郝延周，王鐵行，汪 朝，金 鑫

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

1 研究背景

壓實(shí)處理后的黃土壩基、路基和邊坡等在后期運(yùn)營(yíng)中受自然因素如水位升降、降水、蒸發(fā)等反復(fù)干濕循環(huán)的作用，導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化。干濕循環(huán)會(huì)使巖土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化［1-3］，對(duì)巖土體的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，引起強(qiáng)度的劣化［4-5］。直接用壓實(shí)黃土的三軸剪切特性去評(píng)價(jià)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中土的力學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，導(dǎo)致壓實(shí)黃土壩基、地基、邊坡等在后期運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)沉降、開(kāi)裂等工程問(wèn)題。因此，研究干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的強(qiáng)度變化規(guī)律具有重要的工程意義。

目前，不少學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)作用下土的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。干濕循環(huán)導(dǎo)致土體強(qiáng)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(guò)試驗(yàn)得出膨脹土抗剪強(qiáng)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(qiáng)度在同一級(jí)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(duì)初始狀態(tài)相同南陽(yáng)膨脹土試樣進(jìn)行1～6次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)過(guò)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(duì)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(shí)最為明顯，且在經(jīng)歷3～5次循環(huán)后達(dá)到平衡狀態(tài)。Aldaood［15］等研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)導(dǎo)致人工改良土的強(qiáng)度衰減。劉文化等［16-17］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)大連典型粉質(zhì)黏土6次干濕循環(huán)前、后的力學(xué)特性的變化規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)初始干密度對(duì)干濕循環(huán)響應(yīng)具有影響，干濕循環(huán)過(guò)程中試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整和基質(zhì)吸力的壓密作用使得土體的力學(xué)特性發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化。程富陽(yáng)等［18］通過(guò)不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，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(guò)三軸試驗(yàn)探討了三峽庫(kù)區(qū)滑帶土經(jīng)過(guò)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(duì)原狀黃土與壓實(shí)黃土的抗剪強(qiáng)度均會(huì)產(chǎn)生劣化效應(yīng)；王飛等［21］認(rèn)為割線模量與干濕循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)減小，與初始?jí)簩?shí)度呈指數(shù)增大關(guān)系；劉宏泰等［22］通過(guò)三軸壓縮和三軸滲透試驗(yàn)，得出干濕循環(huán)作用使重塑黃土強(qiáng)度逐漸衰減和滲透性增強(qiáng)的規(guī)律；胡長(zhǎng)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(qiáng)度劣化模型，通過(guò)該模型分析了壓實(shí)黃土填方邊坡穩(wěn)定，并揭示了強(qiáng)度劣化的微觀機(jī)制；張芳枝等［24］研究發(fā)現(xiàn)吸濕-脫濕循環(huán)過(guò)程不僅使非飽和土的有效內(nèi)摩擦角降低，而且對(duì)吸力內(nèi)摩擦角值產(chǎn)生一定影響。王鐵行等［25］通過(guò)試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度性質(zhì)，結(jié)果表明壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)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(rèn)為土體在3～6次干濕循環(huán)作用后其強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，但受土的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)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(jié)論具有一定的局限性，且對(duì)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(qiáng)度性質(zhì)變化趨勢(shì)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(qiáng)度劣化規(guī)律，對(duì)干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度劣化程度的評(píng)價(jià)方法還未提出。因此，需要對(duì)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(shí)黃土強(qiáng)度變化趨勢(shì)進(jìn)行深入研究，并從中得出能夠評(píng)價(jià)干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土強(qiáng)度劣化程度大小的方法?；诖?，本文通過(guò)對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑的壓實(shí)黃土試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，研究不同干濕循環(huán)路徑和多次干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的三軸剪切特性變化規(guī)律，探討能夠指導(dǎo)壓實(shí)黃土實(shí)際工程的干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化程度評(píng)價(jià)方法。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試樣制備試驗(yàn)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(biāo)見(jiàn)表1。通過(guò)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)土層中取得的原狀黃土土樣自然風(fēng)干，用橡皮錘捶碎，然后過(guò)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(shí)，制備干密度為1.70 g/cm3（壓實(shí)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(yàn)。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(biāo)

