祝艷波 李紅飛 蘭恒星 彭建兵 高明明 韓宇濤

(長安大學(xué)， 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

黃土節(jié)理裂隙發(fā)育，降低黃土連續(xù)性、影響黃土力學(xué)特性，是控制和影響黃土邊坡穩(wěn)定性的重要因素(王景明等， 1994； 彭建兵等， 2014)。黃土節(jié)理種類多樣，彭建兵等(2020)根據(jù)成因特征將其劃分為構(gòu)造節(jié)理、卸荷節(jié)理、垂直節(jié)理等8類，大部分節(jié)理展布角度陡傾，但構(gòu)造節(jié)理、卸荷節(jié)理傾角多變(Wang et al.，2019)。構(gòu)造節(jié)理從坡體內(nèi)部控制黃土滑坡、崩塌災(zāi)害發(fā)生，卸荷節(jié)理從坡體表層加劇斜坡滑動(王景明， 1996； 康塵云等， 2020)。因此開展節(jié)理傾角對黃土力學(xué)性質(zhì)影響研究，對于揭示黃土邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)界面效應(yīng)及其促滑機(jī)制具有重要參考價(jià)值。

針對節(jié)理裂隙對巖土體力學(xué)性質(zhì)影響研究，目前主要集中在巖體方面，成果豐碩(Prudencio et al.，2007； Perk et al.，2010； Yang et al.，2012； Sarfarazi et al.，2014； 黃彥華等， 2016)。針對土體主要集中在裂隙黏土，如Skempton(1964)認(rèn)為裂隙對黏土體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，表現(xiàn)為弱化作用。Marsland(1972)通過研究發(fā)現(xiàn)硬黏土中裂隙所處位置影響其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，裂隙硬黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯峰值點(diǎn)。Potts et al.(1990)和 George(2014)則通過對黏性土填方地基研究發(fā)現(xiàn)裂隙存在對黏土性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，裂隙存在對土體強(qiáng)度及變形破壞具有控制作用(胡卸文等， 1994； 韋秉旭等， 2015)。

黃土節(jié)理種類多樣、展布角度多變、分布密度及間距變化差異大，以上裂隙巖土體的研究成果不能完全適用于黃土，因此學(xué)者們開展了裂隙性黃土力學(xué)性質(zhì)研究，結(jié)果表明試樣含水率(李同錄等， 2014； 葉萬軍等， 2016； 鄒錫云等， 2018)、密實(shí)度(白冰等， 2011)、節(jié)理粗糙度(房江鋒， 2010； 王鐵行等， 2013)、節(jié)理密度(張大偉， 2018； 成玉祥等， 2019)、節(jié)理角度(盧全中等， 2009； 賈暉等， 2011； 周彬， 2013； Sun et al.，2015； 程龍虎等， 2017)對黃土力學(xué)性質(zhì)影響顯著。如房江鋒(2010)、王鐵行等(2013)通過直剪試驗(yàn)研究了含水量、節(jié)理表面粗糙度和干密度對黃土節(jié)理強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)黃土節(jié)理內(nèi)摩擦角隨含水量變化敏感，干密度和表面形態(tài)對內(nèi)摩擦角影響不大。白冰等(2011)基于節(jié)理黃土強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干密度和節(jié)理粗糙度對節(jié)理黏聚力影響較大，對內(nèi)摩擦角影響較小。盧全中等(2015)研究了不同含水量、不同裂隙角度黃土的變形破壞影響，并對其破壞類型進(jìn)行分類。劉小軍等(2017)研究發(fā)現(xiàn)隨含水量增加，黃土節(jié)理峰值內(nèi)摩擦角最初變化幅度較小，當(dāng)大于界限含水量時，峰值內(nèi)摩擦角減小幅度變大。成玉祥等(2019)通過三軸壓縮試驗(yàn)研究不同裂隙密度黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著裂隙密度增加，內(nèi)摩擦角呈明顯減小趨勢。程龍虎等(2017)研究了不同裂隙傾角對裂隙性黃土強(qiáng)度特性的影響，發(fā)現(xiàn)裂隙性黃土破壞模式主要有壓裂破壞、壓剪破壞和滑移-壓剪復(fù)合破壞3種。王麗麗等(2020)通過不同節(jié)理角度黃土試樣的三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)節(jié)理低圍壓和45°傾角時節(jié)理試樣表現(xiàn)出低強(qiáng)度效應(yīng)。

