新疆伊犁谷地位于我国西部边陲，是“一带一路”倡议的重要节点，也是我国黄土主要分布区域之一[1]．黄土地区工程建筑的稳定性及地质灾害的孕育发展都与土体的抗拉特性密切相关，如黄土地裂缝、边坡和路基的张拉裂隙及黄土隧道开挖拱肩拉张落块等[2]．拉张裂隙降低了土体的强度，为雨水入渗提供了优势通道，造成土体内部含水量增高，强度降低[3]．由于拉张破坏引发的地质灾害及工程问题日益突出，因此黄土的抗拉强度研究也越来越受到重视．拉张裂缝的形成与土的抗拉强度密切相关[4]．文献[5]测定了低含水率下粒状土的抗拉强度，认为干密度和含水率对粒状土抗拉强度有着重要影响，并建立了粒状土抗拉强度模型，分析了颗粒直径和基质吸力对模型的影响．文献[6]建立了含水率与黏土抗拉强度关系式，从孔隙尺寸角度解释了含水率对抗拉强度的影响．文献[7]探究了原状黄土与重塑黄土的抗拉强度，并建立了强度与含水率、干密度之间的经验关系式．文献[8]从非饱和力学角度建立了抗拉强度与含水率之间的关系式．抗拉强度测试方法主要有间接法和直接法两种，间接法是通过测试土体其他强度参数，进而间接计算获得抗拉强度；直接法则通过直接拉伸装置测定抗拉强度，但土样制作及准备较为复杂，且往往存在夹持端的局部应力集中现象[9]．为此，本研究采用自行研制的全自动直接拉伸仪，结合粒子图像测速(PIV)系统，对不同含水率和不同干密度伊犁黄土开展抗拉强度试验，分析拉张裂缝的形成和发展过程，并通过核磁共振(NMR)和扫描电镜(SEM)分析，从水分赋存状态及微观结构演化角度揭示黄土抗拉强度的变化机理．1 试样基本物理性质及制备试验土样取自新疆伊犁谷地莫乎尔河滑坡后缘拉张裂缝附近，取样深度约为0.5 m，为Q3黄土．通过颗分、密度、液塑限和X射线衍射等试验，获得了颗分曲线、基本物理性质指标及矿物组分．试验黄土以粉粒为主，质量分数约为70.3%，黏粒质量分数约为27.5%，砂质量分数约为2.2%．可溶盐中，易溶盐质量分数为1.52%，主要为NaSO4，中溶盐质量分数为0.15%，主要为CaSO4，难溶盐质量分数为11.1%，主要为CaCO3．伊犁黄土的主要矿物成分为石英、伊利石、钠长石、绿泥石和方解石．本试验采用重塑黄土，将扰动黄土样在自然状态下风干，碾碎过2 mm土壤筛，添加水量至液限含水率附近，采用特制的拉伸仪制样器制备抗拉试样，再放入无水保湿缸内，利用水分自然蒸发来降低含水率，每隔一段时间称量试样质量，直至目标含水率；在达到目标含水率后，将试样用保鲜膜包裹，放入有水保湿缸中静置24 h，让土样内部水分充分运移并均匀分布后，开展试验．参考钻孔采取的原状黄土的基本指标，本试验设计干密度(ρd)为1.4，1.6，1.8 g/cm3；含水率(w)控制为6%，10%，14%，18%，22%，26%．2 试验装置与方法2.1　黄土抗拉试验抗拉试验采用的自制非饱和土拉伸仪及PIV系统如图1所示．拉伸仪由步进电机、丝杠滑台、位移传感器、拉伸盒、应力传感器和电脑主机组成，PIV由工业相机和摄影灯组成．10.13245/j.hust.210517.F001图1试验装置示意图非饱和土拉伸仪拉伸速度调节范围为0.01~10 mm/min，拉力最大量程为300 kN，精度为0.1 kN；PIV通过对试样连续拍照，对比连续照片中标记点位移，可分析试样拉张裂隙发育过程及局部变形特征[10]．拉伸试验前在黄土试样上均匀撒上一层0.5 mm红色石英砂，作为PIV标记点．