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)為使干濕循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)黃土強(qiáng)度劣化充分發(fā)揮，設(shè)置4種干濕循環(huán)路徑（見(jiàn)表2），對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào)分別為a、b、c、d，下限含水率分別設(shè)置為：18.9%、12.9%、6.9%、0.9%，對(duì)應(yīng)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(shí)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(guò)程。試樣飽和過(guò)程采用抽真空飽和法，試驗(yàn)測(cè)得飽和后的含水率均在23%左右，且相差不超過(guò)0.1%，飽和度大于98%；減濕過(guò)程采用烘干法（40 ℃），由于d循環(huán)路徑采用低溫烘干無(wú)法達(dá)到目標(biāo)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(biāo)含水率；干濕循環(huán)歷時(shí)（1循環(huán)）包括飽和過(guò)程時(shí)間和減濕至目標(biāo)含水率的時(shí)間（見(jiàn)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(dá)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(guò)試樣的兩端進(jìn)行遷移，近似模擬水分的一維遷移。試樣的含水率通過(guò)控制其質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，精度控制在±0.1 g。干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到試驗(yàn)要求的次數(shù)后由飽和減濕至同一試驗(yàn)含水率18.9%進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，以利于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

表2 壓實(shí)黃土干濕循環(huán)方案

2.3 三軸剪切試驗(yàn)三軸剪切試驗(yàn)采用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀，采用不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)（UU），剪切速率為0.5 mm/min，圍壓設(shè)置為100、200和300 kPa。應(yīng)力-應(yīng)變曲線有峰值時(shí)取峰值偏應(yīng)力作為三軸剪切強(qiáng)度，無(wú)峰值時(shí)取軸向應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為三軸剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為軸向應(yīng)變達(dá)到20%。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不同干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)路徑壓實(shí)黃土的三軸剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖1 干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)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(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異比較明顯。除n=0時(shí)的初始應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈弱軟化型外，其余應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)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(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均在n=0時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下方，這說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土初始結(jié)構(gòu)具有損傷作用，導(dǎo)致其力學(xué)特性降低。在n=1和n=3時(shí)降低幅度最大，這與此前學(xué)者［7，9-11］的研究結(jié)論一致，當(dāng)n≥6時(shí)，壓實(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)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(shí)黃土試樣的力學(xué)特性并非逐漸減小趨于穩(wěn)定值，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，壓實(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位于最底部，之后逐漸上移，其力學(xué)特性有所提高，但均距離n=0時(shí)的初始應(yīng)力-應(yīng)變曲線較遠(yuǎn)。

對(duì)比分析不同干濕循環(huán)路徑的壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線下移至最底部對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)不同，其中a路徑對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)n=9，b、c路徑對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)n=6，d路徑對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)n=3。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，各干濕循環(huán)路徑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)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(shí)，c路徑在n≥15時(shí)，曲線分布在較窄的區(qū)域，但應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體緩慢上移。

3.2 干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)度為進(jìn)一步分析干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土三軸剪切強(qiáng)度的變化特征，對(duì)各循環(huán)路徑在不同干濕循環(huán)次數(shù)的三軸剪切強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立三軸剪切強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2可知，壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)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(qiáng)度劣化主要集中在前9次，干濕循環(huán)路徑b、c的強(qiáng)度劣化主要集中在前6次，干濕循環(huán)路徑d的強(qiáng)度劣化主要集中在前3次。將三軸剪切強(qiáng)度達(dá)到最小值對(duì)應(yīng)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(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)小于臨界干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，各干濕循環(huán)路徑的三軸剪切強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)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(shí)，各干濕循環(huán)路徑的三軸剪切強(qiáng)度相對(duì)于臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc對(duì)應(yīng)的三軸剪切強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)，但曲線較平緩；在σ3=100kPa 時(shí)，n=21 次對(duì)應(yīng)的三軸剪切強(qiáng)度相對(duì)于臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc對(duì)應(yīng)的三軸剪切強(qiáng)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(dá)到60.07%。

圖2 干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土三軸剪切強(qiáng)度變化規(guī)律

壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)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(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)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(shí)曲線最陡，斜率最大；干濕循環(huán)路徑a的強(qiáng)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(duì)比較緩慢，曲線斜率相對(duì)較小，而干濕循環(huán)路徑d的強(qiáng)度減小相對(duì)比較劇烈，曲線斜率相對(duì)較大；對(duì)比分析不同干濕循環(huán)路徑在相同圍壓條件下的強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值可以明顯得出，干濕循環(huán)c路徑的強(qiáng)度值最小，其次為d路徑和b路徑，a路徑的強(qiáng)度值相對(duì)最大。在臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc之后強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線斜率由負(fù)值變?yōu)檎岛笾饾u增大，增大幅度相對(duì)較小，其中干濕循環(huán)路徑a、b在n≥15時(shí)，干濕循環(huán)路徑c、d在n≥12時(shí)曲線趨于平緩。

