劉禹陽(yáng)，王 耕，來(lái)弘鵬，謝門(mén)東，安 馳

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 研究背景

黃土中含有豐富的易溶膠結(jié)物質(zhì)和吸水膨脹礦物成分，其物理力學(xué)性能受水環(huán)境的影響顯著。干濕循環(huán)條件下，黃土的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生明顯劣化，對(duì)實(shí)際工程建設(shè)將產(chǎn)生不利影響，如干濕循環(huán)劣化可能引起黃土邊坡滑坡事故［1-2］。黃土具有顯著的結(jié)構(gòu)性［3］，其宏觀物理性能與微觀結(jié)構(gòu)特征有著密切聯(lián)系，黃土微觀顆粒排列特征的改變會(huì)對(duì)宏觀力學(xué)性能造成重大影響。所以，全面了解黃土劣化過(guò)程中宏觀力學(xué)性能的演化規(guī)律和機(jī)理，需對(duì)目標(biāo)黃土開(kāi)展多尺度研究，既要對(duì)黃土宏觀尺度下力學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行研究，也要對(duì)微觀尺度下黃土顆粒聯(lián)結(jié)和排列的變化機(jī)理進(jìn)行分析，同時(shí)，黃土宏-微觀現(xiàn)象跨尺度聯(lián)合分析與黃土宏-微觀典型參數(shù)的關(guān)系研究也十分必要。

近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)黃土微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的關(guān)系進(jìn)行了很多研究。葉萬(wàn)軍等［4-5］通過(guò)CT 掃描試驗(yàn)分析了干濕循環(huán)過(guò)程中重塑黃土裂隙的演化規(guī)律及發(fā)育機(jī)理，并以此對(duì)重塑黃土宏觀力學(xué)性能衰減和黃土邊坡剝落的原因進(jìn)行了解釋?zhuān)惶飼煹龋?］通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)過(guò)程中重塑新黃土微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律；許健等［7］通過(guò)三軸滲透試驗(yàn)對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程中新黃土的滲透系數(shù)進(jìn)行了分析，利用CT 掃描試驗(yàn)揭示了滲透系數(shù)演化規(guī)律的細(xì)觀機(jī)制；潘振興等［8］通過(guò)液塑限測(cè)定、直剪試驗(yàn)以及核磁共振等手段分析了干濕循環(huán)過(guò)程中多種宏觀和微觀參數(shù)的演化規(guī)律；袁志輝等［9-10］通過(guò)三軸試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行了定性分析；郝延周等［11］發(fā)現(xiàn)黃土的抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)和干濕循環(huán)幅度均存在非單調(diào)關(guān)系，并基于干濕循環(huán)過(guò)程中黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化機(jī)理予以解釋?zhuān)x了臨界干濕次數(shù)和最不利干濕循環(huán)幅度；王飛等［12］對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程中壓實(shí)黃土濕陷性演化規(guī)律進(jìn)行了研究并從微觀尺度對(duì)其進(jìn)行了解釋?zhuān)缓L(zhǎng)明等［13］通過(guò)三軸試驗(yàn)得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的強(qiáng)度參數(shù)，利用掃描電鏡圖像對(duì)強(qiáng)度劣化機(jī)制進(jìn)行了定性分析；李麗等［14］從微觀尺度解釋了鹽分遷移對(duì)黃土強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理；劉博詩(shī)等［15］對(duì)不同固結(jié)度下人工濕陷性黃土的物理和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)分析了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響；王鐵行等［16］通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)獲得了不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)圖像，并從微觀尺度對(duì)黃土動(dòng)強(qiáng)度劣化機(jī)制進(jìn)行了解釋。

