研的基礎(chǔ)上，采集典型黃土節(jié)理土樣，首先對不同節(jié)理表面形態(tài)進行分類以制備試樣，然后采用室內(nèi)直剪試驗研究了含水量對黃土節(jié)理剪切強度參數(shù)的影響規(guī)律，并與室內(nèi)大型直剪試驗對比，研究尺寸效應(yīng)對剪切強度的影響，最后依據(jù)試驗結(jié)果研究了節(jié)理剪切應(yīng)力-位移規(guī)律。研究表明：黃土節(jié)理的抗剪強度關(guān)系符合摩爾-庫倫準則，且黏聚力可忽略不計;隨含水量的增加，黃土節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角最初的變化幅度較小，當大于某個含水量值時,峰值內(nèi)摩擦角減小幅度變大，其變化規(guī)律可用指數(shù)形式進行描述;試樣尺寸主要影響節(jié)理面起伏度對剪切強度的貢獻，尺寸越大，其剪切強度也越大;其剪切應(yīng)力-位移曲線屬非線性屈服剪切型曲線，并構(gòu)建了本構(gòu)模型，對初始剪切剛度研究發(fā)現(xiàn)其隨含水量增加減小，隨正應(yīng)力增加呈線性增加。

黃土節(jié)理;剪切強度;含水量;本構(gòu)模型;剪切初始剛度

黃土地層中大量發(fā)育著各種類型的節(jié)理，它們是分割黃土的軟弱結(jié)構(gòu)面，是造成黃土地區(qū)滑坡、崩塌、隧道塌方、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的構(gòu)造基礎(chǔ)。其中黃土垂直節(jié)理發(fā)育最為普遍，它往往是水流在黃土層中的滲流通道，地表水經(jīng)常沿著節(jié)理灌入地下，加劇黃土的侵蝕，常對黃土地區(qū)邊坡工程、煤炭開采、隧道以及地下工程等工程的安全穩(wěn)定造成影響。王鐵行[1]等通過模擬節(jié)理發(fā)育位置和數(shù)量，在考慮隧道洞口段上覆土層厚度及洞周土體含水量變化的條件下，對黃土隧道洞口穩(wěn)定性進行了計算分析。土層中的節(jié)理裂隙與煤炭開采密切相關(guān)，煤炭開采會使上覆土層產(chǎn)生節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙也會對煤炭開采造成影響。王金安[2]等采用分形幾何學(xué)對離散元計算得出的急傾斜煤層開采覆巖裂隙發(fā)育進行了分析。杜鋒[3]等研究了厚松散層超薄基巖厚煤層綜放開采覆巖的破斷機理以及采動對裂隙發(fā)育的影響。

對于節(jié)理裂隙，目前巖體方面的成果較多，就剪切強度特性而言，研究成果主要可分為兩類：一類是在大量節(jié)理剪切試驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納得出巖體節(jié)理峰值強度公式，再通過經(jīng)驗公式解釋其力學(xué)機理[4];另一類是在節(jié)理峰值強度理論分析的基礎(chǔ)上，提出巖體節(jié)理峰值強度理論公式，然后進行試驗驗證和必要修正[5]。關(guān)于節(jié)理巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究也有很多，如R.E.GOODMAN[6]較早研究了節(jié)理巖體本構(gòu)關(guān)系，并且基于直剪試驗成果，提出類似于廣義 Hook定律的彈性本構(gòu)關(guān)系。R.SIMON[7]提出CSDS 模型描述剪切應(yīng)力-位移非線性關(guān)系，采用簡單指數(shù)函數(shù)描述剪切曲線全過程。趙延林[8]等通過分級加載方式對軟巖節(jié)理的流變特征進行了研究,提出了能很好地描述軟巖節(jié)理在不同應(yīng)力下蠕變特性的模型。LIU H.Y.[9]等采用混合有限—離散元法對巖體節(jié)理在不同加載速率下的剪切行為進行了研究。

