我国公路、建筑、矿山和水利等工程建设中，形成了大量以土体为主要基质的边坡工程，面临着土质边坡稳定性及防护难题（He et al.，2004）。在目前已知的诸多滑坡事故中，因土体含水率增加导致的土质边坡滑坡事故尤为常见。这是因为在自然条件下，土质边坡实质处于非饱和状态，其含水率随降雨和地下水渗入等情况而增加（Xu et al.，2015），土质边坡相应的黏聚力、基质吸力和内摩擦角等物理力学参数也会随之发生实质性变化，进而诱发边坡失稳，发生滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害（Peng et al.，2018；Shao et al.，2018）。因此，含水率是影响土质边坡稳定性的重要因素，研究含水率对土质边坡稳定性的影响特征，对工程建设安全和日常生产安全均具有重要意义。

众多学者对土体含水率与土体物理力学性质指标之间的关系及作用机理展开了研究，如：含水率与土体蠕变强度之间的关系（Chen et al.，2022），含水率与土体抗拉强度之间的关系（吴旭阳等，2022），以及含水率与土体抗剪强度之间的关系（王万平等，2022）。其中，有研究指出含水率与土体抗剪强度指标之间的关系较为密切，而土体抗剪强度在很大程度上决定着土质边坡的稳定性（Zhang et al.，2015）。随着含水率的增加，土质边坡的某一部分抗剪强度会减小，当该部分抗剪强度小于其承受的剪切力时，这部分边坡将发生剪切破坏，最终导致坡体整体发生变形、滑动和破坏（Gu et al.，2019）。这是因为在非饱和黄土中，黄土黏聚力和内摩擦角随含水率的增加而不断减小（Tian et al.，2021），与此同时，随着含水率的增大，黄土的基质吸力会降低（Zhong et al.，2015），土体残余强度也会降低（Lian et al.，2020），从而影响到非饱和黄土的整体抗剪强度。上述研究结果表明，含水率与黄土抗剪强度指标之间存在着密切关系，黄土抗剪强度指标减弱，最终会导致坡体整体失稳。

为进一步研究含水率与黄土抗剪强度指标之间的关系，诸多学者从分析土体细观结构的角度出发，利用核磁共振（Yuan et al.，2022）和CT（庞旭卿等，2016）等技术手段，探究不同含水率下土体孔隙水含量变化、持水特性和水赋存状态，土体内部结构等细观演变过程与黄土抗剪强度指标之间的关系。黄土抗剪强度随含水量变化的趋势源于土的微观结构、水分组成以及黏粒与水的相互作用的差异（Zheng et al.，2022），随着含水率的变化，土样微观结构也会发生变化，且土样孔隙中的水分分布也会发生变化（Chen et al.，2023）。黄土样品水分主要有2种存在状态：一是存在于小孔径中的结合水；二是存在于中大孔径中的自由水，自由水的占比越高则土样的抗剪强度越低（Wu et al.，2021）。上述研究结果表明，黄土细观结构变化和内部水分类型的占比都是引起黄土抗剪强度指标变化的重要因素，但土体细观结构变化与其内部水分类型变化是如何共同作用并影响黄土抗剪强度指标的机理过程尚有待深入研究。

为此，本研究选择甘肃“引大入秦”工程秦王川黄土作为研究对象，开展不同含水率下土样的直剪宏观力学试验，并利用核磁共振技术分析土体内部的孔隙变化规律，从细观角度研究不同含水率条件下甘肃秦王川黄土土体细观结构变化与其内部水分类型变化之间的联系，探究含水率影响甘肃秦王川黄土抗剪强度的机理。

土样取于甘肃省兰州市“引大入秦”工程现场，取样位置如图1所示。

根据《中华人民共和国岩土试验方法标准》（GB/T 1-50123），进行土样的基本物理性质测试，该土样的粒径分布如图2所示，基本物理指标见表1。

试验流程如图3所示，按照土工试验规范，将土样进行碾碎和烘干后，采用孔径为1.25 mm的孔筛对土样进行筛选。将土样配置成含水率为5%~30%的土样，含水率梯度为2.5%，共11个分组，将土样放置于密封袋中，静置24 h以上，确保土样含水率分布均匀后再进行直剪试验。直剪试验使用的仪器为四联直剪仪，设置垂直应力梯度为100 kPa，起始法向应力为100 kPa，各土样的垂直应力分别为100，200，300，400 kPa。参照原状土干密度为1.55~1.62 g/cm³，采用静压法制备成干密度为1.55 g/cm³、直径为39.1mm、高度为80 mm的圆柱状土样，用于核磁共振试验。核磁共振设备采用苏州纽迈科技有限公司生产的MesoMR23-060H型核磁共振分析仪，对不同含水率土样进行孔隙率和T₂谱测试。