可以看出，關(guān)于黃土宏觀與微觀尺度間的聯(lián)系研究已經(jīng)取得了豐厚的成果，但相關(guān)研究主要集中在黃土微觀結(jié)構(gòu)的演化機(jī)理和黃土宏-微觀關(guān)系的定性分析方面，黃土宏觀和微觀典型參數(shù)定量分析需要作更深入地研究。同時(shí)，黃土干濕循環(huán)方面的研究多集中于地表新黃土或重塑黃土，而Q2原狀黃土同樣可能受到干濕循環(huán)作用影響，例如在地下水位升降和季節(jié)性降雨的影響下，黃土塬區(qū)隧道底部黃土圍巖以及低等級(jí)公路的深路塹黃土邊坡均處于干濕循環(huán)環(huán)境之中，加之地下Q2黃土的干濕賦存環(huán)境，如溫度、下限含水率和含水率循環(huán)幅度等，與地表黃土差異較大，不同干濕循環(huán)條件勢(shì)必產(chǎn)生不同的干濕劣化效應(yīng)，Q2原狀黃土宏-微觀干濕劣化效應(yīng)研究也有待開(kāi)展。

本文以Q2原狀老黃土為研究對(duì)象，通過(guò)三軸試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)獲取干濕循環(huán)過(guò)程中原狀黃土的宏觀和微觀土性參數(shù)，分析干濕循環(huán)過(guò)程中宏-微觀土性參數(shù)的變化規(guī)律，明確不同干濕循環(huán)條件對(duì)宏微觀土性參數(shù)的影響差異，最后利用宏觀力學(xué)參數(shù)定義了原狀黃土可變性參數(shù)，同時(shí)推導(dǎo)了用于描述黃土微觀結(jié)構(gòu)特征的孔隙特征參數(shù)，以二者作為橋梁對(duì)原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)土體為Q2原狀黃土，取自甘肅省慶陽(yáng)市寧縣上閣村隧道掌子面，取土點(diǎn)埋深約68 m。該類(lèi)黃土分布于黃土塬表層上更新統(tǒng)地層下部，呈棕黃色，土質(zhì)均勻且較為致密。原狀黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 Q2原狀黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案本次研究首先將Q2原狀黃土削制為39.1 mm × 80 mm 的三軸試樣，之后對(duì)其進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，在達(dá)到規(guī)定干濕循環(huán)次數(shù)后，開(kāi)展三軸壓縮及掃描電鏡試驗(yàn)，獲得不同干濕循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的宏觀力學(xué)參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（1）干濕循環(huán)試驗(yàn)。根據(jù)隧道地勘資料，相近埋深黃土的天然含水率總體在17% ～19%之間，飽和含水率為26%，為方便分析和區(qū)別循環(huán)參數(shù)的影響，試驗(yàn)將18%和26%定為關(guān)鍵含水率，以干濕循環(huán)幅度和下限含水率為劃分標(biāo)準(zhǔn)，三種干濕循環(huán)工況設(shè)置為：工況1 為含水率10% ～18%循環(huán)、工況2 為含水率10% ～26%循環(huán)、工況3 為含水率18% ～26%循環(huán)，其中，工況1 與工況2 下限含水率相同循環(huán)幅度不同，工況1 與工況3 循環(huán)幅度相同下限含水率不同。工況3 可以反映試驗(yàn)黃土在天然條件下的性能劣化情況，分別對(duì)比工況1 與工況2、工況1 與工況3 試驗(yàn)結(jié)果，可得到不同循環(huán)幅度和不同下限含水率對(duì)黃土劣化規(guī)律的影響。

取樣點(diǎn)為隧道洞周黃土2 m 深處，地層溫度在17 ～20 ℃之間，試件干燥過(guò)程中烘箱溫度設(shè)定為20 ℃。由于黃土試樣干密度已知，在確定目標(biāo)含水率后，可換算得到相對(duì)應(yīng)的試樣目標(biāo)質(zhì)量，烘干過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)試樣質(zhì)量變化，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)含水率的控制。在眾多黃土干濕循環(huán)研究中［3-14］，黃土的干濕循環(huán)次數(shù)為3 ～12 次不等，黃土的劣化程度與干濕循環(huán)次數(shù)正相關(guān)。對(duì)于Q2原狀黃土，其顆粒排列緊密，對(duì)干濕循環(huán)作用的抵抗能力較強(qiáng)，因此，為了使試驗(yàn)土體在干濕循環(huán)過(guò)程中充分劣化，本試驗(yàn)分別對(duì)3 種工況下的原狀黃土試樣進(jìn)行12 次干濕循環(huán)，并在第1、3、6、9、12 次循環(huán)后進(jìn)行三軸壓縮和掃描電鏡試驗(yàn)。

