陕北黄土垂直节理形成机理的试验研究

骆 进，项 伟，吴云刚，王 琰

（中国地质大学工程学院，武汉 430074）

陕北黄土垂直节理形成机理的试验研究

骆 进，项 伟，吴云刚，王 琰

（中国地质大学工程学院，武汉 430074）

假设黄土垂直节理形成分为2个阶段，通过野外现场考察、室内物理模拟试验，结合黄土的湿陷性和裂隙产生的力学机理对黄土垂直节理的成因做出了探讨。结果表明黄土垂直节理的形成可分为2个阶段：①内裂隙形成阶段，开始沉积时，由于地形的起伏导致黄土厚度上的分布不均匀，在降雨时产生不均匀湿陷，从而导致产生内裂隙；②裂隙扩展阶段，内裂隙形成后黄土继续堆积，顶部压力的增长致使裂隙顶部土体受到拉应力作用，当达到其抗拉强度时裂隙就会沿竖直方向产生扩张而形成垂直节理。同时，通过实地考察，证实了假设是合理的。

黄土湿陷性；垂直节理；裂隙扩展；物理模拟试验

在我国陕西、山西、甘肃、宁夏、青海等湿陷性黄土地区，垂直节理普遍发育。黄土垂直节理是黄土地区普遍发育的一种独特的地貌特征，黄土体中存在着两大类破裂形迹，一类是非构造性破裂，另一类是活动构造破裂。垂直节理就是非构造破裂的一种形式。垂直节理一般是地表水或地下水的运移通道，地下水在一定动力条件下运移时，常把节理内充填物带走，使节理的导水性增强，加剧了该区的土壤侵蚀。强烈的土壤侵蚀不仅破坏了该区宝贵的土壤资源和降低了农作物产量，而且导致大量泥砂进入黄河（1.6×108t／a），造成黄河下游严重的泥砂问题。黄土高原一些地区的侵蚀强度高达10 000 t／（km2·a）以上。同时由于黄土的潜蚀作用增大，破坏了土体的稳定性，对边坡稳定性造成了不利影响。冯连昌、王正贵、李希霍芬、王景明等对黄土垂直节理进行过一定的研究，但总体来说成果甚少［1－3］。因此，研究黄土垂直节理对于黄土地区水土保持及地质灾害防治等问题有着重要意义。

1 试样来源与室内基本试验

1.1 试样来源

试样土样为陕北子长县新寨河村，采样方法如下：首先在斜坡上挖一垂直的临空面，高1.7 m，然后将顶端铲平，将土体削成25 cm×25 cm的土柱，用厚0.5 mm塑料薄膜将土柱包裹起来，用宽胶带缠好，在顶部垫一层1～2 cm的黄土，再垫上木板，把事先准备好的箱子套在削好的土样上，将土样从箱子底部与斜坡土体分开然后将纸箱底部封住。通过这样的处理，原状土样不但能够较好地保持黄土的结构性，同时能够保持土体的天然含水量。

1.2 试样的基本物理性质

通过对试样进行密度及含水量、粒度成分、液限、塑限、相对密度等室内试验，得出了相关的物理指标见表1。

表1 陕北子长县原状黄土物理指标Table 1 Physical indices of loess in Zichang Couty of Shanxi Province

1.3 黄土的室内湿陷试验

湿陷性是黄土的一种特殊性质，为了确定研究区土壤是否具有湿陷性，将采集的土样进行室内的湿陷性试验研究（表2）。考虑到下面的不均匀湿陷试验采用重塑土更加符合实际，对扰动土样的湿陷特性也进行了试验（图1）。

表2 原状土与扰动土湿陷对比Tab le 2 Collapsibility com parison between undisturbed and disturbed soils

图1 压力与湿陷系数关系曲线Fig.1 Relationship between pressure and collapsibility coefficient

2 物理模拟试验

通过对陕北地区野外实地考察，结合陕北黄土具有湿陷性的特点和裂隙产生的力学机制，本文假设黄土垂直节理形成分为2个阶段：内裂隙形成阶段、裂隙扩展阶段。为了直观地证明假设的正确性，本文设计了不均匀湿陷和力学模拟试验。