綜上所述，可見目前針對裂隙黃土力學(xué)性質(zhì)，雖然開展了一些研究，但主要針對貫通性節(jié)理對黃土力學(xué)性質(zhì)影響，而黃土破壞為節(jié)理裂隙受力下不斷擴(kuò)展、劣化土體強(qiáng)度的漸進(jìn)式過程，因此查明非貫通節(jié)理擴(kuò)展過程及其對黃土強(qiáng)度影響十分必要。目前節(jié)理裂隙分布差異對黃土強(qiáng)度影響尚不明確(成玉祥等， 2019)，而黃土節(jié)理傾角效應(yīng)一直是研究熱點(diǎn)(王麗麗等， 2020)，但目前關(guān)于黃土非貫通節(jié)理傾角變化對黃土力學(xué)影響研究鮮見。

因此，本文通過預(yù)制不同傾角的非貫通節(jié)理裂隙黃土試樣，開展其強(qiáng)度力學(xué)特性試驗(yàn)，揭示了節(jié)理傾角變化對黃土力學(xué)特性影響規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析不同節(jié)理黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、峰值強(qiáng)度變化和破壞模式，揭示節(jié)理傾角變化對黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響規(guī)律，并通過黃土抗剪強(qiáng)度隨節(jié)理傾角、圍壓變化關(guān)系，分析節(jié)理試樣強(qiáng)度隨影響因素變化敏感性。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土料

研究區(qū)位于陜西富縣某工程場地，因工程建設(shè)開挖形成高陡邊坡(圖 1)，開挖坡面可見黃土構(gòu)造節(jié)理、垂直節(jié)理、卸荷裂隙發(fā)育，開挖邊坡滑塌頻繁。因此為研究節(jié)理裂隙對黃土力學(xué)性質(zhì)劣化、揭示黃土研究區(qū)邊坡滑移機(jī)制，選取現(xiàn)場黃土(Q2)為研究對象，土料呈褐黃色，土質(zhì)密實(shí)，天然含水率高，獲取其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表 1所示。

圖 1 研究區(qū)及取樣點(diǎn)Fig. 1 Study area and sampling site

圖 2 節(jié)理試樣制備過程Fig. 2 Preparation process of joints samples

表 1 黃土基本物性指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of loess

1.2 試驗(yàn)方案與試樣制備

基于現(xiàn)場黃土節(jié)理調(diào)查，為全面研究節(jié)理傾角對黃土力學(xué)性質(zhì)影響，并充分揭示黃土節(jié)理受力擴(kuò)展劣化過程，制定如下試驗(yàn)方案：分別開展6種展布傾角的非貫通節(jié)理(0°、30°、45°、60°、75°、90°)對黃土力學(xué)性質(zhì)影響試驗(yàn)。試樣采用重塑試樣，干密度為1.7g·cm-3，初始含水率為18%，試樣直徑39.1mm，高80mm，預(yù)制的非貫通節(jié)理長度為20mm、寬度為0.3mm。分別對節(jié)理黃土試樣開展單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，以充分揭示節(jié)理黃土力學(xué)性質(zhì)，三軸試驗(yàn)圍壓選取為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。

黃土貫通裂隙制備相對簡單，可由試樣制備完成后切割而成(成玉祥等， 2019)，也可在試樣制備過程中壓制而成(王麗麗等， 2020)，非貫通節(jié)理制作過程相對復(fù)雜。為制備具不同傾角的非貫通節(jié)理，首先配備工業(yè)微型電鉆、鎢鋼微細(xì)加長鉆頭(直徑0.3mm)，以及超細(xì)金剛砂切割線鋼絲鋸(直徑0.3mm)，試樣制備分為兩步(圖 2)：首先利用自制壓實(shí)裝置制備重塑試樣，試樣分5層壓制，為消除試樣離散性，盡量保證每層土料接觸界面粗糙度一致，所有試樣一次制備完成，放入保濕缸中備用。第2步為預(yù)制非貫通節(jié)理，首先利用細(xì)馬克筆在橡膠膜上繪制預(yù)制節(jié)理線，確定好預(yù)制節(jié)理位置、長度及展布角度等，并按照一定間隔在節(jié)理線上繪制鉆孔點(diǎn)位，繪制完畢將橡皮膜包裹在黃土試樣上，試樣兩側(cè)則均可見預(yù)制節(jié)理標(biāo)注位置。其次將試樣兩端固定，利用微型電鉆配備微細(xì)鉆頭沿試樣表面鉆孔標(biāo)注點(diǎn)鉆穿試樣，按照順序完成節(jié)理上不同標(biāo)記點(diǎn)鉆孔工作。最后利用超細(xì)金剛砂切割線鋼絲鋸貫通第一個鉆孔點(diǎn)，沿節(jié)理方向順不同鉆孔點(diǎn)依次切割試樣，最終形成貫通的預(yù)制節(jié)理。重復(fù)以上步驟即可完成不同展布角度預(yù)制節(jié)理試樣的制備工作。該預(yù)制節(jié)理方法對試樣擾動小，可制備出多角度、任意長度的非貫通節(jié)理(圖 2)，且節(jié)理界面兩側(cè)分離、間距小，與實(shí)際黃土節(jié)理較為接近。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

