黄土水敏性力学机制与定量分析

刘晋文; 欧骁; 张永军; 任鹏宇; 丛凯; 毕远宏; 李岩安

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501856

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :2104-2112 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501856

建筑科学

黄土水敏性力学机制与定量分析

刘晋文 ¹^,² ,
欧骁 ³ ,
张永军 ¹^,² ,
任鹏宇 ³ ,
丛凯 ¹^,² ,
毕远宏 ¹^,² ,
李岩安 ³

作者信息 +

Mechanical Mechanism and Quantitative Analysis of Water Sensitivity of Loess

LIU Jin-wen ¹^,² ,
OU Xiao ³ ,
ZHANG Yong-jun ¹^,² ,
REN Peng-yu ³ ,
CONG Kai ¹^,² ,
BI Yuan-hong ¹^,² ,
LI Yan-an ³

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摘要

黄土的水敏性是指黄土在增湿作用下,其物理力学性能降低的特性。黄土的水敏性是黄土地区发生水致地质灾害的重要内源性影响因素,其决定了黄土抵抗灾变的能力。以黄土的屈服应力为切入点,通过固结试验、三轴压缩试验等探究了黄土在增湿过程中屈服应力的变化规律,通过屈服应力比分析了黄土在增湿过程中的力学响应,从物理力学角度阐述了黄土水敏性的成因和力学机制。同时引入水敏性量化的概念,通过对非饱和-饱和黄土的力学性能变化分析,提出了黄土水敏性的相关量化指标,并对其影响因素与变化规律进行了探讨,推导出了水敏性黄土的摩尔-库伦强度准则经验公式,为后续相关黄土水敏性研究与黄土区地质灾害工程防治提供了依据。

Abstract

The water sensitivity of loess refers to the reduction in its physical and mechanical properties when subjected to humidification. The water sensitivity of loess is an important factor affecting the occurrence of water-induced disasters in loess area, and it also determines the resistance ability of loess geological region to disasters, which has great research value. Based on the yield stress of loess, consolidation test and triaxial compression test were used to investigate the variation of yield stress in the process of loess humidification. The mechanical response of loess in the process of humidification was analyzed by the yield stress ratio, and the causes of water sensitivity of loess were explained from the mechanical mechanism. Then, the concept of quantification of water sensitivity was introduced. Based on the changes of mechanical properties of unsaturated and saturated loess, the quantitative index of water sensitivity of relevant loess was proposed and its influencing factors and changing exchange rate were studied. Finally, the empirical formula of Moell-Coulomb strength criterion for water-sensitive loess was presented, which is convenient for the subsequent research and engineering application of water-sensitive loess.

Graphical abstract

关键词

结构性黄土 / 水敏性 / 屈服应力 / 水敏性量化

Key words

structural loess / water sensitivity / yield stress / quantification of water sensitivity

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刘晋文, 欧骁, 张永军, 任鹏宇, 丛凯, 毕远宏, 李岩安. 黄土水敏性力学机制与定量分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 2104-2112 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501856

LIU Jin-wen, OU Xiao, ZHANG Yong-jun, REN Peng-yu, CONG Kai, BI Yuan-hong, LI Yan-an. Mechanical Mechanism and Quantitative Analysis of Water Sensitivity of Loess[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 2104-2112 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501856

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在北半球干旱-半干旱气候的黄土高原地区,集中式强降雨、不合理的人工灌溉等通常会引发黄土滑坡、泥石流等自然地质灾害,这些由黄土增湿而引发的地质灾害具有范围广、突发性、难预测等特点,对分布区经济发展以及人民生命财产安全构成严重威胁与挑战^[1]。水致黄土地质灾害与黄土遇水软化的水敏性密切相关。黄土的“水敏性”是指在初始条件下具有一定稳定和力学性能的黄土,在增湿作用下发生较为明显的强度降低和变形增大的性质。工程建设中,黄土遇水增湿后会发生湿陷、软化、液化等现象,这些均为黄土对水环境变化敏感性的宏观表征。

