凍融循環對結構性黃土構度指標影響研究＊

楊更社，魏 堯，田俊峰，趙 軒，葉萬軍

(西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安710054)

0 引 言

黃土作為一種第四紀沉積物，強度特性均與其結構性有著密切的聯系。黃土的結構性從宏觀來說，主要是指其抵抗破壞而保持原狀的能力;從微觀上來說，主要是指黃土顆粒的排列和聯接方式。水、溫度、外部荷載等因素可以改變土顆粒之間的連接和排列方式從而改變黃土的結構性。

胡再強［1］通過對室內原狀黃土、人工制備結構性黃土的各項試驗，研究和非飽和黃土結構性、壓縮特性及其影響因素。謝星［2-3］建立了Q2黃土的統計損傷本構模型。宋春霞［4-5］認為不同干密度的土弱化和強化作用不同，凍融作用對前期的固結壓力也有影響。葉萬軍［6］根據影響黃土路塹邊坡斷面設計的5 個指標，建立了邊坡設計各指標的模糊判斷矩陣，將定性指標轉化為模糊值。肖海斌［7］對人工凍土進行單軸壓縮試驗，分析了抗壓強度與溫度和含水量的關系。鄭志勇［8］深入探討了銅川黃土滑坡的地質和非地質因素、形成機理及發育過程，提出了具有一定操作性的防治對策。宋志剛［9］對上海第④層淤泥質粘土凍融前后的無側限抗壓強度進行了試驗研究。

郭利平［10］結合黃土的抗拉特性，探討并建立了基于開挖擾動引起黃土邊坡剝落破壞的分析模型。連江波［11-12］對楊凌黃土進行多次凍融循環試驗，探索其結構性。董曉宏［13］探討了長期凍融循環下黃土的強度劣化特性。葉萬軍［14］等對不同含水量洛川Q2黃土開展不同凍結速率條件下土樣結構細觀分析及室內直剪試驗。葉萬軍［15］在開放不補水條件下，對洛川黃土開展了凍融試驗，分析了凍融循環對洛川邊坡黃土的影響及其對邊坡剝落災害產生的機制。李曉媛［16］對凍融循環條件下改性黃土進行無側限抗壓強度等試驗，探討了凍融循環對改性黃土的影響。

高建偉［17］對山西河曲黃土進行了無側限抗壓強度的試驗，研究了黃土無側限抗壓強度、彈性模量與含水量、干密度的關系。羅愛忠［18］對不同初始結構性黃土在單軸壓力下的結構性變化特性進行了規律研究。陳存禮［19］對一定試驗含水量及干密度下具有不同結構性(排列)的壓實黃土試驗進行了無側限壓縮試驗，探討其內在規律性。杜海民［20］開展了高含冰(水)量粉質砂土的單軸抗壓強度系統性測試。文獻［21］等對凍融循環后的陽曲黃土進行了CT 掃描試驗、物理力學試驗，分析了凍融對黃土細觀損傷、物理力學性質的影響。

對于黃土的構度指標，邵生俊［22］沿用綜合結構勢的思想，通過原狀土、重塑土和飽和土的無側限抗壓強度試驗，由原狀土和重塑土的無側限抗壓強度比較反映土的結構可穩性，表達的是土顆粒的聯接特性，由飽和土與原狀土的無側限抗壓強度比較反映土的結構可變性，表達的是土顆粒的排列特性，定義了如下構度指標

式中 (qu)o，(qu)r，(qu)s分別為原狀土、重塑土、飽和原狀土的無側限抗壓強度;m1反映了結構可穩性;m2反映了結構可變性。

在廣大的短期凍結黃土地區正在進行著大開發，由于在黃土地區進行隧道工程無成熟的經驗可循，且黃土特殊的結構性，在經歷外界溫度變化和自身含水率變化綜合作用的前提下，經常發生塌方或者病害等災害的發生，給黃土覆蓋地區的隧道工程建設帶來了巨大的困難。另一方面，針對不同凍融循環次數下黃土的無側限抗壓強度結果尚不多見，文章以山西陽曲一號隧道黃土為研究對象，利用單軸壓縮設備對其經過不同凍融循環次數后的單軸壓縮強度分析，依據邵生俊提出的綜合結構勢和構度的概念對陽曲黃土的結構性進行定量分析，研究成果可運用于短期凍結黃土地區的工程地質的設計和施工。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣選取

試驗所用的原狀土樣均取自山西陽曲1 號黃土公路隧道新開挖土體。經過試驗，可知試樣天然含水率為22.65%，計算可得天然狀態下的塑性指數Ip為15.5，液性指數IL為0.30.