為開展黃土試樣強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備選用FLSY30-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸儀，采用應(yīng)變控制式加載，加載速率為0.4mm·min-1，對于單軸壓縮試驗(yàn)當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到10%時停止試驗(yàn)； 對于三軸壓縮試驗(yàn)當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到20%時停止試驗(yàn)。試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)采集均由計(jì)算機(jī)伺服控制。為減小試驗(yàn)結(jié)果離散性，每組方案完成5個平行樣試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

完成14組黃土試樣強(qiáng)度試驗(yàn)，獲取不同節(jié)理傾角對試樣剪切破壞模式、應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、峰值強(qiáng)度變化、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響規(guī)律，分析結(jié)果如下：

2.1 剪切破壞模式

觀察黃土試樣單軸壓縮下破壞形態(tài)(圖 3)，可見黃土試樣均為剪切破壞，但因節(jié)理存在試樣剪切破裂面形態(tài)有所不同。不含預(yù)制節(jié)理試樣為單斜面剪切破壞模式，含預(yù)制節(jié)理黃土試樣破壞模式根據(jù)剪切破裂面形態(tài)，可分為節(jié)理面與破裂面貫通型和節(jié)理面與破裂面斜交型兩類。當(dāng)節(jié)理傾角為0°、30°、90°時，試樣破壞模式為節(jié)理面與破裂面斜交型，預(yù)制節(jié)理未貫通，與剪切破裂面斜交，但預(yù)制節(jié)理尖端均產(chǎn)生次生裂紋，如傾角0°時節(jié)理尖端產(chǎn)生翼裂紋和次生傾斜裂紋，傾角30°時節(jié)理尖端產(chǎn)生次生傾斜裂紋，傾角90°時節(jié)理尖端產(chǎn)生翼裂紋和次生傾斜裂紋； 當(dāng)節(jié)理傾角為45°、60°、75°時，試樣破壞模式為節(jié)理面與破裂面貫通型，預(yù)制節(jié)理均與剪切破裂近共面貫通，但節(jié)理角度與尖端次生共面裂紋交角略有差異，如傾角60°時節(jié)理面與剪切破裂面呈平直單斜面，與不含節(jié)理試樣破壞模式一致，傾角45°、75°時節(jié)理與次生共面裂紋呈小角度相交，但試樣剪切破壞仍為典型的節(jié)理貫通型破壞。

圖 3 試樣剪切破壞模式Fig. 3 Shear failure modes of specimens

圖 4 次生裂紋種類Fig. 4 Types of secondary cracks

綜上所述，試樣受壓時，非貫通節(jié)理受壓時尖端萌生次生裂紋，不同傾角節(jié)理尖端萌生次生裂紋種類不同，節(jié)理裂隙擴(kuò)展劣化過程不同，導(dǎo)致試樣破壞模式具有差異。不同傾角節(jié)理尖端產(chǎn)生的次生裂紋主要有翼裂紋、次生共面裂紋及次生傾斜裂紋3類(圖 4)，其中翼裂紋是張拉裂紋，產(chǎn)生于節(jié)理尖端，起裂后轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力并持續(xù)擴(kuò)展，次生共面裂紋和次生傾斜裂紋為剪切裂紋。