（2）三軸剪切試驗(yàn)。研究通過(guò)GDS 靜態(tài)三軸儀進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019），剪切速率設(shè)為0.08 mm/min。分別對(duì)不同工況和干濕循環(huán)次數(shù)下的原狀黃土試樣重復(fù)進(jìn)行3次剪切試驗(yàn)，用以確定不同循環(huán)條件下黃土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角，測(cè)試含水率為各工況的干濕循環(huán)下限含水率，即工況1和工況2為10%，工況3為18%。受開(kāi)挖卸荷作用影響，深埋黃土隧道圍巖壓力一般在100 ～500 kPa左右，本次試驗(yàn)圍壓σ3分別取100、200、300 kPa。

（3）掃描電鏡試驗(yàn)。采用JSM-6460LV 型低高真空數(shù)字化電子顯微鏡進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，基于不同工況和干濕循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的微觀圖像，直觀觀測(cè)土顆粒與孔隙的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，定性分析黃土微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，通過(guò)ipp 軟件進(jìn)行圖像處理定量獲取黃土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。為確保清晰觀測(cè)到黃土顆粒和孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中微觀圖像的放大倍數(shù)取為1000 倍?？紫睹娣e比F為孔隙總面積AV和圖像總面積A0的比值，用于衡量黃土中的孔隙含量，孔隙面積比越大則孔隙含量越高；孔隙分形維數(shù)D可以反映黃土中孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大則孔隙分布越復(fù)雜，孔隙集中度越高，計(jì)算公式見(jiàn)下。

式中：F為孔隙面積比；D為孔隙分形維數(shù)；AV為孔隙總面積；A0為圖像總面積；L為孔隙等效周長(zhǎng)；A為單個(gè)孔隙面積；C為常數(shù)。AV、A0、L和A可由圖像處理直接得到。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）宏觀和微觀土性參數(shù)定量分析。不同干濕循環(huán)工況下原狀黃土峰值偏應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線(xiàn)如圖1 所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土試樣的峰值偏應(yīng)力持續(xù)降低，同一工況不同圍壓下，峰值偏應(yīng)力變化曲線(xiàn)整體相似（圖1（a））。工況2 條件下，原狀黃土峰值偏應(yīng)力衰減量最大且速度最快，特別是循環(huán)3 次后，工況2 峰值偏應(yīng)力衰減量遠(yuǎn)大于其他工況，工況3 和工況1 條件下黃土峰值偏應(yīng)力變化量除第3 次循環(huán)時(shí)偏差較大外，其他循環(huán)整體變化量較為接近（圖1（b））。

圖1 原狀黃土峰值偏應(yīng)力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

不同工況原狀黃土宏觀力學(xué)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)如圖2 所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，3 種工況下原狀黃土試樣的黏聚力均持續(xù)降低，工況2 條件下黏聚力衰減最快且衰減值最大，12次循環(huán)后降低48.9 kPa，衰減率達(dá)到27.9%，工況3 黏聚力衰減速度與衰減值低于工況2，12 次循環(huán)后降低24.6 kPa，衰減率22.0%，工況1 黏聚力衰減最慢且衰減值最小，降低22.4 kPa，衰減率12.1%（圖2（a））。干濕循環(huán)過(guò)程中，3 種工況下原狀黃土內(nèi)摩擦角變化幅度始終較小，工況2 條件下變化幅度最大但仍?xún)H有1°（圖2（b））。

圖2 原狀黃土宏觀力學(xué)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

圖3 為不同工況黃土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線(xiàn)。如圖所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各工況孔隙面積比基本呈線(xiàn)性顯著增加，工況2 條件下孔隙面積比的增長(zhǎng)速度最快且量值最大，量值增加0.14，工況3次之，量值增加0.08，工況1增長(zhǎng)最慢且最小，增加0.03（圖3（a））；12次干濕循環(huán)過(guò)程中，3種工況下原狀黃土的孔隙分形維數(shù)均呈非單調(diào)緩慢增大，但整體變化不大，工況2 條件下黃土孔隙分形維數(shù)增長(zhǎng)速度最快，增加0.15，工況3 次之，增加0.06，工況1 最慢，增加0.04（圖3（b））。