2.1 不均匀湿陷试验

该试验模拟的是假设的第一个阶段，黄土初始沉积时由于地形的起伏导致厚度分布上的不均匀，在降雨的条件下不均匀湿陷产生内裂隙的过程［4－6］。

2.1.1 试验设备

根据试验要求，研制了一套可以提供不同级别的水压力下湿陷仪。该湿陷仪由空气压缩机来提供动力以驱动水压力，同时通过调压阀门和压力表来控制施加给土样的设计荷载（图2）。

图2 试验设备示意简图Fig.2 Test equipment

2.1.2 试验方案

考虑到沉积早期黄土颗粒间的固结并未完成，本试验采取扰动土样更切合实际。

试验的第一步就是模拟土样在水平方向不均匀分布的环境。在本试验中制造了一个半径与装样容器内壁一致，高5 cm的半圆柱体混凝土块。试块制作好后养护达到强度值后进行第2步工作：根据试验得到的物理指标和装样容器的参数可以反算出试验所需土样的质量。称量好土样后，将其和混凝土块按设计填入容器。然后连接好试验管线和阀门进行试验，并做好相应的记录。按照设计先饱和试样，打开排气阀门，调节阀门和压力表给容器输1 kPa的水压力直至排气阀有水排出，然后关闭出气阀对土样施加不同级别的荷载，出于对设备精度的考虑，施加的水压从20 kPa开始记录，依次往上加荷直至试样稳定。

2.1.3 试验结果分析

试验中观察到试验不但产生不均匀湿陷，而且局部还可以看到内裂隙（图3）。从图3中可以看出，有无混凝土试块的两边都存在不同程度的湿陷。无试块一侧湿陷量明显大于有试块的一侧，表面上表现出来的是不均匀湿陷，实际上内部的土体颗粒间产生了相对位移，势必造成内在裂隙的存在，这一点从图3中可以得到证明。同时由于扰动土样的结构遭到一定破坏和空隙水压太大的缘故，试验中内裂隙的可见度并不是那么明显。图4中黄土在饱和时并未产生明显的差异，此时黄土并未产生湿陷。随着所施加的荷载增加至20 kPa，两个部分的差异为3.4 mm，这说明初始沉积黄土在饱和状态下的湿陷压力很小。从20～50 kPa试样2部分的差异变化不大，最大也仅为6.2 mm（表3），这说明黄土本身的结构在未破坏之前有一定的抵抗力。50～57 kPa试样2部分的差异剧增达到了30.2 mm，此时黄土的结构被破坏，空隙瞬时被颗粒填满导致发生明显变形。57 kPa以后2条曲线趋于平缓，此时湿陷已经完成，结构趋于稳定。

图3 不均匀湿陷及内裂隙Fig.3 Uneven collapsibility and inner fissure

图4 压力与湿陷量关系曲线Fig.4 Relationship between pressure and collapsibility volume

2.2 力学模拟试验

该试验模拟的是假设的第2个阶段：垂直节理产生阶段。对于力学模型试验，我们只进行了无侧限加载试验，但这不影响对机制的研究。如果在三轴仪上进行试验将难以观察裂纹的出现与扩展情况。

2.2.1 试样制备及方案

力学模拟试验依据以不均匀湿陷为基础，在不均匀湿陷试验中可知黄土在原始沉积的时候由于厚度上的分布不均匀导致了湿陷不均匀，土体内发生相对位移而产生内裂隙。裂隙在土体内为长条状，为了模拟裂隙的形态，本试验中在试样底部用锯条锯一条长20 mm、宽1 mm的裂缝（图5（a））。在压力机上进行无侧限加载试验，结果试样沿存在的裂隙向上产生拉裂破坏而生成竖直状的节理（图5（b））。

表3 压力与湿陷量关系表Table 3 Relationship between pressure and collapsibility volume

图5 力学模拟试验Fig.5 Physical simulation test

2.2.2 试验结果力学分析

根据试验结果试样破坏是沿着事先切好的裂隙发生的，并且是竖直方向的裂隙，这与现场考察相符。根据格里菲斯理论：脆性材料中包含有大量的微裂纹和微孔洞，材料的破坏是由于这些微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展、联合的结果。黄土就是这样一种包含大量微裂纹和孔洞的脆性材料，因此，格里菲斯理论为黄土破坏判据提供了一个重要理论基础。主应力表达式为

