含构造节理黄土强度特性研究

王 平，王会娟，王丽丽，钱紫玲，邵生俊

(1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048； 2.中国地震局黄土地震工程重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.中国地震局兰州岩土地震研究所，甘肃 兰州 730000)

黄土高原是我国地震地质灾害多发的区域，黄土中的构造节理对黄土的自身物理力学性质造成了极大的影响[1]。黄土构造节理是在区域构造应力作用下沿应力场主方向形成的特殊构造，具有较强的延展性和切割能力以及成群成组排列的特性。

黄土构造节理孕育了地质灾害的控制面和分离面，是黄土高原地区滑坡地质灾害的主要诱因之一。它其密集程度和开闭情况是控制滑坡滑动面发育和稳定性的重要控制因素，同时也是影响黄土滑坡致灾过程和灾害区域的重要原因[2]。将土体划分为块体结构的黄土构造节理，使土体不具有完整性，使得土体具有各向异性，增大滑坡推力，为滑坡崩塌准提供了潜在滑动面。节理极易发育为黄土地下水下渗和运移的通道以及地下水赋存条件，使得黄土路堤、路堑和坑道边坡更易于渗水，造成坡体等工程发生变形[3-4]。发育的土体内节理，为地震波在节理面间的复杂折射反射提供了条件，使得斜坡内极易出现地震放大效应[5-6]。在大型地质工程建设中，特别是黄土高原地区大型基础工程施工中，大量发育的黄土构造节理构造往往会造成土体的不稳定，为工程带来隐患。它亦是造成黄土地区土质恶化、地下水侵蚀加剧和水土流失严重的影响因素。贯通性好、密集发育的构造节理组也是地下水的运移通道和储存场所，对地下水的渗流场造成剧烈影响，是土体内部水力侵蚀的主要原因[7-9]。

黄土节理对黄土抗剪强度具有相当大的影响，但目前的室内试验中，节理多为人工切割而成，简单的分为粗糙节理和光滑节理两大类，与实际中天然节理面的复杂程度有着相当程度的差距，并不能较好的模拟天然节理。黄土节理具有优势渗透性和节理面介质的强烈水敏性，摩尔-库伦强度准则适用于节理面[10-11]，随着节理面渗水的含水量的增加，其抗剪强度减小。黄土节理的黏聚力受到含水量和节理面形态的影响，当节理面相对粗糙时，黏聚力与含水量之间指数呈反比趋势，但对于相对光滑的节理面，黏聚力随含水量呈二次曲线关系。土体干密度对节理黏聚力也有一定影响，随土体干密度增大黏聚力增大[12]，黄土节理的直剪试验存在尺寸效应，大致表现为试样越大抗剪强度越强，因此在相关研究中应开展原位直剪试验[13]。叶万军等[14]通过CT扫描成像技术研究了干湿循环作用下黄土体内节理的发育、演化机制，结果表明土体节理产生的机制主要是湿温耦合作用下土体内部的含水率分布不均匀，出现水力梯度；在土体内产生一定的拉应力，当拉应力大于土体抗拉强度时，便产生节理。白玉锋等[15]通过对黄土试样开裂机理的试验研究了两组节理面产生的产生，得出黄土干燥开裂过程中的节理、裂隙的衍生扩展规律，并首先在洞穴处以及受约束部位产生，随后逐渐扩展延伸，同时指出在黄土开裂过程中，与温度、湿度、含水率、试样形状以及约束力息息相关。

在这样的地质背景下，如若在施工过程中忽略黄土构造节理对工程的影响，势必会对工程的抗震设防等级、工程周边的边坡的稳定性评价等造成巨大的失误。因此，开展黄土构造节理对黄土强度性质影响的研究具有重要的工程意义和现实迫切性，研究成果一方面能够对含节理边坡的安全防治问题带来新的解决方案，对斜坡的设计、施工方案提供理论指导，另一方面能够推进地震作用下的斜坡破坏模式研究的发展和创新。