圖3 原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

綜上所述，3 種干濕循環(huán)工況對(duì)原狀黃土的劣化影響效果明顯不同且存在較為相同的規(guī)律。工況2 的干濕循環(huán)條件下，原狀黃土試樣劣化效果最顯著，宏觀強(qiáng)度參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化速度最快（圖2（a）、圖3（a）（b）），工況3 整體次之，工況1 整體最小。對(duì)比3 種工況發(fā)現(xiàn)，工況1 和工況2 的下限含水率相同，但工況2 的干濕循環(huán)幅度更大；工況1 和工況3 的干濕循環(huán)幅度相同，但工況3 的下限含水率更高。因此，干濕循環(huán)幅度越大，下限含水率越高，則干濕循環(huán)對(duì)黃土的劣化影響越顯著，黃土內(nèi)部孔隙含量和集中度的增長(zhǎng)速度越快，黏聚力和抗剪強(qiáng)度的衰減速度也越快。另外，工況3 的測(cè)試含水率遠(yuǎn)大于工況1 和工況2，較高的含水率使得黃土顆粒間的原始黏聚力和固化黏聚力降低，滑動(dòng)摩擦與咬合摩擦變?nèi)?。因此，從量值上?lái)看，工況3 中原狀黃土的峰值偏應(yīng)力、黏聚力和內(nèi)摩擦角均小于另外兩種工況（圖1（a）、圖2（a）（b））。

（2）電鏡圖像定性分析。利用微觀圖像直接觀測(cè)黃土顆粒和孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)不同循環(huán)條件下的黃土微觀結(jié)構(gòu)變化特征進(jìn)行定性分析，限于篇幅，僅展示工況2 中第1 次和第12 次干濕循環(huán)后黃土試樣微觀結(jié)構(gòu)圖像，如圖4 所示。1 次干濕循環(huán)條件下，黃土結(jié)構(gòu)較為緊密，土顆粒間以嵌固排列和面接觸為主，孔隙含量相對(duì)較低，如圖4（a）。12 次干濕循環(huán)后，黃土微觀結(jié)構(gòu)逐漸松散，大量中、大孔隙存在，黃土結(jié)構(gòu)較為薄弱位置有孔隙貫通形成微觀裂隙，孔隙發(fā)育處黃土顆粒間的連接方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧芸张帕泻忘c(diǎn)接觸，如圖4（b）。究其原因?yàn)楦蓾裱h(huán)過(guò)程中，黃土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)反復(fù)溶解遷移，使得顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度持續(xù)降低，部分礦物在干濕循環(huán)過(guò)程中不斷膨脹或收縮，導(dǎo)致顆粒間的聯(lián)結(jié)作用在不均勻的拉應(yīng)力下發(fā)生破壞，顆粒較大的集粒逐漸破碎，土顆粒間趨向于離散。

圖4 工況2 干濕循環(huán)中原狀黃土微觀圖像

由上述宏微觀結(jié)果分析可知，干濕循環(huán)過(guò)程中，原狀黃土表現(xiàn)出了明顯的劣化特征，土顆粒間穩(wěn)定的面接觸和嵌固排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的點(diǎn)接觸和架空排列（圖4（a）（b）），黃土結(jié)構(gòu)變得松散。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土孔隙結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)育，孔隙含量不斷增長(zhǎng)（圖3（a）），同時(shí)由于原狀黃土內(nèi)部孔隙分布不均勻［17］，孔隙的擴(kuò)張過(guò)程主要集中在孔隙較多的脆弱部位，因此孔隙的集中度也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖3（b））。隨著黃土孔隙結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)張，黃土顆粒間的距離逐漸增大，使得顆粒間的吸引力不斷降低，與此同時(shí)，黃土中普遍存在的膠結(jié)物質(zhì)在干濕循環(huán)作用下反復(fù)溶解遷移，使得顆粒間的膠結(jié)力持續(xù)衰減，導(dǎo)致黃土黏聚力在干濕循環(huán)過(guò)程中不斷減小（圖2（a））。然而，黃土顆粒間的咬合摩擦作用受干濕循環(huán)影響并不顯著，黃土內(nèi)摩擦角變化幅度較小（圖2（b））。原狀黃土峰值偏應(yīng)力反映黃土抗剪強(qiáng)度，受黏聚力和內(nèi)摩擦角影響，呈現(xiàn)出持續(xù)減小的變化規(guī)律（圖1（a））。

