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水 利 学 报

2022 年 4 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 4 期

文章编号：0559-9350（2022）04-0421-12

干湿循环作用下原状黄土宏-微观参数关系研究

刘禹阳 ，王 耕 ，来弘鹏 ，谢门东 ，安 驰 1
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（1. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710064；2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）
摘要：为探明不同干湿循环条件对原状 Q 黄土宏观力学性能与微观结构的影响，明确宏观力学参数与微观结构
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参数的定量关系，开展了干湿循环试验、三轴压缩试验和扫描电镜试验，分析了干湿循环过程中原状黄土宏观强
度和微观结构的变化规律，基于综合结构势思想，利用宏观力学参数定义了原状黄土可变性参数表达式，推导了
用以描述黄土微观孔隙结构特征的孔隙特征参数，建立了原状黄土宏-微观参数关系表达式。结果表明：干湿循
环作用下，原状黄土孔隙面积比和分形维数呈增长趋势，黄土峰值偏应力和黏聚力持续减小，干湿循环幅度越
大，下限含水率越高，黄土孔隙结构的扩张和宏观强度的衰减越快，但内摩擦角变化不大；原状黄土的可变性可
用宏观峰值偏应力与土体黏聚力的比值表征，即可变性参数，随着干湿循环次数的增加，原状黄土可变性参数整
体呈非单调增长趋势变化；原状黄土的微观孔隙结构特征可用孔隙面积比和孔隙分形维数的乘积表征，即孔隙特
征参数，其与可变性参数的变化关系和三角函数接近；原状黄土峰值偏应力与孔隙特征参数的比值随黏聚力的变
化规律服从指数函数关系，经验证，该函数关系可较为合理地描述原状黄土宏观和微观参数间的数量关系。
关键词：原状黄土；干湿循环；结构性；扫描电镜；三轴试验
中图分类号：TV641 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210905

1 研究背景

黄土中含有丰富的易溶胶结物质和吸水膨胀矿物成分，其物理力学性能受水环境的影响显著。
干湿循环条件下，黄土的力学性能会产生明显劣化，对实际工程建设将产生不利影响，如干湿循环
［3］
劣化可能引起黄土边坡滑坡事故 ［1-2］ 。黄土具有显著的结构性 ，其宏观物理性能与微观结构特征有
着密切联系，黄土微观颗粒排列特征的改变会对宏观力学性能造成重大影响。所以，全面了解黄土
劣化过程中宏观力学性能的演化规律和机理，需对目标黄土开展多尺度研究，既要对黄土宏观尺度
下力学性能的变化规律进行研究，也要对微观尺度下黄土颗粒联结和排列的变化机理进行分析，同
时，黄土宏-微观现象跨尺度联合分析与黄土宏-微观典型参数的关系研究也十分必要。
近年来，学者们对黄土微观结构和宏观性能的关系进行了很多研究。叶万军等 ［4-5］ 通过 CT 扫描试
验分析了干湿循环过程中重塑黄土裂隙的演化规律及发育机理，并以此对重塑黄土宏观力学性能衰
［6］
减和黄土边坡剥落的原因进行了解释；田晖等 通过扫描电镜试验研究了干湿循环过程中重塑新黄土
［7］
微观结构的演化规律；许健等 通过三轴渗透试验对干湿循环过程中新黄土的渗透系数进行了分析，
［8］
利用 CT 扫描试验揭示了渗透系数演化规律的细观机制；潘振兴等 通过液塑限测定、直剪试验以及
核磁共振等手段分析了干湿循环过程中多种宏观和微观参数的演化规律；袁志辉等 ［9-10］ 通过三轴试验
和单轴压缩试验对压实黄土微观结构与宏观力学性能的关系进行了定性分析；郝延周等 ［11］ 发现黄土
的抗剪强度与干湿循环次数和干湿循环幅度均存在非单调关系，并基于干湿循环过程中黄土微观结

收稿日期：2021-10-11；网络首发时间：2022-04-01
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220330.1500.001.html
基金项目：国家自然科学基金项目（51908051，51978064）；中国博士后科学基金项目（2021M700534）
作者简介：刘禹阳（1989-），博士，副教授，主要从事黄土围岩恶化及隧道衬砌结构劣化研究。E-mail：Yuyangliu_LYY@chd.edu.cn
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