1 黄土构造节理的分布特征

通过对陕、甘、晋三个省份20余个市县地区的典型构造节理发育地点的勘察，对黄土构造节理的发育和产状做了细致的调查，如图1所示，为4例典型黄土构造节理。

图1 黄土构造节理Fig.1 Structural joints of loess

由图可以看出，黄土构造节理一般由两组构成，呈X型交叉发育，根据交切关系可以进行分期，也有部分构造节理为同期形成。同组构造节理间呈平行等间距排列发育，节理面较为光滑，闭合程度较高，基本没有填充物在节理内充填，节理具有较强的延伸性和贯穿性，基本呈现出直线型发育，也有部分呈现粗波浪状和阶梯状。

2 实验方案设计

本文所用试样，取自甘肃省定西岷县梅川镇下辖的永光村特大地震滑坡遗址处，属全新世Q4黄土，土质较为疏松，孔隙发育，可见部分根系、虫孔，承载力低，属于高湿陷性和压缩性黄土。

通过对所取试样进行测试，测得该处土体原状试样比重约为2.57。采用烘干法测定该试样天然含水率为7.65%，天然密度1.61 g/cm3，试样物理参数指标如表1所示。

表1 黄土试样物理参数Table 1 Physical parameters of loess sample

室内试验仍然是研究黄土体性质的主要方法，主要通过三轴试验、直剪试验等方法研究含节理试样的各项物理力学规律。实验方法的差别，对真实反映节理在土体内部的影响有极大的影响，如何使得室内试验的精度和改进方法，仍然是亟待解决的问题。目前的室内试验中，节理多为人工切割而成，简单的分为粗糙节理和光滑节理两大类，与实际中天然节理面的复杂程度有着相当程度的差距，并不能较好的模拟天然节理。为此设计并制作出了一项专门用于制作室内试验中含黄土构造节理试样的工具，如图2、图3所示。该工具有效的解决了如何在制作试样的过程中，精确控制节理的倾角以及通过击锤有效的控制了试样强度，极大促进了节理试样的精确度和室内试验的准确度。

为了探索一种节理面间材料模拟天然黄土构造节理，共选取了打印纸、单层抽纸、打孔塑料薄膜3种材料进行对比试验。同时试验一种制样方法模拟节理，该方法为在制样时通过制样器造出节理后，不进行刮毛直接压实，制造一种光滑节理面。为了探讨各类模拟材料的不同对构造节理黄土试样抗拉强度的影响，系统开展了含劈裂(节理)黄土试样抗拉强度试验，研究各组试样的极限抗拉强度，节理选取45°斜节理。测试内容为干密度ρ=1.6 g/cm3，含水率为10%的各项试样，其中原状试样分为原状黄土试样(Ty1)、原状构造节理黄土试样(Ty2)两项各3组，重塑无节理黄土试样(Tc)3组，接触面材料为打印纸的试样为重塑打印纸黄土试样(Td)3组，接触面材料为单层抽纸的试样为重塑单层抽纸节理试样(Tz)3组，接触面材料为打孔塑料薄膜的试样为重塑打孔塑料薄膜节理试样(Ts)各3组，含接触面材料光滑节理面试样(Tg)3组。结果如图4所示。

图4 不同试样模拟接触关系抗拉强度示意图Fig.4 Tensile strength diagram of simulated contact relationship of different samples

原状无节理试样抗拉峰值强度是最大的，其次是重塑无节理试样，而在含节理试样的抗拉强度中，可以看出节理的存在明显降低了土体的抗拉强度，原状构造节理试样的抗拉强度最大，接触面为塑料薄膜和打印纸的抗拉强度最小，相对来说单层抽纸的接触面和光滑型接触面较为接近原状节理试样，具体表现为Ty1>Tc>Ty2>Tz>Tg>Ts>Td。光滑节理面的峰值抗拉强度和单层抽纸作为接触面的峰值抗拉强度近似，原则上光滑节理面在模仿原状构造节理更具优势，但是在实验过程中，发现光滑节理面试样在破坏后，很难区分试样的破裂面和节理面，导致后续观察受阻，无法确定节理面在其中起到的作用，而单层抽纸能够较为清晰的反映节理的破坏程度以及节理对黄土试样的影响。因此在后续的实验中，选择单层抽纸作为节理的模拟面。