3 原狀黃土宏-微觀參數(shù)關(guān)系研究

大量研究表明，土體微觀結(jié)構(gòu)特征的改變會(huì)對(duì)宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響，二者之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。為定量研究原狀黃土宏觀和微觀參數(shù)間的數(shù)量關(guān)系，分別定義黃土可變性參數(shù)和孔隙特征參數(shù)表達(dá)式，將二者作為橋梁用以研究原狀老黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。

3.1 基于宏觀力學(xué)參數(shù)的原狀黃土可變性參數(shù)

3.1.1 原狀老黃土可變性參數(shù)表達(dá)式 綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想首先由謝定義等［18］提出，眾多專(zhuān)家學(xué)者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入的研究并取得了豐碩的成果。綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想認(rèn)為土體的結(jié)構(gòu)性是聯(lián)結(jié)和排列兩方面的綜合反映，結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)特征和排列特征分別稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可穩(wěn)性和可變性。結(jié)構(gòu)性參數(shù)定義為m1與m2的比值［19］，其中m1反映土體的可變性，m1越大則可變性越大，m2反映土體的可穩(wěn)性，m2越小則可穩(wěn)性越大，即土體結(jié)構(gòu)性的大小由可變性與可穩(wěn)性的乘積決定。黃土的結(jié)構(gòu)性與其宏觀力學(xué)性能有著密切聯(lián)系［17］，原狀黃土在壓剪作用下的抗力構(gòu)成主要表現(xiàn)為膠結(jié)產(chǎn)生的抗力、水膜吸力作用產(chǎn)生的抗力以及嵌固摩擦作用產(chǎn)生的抗力三部分，而黃土可變性和可穩(wěn)性的喪失會(huì)分別使三者所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)勢(shì)釋放，導(dǎo)致黃土抗剪強(qiáng)度衰減，即可以認(rèn)為黃土的抗剪強(qiáng)度源于黃土的結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，則在結(jié)構(gòu)破壞前黃土的抗剪強(qiáng)度就越強(qiáng)。

基于以上觀點(diǎn)，本文將原狀黃土的可穩(wěn)性和可變性視為黃土宏觀抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)者，二者的乘積決定了原狀黃土抗剪強(qiáng)度的大小，可變性越大，則黃土抗剪強(qiáng)度中可變性的貢獻(xiàn)比例就越大，可穩(wěn)性亦然。將黃土抗剪強(qiáng)度與可穩(wěn)性的比值定義為黃土可變性參數(shù)m，用以反映黃土的可變性，m越大則可變性越大，反之則越小。對(duì)于原狀黃土抗剪強(qiáng)度，本文用三軸試驗(yàn)下原狀黃土試樣的峰值偏應(yīng)力q表示；對(duì)于黃土的可穩(wěn)性，其來(lái)源于所有土粒間的結(jié)合力［20］，在宏觀尺度下即為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的綜合反映，與c+tanφ成正比，由于干濕循環(huán)過(guò)程中黃土內(nèi)摩擦角φ變化幅度很?。▓D2（b）），因此本文用黏聚力c表示原狀黃土的可穩(wěn)性。則原狀黃土的可變性參數(shù)m可由式（3）表示：