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；σc为抗压强度；σt为抗拉强度。按格里菲斯理论，当σ3＝0时，σ1＝σc＝8σt，材料产生破坏。由于黄土的抗拉强度极小，在黄土沉积过程中顶部产生的压应力极易达到格里菲斯理论中的破坏值，一旦达到破坏值黄土节理就产生了。

3 试样结果的野外验证

为了验证假设的正确性，经过对陕北子长县新寨河村垂直节理进行统计（图6），可知该地区的节理分布具有定向性，其中走向在280°－320°之间分布最为密集。说明黄土垂直节理分布具有一定的规律性。陕北位于我国第二级地形阶梯上。区域大地构造部位处于华北地台西部鄂尔多斯台向斜台坳的陕北台凹。鄂尔多斯台向斜为一大型向斜构造，长轴走向近南北，两翼不对称，西翼倾角3°～10°，东翼宽缓，倾角1°左右。陕北所处向斜东翼，为一向南西缓倾的单斜构造，构造简单，盆地内部无明显大断层，长期以来是个比较稳定的地区。这与研究区垂直节理走向比较接近，也为假设的合理性提供了论据［7－9］。

图6 陕北子长黄土垂直节理玫瑰图Fig.6 Joint rose diagram of Zichang County in Northern Shanxi Province

另外，围绕研究区对陕北黄土垂直节理的实际形态进行了详细的实地考察，发现陕北黄土垂直节理的发育形态与试验的试件破坏具有一致性（图7）。根据格里菲斯理论，黄土节理的产生是由于已存在的内裂隙产生拉应力导致黄土结构拉裂破坏，破坏后的裂隙呈竖直状态说明垂直节理并不是构造应力所致。这也为假设和试验的设计提供了依据。

图7 陕北子长的黄土垂直节理Fig.7 Loess vertical joint in Zichang County of Northern Shanxi

4 结 论

（1）黄土垂直节理形成可分为2阶段：内裂隙形成阶段、裂隙扩展阶段。

（2）本文中自行设计的试验成功地证明了陕北黄土垂直节理的形成过程，具有直观性强，可靠性高的特点。

（3）野外现场调查结果和区域构造特征，说明黄土节理形成分成2个阶段的假设和试验设计的依据具有合理性。

（4）黄土垂直节理的研究可对黄土地区水土保持、地质灾害防治、管线工程、地下窑洞开挖等提供合理的依据。

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（编辑：王 慰）

Experimental Study on Formation of Loess Vertical Joints in Northern Shanxi Province

LUO Jin，XIANGWei，WU Yun-gang，WANG Yang
（Department of Engineering，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan 430074，China）

At first，this paper proposes an assumption that the formation of loess vertical joints could be divided into

two stages.On the basis of the field visits，indoor physical simulation tests，then in combination with loess collaps-ibility and themechanicalmechanism of producing fissures，the causes of the vertical joints of loess are explored.The results indicate that the formation of loess vertical joints can be divided into two phases：①the formation of in-ner fissure，i.e.in the beginning of deposition，the undulation of terrain leads to uneven distribution of loess，then when it rains uneven collapsibility generates，which leads to generate inner fissures；②the stage of fissure exten-sion，namely loess continues deposition after the inner fissures have been formed，the increasing of the top pressure makes the top of inner fissure lie in the state of tensile stress，so，when the stress reaches its tensile strength，the inner fissure extends along the vertical direction and then becomes a vertical joint.In themeantime，from survey in site，the rationality of assumption has been proved.

loess collapsibility；vertical joint；crack extension；physical simulation test

TU443

A

1001－5485（2010）03－0038－04

2009-03-03

骆 进（1984-），男，湖南郴州人，硕士研究生，主要从事岩土工程和工程地质研究，（电话）15927634076（电子信箱）luojin84＠126.com。