为了研究构造节理倾角的变化对试样的强度参数的影响，选取不同倾角构造节理进行研究。黄土地区的构造带具有极强的复杂性，各应力场的主方向千差万别，本研究以15°为间隔，考虑多种倾角下土体强度特性的变化规律。水平节理与竖向节理体现了构造节理黄土强度特性的两个极限，实验中将这两组情况也包含在内。同时考虑含水率对试样强度特性的影响，选取了含水率分别为5%、10%、15%三个梯度开展实验。为了更清晰的揭示破裂时试样侧面破裂面痕迹，本研究室内试验主要选取无侧限抗压试验和直剪试验，研究构造节理黄土抵抗轴向压力的极限抗压强度和极限抗剪强度，如图5所示。

图5 不同倾角试验试样节理示意图Fig.5 The joint diagram of test samples with different dip angles

3 构造节理对试样破坏模式的影响

在试验开展过程中，发现绝大多数的倾角在破裂时都遵循一定的破裂准则和模式，而这种模式与构造节理的倾角息息相关。

(1)滑动破坏

该破坏模式大多发生在构造节理倾角为20°～45°的范围区间内，其中倾角75°时偶有发现。这种破坏模式主要表现为节理面上下土体沿节理面相对滑动，节理面基本没有出现任何由于剪胀、蠕变导致的节理面变形和试样损坏。这类破坏样式的推测机理为，由于节理面黏聚力极小，摩擦力也相对较低，因此在上覆土层受到压力时，节理面所抗滑力远小于外力产生的下滑力，导致试样沿节理面发生整体滑移破坏，强度极速丧失并下降至0。

(2)滑动剪切破坏

滑动剪切破坏这一类型破坏模式主要在构造节理倾角45°时集中出现，其余角度构造节理偶有出现但数量较少。这种破坏模式主要表现为节理面上下土层在发生相对滑动的同时，节理面产生了剪胀和压胀破坏，节理面上下土体出现剪切破坏，一般情况下裂隙从节理处开始向外延伸，但其发育程度有限。

该类型破坏机理推测如下，当试样受来自上方外力作用时，节理面产生缓慢的相对滑动，节理面上下表现为剪切破坏，土体强度降低，节理面出现剪胀破坏。此时，节理面上下土层运动方式转变为蠕滑，应力消散较慢，节理面间摩擦强度承担了土体间的残余强度，该强度约为土体峰值强度的50%。

同时值得注意的时，这种破坏类型与土体的含水率也有一定关系，在我们所选取的5%、10%、15%三个梯度下，33°构造节理倾角的条件下，含水率越高，越容易出现这样的破坏模式。同理，在其他角度出现该类型的破坏模式时，含水率越高，该破坏类型出现的概率越高。

(3)劈裂破坏

该种破坏模式主要出现在含水率5%以下的含构造节理的黄土试样中，通过试验发现，当构造节理倾角在0～20°范围内时出现最多。该破裂类型主要特征有，节理面上下土层不沿节理面发生相对滑动，而是试样整体自上至下出现一条贯穿试样的竖向裂隙，该裂隙贯穿节理面，值得注意的是，当裂隙穿越节理面时，会出现少量的错断。

在受到上部土层压力作用下，因节理倾角过小或其他原因，节理上下表面不沿节理面发生相对滑动，在压力逐渐增大的状况下，土层内部收到的剪应力逐渐增大，当土颗粒间作用力小于压力影响下的膨胀力，试样便会沿薄弱带裂开，形成劈裂破坏。

(4)共轭剪切破坏

该类破坏类型所涉及的节理类型最为宽泛，每组倾角节理试样均产生了该种破坏模式。在该类破坏模式中，节理间是没有相对滑动的，受压产生的X型共轭剪裂隙可贯穿试样节理，通过不同倾角下破坏模式的分析可知，节理面与破裂面的夹角与节理倾角有一定的正相关性，随着节理倾角的增大而逐渐增大。实验中出现最多剪裂隙的一组试样时构造节理倾角为20°时，剪裂隙为3组。

在研究构造节理黄土试样的变形破坏模式中，节理倾角在0°、90°这两种极端情况下的破坏模式也值得注意。构造节理为90°的情况下，试样的破坏由试样边界处开始沿与竖直方向呈“45°”夹角位置发育，随后沿竖向节理继续产生破坏，呈现“丿型”破坏。节理倾角在0°时，试样在节理面附近呈“压碎式破坏”，这是因为水平节理面相当于软弱结构面，竖向压力作用下，节理面处形成最大受压区，虽然试样的破坏以节理面处的“压碎式破坏”为表象，水平节理面破坏后仍然发生了进一步的剪切破坏。