式中：q為原狀黃土峰值偏應(yīng)力；c為原狀黃土的黏聚力。

3.1.2 干濕循環(huán)條件下原狀黃土可變性參數(shù)變化規(guī)律 利用試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算各工況下原狀黃土可變性參數(shù)m，σ3=100 kPa時(shí)可變性參數(shù)變化曲線(xiàn)如圖5 所示。由圖可知，在干濕循環(huán)過(guò)程中，原狀黃土可變性參數(shù)m總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，工況2 條件下m的增長(zhǎng)速度最快，工況3 次之，工況1 最慢?？梢钥闯觯瑢?duì)于原狀老黃土而言，干濕循環(huán)作用會(huì)增大可變性對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比例；干濕循環(huán)作用的影響能力越強(qiáng)，則干濕循環(huán)對(duì)黃土可變性的增大效果越顯著；土體可變性大小取決于結(jié)構(gòu)破壞時(shí)所造成的宏觀強(qiáng)度損失量［21］，即為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的承載能力，受測(cè)試含水率影響顯著，雖然工況3條件下黃土可變性的增長(zhǎng)速度快于工況1，但由于其測(cè)試含水率遠(yuǎn)大于另外兩種工況，因此工況3條件下土體可變性對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比例最低。另外，在3種工況下，原狀黃土可變性參數(shù)的變化規(guī)律均表現(xiàn)出了非單調(diào)性，這是由于黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞和新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生所導(dǎo)致的。

圖5 可變性參數(shù)的變化曲線(xiàn)

3.2 原狀黃土可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)關(guān)系研究

3.2.1 原狀老黃土孔隙特征參數(shù) 黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力受孔隙含量及分布情況影響顯著［22］，孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度越高，則黃土顆粒排列越松散，架空排列結(jié)構(gòu)越多，結(jié)構(gòu)承載能力越弱。而對(duì)于黃土的可變性，其反映的是黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承載能力。因此可以看出，原狀黃土的可變性與孔隙結(jié)構(gòu)特征是存在聯(lián)系的。

在黃土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)中，孔隙面積比F可用于衡量黃土中的孔隙含量，孔隙分形維數(shù)D可以反映黃土中孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，本次研究將孔隙面積比F與孔隙分形維數(shù)D的乘積F·D定義為孔隙特征參數(shù)K，孔隙特征參數(shù)K越大，則表示黃土微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育程度越高，顆粒的排列結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，如下式所示。

利用試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算不同工況下的孔隙特征參數(shù)K，繪制曲線(xiàn)如圖6 所示，在干濕循環(huán)過(guò)程中，原狀黃土的孔隙特征參數(shù)在3 種工況下均單調(diào)增長(zhǎng)，其中工況2 條件下孔隙特征參數(shù)增長(zhǎng)速率最快，工況3 次之，工況1 最慢?？梢钥闯觯瑢?duì)于原狀老黃土而言，干濕循環(huán)影響能力和干濕循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)均會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低。同時(shí)，3 種工況下孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律和大小關(guān)系與黃土孔隙含量（圖3（a））一致，說(shuō)明孔隙特征參數(shù)K可以正確反映黃土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖6 孔隙特征參數(shù)的變化曲線(xiàn)

3.2.2 原狀黃土可變性參數(shù)隨孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律 為研究原狀黃土可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律，繪制3 種工況下黃土可變性參數(shù)m與孔隙特征參數(shù)K的關(guān)系圖像如圖7 所示，隨原狀黃土孔隙特征參數(shù)的增大，3 種工況下黃土可變性參數(shù)的變化規(guī)律均表現(xiàn)出了非單調(diào)性，可變性參數(shù)總體而言均有所增長(zhǎng)，二者的變化規(guī)律與三角函數(shù)接近?？梢钥闯?，對(duì)于原狀老黃土而言，黃土內(nèi)部孔隙含量和分布情況的改變會(huì)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生重大影響，進(jìn)而導(dǎo)致黃土可變性產(chǎn)生變化。但是，黃土可變性參數(shù)隨孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律是非單調(diào)的，即孔隙特征參數(shù)并非是決定黃土可變性的唯一因素。