设置拉伸速率为0.02 mm/min，PIV拍照时间间隔为3 s．当试样产生明显拉张裂缝，拉应力降为0时，视为试样完全受拉破坏，拉伸仪停止工作．在试验结束后，将试样密封保存待用．2.2　核磁共振试验核磁共振技术由于其快速、有效、非接触和无损特性的特点，广泛应用于样品水分种类及含量测试中[11]．核磁共振可获得横向弛豫时间T2，T2可以反映水的状态，T2越长说明水分子运动性越强，所受束缚力越弱；反之水分子运动性越弱，所受束缚力越强[12]．T2曲线峰面积可反映不同状态水的相对含量．本次核磁共振试验的样品干密度与含水率与拉伸试验试样相同，制样过程与抗拉试样保持一致，制样完成后密封，并迅速开展测试．2.3　扫描电镜试验扫描电镜试验采用与核磁共振相同的土样．在完成核磁共振测试后，将试样切成2 cm×2 cm×2 cm的块状，用液氮迅速冷冻，然后放入冷冻风干机中冷冻抽真空，使黄土试样中水升华，最大限度保存黄土试样结构，再将试样小心掰开，在断口处喷金，增加试样导电性能．3 试验结果与分析3.1　抗拉强度分析如图2所示，图中Rm为抗拉强度．可以看到：重塑黄土的抗拉强度受含水率和干密度影响显著，抗拉强度在1.31~115 kPa的较大范围内变化．随着含水率的降低，黄土抗拉强度上升，变化曲线可划分为两个直线变化阶段，两阶段之间存在一个界限含水率wc，大小约为18%(塑限含水率附近)．当含水率大于wc时，抗拉强度较小，伊犁黄土抗拉强度随含水率的降低呈现缓慢上升趋势；当含水率小于等于wc时，抗拉强度随含水率的减小而迅速增大．此外，随着干密度的增大，抗拉强度总体呈逐渐增大趋势，干密度的影响在不同含水率区间呈现一定的差异性：当含水率较高时(18%w26%)，随干密度增加，抗拉强度-含水率的变化斜率逐渐增大；而在低含水率区间(w≤18%)，抗拉强度-含水率的变化斜率在干密度从1.4 g/cm3增加至1.6 g/cm3时呈现增大的趋势，此后随干密度继续增加，曲线斜率几乎保持恒定，表明此时抗拉强度的增幅只受含水率的变化程度影响．10.13245/j.hust.210517.F002图2伊犁黄土抗拉强度3.2　拉张破坏过程分析随着含水率变化，拉伸破坏模式可分为塑性破坏和脆性破坏：a. 当含水率大于wc时，应力(σt)-应变(ε)曲线呈现塑性破坏形式，在抗拉强度达到峰值后，试样出现一定的塑性变形，之后强度逐渐降为零；b. 当含水率小于等于wc时，σt-ε出现脆性破坏模式，当抗拉强度达到峰值时，黄土试样瞬间断裂破坏，抗拉强度迅速降为零．以干密度为1.6 g/cm3试样为例，PIV记录了试样变形及裂缝形成过程．以含水率为10%为例，如图3所示，结合应力-应变曲线，可将脆性破坏划划分为两个阶段：阶段Ⅰ为结构调整阶段，拉应力随着拉伸应变增大而逐渐增大，直至峰值强度，试样没有产生裂缝；阶段Ⅱ为裂缝快速贯通阶段，拉应力迅速从峰值降为零，裂缝瞬间贯通．由于脆性破坏发生时间较短，没有捕捉到裂缝破坏过程的照片，因此没有相应的PIV分析照片．10.13245/j.hust.210517.F003图3脆性破坏应力应变曲线以含水率18%为例，如图4所示，塑性破坏可细分为四个阶段：阶段Ⅰ为结构调整阶段，阶段Ⅱ为微裂缝发育阶段，阶段Ⅲ为裂缝形成阶段，阶段Ⅳ为裂缝贯通阶段．10.13245/j.hust.210517.F004图4塑性破坏应力应变曲线PIV捕捉了上述塑性破坏各个阶段裂缝发育特性，如图5所示，图中：a为试样裂缝区照片，可以直观观察到试验表面裂缝形成过程；b为试样裂缝区位移矢量图，可以观察试样中标记点的运动方向及大小；c为试样裂缝区应变云图，可以观察试样应变大小．