干濕循環(huán)幅度和下限含水率對(duì)壓實(shí)黃土三軸剪切強(qiáng)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(shí)黃土三軸剪切強(qiáng)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(qiáng)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(shí)黃土試樣在干濕循環(huán)12 次后的三軸剪切強(qiáng)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(kù)倫理論求得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：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(guān)系曲線見(jiàn)圖3 和圖4。由圖3 可知壓實(shí)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(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)與干濕循環(huán)路徑有關(guān)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)始逐漸增大；干濕循環(huán)路徑a、b、c、d 分別在其曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于12 次時(shí)，壓實(shí)黃土的黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線斜率逐漸減小；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于15 次時(shí)，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(guān)系

圖4 內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖4 可知壓實(shí)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(shì)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(dá)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(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于12次時(shí)，壓實(shí)黃土的內(nèi)摩擦角曲線趨于平緩。

實(shí)際填方工程中壓實(shí)黃土在后期運(yùn)營(yíng)中經(jīng)歷無(wú)數(shù)次干濕循環(huán)，且干濕循環(huán)路徑和幅度復(fù)雜多變，壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)度及其強(qiáng)度指標(biāo)在其孔隙和顆粒結(jié)構(gòu)基本趨于穩(wěn)定之后，三軸剪切強(qiáng)度的指標(biāo)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(duì)應(yīng)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(shí)黃土強(qiáng)度及強(qiáng)度指標(biāo)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(shí)黃土強(qiáng)度指標(biāo)的劣化度為進(jìn)一步定量研究干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)劣化程度，將三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)按式（1）、式（2）定義的三軸強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)劣化度對(duì)不同干濕循環(huán)作用次數(shù)壓實(shí)黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(dāng)DR=0時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)未發(fā)生劣化，當(dāng)0＜DR＜1時(shí)，強(qiáng)度指標(biāo)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?yàn)閐、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(shí)黃土內(nèi)摩擦角劣化度變化趨勢(shì)與黏聚力的劣化度變化趨勢(shì)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(shí)達(dá)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(duì)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(shí)達(dá)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(dá)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(duì)壓實(shí)黃土黏聚力劣化度和內(nèi)摩擦角劣化度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)見(jiàn)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(duì)壓實(shí)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(guān)性，相關(guān)指數(shù)R2均大于0.97以上，該分段函數(shù)關(guān)系式能夠反映出劣化度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化過(guò)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(duì)壓實(shí)黃土的劣化度進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，以評(píng)估一定干濕循環(huán)作用后壓實(shí)黃土的強(qiáng)度性質(zhì)。

表3 壓實(shí)黃土黏聚力c劣化度擬合參數(shù)

表4 壓實(shí)黃土內(nèi)摩擦角φ劣化度擬合參數(shù)

3.4 壓實(shí)黃土干濕循環(huán)最劣含水率干濕循環(huán)幅度對(duì)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(shí)達(dá)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(shí)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(guò)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(dá)到36.36%。

存在一個(gè)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(shí)黃土強(qiáng)度指標(biāo)劣化度最大，最劣干濕循環(huán)幅度Aw對(duì)應(yīng)的從飽和含水率減濕到的下限含水率定義為壓實(shí)黃土干濕循環(huán)最劣含水率ww，干濕循環(huán)達(dá)到最劣含水率時(shí)壓實(shí)黃土的強(qiáng)度劣化度最大，對(duì)壓實(shí)黃土后期運(yùn)營(yíng)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(guān)系曲線見(jiàn)圖7和圖8，根據(jù)曲線峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)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(shí)度為98.3%的壓實(shí)黃土的黏聚力最劣干濕循環(huán)幅度Awc為18.05%，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(guān)系

圖8 內(nèi)摩擦角劣化度與干濕循環(huán)幅度的關(guān)系

在壓實(shí)黃土實(shí)際工程中，可以根據(jù)壓實(shí)完成后黃土的瞬時(shí)含水率是否接近或等于最劣含水率來(lái)評(píng)價(jià)干濕循環(huán)對(duì)其強(qiáng)度的劣化程度，當(dāng)壓實(shí)黃土的含水率接近或等于最劣含水率時(shí)，壓實(shí)黃土的強(qiáng)度劣化程度最大，反之最小。壓實(shí)施工完成之后盡量避免使壓實(shí)黃土在最劣干濕循環(huán)幅度Aw范圍內(nèi)進(jìn)行干濕循環(huán)，通過(guò)對(duì)壓實(shí)土體表面覆蓋遮擋物等措施降低太陽(yáng)輻射、風(fēng)對(duì)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(shí)黃土施工完成后干濕循環(huán)使其三軸剪切強(qiáng)度的劣化程度降到最低。