圖7 原狀老黃土可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)的關(guān)系圖像

3.3 原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系黃土的可變性參數(shù)由峰值偏應(yīng)力q與黏聚力c的比值得到，孔隙特征參數(shù)由孔隙面積比F和孔隙分形維數(shù)D的乘積得到，上文定性分析了原狀黃土可變性參數(shù)隨孔隙特征參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者間存在聯(lián)系，即表明上述4 個(gè)宏觀和微觀參數(shù)間存在聯(lián)系。但是，可變性參數(shù)與孔隙特征參數(shù)的變化曲線(xiàn)比較復(fù)雜，想要以此定量描述黃土宏觀和微觀參數(shù)間的關(guān)系是很困難的。為研究原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以黃土黏聚力c作為橫坐標(biāo)，峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)的比值q/K作為縱坐標(biāo)，繪制二者的變化曲線(xiàn)如圖8 所示。

圖8 原狀老黃土峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)的比值和黏聚力的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖可知，隨著黃土黏聚力的增大，3 種工況下峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)的比值均單調(diào)增加，且二者的變化規(guī)律均服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合曲線(xiàn)如圖8 所示，由此得到原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系如式（5）所示：

式中B1、B2為擬合參量。

可以看出，在3 種工況中，式（5）均取得了良好擬合效果，擬合度均大于0.9，且圖形較為簡(jiǎn)單，僅含有兩個(gè)擬合參量，易于描述黃土各項(xiàng)宏觀和微觀參數(shù)間的數(shù)量關(guān)系。為研究式（5）的物理意義，參考原狀黃土可變性參數(shù)m，將原狀黃土抗剪強(qiáng)度視為黏聚力和孔隙特征參數(shù)的貢獻(xiàn)量之和，用q/K來(lái)衡量黏聚力c對(duì)原狀黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比例。隨著原狀黃土黏聚力的增加，一方面，顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度增大，黃土可穩(wěn)性對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增加；另一方面，黏聚力的增大使顆粒排列結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力增強(qiáng)，可變性對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增加，兩方面共同作用下，黏聚力的貢獻(xiàn)量在黃土抗剪強(qiáng)度中的占比呈指數(shù)增長(zhǎng)。

為驗(yàn)證上述黃土宏-微觀參數(shù)函數(shù)關(guān)系式的合理性，利用Jian Xu 等［23］的原狀黃土試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)中試驗(yàn)土體為Q3原狀黃土，干濕循環(huán)下限含水率為小于1%的絕對(duì)干燥條件，干濕循環(huán)上限含水率和三軸試驗(yàn)測(cè)試含水率均為20%，文中以試樣不同初始含鹽量將干濕循環(huán)工況劃分為4 種，初始含鹽量分別為0.0%、0.5%、1.0%和1.5%。文獻(xiàn)中相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及孔隙特征參數(shù)K和峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)比值q/K計(jì)算結(jié)果如表2所示，峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)的比值q/K和黏聚力c的擬合曲線(xiàn)如圖9 所示。由圖可知，文獻(xiàn)4 種工況下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均服從式（5）分布，擬合度均大于0.9，說(shuō)明利用式（5）來(lái)分析解釋黃土宏觀和微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系是較為合理的。

圖9 4 種工況下原狀黃土峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)的比值和黏聚力的關(guān)系曲線(xiàn)

表2 不同循環(huán)工況下原狀黃土試驗(yàn)數(shù)據(jù)［23］及計(jì)算結(jié)果

4 討論

由上文可知，隨著原狀黃土內(nèi)部孔隙含量和集中度的增大，黃土可變性參數(shù)m呈現(xiàn)出非單調(diào)變化規(guī)律（圖7）。現(xiàn)對(duì)干濕循環(huán)過(guò)程中黃土可變性的變化機(jī)理作進(jìn)一步討論。