黃土節(jié)理的力學(xué)特性對于研究黃土地區(qū)工程的穩(wěn)定性等具有重要意義，但是目前此方面的研究較少。僅王鐵行[10]等通過將完整黃土塊體經(jīng)人工切割，制成光滑與粗糙兩種節(jié)理試樣，對其強度和滲流問題進行了相關(guān)研究，得出節(jié)理表面形態(tài)、干密度和含水量對黃土節(jié)理強度特性的影響規(guī)律。但是由于人工節(jié)理表面形態(tài)單一，與天然節(jié)理面的復(fù)雜多變有著較大的差別，因此人工節(jié)理并不能很好的模擬天然節(jié)理。而巖體節(jié)理與黃土節(jié)理的形成機制、力學(xué)特性等具有較大差異，因此有必要開展關(guān)于黃土天然節(jié)理力學(xué)特性方面的研究。

考慮到黃土節(jié)理的復(fù)雜性以及目前對黃土節(jié)理抗剪強度特性研究的不足，項目組進行了大量野外調(diào)研，并選擇合適場地采集典型垂直天然節(jié)理土樣。表面形態(tài)對黃土抗剪強度有著重要的影響，在試驗過程中需要表面形態(tài)相同的試樣，但是目前還沒有表面形態(tài)的判別標準，為此筆者首先采用統(tǒng)計學(xué)方法計算了表面形態(tài)參數(shù)，并對采集的天然節(jié)理表面進行了分級;依據(jù)分級結(jié)果制作試樣，然后采用室內(nèi)小型直剪試驗方法，研究了含水量對黃土天然節(jié)理剪切強度參數(shù)的影響規(guī)律;利用室內(nèi)大型直剪試驗測定部分節(jié)理土樣，與小型直剪試驗結(jié)果進行對比，研究尺寸效應(yīng)對力學(xué)參數(shù)的影響;最后研究了節(jié)理應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特點，分析了初始剪切剛度的影響因素及其規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

本次試驗采用原狀黃土天然節(jié)理進行研究。在大量野外調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別從陜西省禮泉縣、彬縣、子長縣3地選取適合的場地采集土樣，試驗土樣均取自黃土天然垂直節(jié)理。由于場地地形限制，取得完整節(jié)理原狀試樣存在較大困難，經(jīng)過反復(fù)試驗，課題組最終采用以汽油鋸為主的取土工具，成功取得原狀節(jié)理試樣，如圖1所示，土樣物理指標見表1。

圖1 采集土樣Fig.1 Acquisition of soil sample

土樣來源干密度ρd/(g·cm-3)孔隙比e/%塑限WL/%液限WP/%塑性指數(shù)IP彬縣132105175929761217禮泉縣129109168728111124子長縣163066118826991511

通過觀察現(xiàn)場取得的土樣，發(fā)現(xiàn)各個場地間節(jié)理表面形態(tài)的差異較為明顯，如圖2所示。黃土節(jié)理表面的起伏狀態(tài)及粗糙程度直接影響節(jié)理面之間的接觸狀態(tài)和摩擦效果，從而影響剪切強度。因此，為了研究含水量變化對黃土節(jié)理抗剪強度的影響，需保證土樣具有相同的表面形態(tài)，首先要對黃土節(jié)理表面形態(tài)進行綜合評判和分類。

圖2 土樣不同的表面形態(tài)Fig.2 Different surface morphology of the soil sample

首先利用輪廓曲線儀對黃土節(jié)理表面形貌進行測量，參照巖石節(jié)理的研究方法[11]，計算了節(jié)理表面的若干形貌參數(shù)，并選取了高度均方根、峰點密度、坡度均方根3個參數(shù)，運用模糊數(shù)學(xué)方法對節(jié)理面進行分級。通過研究得到了表征表面形態(tài)的分級指標RJ，并將黃土節(jié)理面分為6級。每個場地的土樣表面形態(tài)不規(guī)則且表面形態(tài)的分級指標RJ也不盡相同，需在每個場地選取表面形態(tài)相似的土樣進行研究。表2為本次試驗土樣表面形態(tài)的RJ的取值范圍及其平均值。