图6 构造节理控制下黄土破坏模式Fig.6 Failure mode of loess controlled by structural joints

4 节理倾角变化对土体强度影响

4.1 节理倾角变化对无侧限抗压强度影响

分析可得，在相同含水率条件下，不同节理的无侧限抗压强度σ1与节理倾角的变化有相当密切的关系。总体关系表现为峰值强度随倾角的增大呈现出先减小后增大的变化过程。可以在图7中看到，节理在20～45°时，抗压强度相对是较弱的，例如当含水率为10%时，20°构造节理试样峰值抗压强度仅为76 kPa，远远小于无节理试样。随着节理倾角的缓慢增大，试样的抗压峰值强度也在逐渐变大，试样中倾角为0°时，对试样的影响是最小的，例如5%含水率时，无节理试样的峰值抗压强度是210 kPa，而节理试样倾角为0°的抗压强度已经接近200 kPa。说明当节理倾角达到75°以上时，对节理的抗压强度影响已经逐渐在减小了。

4.2 含水率对不同节理倾角峰值抗压强度的影响

如图8所示，各倾角试样的无侧限抗压强度σ1随含水率ωσ的变化。可知，所有倾角状态下构造节理试样的峰值抗压强度，随着含水率的增大，均有不同程度的减小。因此可以推断出，构造节理黄土试样的抗压强度是由含水率和节理共同控制的。在相同含水率情况下，节理倾角为0的时候，试样强度最大，随后是75°倾角的试样强度，20°节理倾角的试样强度最小。当含水率达15%时，黄土试样强度降低速度有一定的减缓，表明含水率超过某一阈值时，节理不再是影响土体强度的主要因素。

由上述破裂模式、节理倾角和含水率对土体强度性质影响的分析，结合前人研究可以推断出，黄土土体破坏模式受控于两部分主导因素——含水率与节理倾角，而这两类因素在控制构造节理黄土体的破裂模式时是一个此消彼长的状态。随着含水率增大，各倾角下试样的抗压强度均有减小趋势。

4.3 节理对土体抗剪强度的影响

通过库伦抗剪强度公式可知，黄土土体的抗剪强度主要由摩擦强度和黏聚强度两个部分组成，这里面有两个重要的指标便是内摩擦角和黏聚力。

分析图9可知，在垂直荷载相等时，垂直节理的抗剪强度最大，次之的依序为45°、33°、20°倾角，而含水平节理的试样其抗剪强度表现为最差。可以看出随着节理角度的上升，土体抗剪强度有所提升。土体的抗剪强度与90°节理的抗剪强度在低含水率下强度远超低角度构造节理黄土强度，一定程度上能够反映出，在低含水率、包含众多节理裂隙中的黄土土体内，垂直节理对其抗剪强度的影响是最小的，而低角度构造节理，尤其是在30°以下的超低角度构造节理，是造成土体抗剪强度下降的主要原因。

图9 w=5%时，构造节理倾角对黄土抗剪强度的影响Fig.9 When w=5%,the influence of dip angle of structural joint on shear strength of loess

如图10所示，垂直节理在土体10%含水率情况下依然对土体的抗剪强度影响相对较小，构造节理在20°、33°、45°这三类低角度情况下，抗剪强度较为接近，高垂直荷载下这3种节理强度趋于相同。当节理倾角为0°时，土体强度最小，且在高垂直荷载下与其他节理角度下土体强度的差距有明显增大。天然黄土含水率一般分布在10%左右，也就是说在真实环境中，深部土层的抗剪强度，很大一部分决定于土体内部低角度节理的分布和发育。那么有理由推测，构造节理黄土斜坡发生滑坡的过程中，低角度构造节理在相较于高角度构造节理乃至于垂直节理，起到了更为重要的促进作用。

图10 w=10%时，构造节理倾角对黄土抗剪强度的影响

含水率达到15%时，如图11，节理倾角对黄土抗剪强度的影响依然遵循随节理倾角增大土体抗剪强度也在不断增强这一规律。但在高含水率下，可以看出，高角度节理与低角度节理之间的抗剪强度差异已经越来越小，强度趋于相同，表明在高含水率情况下，节理的倾角已经不是控制土体抗剪强度的主要指标，含水率在其中起到了更为重要的作用。