黃土的可變性是黃土內(nèi)部不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)承載能力的反映，在結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞時(shí)，其本身可以承受部分荷載，增強(qiáng)黃土的抗剪強(qiáng)度，而在結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后，其承載能力將會(huì)喪失，導(dǎo)致黃土強(qiáng)度降低。黃土可變性的大小并不僅僅取決于孔隙特征參數(shù)，同時(shí)與黃土的黏聚力也有著密切聯(lián)系。在干濕循環(huán)過(guò)程中，原狀黃土孔隙特征參數(shù)和黏聚力的變化規(guī)律示意圖如圖10 所示，黃土的孔隙含量隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增大（圖3（a）），且孔隙集中度增加（圖3（b）），而黃土的黏聚力卻隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減?。▓D2（a））。當(dāng)黃土中的孔隙發(fā)育程度很低時(shí)，土顆粒間以面接觸和嵌固排列為主，內(nèi)部架空結(jié)構(gòu)較少且均為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)由于變形空間的限制而難以發(fā)生破壞。所以，即使黃土黏聚力較大，結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)，黃土的可變性實(shí)際上并不大；而當(dāng)黃土中的孔隙發(fā)育程度很高時(shí)，土顆粒間存在大量點(diǎn)接觸和架空排列，結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生破壞，但由于黃土黏聚力低，顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度弱，故結(jié)構(gòu)的承載力不高，黃土可變性也不大。可以看出，在黏聚力和孔隙發(fā)育程度處于極大或者極小的情況下，黃土的可變性均不大，反而是在黏聚力和孔隙發(fā)育程度均處于大小適中的狀態(tài)時(shí)，黃土內(nèi)既存在充足的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，顆粒間也有足以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載的聯(lián)結(jié)力，黃土的可變性也較大。

圖10 黃土黏聚力和孔隙特征參數(shù)變化規(guī)律示意

對(duì)于結(jié)構(gòu)密實(shí)的原狀老黃土，在初始狀態(tài)下，其內(nèi)部多為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，黃土可變性較低。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土內(nèi)部的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)開(kāi)始增多，黃土可變性有所增大。之后由于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的承載力持續(xù)降低，黃土可變性又會(huì)有所減小。因此干濕循環(huán)過(guò)程中，原狀老黃土的可變性參數(shù)會(huì)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，考慮到黃土原生結(jié)構(gòu)的破壞和次生結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生過(guò)程，可變性參數(shù)的增大和減小過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)發(fā)生，其變化曲線(xiàn)的波動(dòng)現(xiàn)象（圖5）可以得到解釋。

5 結(jié)論

本文通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)不同干濕循環(huán)條件下原狀黃土的宏觀和微觀參數(shù)進(jìn)行研究，基于綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想定義了黃土可變性參數(shù)，推導(dǎo)了孔隙特征參數(shù)表達(dá)式，并通過(guò)研究二者的數(shù)量關(guān)系，構(gòu)建了原狀黃土宏-微觀參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，得到結(jié)論如下：（1）在同一工況下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土孔隙含量不斷增大，孔隙集中度增加，黏聚力逐漸降低，抗剪強(qiáng)度持續(xù)劣化，但內(nèi)摩擦角變化幅度較??；干濕循環(huán)幅度越大，下限含水率越高，干濕循環(huán)對(duì)原狀黃土的劣化影響越強(qiáng)，宏觀力學(xué)性能的衰減和孔隙結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張?jiān)娇臁＃?）干濕循環(huán)過(guò)程中，原狀黃土可變性對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比例有所增大；干濕循環(huán)幅度越大，下限含水率越高，干濕循環(huán)作用對(duì)黃土可變性的增強(qiáng)效果越顯著；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土內(nèi)部原生結(jié)構(gòu)逐漸破壞，次生結(jié)構(gòu)逐漸產(chǎn)生，黃土可變性參數(shù)的變化規(guī)律表現(xiàn)出非單調(diào)特征。（3）原狀黃土可變性受孔隙發(fā)育程度影響顯著，可變性參數(shù)m隨孔隙特征參數(shù)K非單調(diào)變化。隨孔隙特征參數(shù)K的增大，原狀黃土可變性參數(shù)m整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)變化，二者的變化規(guī)律與三角函數(shù)接近。（4）隨著原狀黃土黏聚力的增大，一方面，顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度增大，可穩(wěn)性對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增加；另一方面，顆粒排列結(jié)構(gòu)的承載力增大，可變性對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)增加，兩者共同作用下，黃土峰值偏應(yīng)力與孔隙特征參數(shù)的比值q/K隨黏聚力c的變化規(guī)律服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系。