節(jié)理尖端裂紋的萌生、擴(kuò)展控制著試樣的宏觀破壞模式。由滑動裂紋模型(Horii et al.，1985； Ashby et al.，1986)可知，沿節(jié)理面的有效剪應(yīng)力是節(jié)理尖端裂紋萌生、擴(kuò)展的動力，而不同傾角節(jié)理表面有效剪應(yīng)力不同，因此導(dǎo)致試樣破壞模式差異。節(jié)理傾角為0°時，預(yù)制節(jié)理與最大主應(yīng)力方向垂直，節(jié)理面上有效剪應(yīng)力為0，節(jié)理尖端發(fā)育的翼裂紋和次生傾斜裂紋萌生擴(kuò)展與剪切破裂面斜交，試樣為破裂面與節(jié)理面呈交角剪切破壞； 節(jié)理傾角為30°時，預(yù)制節(jié)理與最大主應(yīng)力面交角小，節(jié)理面上有效剪應(yīng)力小，試樣沿節(jié)理面產(chǎn)生相對滑動較困難，節(jié)理尖端次生傾斜裂紋萌生擴(kuò)展成剪切破裂面，試樣為節(jié)理面與破裂面呈斜交破壞； 節(jié)理傾角為90°時，預(yù)制節(jié)理與最大主應(yīng)力方向一致，節(jié)理面受有效剪應(yīng)力為0，節(jié)理不發(fā)生相對滑動，節(jié)理尖端翼裂紋和次生傾斜裂紋萌生擴(kuò)展與剪切破裂面相交或擴(kuò)展成剪切破裂面，試樣為節(jié)理與破裂面斜交破壞； 當(dāng)節(jié)理傾角為45°、60°、75°時，節(jié)理與最大主應(yīng)力方向交角大，節(jié)理面上有效剪應(yīng)力大，節(jié)理尖端次面共生裂紋萌生擴(kuò)展成剪切破裂面，試樣為沿節(jié)理面貫通型剪切破壞，且節(jié)理角度越接近試樣剪切破裂角，試樣剪切破裂面與節(jié)理面越近平直。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

節(jié)理傾角不僅影響試樣剪切破壞模式，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線演化規(guī)律也有差異(圖 5)，可見單軸壓縮條件下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變軟化型，包含彈性變形階段、塑性屈服階段、軟化破壞階段、殘余階段。對比節(jié)理傾角對試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響(圖 6)，可見節(jié)理存在弱化了曲線的應(yīng)變軟化特征，降低了試樣峰值強(qiáng)度。試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性變形段基本重合，表明節(jié)理傾角對試樣彈性模量影響不大。但彈性變形階段后區(qū)別較大，含預(yù)制節(jié)理試樣剪切破壞位移均較不含節(jié)理試樣小(圖 7)，不同節(jié)理傾角試樣剪切破壞位移隨節(jié)理傾角呈“V”字型變化， 90°節(jié)理試樣剪切破壞位移最大，但較不含節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度有所降低，塑性屈服階段持續(xù)時間較接近； 60°節(jié)理試樣剪切破壞位移最小，峰值強(qiáng)度最低，屈服階段時間最短。表明節(jié)理存在顯著降低黃土峰值強(qiáng)度，試樣剪切破壞時間提前，破壞時的塑性變形量小，這是由于試樣受壓過程中，預(yù)制節(jié)理作為軟弱面承受壓力不斷增大，節(jié)理尖端由于應(yīng)力集中導(dǎo)致次生裂紋萌生、擴(kuò)展，試樣更易變形，試樣塑性變形發(fā)展更快，同時裂紋擴(kuò)展不斷降低土體承載單元整體性，加速試樣剪切破裂面形成與貫通速度，試樣更易破壞。節(jié)理傾角越接近60°，剪切破壞點(diǎn)位移越小，試樣峰值強(qiáng)度越低，試樣越容易沿節(jié)理產(chǎn)生貫通型剪切破壞。這說明60°接近黃土試樣的剪切破裂角，與圖 3不含節(jié)理試樣剪切破裂面實(shí)測角度基本一致。

圖 5 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curves of samples

圖 6 不同節(jié)理傾角試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 6 Stress-strain curves of samples with different joints angles

圖 7 試樣剪切破壞位移變化Fig. 7 Variation of shear failure displacement of samples

圖8為黃土試樣三軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與單軸壓縮試驗(yàn)相比，其均為應(yīng)變硬化型，試樣無峰值強(qiáng)度。圍壓越大，曲線應(yīng)變硬化特征越顯著(圖 8a)，主應(yīng)力差也越大，試樣塑性特征越顯著，表明節(jié)理試樣在高圍壓下不易破壞。這是由于圍壓增大限制試樣土體側(cè)向變形，使節(jié)理面閉合、節(jié)理界面摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，土體不易變形、節(jié)理不易擴(kuò)展，因此試樣壓硬性增強(qiáng)，強(qiáng)度不斷提高。同時節(jié)理存在降低黃土試樣強(qiáng)度，試樣主應(yīng)力差隨節(jié)理傾角增大呈先減小后增大趨勢(圖 8b)，同一圍壓下不同節(jié)理傾角試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性變形段基本重合，說明節(jié)理傾角對試樣彈性模量影響較小，但屈服及強(qiáng)化階段具有差別， 45°、60°、75°傾角節(jié)理試樣越早進(jìn)入屈服階段，但強(qiáng)化階段曲線越靠下，強(qiáng)度越低，并且節(jié)理角度變化對試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征影響隨圍壓越大而減弱。