表2試驗土樣RJ值
Table2RJofsoilsamples

1.2 試驗方法

本次室內(nèi)小型直剪試驗采用常法向應(yīng)力剪切模式，試驗時對直剪試驗裝置作了簡單的改動：將上、下盒中的透水石去掉，由此可增大節(jié)理試樣的厚度，避免試樣過薄從而引起試驗誤差。本次試驗采用快剪法，施加的法向應(yīng)力分別為50,100,150及200 kPa，為使上下節(jié)理面充分閉合，在施加垂直壓力后，節(jié)理面豎向位移穩(wěn)定后再開始試驗。剪切速率為v=0.8 mm/min，一般都在3～5 min 內(nèi)剪壞，圖3為試驗儀器及破壞后的試樣。

圖3 小型直剪剪切試驗Fig.3 Small direct shear test

為了更好地模擬原狀節(jié)理的接觸狀態(tài)，要求上下剪切盒中的試樣取自同一節(jié)理兩側(cè)土樣相對應(yīng)的位置。制備試樣時，將土塊按原始接觸狀態(tài)放置并固定牢靠，然后分割成比直剪試驗略大的含節(jié)理土塊，按照原狀土試樣制備方法制得直徑61.8 mm，高20 mm的圓形小型直剪試驗土樣，如圖4所示。

圖4 小型試驗土樣Fig.4 Soil samples of shear test

小型直剪試驗測定3個場地土樣在不同含水量(3%，6%，9%，14%及21%)，不同法向應(yīng)力(50，100，150及200 kPa)條件下的剪切強度，3個場地土樣物理指標見表1，節(jié)理表面形態(tài)參數(shù)見表2。每種條件下進行2次對比試驗，需制備120對節(jié)理試樣。

原狀土需進行增濕、減濕操作。首先按要求制成標準的試樣若干，分別用風(fēng)干法或者水膜轉(zhuǎn)移法對試樣進行含水量控制，制成不同含水量的節(jié)理試樣。然后將試樣放入密閉養(yǎng)護缸進行養(yǎng)護，待內(nèi)部水分分布均勻后進行試驗。

每個場地選取表面形態(tài)近似相同的土樣，其物理性質(zhì)相同，分別制成不同含水量的試樣，通過小型直剪試驗可得含水量對黃土節(jié)理抗剪強度的影響規(guī)律。3個場地節(jié)理土樣的表面形態(tài)與土樣物理性質(zhì)均不相同，通過對比3個場地含水量對黃土節(jié)理抗剪強度影響，可以得出含水量對黃土節(jié)理抗剪強度影響的普遍規(guī)律。

室內(nèi)大型直剪試驗采用土工大型界面剪切儀。該設(shè)備具有大型直剪系統(tǒng)ShearTrac-II，可以自動完成土體的直剪試驗。按照前文所述制樣方法制得尺寸為305 mm×305 mm×200 mm的試樣。圖5，6分別為大型直剪試驗制樣及試驗儀器。

圖6 大型直剪試驗Fig.6 Large direct shear test

大型直剪試驗共制作8對(16塊)彬縣節(jié)理土樣，含水量為6%。試驗測定了法向應(yīng)力分別為50，100，150及200 kPa時的剪切強度(每個正應(yīng)力進行兩組對比試驗)，并將其試驗結(jié)果與同樣條件的小型直剪試驗結(jié)果對比，可以得出尺寸效應(yīng)對節(jié)理剪切力學(xué)參數(shù)的影響。根據(jù)所有試驗結(jié)果，可研究黃土節(jié)理的應(yīng)力-應(yīng)變特性。