黄土水敏性这一概念出现在21世纪初,最早是由谢定义^[1]在2001年讨论黄土力学发展趋势时提出的,从微观结构上解释了土水相互作用时黄土的物理力学性质变化的作用机理。Derbyshire等^[2]研究了不同含水率的黄土强度参数,发现了黄土的水敏性与黄土的微观结构有密切关系。胡瑞林等^[3]通过对黄土微观结构性进行力学解释,确定了高原地区黄土的微结构模型。张俊征等^[4]研究了增湿过程中原状黄土在循环荷载作用下的变形特性,发现不同增湿含水率及不同围压条件下黄土的应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型,动应变随着增湿含水率的逐渐增大而增大,动应力较小时的动应变与增湿含水率曲线呈近似线性,动应力较大时呈上凹形。李鹏等^[5]通过研究黄土的湿剪演化规律,提出了用黄土水敏性结构参数表征湿剪的水敏性,指出该特性受静-动力荷载和水荷载的共同影响。王炜等^[6]则将黄土水敏性研究重点集中于黄土的结构应力方面,提出了最大结构应力分担比概念,该参数随黄土初始含水率变化的规律可等效为黄土水敏性的变化规律。Ma等^[7]主要研究了压实黄土的水敏性与压实功、初始含水率等之间的关系,指出在含水率较低、处于亚稳定结构状态时的黄土具有较高的水敏性。

综上,目前针对黄土遇水表现出的湿陷、固结、湿剪、液化等特性,相关现象表征与力学机制探讨大多处于对单一特性的分析,缺乏对黄土水敏性综合量化评价的力学参数体系^[89-10]。作为典型的非饱和结构性黄土,其水敏性力学机制与量化评价研究已成为该领域的重要研究方向。

基于此,现以黄土的屈服应力为切入点,通过固结试验与三轴压缩试验探究黄土在增湿过程中屈服应力的水敏性特征,再通过屈服应力比分析黄土在增湿过程中的力学响应,从力学机制角度解释黄土水敏性的成因。引入水敏性量化的概念,通过对非饱和-饱和黄土的力学性能变化规律讨论与分析,提出相关黄土水敏性的量化指标。

1 试验方法

1.1 研究区黄土性质

以甘肃省境内黄土高原典型黄土边坡为研究对象,试验所用土样取自甘肃省兰州市皋兰县什川镇上泥湾村某一不稳定边坡。皋兰县什川镇地处兰州市东北部,境内地质环境条件复杂,岩土体破碎,人类工程活动强烈,生态环境脆弱,受特殊的地质环境条件影响,境内滑坡、崩塌等突发性地质灾害发育。坡脚下为上泥湾村居民区。边坡平面整体呈条形展布(图1),全区域坡体平面宽约565 m,剖面形态呈台阶状,边坡坡度45°~55°,坡向30°~55°,坡顶高程约为1 521 m,坡脚高程约为1 452 m,相对高差40~70 m,边坡坡体物质组成为上部第四系风积黄土,厚5~8 m,下部上更新统冲积黄土层,厚35~40 m。遇强降雨和灌溉时,坡脚沿接触面有地下水渗出,在局部地段形成泉点。坡顶为荒废农田,坡脚为居民建筑。边坡出露第四系黄土,整体性较好,坡顶为荒地,坡脚紧邻居民房屋,黄土裂隙发育,风化剥落严重,常有掉块发生,威胁坡脚行人及居民房屋安全。在滑坡区域的坡顶、坡脚和滑坡中部3个位置各取3个点的土样,共9个点。取原状样进行室内试验,取土深度2~4 m,该位置黄土均属于第四系风积黄土。

对各取样点的土样进行基础物理性质试验,土样的具体物理性质指标如表1所示。该土样的塑性指数为14.2,且粒径大于0.075 mm的含量超过50%,属于粉质黏土。

1.2 试验方法

以非饱和与饱和黄土为研究对象,通过试验研究其水敏性表现,通过控制不同初始含水率的方式对黄土试样进行固结试验与三轴压缩试验,分析增湿过程中黄土试样的压缩性、剪切性的水敏性力学机制。试样通过静压法制备,含水率梯度设置为10%(天然含水率)、15%、20%、25%(接近饱和含水率),试样的干密度控制为(1.61±0.02) g/cm³,与天然干密度保持一致。固结试验的加载等级为12.5、25、50、100、200、300、400、800 kPa。由于天然黄土土样的干密度较大且渗透率较低,为了更接近实际工程地质条件,三轴压缩试验采用固结不排水剪切法,围压等级设计为100、200、300 kPa,剪切过程中保持试样的周围压力与含水率不变。控制试样轴向应变以1.6 mm/min的变形速率进行压缩剪切,当轴向应变达到20%~22%时或出现明显峰值强度点时结束试验。对9个取样点黄土分别展开三轴压缩试验与固结试验,其中每个含水率进行三组试验,取三组试验的平均值作为该取样点的试验值。则三轴压缩试验与固结试验分别进行108组试验。