圖 8 不同圍壓下試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 8 Stress-strain curves of samples under different confining pressure a. 不同圍壓； b. 不同節(jié)理傾角

圖 9 試樣峰值強(qiáng)度隨節(jié)理傾角變化Fig. 9 Variation of peak strength of samples with joints angle a. 峰值強(qiáng)度變化; b. 峰值強(qiáng)度劣化程度

綜上所述，節(jié)理存在劣化試樣抗變形能力，節(jié)理角度越接近試樣剪切破裂角，試樣剪切破壞位移越小，試樣剪切破壞提前，破壞時塑性變形量越小，試樣越容易破壞。

2.3 強(qiáng)度特性

節(jié)理對試樣峰值強(qiáng)度影響如圖 9所示，可見試樣峰值強(qiáng)度隨節(jié)理傾角增大呈先減小后增大趨勢(圖 9a)，兩者關(guān)系呈“V”形變化。定義峰值強(qiáng)度劣化系數(shù)為節(jié)理試樣與不含節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度差與不含節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度之比，用以表征節(jié)理對試樣強(qiáng)度影響，由圖 9b可見節(jié)理存在顯著降低試樣峰值強(qiáng)度，強(qiáng)度降低為8.4%～41.1%之間。60°節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度最低，為不含節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度的58.9%，峰值強(qiáng)度劣化程度最大，這與試樣破壞模式有關(guān)。由三軸壓縮試樣獲得黃土試樣內(nèi)摩擦角為30°，因此試樣剪切破裂面角度為60°。節(jié)理角度60°與黃土試樣剪切破裂角相同，節(jié)理受壓后尖端萌生的次生裂紋越容易與剪切破裂面擴(kuò)展貫通，試樣越易剪切破壞，峰值強(qiáng)度越小。當(dāng)節(jié)理傾角小于60°時，試樣峰值強(qiáng)度隨節(jié)理傾角增大而降低，這是由于試樣節(jié)理傾角越接近剪切破裂角，節(jié)理面的有效剪應(yīng)力越大，節(jié)理尖端的次生共面裂紋不斷萌生擴(kuò)展，試樣越易沿節(jié)理面產(chǎn)生剪切破壞，破壞模式由節(jié)理面與破裂面斜交型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)理面與破裂面貫通型，試樣更易破壞，峰值強(qiáng)度不斷降低。當(dāng)節(jié)理傾角大于60°時，試樣峰值強(qiáng)度隨節(jié)理傾角增大而增大，這是由于節(jié)理傾角與剪切破裂角差值增大，節(jié)理面上有效剪應(yīng)力逐漸減小，節(jié)理尖端的剪切裂紋逐漸減少，張拉裂紋不斷萌生擴(kuò)展，試樣越不易沿節(jié)理面剪切破壞，試樣破壞模式由節(jié)理面與破裂面貫通型向節(jié)理面與破裂面斜交型過渡，試樣破壞難度增大，峰值強(qiáng)度不斷提高。

圖10為試樣殘余強(qiáng)度隨節(jié)理傾角變化關(guān)系，可見殘余強(qiáng)度隨節(jié)理傾角增大整體上呈先減小后增大趨勢(圖 10a)，由殘余強(qiáng)度劣化系數(shù)變化可見界面存在顯著降低試樣殘余強(qiáng)度(圖 10b)， 0°、90°傾角節(jié)理試樣殘余強(qiáng)度相差不大，較不含節(jié)理試樣殘余強(qiáng)度降低10%。30°、45°、60°、75°傾角節(jié)理試樣殘余強(qiáng)度相差不大，較不含節(jié)理試樣殘余強(qiáng)度降低34%，這是由于該傾角范圍內(nèi)節(jié)理試樣剪切破壞模式均為節(jié)理貫通型，殘余強(qiáng)度為試樣沿剪切破裂面間摩擦強(qiáng)度，因此殘余強(qiáng)度相差不大，但與含節(jié)理試樣相比，節(jié)理試樣剪切破裂面一部分為預(yù)制節(jié)理面，預(yù)制界面間的摩擦阻力小，因此剪切破裂面間的摩擦強(qiáng)度小，殘余強(qiáng)度低。整體可見沿節(jié)理面貫通剪切破壞試樣的殘余強(qiáng)度較節(jié)理面與剪切破裂面斜交破壞試樣的殘余強(qiáng)度低。