总结上述现象，可以发现不论含水率的高低，黄土体抗剪强度均随着构造节理倾角的增大与之呈现出正相关的变化关系。

如图12，在同含水率情况下，节理倾角越小，土体表现出抗剪强度的值就越低，这与节理面在土体中的位置和产状有直接关系。直接剪切试验中，构造节理倾角越小，与土体剪切面重合程度越高，能提供的抗剪能力便越小，表现出较低水平的抗剪强度，最极端的情况便是倾角为0°时，节理面与剪切面重合，土体抗剪强度等效为节理面间摩擦力。

随着节理倾角的增大，节理面与土体剪切面的夹角也增大，表现为土体抗剪强度增强。但构造节理倾角并不始终是黄土抗剪强度的主要影响因素，而是仅在较低含水率情况下具有比较强的影响，可以看出在5%含水率下，随着节理倾角的增大，各倾角下的抗剪强度差别明显，没有趋近的倾向。

黄土体含水率在较高水平下时，节理的倾角变化以不再是土体抗剪强度的主控因素，此时各节理倾角下土体的抗剪强度趋于相近，各节理倾角间抗剪强度趋于接近，此时影响土体抗剪强度的转为土体本身的特有结构特性与物质组分情况。

分析图13，可以看出在一定含水率下，随着节理倾角的变大，黄土的内聚力也出现不同程度的增大现象。尤其是在低含水率的情况下，随着构造节理倾角的增大，黏聚力的增速相对较快，如5%含水率下，节理倾角由0°增加到90°，黏聚力上升到了近100 kPa的幅度，相反在高含水率黄土体中，黏聚力随倾角的增加，增速就相对慢了很多，15%含水率下，节理倾角自0°到90°时，黏聚力只增加了近20 kPa。

通过对节理倾角与黄土黏聚力和内摩擦角进行相关性分析，可以发现随着节理倾角的变化，土体内摩擦角和黏聚力的变化不尽相同。随着节理倾角的增大，黄土内摩擦角数值保持在一个比较稳定值，有较为轻微的增大，但黏聚力与节理倾角表现出较强的敏感性，倾角的增加对土体黏聚力表现出极强的增大作用。

5 结论

本文主要分析了构造节理倾角的变化以及含水率的高低对土体无侧限抗压强度和抗剪强度的影响，同时在无侧限抗压试验中，总结并归纳了4类典型构造节理黄土破坏样式，进一步分析了节理倾角和含水率对于土体内摩擦角和黏聚力之间的关系，并针对变化原因从机理上进行了分析和讨论。

(1)受节理倾角及含水率影响的构造节理黄土共表现为四类典型的破坏模式，分别为滑动、滑动剪切、劈裂破裂、共轭剪切等。节理倾角对土体破坏模式的影响仅在低含水率下表现得较为明显，节理倾角的变化直接决定了土体破裂面的发育和延展。高含水率下土体破裂面主要出现剪胀破坏，此时控制土体破裂模式的是土体物质组分和颗粒结构。相较于低含水率情况下的破裂面或节理面的脆性破坏，较大含水率的黄土体破坏在出现随行变化后，会进一步在破裂面、节理面处发生塑性变化。

(2)黄土体的无侧限抗压强度与构造节理倾角有较强的相关性，随着节理倾角的增大，抗压峰值强度表现为先增大后减小，当倾角为20°时，黄土体抗压强度最低，0°节理对抗压强度的影响最小。在一定含水率下，构造节理的存在是导致试样强度降低的直接原因。含水率的上升带给土体强度较大的负面影响，而且在较高含水率的土体中，各倾角节理的抗压强度趋于接近，节理已经不再是影响土体强度的主要因素。

(3)实验中将剪切方向与节理倾向设置为相反。构造节理黄土抗剪强度与构造节理倾角的增大成正比，但该规律仅在较低含水率下有这种表现。含水率在较高水平下时，各节理倾角土体的抗剪强度趋于相近。节理的产状和位置对黄土抗剪强度有直接的影响，随着节理倾角的增大，黄土内摩擦角数值保持在一个比较稳定值，有较为轻微的增大，但黏聚力与节理倾角表现出较强的敏感性，节理倾角的增加的条件下，土体黏聚力表现出快速增长的变化规律。