通过固结试验和三轴压缩试验获取黄土试样压缩曲线与应力-应变曲线,以研究黄土从非饱和增湿至饱和状态过程中变形性能与剪切性能的变化。

2 黄土水敏性分析及定量研究

2.1 黄土水敏性力学机制分析

黄土是典型的结构性土,存在着微观物理结构与化学连结的共同作用,使黄土在天然状态能具有一定维持自重的稳定性和荷载能力,在稳定状态下不发生垮塌与滑移^[11]。然而实际工程地质条件复杂多变,降雨、地表灌溉等会使土体含水率发生改变,同时导致上覆荷载与地应力发生改变^[11-13]。当含水率与围压发生变化且超过一定阈值时,黄土内部的微观结构平衡被打破,迫使黄土发生结构上的变化以达到新的平衡,形成一个新的固结状态,这个破坏黄土内部结构并使其产生新的固结状态的应力称为黄土的结构屈服应力^[14]。故在研究黄土的水敏性时,以黄土的结构屈服应力为切入点,探究黄土增湿过程与固结状态之间的力学表现。黄土土样的初始条件与试验加载条件不同,土体的结构屈服应力也不相同,通过三轴压缩试验的应力-应变曲线与固结试验的压缩曲线可以获取不同初始状态与不同加载条件下黄土的结构屈服应力。

固结试验可以得到土样的压缩曲线,通过Casagrande作图法可以获取土样在侧限条件下的结构屈服应力,其求解的过程如图2所示。

三轴试验可以获取土样在不同围压下的应力-应变曲线,将应力-应变曲线转换为Kondner双曲线可以辅助获取土样的结构屈服应力(图3)^[15]。根据土样的应力-应变曲线形态可以将土体的变形过程分为应变稳定型、应变硬化型和应变软化型3种力学模式。通过Kondner双曲线则可以将硬化型应力-应变曲线拟合为两条相交的曲线,两条曲线交点处所对应的主应力差(σ₁-σ₃)即为该土体的结构屈服应力σ_c,因为在该点处Konder双曲线的斜率发生明显变化,说明该点处土体的结构稳定状态被破坏,土体内部的固结状态失去平衡,土体结构平衡过程发生“再启动”,以达到新的固结状态,该点就可以作为土体的结构屈服应力。同理软化型应力-应变曲线会拟合成具有3个拐点的曲线,第一个拐点处为该土体的结构屈服点。而稳定型应力应变曲线会拟合成一条直线,现取ε₁=8%的点,对应的主应力差为结构屈服应力σ_c。其中Kondner双曲线方程的表达式如下。

(1)σ₁-σ₃=$\frac{{\epsilon }_{1}}{a+b{\epsilon }_{1}}$

(2)$\frac{{\epsilon }_{1}}{q}$=a+bε₁

式中: a为Kondner方程拟合参数,a=

$\frac{1}{{E}_{\mathrm{i}}}$

,E_i为土的初始切线模量;b为Kondner方程拟合参数,b=

$\frac{1}{({\sigma }_{1}-{\sigma }_{3}{)}_{\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{t}}}$

,(σ₁-σ₃)_ult为主应力差的渐近线斜率;ε₁为轴应变,%; q为偏应力,q=σ₁-σ₃,kPa;σ₁、σ₃分别为最大与最小主应力,kPa。

将两种试验获取到的结构屈服应力分别进行比较,以研究屈服应力在含水率与围压变化时的变化规律,其对比结果如图4所示。

固结试验结果如图4(a)所示,随着含水率的升高,土体的结构屈服应力逐渐下降,结构屈服应力与含水率呈负相关关系。这说明当土体的有效接触结构不发生变化时(用静压法制作黄土试样时,各试样的初始状态下孔隙比e不变随着含水率而变化),水分会破坏黄土内部的非接触结构^[16],降低了其强度并使其更易进入屈服状态,体现了水分对黄土性能的弱化性^[17-20]。

当围压与含水率一定时,轴向应力增加到一定程度之后,土体结构会产生明显破坏,土体内部结构发生变化以形成新的稳定状态,此时土体发生结构屈服。三轴压缩试验结果如图4(b)所示。三轴压缩试验结果显示黄土的屈服强度受到固结围压与含水率的共同影响。在同一含水率条件下,土体的固结压力越大,其结构屈服应力越大,说明高围压可以使黄土结构变得更加稳定,破坏土体内部结构所需要的轴向压力更大,体现了荷载对黄土结构的固化性。