圖 10 試樣殘余強(qiáng)度隨節(jié)理傾角變化Fig. 10 Variation of residual strength of samples with joints angle a. 殘余強(qiáng)度變化； b. 殘余強(qiáng)度劣化程度

圖 11 試樣抗剪強(qiáng)度與節(jié)理傾角、圍壓變化關(guān)系Fig. 11 Variation of shear strength with joints angle and confining pressure

綜上所述，節(jié)理試樣強(qiáng)度隨節(jié)理傾角及圍壓變化，為分析其變化敏感性，繪制試樣抗剪強(qiáng)度隨節(jié)理傾角、圍壓空間變化圖(圖 11)，可見其空間展布近似呈“V”型面。其中試樣強(qiáng)度均隨節(jié)理傾角增大近似呈“V”形變化，表明節(jié)理傾角對試樣強(qiáng)度影響存在極值，該角度與黃土試樣剪切破裂角有關(guān)，與圍壓無關(guān)。隨圍壓增大，試樣強(qiáng)度不斷增大，但強(qiáng)度隨節(jié)理傾角變化的“V”型開口逐漸變大，表明隨圍壓增大節(jié)理角度對試樣強(qiáng)度影響幅度逐漸降低，這是由于圍壓增大，試樣壓硬性越強(qiáng)，因此節(jié)理傾角變化對試樣強(qiáng)度影響幅度降低。

繪制節(jié)理試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化如圖 12所示，可見其隨節(jié)理傾角增大均呈“V”字形變化，試樣黏聚力隨節(jié)理角度增大呈先減小后增大趨勢(圖 12a)，與峰值強(qiáng)度變化規(guī)律相同， 0°傾角節(jié)理試樣黏聚力最大， 60°傾角節(jié)理試樣黏聚力最小。試樣內(nèi)摩擦角隨節(jié)理傾角變化幅度不大(圖 12b)，在4°范圍內(nèi)波動。由上可見節(jié)理存在對黃土試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具有明顯劣化作用，這是由于節(jié)理裂隙作為宏觀界面，降低了界面兩側(cè)土體間黏聚強(qiáng)度與剪切破壞后界面間的摩擦強(qiáng)度，且節(jié)理傾角越接近試樣剪切破裂角，剪切破裂面越易沿節(jié)理面貫通，因此節(jié)理試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)整體降低，并且節(jié)理傾角越接近60°，試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)劣化程度越大。

圖 12 試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化Fig. 12 Variation of shear strength index a. 黏聚力與節(jié)理傾角關(guān)系； b. 內(nèi)摩擦角與節(jié)理傾角關(guān)系

3 結(jié) 論

本文通過開展含預(yù)制節(jié)理試樣單軸與三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，揭示了非貫通節(jié)理劣化擴(kuò)展過程及貫通模式，探討了節(jié)理傾角對黃土強(qiáng)度與變形特性影響規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1)節(jié)理試樣破壞模式為典型壓剪破壞，節(jié)理存在對剪切破裂面擴(kuò)展具有引導(dǎo)作用。節(jié)理面受壓后尖端翼裂紋和次生裂紋不斷萌生擴(kuò)展，加速試樣剪切破壞過程，節(jié)理傾角與試樣剪切破裂角越接近，試樣越易沿節(jié)理面剪切破壞。

(2)單軸壓縮下節(jié)理試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變軟化型，節(jié)理存在弱化應(yīng)變軟化特征。預(yù)制節(jié)理對試樣彈性模量影響不大，但降低試樣屈服階段變形模量，減小試樣剪切破壞位移，加速試樣剪切破壞。

(3)節(jié)理存在顯著降低試樣強(qiáng)度，峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均隨節(jié)理傾角呈先減小后增大變化趨勢。節(jié)理傾角對試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)劣化明顯，黏聚力隨節(jié)理傾角變化較為敏感，呈“V”形變化趨勢。

(4)非貫通節(jié)理傾角與試樣剪切破裂角越接近，節(jié)理受壓后越易劣化擴(kuò)展形成剪切面，節(jié)理傾角60°左右試樣強(qiáng)度性質(zhì)劣化最顯著。實(shí)際黃土節(jié)理傾角角度較大，節(jié)理對黃土力學(xué)特性影響不可忽略。