将直剪试验所获取的结果进行整理，得到不同组样的应力—应变曲线，图 4所示为含水率为17.5%的秦王川黄土的应力—应变曲线。选取曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度，将其绘制成散点图，并对该散点图进行线性拟合，得到土样的垂直应力与剪切应力的关系如图 5所示。

根据拟合结果，求出含水率为17.5%的土样c和φ 值分别为34.75 kPa和30.79°。

土样的黏聚力随含水率的变化曲线如图 6所示。由图6可知，黏聚力随含水率整体上呈现先上升后下降的变化趋势。当含水率为5%时，土样的黏聚力为15.1 kPa；当含水率为 5%~12.5%时，土样的黏聚力随着含水率的增大而增大，且增大幅度较明显；当含水率达到12.5%时，土样的黏聚力为50.3 kPa，最大增加值为35.2 kPa；当含水率为12.5%~17.5%时，随着含水率的持续增加，黏聚力持续减小；当含水率为 17.5%~22.5%时，黏聚力持续减小，且减小幅度较上一阶段更大。

土样的内摩擦角随含水率的变化曲线如图 7所示，总体来说，随着含水率的增大，内摩擦角呈下降趋势，但变化幅度较小。不同的含水率范围内，土样的内摩擦角变化幅度存在差异。当含水率低于7.5%时，土样的内摩擦角随含水率的增大而略微增大，变化幅度较小；当含水率由7.5%增大至10%时，内摩擦角呈缓慢减小；当含水率为10%~20%时，内摩擦角随含水率的增大而缓慢增大；当土样含水率超过20%时，随着含水率的增大，内摩擦角出现小幅减小。

由图8可知，随着含水率的增大，土样的孔隙率也逐渐增大，当含水率由5%增大至30%时，孔隙率由1.21%增大至7.58%，增长幅度较大。不同的含水率区间，其孔隙率变化略有差异，当含水率为5%~20%时，随着含水率的增大，土体孔隙率呈近似直线型增大；当含水率为20%~25%时，同样出现孔隙率陡增的现象，这一结果与前面所述抗剪强度指标的变化趋势基本一致。

土壤样品中孔隙水的总横向弛豫时间（T₂）可表示为

式中：T_2f 为自由流体的自由弛豫时间（ms）；S_V为孔表面积（cm²）； V_V为孔体积（cm³）；ρ₂为横向表面弛豫率（μm/ms）； D为扩散系数； γ为旋转磁比［rad/（S·T）］；G为磁场梯度（Gs/cm）；T_E为回波时间（ms）。

当土样孔隙中只有一种流体时，体积弛豫对T₂的影响较小，因此T_2f 可以忽略不计，当对应的磁场梯度G较小，且使用短T_E时，扩散弛豫也可以忽略不计（王志新等，2015；吴连波，2024）。因此，式(1)可简化为

为了研究土壤中的孔隙尺寸分布，假设孔隙形状在理想条件下是圆柱形的（SV=2πrl,VV=πr2l），由式(2)可得到：

式中：d为孔隙直径（μm）；r为孔隙半径（μm）。

由式（3）可以看出，T₂与孔径成正比，因此T₂可用于表示孔径，且T₂曲线与样品含水率成正比，T₂曲线的信号值可用于表征样品中的孔隙体积。因此，核磁共振横向弛豫时间T₂谱分布反映了孔隙尺寸信息。

图9中每条土体T₂谱分布曲线有3个波峰，这些波峰对应于样品中不同孔径的孔隙，根据已有研究资料（赵景波等，1994），按照孔径大小将土样的孔隙划分为微小孔隙（孔径小于8μm）、中孔隙（孔径为8~32 μm）和大孔隙（孔径大于32μm）。从左到右，第1个峰为主峰，反映的是微小孔隙。随着含水率的逐渐增大，可以看出各曲线的波峰均不同程度地增长，尤其是主峰增长明显，表明随着含水率的增大，水分进入微小孔隙中，使得主峰信号增强，波动幅度增大。第2个波峰反映的是中孔隙分布情况，随着含水率的增大，波峰出现明显向右偏移的现象，峰值增加，说明当含水率增大时，土体内部的微小孔隙和中孔隙不断扩展，具有贯通成更大孔隙的趋势。第3个波峰反映的是大孔隙分布情况，当含水率较低时土样曲线第3个波峰并不明显，随着含水率的增大，第3个波峰信号逐渐增强，且波峰开始出现右移，说明当含水率增大时，水分进入大孔隙，且大孔隙的尺寸在不断增大。