在阶段Ⅰ，试样表面未形成裂缝，拉应力缓慢增加，位移矢量图表明，试样顶部出现微小位移差，从应变云图中可看到试样顶部应变较大，预示着裂缝将从顶部开始形成，此时土体结构发生调整；进入阶段Ⅱ，试样顶部形成微裂缝，拉应力逐渐增加至峰值，应变云图显示应变较大区域与微裂缝一致，且裂缝尖端附近应变最大，此时试样局部结构发生破坏；在阶段Ⅲ，试样表面宏观裂缝逐渐形成，拉应力迅速降低，裂缝两边出现明显位移差，且位移方向基本与裂缝垂直，应变云图显示试样底部应变较大，已经形成潜在贯穿裂缝，土样结构大部分发生破坏；进入阶段Ⅳ后，试样表面裂缝逐步向下贯通，拉应力逐渐减小至零，从位移矢量图中看到，裂缝左上半部分位移基本为零，已经和右上半部分分离，此时试样底部应变较大，裂缝已经从上至下贯通形成，土体结构完全破坏．10.13245/j.hust.210517.F005图5塑性破坏PIV分析图3.3　核磁共振试验结果以上试验结果表明：当含水率达到某一界限含量时，试样的拉伸破坏模式及抗拉强度均呈现阶段性转变，这一趋势规律暗示随着土体含水率改变，水分赋存形态以及土-水作用模式发生了某种转折性变化．以干密度为1.6 g/cm3黄土试样为例，不同含水率试样核磁共振T2曲线如图6所示，图中B为核磁共振信号强度．可以看出：T2曲线出现两个明显峰值，第一个峰(左边)T2较小，反映水的束缚性较强，对应于结合水，第二个峰(右边)T2较长，对应毛细自由水[13]．10.13245/j.hust.210517.F006图6不同含水率试样核磁共振T2曲线去除T2曲线中误差点，利用核磁共振仪器自带软件，可反演求解T2积分面积，T2面积反映不同状态水分的相对含量．不同状态水分含水率变化曲线如图7所示，图中：wb为结合水质量分数；wf为毛细自由水质量分数．10.13245/j.hust.210517.F007图7不同状态水含水率变化曲线可以看到：在18%w26%范围内，水分蒸发主要对应着毛细自由水部分的迅速减少，结合水只发生少量的缓慢降低；当w≤18%时，含水率的进一步降低主要由结合水的迅速减少造成，由于毛细自由水含量已经很低，因此降低较为缓慢．两种水分形态的这一变化规律，为黄土抗拉强度及破坏模式的阶段变化特征提供了解释．重塑黄土的抗拉强度主要来源于两种作用力：由结合水膜的物理化学作用和颗粒间的分子引力所形成的原始凝聚力；由非饱和基质吸力和毛细吸力所形成的附加凝聚力(强度)[8]．显然，第一种作用力与结合水含量与分布密切相关，而基质吸力或毛细吸力则主要取决于毛细自由水的含量变化和分布状态．由于黄土的抗拉强度主要由原始凝聚力所主导，非饱和基质吸力所形成的附加强度部分贡献相对较小，因此在毛细自由水大量脱失阶段(18%w26%)，抗拉强度只出现了缓慢的增加；反之，在结合水大量减小阶段(w≤18%)，随着结合水膜变薄，土颗粒与水分子之间的短程物化作用增强，颗粒之间的分子作用力显著增加，原始凝聚力快速恢复提高，表现为抗拉强度的迅速增大．在高含水率状态下，黄土内部含有大量毛细自由水和结合水，形成毛细弯液面，润滑、软化土颗粒，土体呈现软塑状，在拉应力作用下呈现塑性变形．随着含水量的减少，自由水迅速降低，当接近界限含水率wc时，黄土内部主要是结合水，土颗粒之间形成结合水膜的液桥联结[14]．