圖7 彬縣部分土樣τ-σ關(guān)系Fig.7 τ-σ relationship of some soil samples of Bin County

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

摩爾-庫侖判據(jù)是最常用也是最重要的黃土剪切破壞準則。以彬縣土樣為例，圖7為3種節(jié)理試樣抗剪強度與正應(yīng)力關(guān)系，可以看出其基本符合摩爾-庫倫準則。經(jīng)最小二乘法擬合得到的抗剪強度與正應(yīng)力關(guān)系中，發(fā)現(xiàn)各組試驗結(jié)果中黏聚力值極小甚至為0。這是由于土體黏聚力由原始黏結(jié)力和固化黏結(jié)力組成，而黃土節(jié)理面之間這2種黏結(jié)力均很小，可不考慮其對抗剪強度的貢獻。

綜上所得，黃土節(jié)理抗剪強度與正應(yīng)力滿足關(guān)系τ=σtanφ，表3列出了各場地土樣不同含水量下峰值內(nèi)摩擦角。

表3各場地土樣不同含水量下峰值內(nèi)摩擦角(°)
Table3Peakinternalfrictionangle(°)ofsoilsamplesunderdifferentwatercontent

含水量/%彬縣土節(jié)理φ禮泉土節(jié)理φ子長土節(jié)理φ3334231523180634993262337693584313332621432383068312221227820362617

2.2 黃土節(jié)理強度及影響因素

2.2.1含水量對黃土節(jié)理強度的影響

圖8為3個場地節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的變化規(guī)律。如圖8所示，禮泉縣土樣的峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的變化趨勢為：含水量在3%～14%時，峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的變化幅度較小;含水量在大于14%以后，峰值內(nèi)摩擦角隨含水量增大而減小，且減小的幅度較大。彬縣土樣與禮泉縣土樣的峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的變化趨勢相似，含水量在3%～9%時，峰值內(nèi)摩擦角隨含水量略有增大，但增大不明顯;含水量在大于9%以后，峰值內(nèi)摩擦角隨含水量增大而減小，且在含水量大于14%后，峰值內(nèi)摩擦角大幅度減小。子長縣土樣的峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的變化也有先幾乎不變后減小幅度增大的規(guī)律，但是總體變化幅度較小。

圖8 各場地土樣峰值內(nèi)摩擦角-含水量關(guān)系Fig.8 Relationship of soil samples between peak internal friction angle and water content

由此可以得出對于不同強度原狀土和不同表面形態(tài)的黃土節(jié)理,含水量對黃土節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律相同，即隨著含水量的增加，都有先幾乎不變后大幅度減小的變化趨勢。存在一個界限含水量,使土樣的含水量小于該界限值時,峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的增大變化很小;當含水量大于界限值時,峰值內(nèi)摩擦角隨含水量的增大而大幅度減小。

粗糙節(jié)理面剪切強度主要由接觸面上的黏結(jié)力、表面形態(tài)引起的爬坡角和表面凸起物被磨損或剪斷引起的摩阻力組成的[12]。如前文所述，對于黃土天然節(jié)理面其接觸面上的黏結(jié)力很小，可以忽略不計。同時由于節(jié)理面粗糙不規(guī)則，節(jié)理面之間只有部分土體接觸。接觸土體被磨損或剪斷為黃土節(jié)理面提供了主要剪切強度，因此接觸土體的面積和強度是影響節(jié)理面強度的主要因素。已有研究表明，隨著含水量的增大，土體的強度減小[13-14]，塑性變形增大。當含水量較小時，隨著含水量的增大土體強度小幅度減小，但是塑性變形增大，接觸土體的塑性流動使接觸面積增大，最終使得內(nèi)摩擦角有微弱的增大，但增大值很小可忽略。當含水量在某個界限值內(nèi)時，隨著含水量的增大，土體強度的減小與接觸面的增大對剪切強度的影響基本保持平衡，使得節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角基本不變。當含水量大于某一界限值后(塑限值附近)，接觸面積已達到最大，隨著含水量的增大，節(jié)理接觸面積不變，接觸土體強度大幅度降低，使得節(jié)理峰值強度大幅減小。