接下来引用结构应力比的概念,黄土某一状态下结构屈服应力与当前固结围压的比值称为结构应力比[如式(3)所示]^[14]。

(3)η=$\frac{{\sigma }_{\mathrm{c}}}{{\sigma }_{3}}$

式(3)中:σ_c为结构屈服应力,kPa;σ₃为固结围压力,kPa;η为结构应力比,η是对黄土内部结构破坏程度的数值体现,其值越接近1说明该应力状态下土样越接近初始屈服状态,破坏程度越大。当η<1时土体发生结构屈服。

根据三轴试验的结果,可以做出不同含水率条件下试样的屈服应力比在各围压下的拟合关系曲线,如图5所示。

在图5中的结构应力比η为纵坐标、围压σ₃ 为横坐标的关系曲线簇中,沿某一结构应力比η做水平线,则该直线代表所有具有相同结构损伤程度的土体应力状态。从图5可以看出,在各含水率条件下,黄土的结构应力比都随着围压的增大呈指数降低。同时,随着含水率的升高,土样的结构应力比曲线向下偏移。根据试验数据拟合的指数曲线参数可以看出,含水率越高,其拟合公式指数的绝对值越小。即在小围压时,土样的结构应力比具有较大的敏感性,其下降趋势较大,并且随着围压的增大,结构应力比下降趋势逐渐平缓,敏感性逐渐降低,趋于某一固定值。这说明当围压较小时,含水率对结构稳定性影响较大,随着围压的增大,含水率对结构稳定性的影响逐渐减弱^[21-23]。图4(b)显示,随着围压的增大,其结构屈服强度也会随着增大,由图5可知,围压增大时,其结构应力比逐渐降低,即围压的增长速度要快于结构屈服应力的增长速度,η才会降低,且围压越大,结构应力比趋近于一个定值,即围压与屈服应力的增长速度相同。

选择结构应力比η=0.8、1、1.1、1.2、1.3展开黄土的水敏特性研究,其中η=0.8对应土体结构的屈服,η=1对应恰好屈服,η=1.1、1.2、1.3对应尚未屈服状态,且η值越大,结构损伤程度越低。为了研究各结构应力比条件下土体的抗剪性能,采用Hvorslev真强度理论[如式(4)所示]对黄土水敏性力学机制进行分析。Hvorslev真强度理论求解的摩擦强度分量与黏聚强度分量是分析黄土抗剪性能的水敏性表现的重要参数,能消除剪切过程中孔隙比变化所带来的影响。

(4)

$\left\{\begin{array}{l}q={M}_{\mathrm{e}}p\text{'}+{q}_{\mathrm{e}}\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\varphi }_{\mathrm{e}}=\frac{3{M}_{\mathrm{e}}}{6+{M}_{\mathrm{e}}}\\ {c}_{\mathrm{e}}=\frac{3-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\varphi }_{\mathrm{e}}}{6\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\varphi }_{\mathrm{e}}}{q}_{\mathrm{e}}\end{array}\right.$

式(4)中:M_e、q_e为Hvorslev强度包络线拟合参数;c_e为真强度黏聚强度,kPa;ϕ_e为真强度内摩擦角,(°);q为偏应力,q=σ₁-σ₃,kPa;p'为有效球应力,p'=(σ₁'+q/3)/3,kPa。

通过图5中的结构应力比拟合曲线,求出各结构应力比状态下的偏应力与有效球应力,在p'-q坐标下可以绘制各结构应力比的破坏强度包络线,也称为Hvorslev强度包络线。图6为各结构应力比下的Hvorslev强度包络线,每条强度包络线上的结构屈服程度相同,其结构损伤程度一致。同时根据不同屈服应力比条件的强度包络线,可以获取各损伤状态下的不受孔隙比影响的内摩擦角(ϕ_η)与受结构影响的黏聚强度(c_η)。