對原狀土樣采用水膜遷移法進行增濕和自然風干減濕，當含水率達到試驗所需含水率控制點時，將土樣在保濕器內密封養護24 h，使試樣內部和表面水分分布均勻，達到誤差率不超過1%要求的含水率。首先制備好含水率為14%的土樣，隨后采用水膜轉移法將低含水率土樣配制成高含水率土樣，根據理論計算所配水量的多少，用5 mL的醫用注射器在試樣表面各處緩慢、均勻滴入預定的水量，然后把試樣放置在一密閉的養護缸里養護數天，使水分在水膜壓力的作用下逐漸轉移，最后均勻分布在試樣內部，達到該試樣含水率配制的目的。飽和試樣的制備時，將裝有14%試樣的飽和器置于無水的抽氣缸內，進行抽氣采用抽氣飽和辦法進行飽和。

重塑土樣的制備依照GB/T50123 -1999《土工試驗方法標準》，首先將黃土碾碎，過2 mm 篩后測定風干后含水率，然后進行配土試驗。將需加的水量噴灑到土料上拌勻，稍靜置后裝入塑料袋，然后置于密閉容器內至少24 h，使含水率均勻，然后進行土樣制備，設計土樣分別制成14%，18%，22%，26%和飽和含水率32%.

1.2 試樣設備

凍融試驗采用東莞市環瑞環境測試設備廠生產的RTP-175BU 可程序高低溫試驗箱(圖1)，平衡調溫控制系統(BTC)，以P.I.D.方式控制SSR，使系統加熱量等于熱損耗量，故能長期穩定使用。各項參數為溫度可控范圍為-30 ～50 ℃，溫度波動度為±0.5 ℃，溫度偏差:≤±1.0 ℃.

圖1 RTP-175BU 型高低溫試驗箱Fig.1 RTP-175BU high low temperature test box

壓縮試樣采用南京土壤儀器廠有限公司生產的YYW-2 型應變控制式無側限壓力儀，最大測力為0.6 kN，速率為2.4 mm/min. 無側限單軸抗壓強度是固結圍壓等于0 時一種不固結不排水試驗。

1.3 試驗方法

每組無側限抗壓強度需制備直徑為39.1 mm，高度為80 mm 的原狀、重塑土樣(圖2)，將制備好不同含水率的土樣放置在RTP -175BU 可程序高低溫試驗箱，設置溫度-15 ℃凍結12 h 后，設置溫度15 ℃融化12 h，為1 次凍融循環。重復多次可得0(其中0 次是未經凍融循環)、1，3，5，10 次凍融循環土樣(圖3)，取出試樣后分別對其進行無側限單軸抗壓強度。

圖2 無側限壓力儀Fig.2 Unconfined pressure instrument

圖3 凍融循環試樣Fig 3 Freeze-thaw cycle test specimens

2 實驗結果與分析

在不同含水率黃土力學性質試驗中，實際配制土體含水率為14.05%，18.07%，22.03%，26.08%，32.03%作為含水率控制點進行比較，保證所有試樣的干密度均為(1.45 ±0.05)g/cm3。為了比較相同含水率條件下，不同凍融循環次數對黃土物理力學性質的影響，在文中含水率一律略去試樣制備時含水率的誤差，采用理想值作為含水率控制點進行比較。

圖4 不同含水率原狀黃土應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of intact loess with different water content

圖5 不同含水率重塑黃土應力應變曲線Fig.5 Stress-strain curve of remolded loess with different water content