峰值內(nèi)摩擦角隨著含水量的增加呈指數(shù)關(guān)系(圖8)，經(jīng)擬合得到的數(shù)學(xué)表達式如下：

式中，a，b，c為擬合參數(shù);φm為峰值內(nèi)摩擦角;w為含水量。

上式作為黃土天然節(jié)理抗剪強度隨含水量變化的經(jīng)驗公式，可用于計算黃土垂直節(jié)理在不同含水量下的抗剪強度。本次試驗的擬合結(jié)果見表4。

表4峰值內(nèi)摩擦角-含水量擬合表達式參數(shù)
Table4Expressionparametersofpeakinternalfrictionangleandwatercontent

項目abc擬合度R2禮泉縣土樣-00636402323009887彬縣土樣-00774415350209589子長縣土樣-02500627334509250

2.2.2黃土節(jié)理直剪試驗的尺寸效應(yīng)

通過土工大型直剪試驗，得到了各組試樣的峰值剪切強度，見表5。

表5節(jié)理試樣剪切強度
Table5JointsampleshearstrengthkPa

圖9為剪切強度-法向應(yīng)力關(guān)系，同樣通過去除黏聚力的摩爾庫倫準則τ=σtanφ，按照最小二乘法擬合，得到黃土節(jié)理剪切強度等效峰值內(nèi)摩擦角為φ=47.37°。由表3可得，小型直剪試驗測得節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角為34.99°?？梢园l(fā)現(xiàn)，大型直剪試驗所得剪切強度大于小型直剪試驗所得剪切強度。這是由于黃土節(jié)理試樣尺寸影響其表面起伏度。當試樣面積較小時，試樣表面起伏度變化也小，在剪切過程中試樣節(jié)理面之間的互鎖效果就越弱。反之節(jié)理試樣面積越大，節(jié)理面起伏變化越多，面壁之間的互鎖效果就越強，起伏度提供的爬坡效應(yīng)也就越明顯，最終使得節(jié)理面剪切強度增大。

圖9 剪切強度-法向應(yīng)力關(guān)系Fig.9 Normal stress shear strength-diagram

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

2.3.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律

小型直剪試驗得出了各場地不同含水量時的剪切強度，以剪切應(yīng)力為縱坐標，剪切位移為橫坐標，可得到節(jié)理土樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。圖10為3個場地含水量為3%時的黃土節(jié)理剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線。

由于剪切過程受到含水量、節(jié)理表面形態(tài)、豎向壓力、土體自身強度等因素影響，剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線呈多種變化趨勢，但對上圖分析仍可得到以下規(guī)律：

圖10 黃土節(jié)理剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Shear stress-strain curve of the loess joint

(1)黃土節(jié)理剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線基本屬于非線性屈服剪切型曲線，即整個曲線是非線性的，曲線在彎曲之后，呈應(yīng)變硬化特性。

(2)黃土節(jié)理剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線有著較長的屈服位移。剪切過程初期強度在短暫的增加之后，經(jīng)歷較長的屈服過程才能完全發(fā)揮剪切強度，最長可在位移4～6 mm時，才完全發(fā)揮抗剪強度。這是由于剪切過程主要由節(jié)理面傾角和凹凸面咬合提供剪切抗力，而黃土強度較小，塑形變形大(尤其在含水量增加時，可塑性迅速加強)，使得黃土節(jié)理在較大的剪切位移下才能完全發(fā)揮剪切強度。