根据T₂谱（图9）和式（2）可以推算出各含水率土样内部孔隙的孔径大小分布，公式中的ρ₂是参考Wang et al.（2022）研究，使用黄土横向表面弛豫率转换系数代替。将图9中所有T₂点代入式(3)，得到不同含水率情况下土样内部孔隙的孔径分布图（图10）。由图10可知，随着含水率的增大，土样内的微小孔隙所占比例减小，中孔隙和大孔隙所占比例增加，这与前面T₂谱所反映的土样孔隙变化趋势一致，说明在水的作用下土样内部的微小孔隙逐渐发展成更大尺寸的孔隙。当含水率为5%~20%时，大孔隙所占比例缓慢增加；当含水率达到20%以上时，大孔隙所占比例快速增加，这与前面土体孔隙率变化率表现一致，说明土体孔隙率快速增加是由于大孔隙占比增多导致的。

剪应力—剪切位移曲线的形态特征与含水率和垂直应力相关，且其孔隙率的变化也会影响滑带土抗剪强度。如图11所示，当土样含水率为5.0%~7.5%时，剪应力—剪切位移曲线表现为应变软化的特征；当土样含水率为10.0％~12.5％时，曲线表现为应变硬化特征。当土样含水率为5.0％~7.5％时，具有显著的软化特征，其剪应力—剪切位移曲线在上升区间的形态表现不规则。然而，当土样含水率为10％时，曲线形态开始发生变化，曲线较为光滑，由应变软化转变为应变硬化，随着剪切位移的增加，土样承受的剪应力也不断增大，且增大速率逐渐放缓。土体表现出较强的塑性，即通常定义的可塑性。

如图12所示，含水率较高的土样表面边缘在剪切过程几乎未发生破坏，而低含水率的土样表面边缘在剪切过程发生破坏，这一现象验证了剪切强度曲线的变化，即随着含水率的不断增大，土样的延性和可塑性不断增强。

黄土的构成单元划分为3个级次，第1级次由黏土矿物、方解石矿物、碳酸钙微晶和有机质等基本单元结构组成；第2级次为上述基本单元结构体组成的复合结构单元；第3级次为上一层次单元结构体聚集在一起的团聚体，其概念模型如图13所示。

土壤的黏聚力主要来自复合结构单元与团聚体之间水膜连接作用力和胶结作用力（Yang et al.，2022）。由图 6可以看出，黄土黏聚力随着含水率的变化呈现先上升后下降，划分为上升区间和下降区间，当含水率接近土体液限时，黏聚力趋于0。这一结果与我国马栏山地区黄土在不同含水率下的黏聚力变化结果类似（Li，2018）。产生该现象的主要原因是由于黄土内部的复合结构单元和团聚体主要由黏土矿物、游离氧化物、无机盐和有机物等胶结材料构成，根据 Gouy-Ster 双电层扩散层理论，溶液中靠近固体的离子受到固体表面的范德华力以及静电作用的吸引会紧紧贴合固体表面，形成吸附层（Ster层），其余距离较远的离子位于Ster层之外，构成双电层扩散层，扩散层的离子主要受静电作用力的影响。当土体含水率增大时，被固体表面离子吸附力捕获的水也会增加，形成水膜，靠近固体表面位于固定吸附层的结合水为强结合水，位于扩散层的结合水为弱结合水（赵明华等，2007）。当土壤含水率低于7.5%时，胶结作用不能完全生效，土体中的强结合未发育完全。随着含水率的进一步增大，当含水率达到12.5%时，达到最佳含水率，胶结作用充分生效，强结合水发育完全，土样黏聚力达到最大值。随着含水率的进一步增大，根据核磁共振结果，土样的孔隙率逐渐增加，且小、中孔隙中的水分不断增加，导致黄土颗粒表面水膜变厚，弱结合水开始发育，水膜作用力变弱。随着土样含水率继续由20%增大至25%，接近土样的液限（27.17%）时，孔隙中的自由水含量快速增加，如图14所示，土样的水膜连接作用力和胶结作用力失效，土体整体内聚力强度大幅下降。除此之外，随着土样中自由水含量的不断上升，土样的基质吸力也会受到影响（卢肇钧，1999；何攀等，2020）。