3.5 剪切強(qiáng)度劣化機(jī)制分析干濕循環(huán)使壓實(shí)施工完成后的黃土體初始結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)的損傷導(dǎo)致其強(qiáng)度發(fā)生劣化。增濕過(guò)程使壓實(shí)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(dǎo)致土顆粒間的吸附強(qiáng)度減弱；減濕過(guò)程會(huì)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(jìn)一步加劇吸附強(qiáng)度的減弱；孔隙數(shù)量增多和裂隙的發(fā)育是導(dǎo)致壓實(shí)黃土發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷和強(qiáng)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(guò)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(shí)由基質(zhì)吸力導(dǎo)致的壓應(yīng)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(guò)程中試樣表面裂隙發(fā)育

當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)小于臨界干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，增、減濕不僅使土中孔隙率增大，還會(huì)使土的孔隙率減小，在這一階段，孔隙率以增大為主，最終導(dǎo)致壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)度降低。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)大于臨界干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，基質(zhì)吸力對(duì)土顆粒的反復(fù)作用使土顆粒相互靠近，孔隙比相對(duì)降低；顆粒對(duì)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(jié)作用及咬合作用，使壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)度相對(duì)于臨界干濕循環(huán)次數(shù)所對(duì)應(yīng)的三軸剪切強(qiáng)度有所增大，但增大幅度相對(duì)較低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，最終壓實(shí)黃土的三軸剪切強(qiáng)度趨于定值，該定值不會(huì)達(dá)到或超過(guò)壓實(shí)黃土的初始三軸剪切強(qiáng)度。

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析的合理性，對(duì)壓實(shí)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(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)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(jiàn)圖10。對(duì)的SEM圖像分析可知：干濕循環(huán)為0次時(shí)，干密度為1.70 g/cm3的壓實(shí)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(duì)較少；土顆粒棱邊、棱角相對(duì)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(guò)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(jié)構(gòu)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(tuán)粒表面微小顆粒和可溶鹽被沖刷，團(tuán)粒內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，總孔隙率增大。減濕過(guò)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(shí)黃土的孔隙率。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)超過(guò)臨界干濕循環(huán)次數(shù)（c路徑為6次）時(shí)，土中微小顆粒不斷填充大、中孔隙，同時(shí)干縮導(dǎo)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(jié)論

通過(guò)對(duì)壓實(shí)度為98.3%的黃土試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)（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(shí)黃土的三軸剪切力學(xué)特性，得出以下結(jié)論：干濕循環(huán)作用下的壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加在坐標(biāo)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(duì)壓實(shí)黃土三軸剪切強(qiáng)度具有劣化作用。存在臨界干濕循環(huán)次數(shù)nc，當(dāng)n＜nc時(shí)，三軸剪切強(qiáng)度及強(qiáng)度指標(biāo)急劇減??；當(dāng)n＞nc時(shí)，三軸剪切強(qiáng)度及強(qiáng)度指標(biāo)逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)劣化度能夠定量反映干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的強(qiáng)度劣化規(guī)律，通過(guò)分段函數(shù)對(duì)劣化度進(jìn)行擬合，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.97以上，分段函數(shù)能夠較好反映強(qiáng)度指標(biāo)的劣化過(guò)程。壓實(shí)黃土干濕循環(huán)最劣含水率對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)劣化度最大，在壓實(shí)黃土實(shí)際工程中，可以根據(jù)壓實(shí)完成后黃土的瞬時(shí)含水率是否接近或等于最劣含水率來(lái)評(píng)價(jià)干濕循環(huán)對(duì)三軸剪切強(qiáng)度的劣化程度。增濕過(guò)程使土顆粒間的吸附強(qiáng)度減弱和減濕過(guò)程使土樣內(nèi)部和表面產(chǎn)生裂隙是壓實(shí)黃土強(qiáng)度劣化的主要原因?；|(zhì)吸力的壓密作用和土顆粒對(duì)大、中孔隙和裂隙的充填提高了顆粒間的聯(lián)結(jié)作用及咬合作用，使壓實(shí)黃土的強(qiáng)度有所增大，但增大幅度相對(duì)較低，最終趨于定值。