从图6可以看出,随着结构应力比的升高,其Hvorslev强度包络线逐渐向上偏移,这说明当结构应比减小时,黄土内部的损伤程度逐渐增加,其力学性能降低,在p'-q坐标轴中表现为强度包络线的下移,土体处于稳定的应力状态区域减少,更易发生破坏。根据Hvorslev真强度理论[式(4)]计算出黄土的抗剪真强度参数并绘制其与结构应力比的变化趋势图(图7)。可以看出,真内摩擦角ϕ_η与真黏聚强度c_η随着结构应力比的增大而增大。当土体发生固结或超固结时(η≤1),土体的真黏聚强度较低,当土体未发生固结时(η>1),黄土具有较大的黏聚力,这说明结构损伤程度越低(即η值越大)的黄土的真黏聚强度越大,固结的作用会对土体的抗剪性能产生削弱。

综上所示,结合Hvorslev真强度理论可以对黄土水敏性的力学机制进行解释:天然状态下的黄土具有一定的结构性,使土体本身就具有一定稳定性且处于一定固结状态。当黄土发生增湿时,土体的结构屈服强度降低。根据式(3)可知,当土体的结构屈服强度σ_c降低而固结围压(或上部荷载)σ₃未发生变化时,黄土的结构应力比η降低,即土体内部的结构损伤程度增加,从而导致土体强度的降低,更易进入屈服状态。而黄土的水敏性最终可以表述为:黄土在荷载不变时,增湿作用对黄土结构损伤的程度。由于不同黄土因为其化学组分、连结结构、接触形式的不同,使得不同黄土对水的作用相应不同^[24],水分对结构损伤的程度也因此不同,从而使黄土的水敏性表现有所差异。

2.2 黄土水敏性量化

由于黄土的内部结构、组成成分和赋存条件不同,不同黄土的水敏性也有所不同,即黄土增湿后其力学性能的敏感性也有所差异,如何衡量黄土对增湿过程的敏感性是探究黄土水敏性的重要标准。将黄土的水敏性进行量化和分析有助于对黄土水敏性的比较与分类。

2.2.1 抗压强度水敏性量化

固结试验中,黄土的结构屈服应力可以作为其抗压强度,因为土体发生结构屈服前后的力学性质差异明显,力学机制上表现为黄土内部结构损伤达到一定程度后发生的结构新平衡。固结试验中结构屈服应力与含水率的变化关系如图4(a)所示,当黄土水力条件位于曲线左侧时表明该土体处于稳定状态。含水率与侧限抗压强度的变化关系呈连续降幂关系,其拟合的数学形似如式(5)所示。

(5)σ_c=2 151.094 3w^-0^.^{533 2}

式(5)中:w为试样初始含水率,%。

根据前文的结论,黄土的水敏性表现为增湿作用对黄土结构损伤的程度,而土体结构的损伤程度表现为其力学性能与变形性能的下降。为了量化黄土的水敏性大小,可以根据黄土非饱和增湿至饱和的强度折减程度来衡量。根据试验设计的含水率梯度分别作为黄土的初始含水率,研究黄土在不同初始含水率条件下的水敏性量化。黄土的抗压强度的水敏指数可以用式(6)进行量化。

(6)I_σ_c=$\frac{{\sigma }_{\mathrm{c}}-{\sigma }_{\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{t}}}{{\sigma }_{\mathrm{c}}}$

式(6)中:I_σ_c为黄土抗压强度水敏指数;σ_csat为饱和黄土结构屈服应力,kPa。

根据式(6)计算该地区黄土在各含水率下的抗压强度水敏指数 I_σ_c(图8)。

从图8中可以看出,黄土抗压强度水敏指数随含水率的减小而减小,曲线拟合的数学表达式列于式(7)中,抗压强度水敏指数与含水率呈幂次复合函数关系。抗压强度水敏指数越大,表明黄土水敏程度越高,即该条件下黄土增湿过程对黄土力学性质的削弱越大,力学性能对水的敏感性越高。

(7)I_σ_c=11 672${\mathrm{e}}^{-\frac{w}{20.181}}$-0.323

2.2.2 抗剪强度水敏性量化

三轴压缩试验可以获取土体的强度包络线,从而获取该状态下土体的抗剪强度、内摩擦角和黏聚力。不同固结围压下黄土抗剪强度如图9所示。

根据强度曲线拟合的数学表达式以式(8)所示的对数函数形式表达。

(8)τ=-alnw+b

式(8)中:τ为黄土抗剪强度,kPa;a、b为拟合参数。

参考式(6)的形式,可以对黄土的抗剪强度的水敏指数做出定义,水敏性量化公式为

(9)I_τ=$\frac{\tau -{\tau }_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{t}}}{\tau }$=A${\mathrm{e}}^{-\frac{w}{B}}$-C