從圖4，圖5 可得出以下特點

1)原狀和重塑樣在含水率變大的過程中，無側限單軸抗壓強度均減小，呈現出相同的變化趨勢，但原狀土樣的無側限單軸抗壓強度均高于同含水率的重塑土的無側限單軸抗壓強度，表現出來明顯的結構強度。

2)對于原狀和重塑土樣，當含水率為14%，18%，22%時，都具有明顯的峰值強度點，屬于脆性破壞。應力-應變曲線有上升階段，當處于上升階段時，土體結構穩定，變形小，土顆粒之間無滑移，土單元基本上呈彈性變形階段。當土的結構性不足以抵抗軸向壓縮荷載時，土骨架遭受到破壞，軸向應力出現峰值，土顆粒之間出現滑移變形，部分顆粒的聯接破損后出現微裂紋。這表明原狀土相比同含水率的重塑土，具有明顯的結構性，應力突降的點就是原狀土結構性被破壞的點。

3)對于原狀和重塑土樣，當含水率高于26%時，應力應變曲線基本上呈直線，呈現出應變硬化特性。可知含水率較大時，土中水對土的結構性影響較大。

4)試樣在飽和過程中，原狀和重塑黃土結構性中的水敏勢得到充分釋放，水膜的進入將會改變了原生礦物的粒間結合，次生黏土礦物顆粒形成的粒間膠結發生分解，從而使土結構性發生了明顯的改變，單軸壓縮結構強度表現出明顯的降低;骨架顆粒間膠結的喪失及顆粒的均勻排列，形成了一種新的穩定的次生結構。

以含水率為22%的黃土凍融循環后的無側限單軸抗壓強度曲線為例，分析凍融循環次數對黃土無側限單軸抗壓強度的影響。

圖6 含水率22%原狀黃土凍融循環后應力應變曲線Fig.6 Stress-strain curve of moisture content 22% of intact loess after freeze-thaw cycle

從圖6，圖7 可得出以下特點

1)隨著凍融循環次數的增加，含水率為22%的原狀黃土和重塑黃土的無側限單軸抗壓強度均減小，這是因為凍融循環通過土中水破壞了土顆粒的聯接，致使土樣強度降低的緣故。經歷相同凍融循環次數后，原狀土樣的無側限單軸抗壓強度始終大于重塑土樣的無側限單軸抗壓強度。

2)隨著凍融循環次數的增加，原狀土樣和重塑土樣的結構強度均呈現減小的趨勢，且其抗壓強度峰值點呈現減小的趨勢。

圖7 含水率22%重塑黃土凍融循環后應力應變曲線Fig.7 Stress-strain curve of moisture content 22% of remolded loess after freeze-thaw cycle

3)在相同含水率，不同凍融條件下，原狀黃土試樣的無側限單軸抗壓強度要明顯高于重塑黃土試樣。依據綜合結構勢思想分析，土體重塑過程實際為土體顆粒排列組合的重分布過程，重塑導致黃土試樣原生結構性得到釋放，擾動重塑使土體顆粒的排列較原狀土體更加均勻化，粒間的大孔隙及豎向裂隙消失，繼而影響到了黃土結構性的改變。

3 構度指標分析

長期以來土體的結構性由于缺乏一個定量描述其初始結構性的參數，使其處于土的基本物理力學性質研究的框架之外。因此，將構度結構性參數作為初始結構性的狀態量，與土的粒度、密度和比重一起作為土體物理力學性質研究的框架內容，將更能反映結構性土的強度、變形等基本宏觀力學性質，如果進一步將其反映到結構性宏觀力學行為中，必將為實際工程應用帶來很好的發展前景。

圖8 含水率為14%時土樣凍融循環后的可穩定和可變性Fig.8 Stability and variability of 14% water content sample after freeze-thaw cycles

圖9 不同含水率黃土構度隨凍融循環次數變化圖Fig.9 Structure index with different water content after freeze-thaw cycles

從圖8，圖9 可知以下特點

1)當含水率一定時，土樣經歷凍融循環后，其結構可穩性總體呈現減小趨勢，說明凍融循環使得土顆粒之間的聯接破壞，土顆粒聯接能力減小。可變性呈增加趨勢，變化不大，說明凍融循環通過改變土顆粒的聯接改變了土顆粒的排列，新的排列方式更易發生破壞。