随着含水量的进一步减少，结合水膜厚度迅速减小，土样稠度从可塑状态向半固态和固态向转变，因此拉伸破坏模型从塑性破坏开始向脆性破坏转变．3.4　扫描电镜结果图8为干密度为1.6 g/cm3时不同含水率试样的扫描电镜照片．从图8(a)可以看到：当含水率为26%时，由于黄土孔隙中充填毛细自由水，细(黏)粒组分发生水化作用，可见片状黏粒如同纤丝状连接于黄土骨架颗粒之间(红圈所示)，这种丝状分散的黏粒胶结作用显然较弱，此外，还可见支架大孔隙较为发育(白框所示)，土样的抗拉强度很低．当含水率降低至18%时，如图8(b)所示，由于孔隙水逐渐减少，黏粒开始发生凝聚(红圈所示)，骨架颗粒之间的黏粒胶结程度增加，部分黏粒聚合体填充于黄土孔隙中(白框所示)，土体整体结构提高，抗拉强度呈现一定程度的提高．图8(c)为当含水率降低至6%时的结构形貌，此时黏粒凝聚程度显著提高，附着在黄土颗粒表面或填充于孔隙中，颗粒边界轮廓变得模糊(红圈所示)，黏粒胶结作用增加，孔隙减小(白框所示)，整体结构变得稳固，因此低含水率下的这一微观结构状态对应较高的宏观抗拉强度．10.13245/j.hust.210517.F008图8不同含水率的伊犁黄土微观结构照片(×1 500)综合核磁共振试验及扫描电镜观察结果可以得到如下结论．a. 当试样含水率较高时(w=26%)，黄土孔隙中存在毛细自由水，黏粒湿化分散，以纤丝状连接于骨架颗粒之间，颗粒间胶结较差，土样整体结构稳固性较差，抗拉强度较低．b. 随着含水率的降低(18%w26%)，毛细自由水部分大量脱失，分散的黏粒出现了部分凝聚，胶结于黄土颗粒之间，部分填充了孔隙之中，此外土样非饱和程度提高，基质吸力增大．上述因素共同作用，使抗拉强度在一定程度上缓慢增大．c. 当含水率较低(w≤18%)时，毛细自由水含量很低，脱失量趋于平稳，但结合水开始迅速减少，黏粒大量凝聚于骨架颗粒之间，胶结黄土颗粒，并填充于孔隙之中，增强了土样的整体结构稳定性．此外，随着结合水膜减薄，水膜与土颗粒的物化作用力增强，颗粒之间的分子作用力提高，原始凝聚力快速恢复，使得该阶段内抗拉强度迅速增大．4 结论本研究通过自行研制的土体拉伸强度测定仪，并借助PIV，NMR和SEM探究了黄土抗拉强度变化特征及拉张裂缝形成过程．主要得出以下结论．a. 重塑黄土的抗拉强度随含水率下降而增大，且存在一个界限含水率wc=18%(塑限含水率附近)，当含水率大于wc时，抗拉强度上升缓慢；当含水率小于等于wc时，抗拉强度迅速上升．随着干密度的增大，抗拉强度总体呈上升趋势，且干密度的影响在不同含水率区间存在一定的差异性．b. 当含水率大于wc时，黄土呈现塑性破坏，可分为结构调整阶段、微裂缝发育阶段、裂缝形成阶段和裂缝贯通阶段．当含水率小于等于wc时，黄土呈脆性破坏，可分为结构调整阶段和裂缝快速贯通阶段．c. 水分赋存形态、土-水作用机制及微观结构特征是控制黄土抗拉强度呈阶段性变化的关键因素．当含水率较高时(w=26%)，黏粒水化分散，骨架颗粒之间的黏结强度丧失，且结合水膜发育，原始黏聚强度丧失，抗拉强度较低．随着含水率降低(18%w26%)，毛细自由水大量脱失，分散的黏粒也出现了部分凝聚，胶结于颗粒之间，且非饱和基质吸力增大，一定程度上增加了黄土抗拉强度．当含水率继续降低(w≤18%)，由于结合水迅速脱失，大量黏粒凝聚填充于骨架颗粒间，黏粒胶结作用恢复，整体结构提升．此外，水膜与土颗粒间短程物化作用增强，颗粒之间的分子作用力显著增加，原始凝聚力快速恢复，抗拉强度迅速上升．