式(9)中:I_τ为抗剪强度的水敏指数;τ为三轴压缩试验中,黄土抗剪强度,kPa;τ_sat为三轴压缩试验中,饱和黄土抗剪强度,kPa;A、B、C为相关拟合参数。

根据式(9)计算的抗剪强度水敏曲线如图10所示。可知固结围压对黄土的抗剪强度水敏指数曲线影响较大。自然环境中,直接决定黄土固结围压的因素主要有两个,一个是上部荷载,一个是土层的埋深。由此可以推断:埋深越大的黄土具有较低的水敏性。

根据摩尔-库伦强度准则:τ=c'+σ'tanϕ'。其中研究区黄土的抗剪强度指标可以使用“真强度理论”[式(4)]的真强度指标代替,计算结果列于图11中。

真强度抗剪强度指标的水敏指数表达如式(11)和式(13)所示,拟合的指数复合函数曲线如图12所示,拟合曲线公式如式(10)和式(12)所示。

(10)c'_e=-12.86lnw+59.648

(11)I_c=$\frac{c\text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{e}}-c\text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{t}}}{c\text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{e}}}$=2.30${\mathrm{e}}^{-\frac{w}{70.10}}$-1.6

(12)ϕ'_e=20.22

(13)I_ϕ=$\frac{\varphi \text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{e}}-\varphi \text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{t}}}{\varphi \text{'}{\mathrm{ }}_{\mathrm{e}}}$=0

式中:I_c为黄土黏聚力水敏指数;I_ϕ为黄土内摩擦角水敏指数;c'_e为黄土真强度黏聚力,kPa;c'_esat为常规三轴条件下,饱和黄土真强度黏聚力,kPa;ϕ'_e为常规三轴条件下,黄土真强度内摩擦角,(°);ϕ'_esat为常规三轴条件下,饱和黄土真强度内摩擦角,(°)。

由于内摩擦角是正应力与抗剪强度之间的比例关系,与含水状态无关,几乎不具有水敏性,故其水敏性可以拟合为一条直线,其水敏性指数为0。将有效黏聚力和有效内摩擦角代入摩尔-库伦强度准则,则其抗剪强度可以由式(14)表示。式(14)可用于计算处于平面应力与平面应变条件下的非饱和黄土的抗剪强度。

(14)τ'=2.30${\mathrm{e}}^{-\frac{w}{70.10}}$-1.6+σ'tan20.22°

式(14)中:τ'为黄土的有效抗剪强度,kPa;σ'为黄土的有效正应力,kPa。

天然条件下,浅层的黄土处于低围压应力状态,此时黄土内部的黏聚力就是构成其抗剪性能的主要因素。黄土中的黏聚力是颗粒体间毛细吸力、分子间引力、胶结连结等化学物理反应的综合体现,影响这种连结能力的最大影响因素之一就是水分,因此浅层黄土(低围压条件下)的抗剪强度水敏程度较高^[25-27]。而处于地表以下深部的黄土,其处于高围压应力状态,此时黄土内部的摩擦结构就是构成其抗剪性能的主要因素,而摩擦结构是土颗粒之间接触形式的反应,水分对其影响较小,则抗剪强度的水敏性就较弱。

3 结论

黄土的水敏性对水致黄土灾害的防灾减灾工作具有重要意义。通过固结试验与三轴压缩试验,对兰州市什川镇滑坡体黄土的强度-变形规律进行了研究,得出如下结论。

(1)黄土水敏性产生的力学机制如下:黄土屈服应力随着含水率升高而降低,同时随着黄土的屈服应力降低,黄土体内部结构的损伤程度增加,力学性能与变形性能降低。由于各种土体内部结构与组成成分的不同,水分对结构的破坏程度也不同,这就使不同状态下黄土的水敏性也有所不同。

(2)黄土的水敏性可以采用水敏指数进行量化,提出了抗压强度水敏指数、抗剪强度水敏指数和有效黏聚力水敏指数的表达式,并建立了各水敏性指数与含水率之间的经验关系,以及有效抗剪强度与含水率之间的经验公式。

(3)浅层黄土处于低围压应力状态,内部黏聚力是构成抗剪性能主要因素,黏聚力受土体水分影响明显,故浅层黄土抗剪强度水敏程度较高;地表以下深部黄土,处于高围压应力状态,摩擦强度在抗剪性能中所占比例增大,内摩擦角受水分影响很小,故深层黄土抗剪强度水敏性较低。

参考文献

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