2)隨著含水率和凍融循環次數的增加，黃土的構度值不斷減小。這是由于土樣可穩性變小，可變性變大的影響。表明隨著含水率和凍融循環的增加，土顆粒的結構性被破壞，土體構度值減小，說明土體結構性減弱，更易破壞。

3)黃土的構度隨初始含水率的變化曲線規律比較相似，含水率對初始結構性的影響在圖9 中可以分為2 個不同的階段:當凍融循環次數在0 ～5次時，凍融次數對黃土的結構亞穩定狀態的影響較小，初始結構強度的損失也相對減小，結構的可變性相對較大，黃土的初始結構性較強，在凍融循環次數繼續增大后，構度指標隨凍融次數的增大出現驟減，說明凍融作用對黃土的結構性影響明顯;當黃土的凍融次數達到一定值以后，構度指標受凍融循環的影響變化較小，可以理解為凍融次數的增大使得黃土試樣在凍融循環后，土體內部土顆粒發生相對運動，隨凍融次數的增加，土顆粒運動劇烈，導致土體內部出現凍融裂縫，土體強度變化迅速，從而對構度指標的影響相對較大。

試樣天然含水率為22.65%，從圖10 可以看出，當含水率高于天然含水率，黃土構度將出現大幅度下降現象，且黃土構度將在一定值上下浮動。

圖10 不同凍融循環次數黃土的單軸抗壓強度與構度指標Fig.10 Relationship between structural index and uniaxial compressive strength after different freeze-thaw cycles

圖11 不同凍融循環次數黃土的單軸抗壓強度與含水率關系Fig.11 Relationship between water content and uniaxial compressive strength after different freeze-thaw cycles

從圖8 ～圖11 所顯示出的規律可以看出，除了黃土物質成分、特性狀態、相對含量的變化外，它們之間的相互作用也是構成土體的初始結構性具有典型時空變異性的根本原因，土體在外部環境變化條件下所表現出的宏觀力學特性的變化僅僅是土體結構在不同力系作用下綜合表現。它一方面受制于土體粒度、密度及濕度的變化，另一方面還取決與土體所賦存的初始結構狀態，它在土的生成過程及生成環境中形成。

4 結 論

凍融循環和土中水是土體壓縮強度的2 個重要因素，不同含水率和凍融循環次數下，無側限抗壓強度、構度表現如下特性。

1)原狀和重塑樣在含水率變大的過程中，單軸抗壓強度均減小，呈現出相同的變化趨勢，但原狀土樣的單軸抗壓強度均高于同含水率的重塑土的單軸抗壓強度，表現出來明顯的結構強度。2 類土樣含水率低于天然含水率時，應力-應變曲線有上升階段，當處于上升階段時，土體結構穩定，變形小，土顆粒之間無滑移，土單元基本上呈彈性變形階段。當土的結構性不足以抵抗軸向壓縮荷載時，土骨架遭受到破壞，軸向應力出現峰值，土顆粒之間出現滑移變形，部分顆粒的聯接破損后出現微裂紋，都具有明顯的峰值強度點，出現了應變軟化現象，屬于脆性破壞。當含水率高于天然含水率時，出現了應變硬化特性，土樣無峰值點。這表明原狀土相比同含水率的重塑土，具有明顯的結構性，應力突降的點就是原狀土結構性被破壞的點。

2)相同含水率下的土樣在經歷凍融循環后，單軸抗壓強度隨著凍融循環的次數降低，經歷相同凍融循環次數后，原狀土樣的抗壓強度始終大于重塑土樣的抗壓強度。

3)隨著含水率和凍融循環次數的增加，黃土的結構可穩性值降低，可變性值增大，黃土的構度值不斷減小。這是因為隨著含水率的增加，原狀黃土的結構性不斷被破壞，構度隨之減小。隨著凍融循環次數的增加，凍融對土中自由水的凍脹和融沉作用，破壞了土顆粒之間的聯接作用，造成了構度的減小。

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