2.3.2切向本構(gòu)方程

節(jié)理土樣的力學(xué)變形主要是在剪切作用下的節(jié)理面相對滑移，通過前文分析可知，黃土節(jié)理的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是無軟化、無峰值的非線性屈服剪切型曲線?，F(xiàn)有研究表明指數(shù)模型與雙曲線模型能夠較好地模擬非線性屈服剪切型曲線。

常用的指數(shù)模型為

式中,τ為剪切強度;u為剪切位移;τm為極限剪切強度;k0為初始剪切剛度。

常用的雙曲線模型為

基于上述研究，本文構(gòu)建了新的本構(gòu)模型，形式如下：

其中,a，b為擬合參數(shù)。

初始剪切剛度為位移u=0時的曲線切線斜率，對于新提出的本構(gòu)方程進行求導(dǎo)可得其對應(yīng)的初始剪切剛度為

將黃土節(jié)理大直剪試驗(法向應(yīng)力為150，200 kPa，含水量為6%)的試驗結(jié)果，利用指數(shù)模型、雙曲線模型、構(gòu)建的新模型進行數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果見表6。限于篇幅，以正應(yīng)力為150 kPa時試驗結(jié)果的擬合為例，如圖11所示。

表6試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果
Table6Fittingresultsoftestdata

模型150kPa第1組R2k0/(kPa·mm-1)150kPa第2組R2k0/(kPa·mm-1)200kPa第1組R2k0/(kPa·mm-1)200kPa第2組R2k0/(kPa·mm-1)指數(shù)模型0992423725095424442709688441790987263428雙曲模型09467683590955101077409454496470957527601本文模型0995914508096518764609841260450987693793

圖11 各模型擬合曲線Fig.11 Model fitting curves

從圖11及表6可知，指數(shù)模型所得的初始剪切剛度略小，而雙曲線模型得到的初始剪切剛度偏大，新模型擬合的初始剛度較為合理。由圖11可知，雙曲線模型擬合的極限剪切強度比試驗值小，存在較大的偏差;指數(shù)模型擬合的極限剪切強度略微偏大;新模型擬合結(jié)果與試驗結(jié)果誤差較小。因此，用本文提出的模型描述黃土節(jié)理剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系更為合理。

2.3.3初始剪切剛度的影響因素

黃土節(jié)理面的初始剪切剛度是剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征的重要參數(shù)，其值往往與節(jié)理面粗糙度、初始接觸狀態(tài)、含水量及正應(yīng)力密切相關(guān)。本文主要研究了初始剪切剛度與含水量及正應(yīng)力的關(guān)系，利用前文提出的本構(gòu)方程(式(4))，對小型直剪試驗所得結(jié)果進行擬合，得到了3個場地土樣在不同含水量及不同正應(yīng)力下的初始剪切剛度，見表7。

圖12為擬合所得初始剛度與含水量關(guān)系，僅以彬縣土樣為例。

觀察圖12可以發(fā)現(xiàn)，在含水量為3%～9%時，初始剪切剛度值略有起伏，但是變化值均很小;隨后隨含水量增加均表現(xiàn)為大幅度減小?？傮w分析可認為黃土節(jié)理初始剛度隨著含水量的增加逐漸減小。

黃土節(jié)理的初始剪切剛度與含水量密切相關(guān)，隨著含水量的增加，黃土中可溶物質(zhì)溶解，宏觀表現(xiàn)為黃土的塑性流動能力增大。因此節(jié)理面間接觸嚙合的黃土體隨含水量增加，剛度減小，塑性變形能力增大，即反映為初始剪切剛度的減小。

表7節(jié)理初始剪切強度
Table7Jointinitialshearstrength

場地含水量/%初始剪切剛度/(kPa·mm-1)50kPa100kPa150kPa200kPa3424846885742791864172401561297339彬縣935814845635476301430853847587757342119933029443250233197933564485798862267365551657542禮泉縣919793166458576281417373408584070622115062236353855033244438495590634962178402754285684子長縣92551424961845132142000385244674906211982323344394523