在非饱和土力学中，描述非饱和土体的总黏聚力可表示为

式中：c'为总黏聚力（kPa）；c0'为有效黏聚力（kPa）；ua-uw为基质吸力（kPa）；φb为吸力摩擦角（°）。如式（4）所示，总黏聚力c'由有效黏聚力c0'和基质吸力ua-uw所产生的力ua-uwtanφb共同组成，φb受含水率变化的影响较小，而基质吸力ua-uw受含水率变化的影响较大（邢鲜丽等，2014）。当含水率较低时，土样中含水的中、小孔隙较少，大部分孔隙处于与外界联通的状态，大部分土颗粒处于土—气界面，因此其基质吸力为0，如图15（a）所示。随着含水率的不断增大，土样中强结合水大量发育，越来越多的中、小孔隙中开始出现气—水—土界面，基质吸力不断增加，当含水率达到12.5%时，土样整体的基质吸力达到峰值，如图15（b）所示。随着含水率继续增加，当接近土样塑限时，弱结合水开始大量发育，部分土颗粒处于如图15（c）所示的只存在土—水界面，此时这些土体颗粒的基质吸力为0，因此土样的整体基质吸力开始快速下降。随着含水率的继续增大，当接近土样塑限时，土体中大部分土颗粒基质吸力为0，土样整体的基质吸力逐渐降为0，所以总黏聚力c'在含水量大于其塑限（14.16%）之后减少趋势变缓了，而试验结果中的总黏聚力c'在含水率为12.5%~15.0%时下降较快，且在含水率为15.0%~17.5%时出现下降较缓慢的现象，能够较好地验证上述结论。

当含水率低于12.5%时，内摩擦角随含水率的增大而逐渐减小。这是由于含水率的增大，导致团聚体中黏土矿物的润滑增加，减小了颗粒间摩擦阻力的作用，造成摩擦角减小。当含水率为12.5%~20.0%时，土样中的空隙增多，且水分含量增大，使团聚体内部孔隙发生膨胀，体积变大，土颗粒之间的摩擦增大，导致土样整体内摩擦角增大。当含水率逐步增大时，土颗粒间的表面结合水膜厚度增厚，土颗粒之间的水膜形态发生改变，由强结合水变为弱结合水再到自由水，导致团聚体之间的接触面积减小，且较厚的水膜也起到润滑作用，使得团聚体之间的摩擦力减小，土样整体内摩擦角也随之减小。这与前人研究基本吻合（陈佳雨等，2019；Nan et al.，2021；雷昊楠，2021）。因此，水对土体抗剪强度的影响主要表现为水对土体黏聚力的影响，而不是水对内摩擦角的影响。不同含水率下黄土剪切强度曲线差异和土样形态差异也说明了上述变化过程。当含水率较低时，土样的剪应力剪切位移曲线形态较为参差粗糙，这可能是土样颗粒与颗粒之间以强结合水膜为主，水膜的润滑作用较弱，在剪切过程中试样内部颗粒相对滑动摩擦力较大，发生破碎和错位等现象。然而，当含水率较高时，曲线形态逐渐光滑、连续，这是因为颗粒表面的强结合水膜转变为颗粒间的弱结合水，弱结合水在颗粒间的连结力较小，水膜对颗粒的限制减弱，除此之外还有部分自由水对土颗粒具有浸润作用，施加外力作用时，阻碍颗粒间相对滑动的阻力明显降低，使得黄土的延性和可塑性增强。

（1）随着土样含水率的增大，土样的孔隙率不断增大；黏聚力先增大，当靠近最优含水率附近时达到峰值，随着含水率的进一步增大，黏聚力迅速减小。相比黏聚力，内摩擦角的变化范围较小，随着含水率的增大，内摩擦角整体上呈现先下降后上升再下降的变化趋势。主要机理是：含水率的增加使得颗粒间的水分结合方式、基质吸力以及胶结连结程度发生改变，从而造成黏聚力变化；而黄土颗粒之间接触状态的改变导致内摩擦角发生变化。随着含水率的增大，黄土的延性得到增强。

（2）随着含水率的增大，土样中的水分会进入各种尺寸的孔隙中，并使得土体内部的微小孔隙不断发育、扩展并贯通成中、大孔隙。而大孔隙的增加会造成黄土土样整体孔隙率激增，同时降低了土体整体的抗剪强度。

（3）随着含水率的继续增大，土颗粒间水的赋存形式发生改变，从最开始的强结合水膜到弱结合水膜再到自由水，孔隙中开始形成较多的自由水，土样中的基质吸力消失，同时自由水起到润滑、减小颗粒间摩擦阻力的作用，同时颗粒间的联结作用不断被削弱，黏聚力不断降低，最终导致土样的抗剪能力减弱。