圖12 彬縣土樣k0-w關(guān)系Fig.12 Bin County soil samples k0-w

以含水量分別為9%，14%，21%時初始剪切剛度與正應(yīng)力關(guān)系為例，如圖13所示。由圖可知，隨著正應(yīng)力的增加，初始剪切剛度呈線性增加。這是由于在正應(yīng)力的作用下，黃土節(jié)理面間的接觸咬合效果加強。同時由于節(jié)理表面黃土顆粒強度較小、變形能力較大，會在壓力作用下填充節(jié)理面間的空隙，從而使得節(jié)理面抗滑移能力增大。因此，隨著正應(yīng)力的增加，初始剪切剛度也表現(xiàn)為增加的趨勢。

圖13 初始剪切剛度與正應(yīng)力關(guān)系Fig.13 Initial shear stiffness and normal stress

3 結(jié) 論

(1)黃土節(jié)理的抗剪強度關(guān)系符合摩爾-庫倫準則，且黃土節(jié)理黏聚力很小，可忽略不計。

(2)隨含水量的增加，黃土節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角最初的變化幅度較小，當大于某個含水量值時，峰值內(nèi)摩擦角減小幅度變大。研究表明黃土節(jié)理強度隨含水量的變化規(guī)律可用指數(shù)形式進行描述。

(3)黃土節(jié)理直剪試驗存在尺寸效應(yīng)，試樣尺寸主要影響節(jié)理面起伏度對剪切強度的貢獻。試樣尺寸越大，其剪切強度也越大。

(4)黃土節(jié)理剪應(yīng)力-剪切位移的關(guān)系曲線屬于非線性屈服剪切型曲線，屈服位移較長。通過對構(gòu)建的本構(gòu)模型對初始剪切剛度的研究發(fā)現(xiàn)：黃土節(jié)理初始剪切剛度隨著含水量的增加逐漸減小;隨著正應(yīng)力的增加，初始剪切剛度呈線性增加。

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Experimentalstudyonshearstrengthofloessjoints

LIU Xiaojun,WANG Zhen,WANG Tiehang，LU Jie

(CollegeofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China)

The shear strength characteristics of loess joints significantly affect the stability of project with joint loess.Based on a large number of field investigations,the suitable sites are selected to collect the loess vertical joints.The first is to classify different joint surface morphologies for sample preparation.Then,laboratory direct shear test is used to study the influence of water on loess joint shear strength parameters,and comparing with lab large-scale direct shear test to study the influence of the size effect on the shear strength.Finally,according to the results,the law of joint shear stress and displacement is studied.The results show that the loess joint shear stress-shear displacement relationship curve belongs to nonlinear yield shear type curve;loess joint shear strength is corresponded with Mohr Coulomb criterion,and cohesion is so small that almost negligible;as the water content increases,loess joint peak friction angle initial tends to a lesser extent,when more than a moisture content value,the peak friction angle is reduced significantly.The loess joint strength with the variation of the amount of water available index form are described;the sample size mainly affects the joint surface’s contribution to the shear strength,and the greater the size is,the greater shear strength is;the yield shear stress and displacement curve is nonlinear shear curve,and the constitutive model is built to study the initial shear stiffness.The results show that the initial shear stiffness decreases with the increase of water content,and increases linearly with the increase of normal stress.

loess joint;shear strength;water content;constitutive model;initial stiffness of shear

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0379

TD315

:A

:0253-9993(2017)08-2003-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408464)

劉小軍(1983—)，男，陜西榆林人，副教授，博士。E-mail:liuyu8345@163.com

劉小軍，王震，王鐵行，等.原狀黃土節(jié)理抗剪強度試驗研究[J].煤炭學(xué)報,2017,42(8):2003-2010.

LIU Xiaojun,WANG Zhen,WANG Tiehang，et al.Experimental study on shear strength of loess joints[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2003-2010.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0379