凍融循環作用對黃土力學性質損傷的試驗研究

龐旭卿，胡再強，劉寅，3

(1.西安理工大學 土建學院，陜西 西安 710048；2.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；3. 中國電建集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065)

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凍融循環作用對黃土力學性質損傷的試驗研究

龐旭卿1，2，胡再強1，劉寅1，3

(1.西安理工大學 土建學院，陜西 西安 710048；2.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000；3. 中國電建集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065)

摘要:通過對陜西楊凌Q3黃土進行不同初始含水量、不同低溫溫度及不同凍融循環次數條件下的靜三軸剪切試驗，揭示不同初始含水率、不同低溫溫度及不同凍融循環次數對黃土力學性質影響的過程與機理，基于極限平衡法建立凍融循環作用下強度參數的損傷模型。研究結果表明：黃土強度參數隨凍融循環產生劣化，黃土的黏聚力c開始時凍融循環劣化效應強烈，在經過5～7次凍融循環后，黏聚力達到一個穩定值，當含水量很高時黏聚力下降不明顯，內摩擦角φ隨凍融循環次數無明顯變化；建立的強度參數值隨凍融循環次數增加的損傷模型能夠很好地反映凍融循環作用下黃土抗剪強度的折減劣化規律，該損傷模型對凍融損傷作用下黃土地區的工程設計與施工具有指導和借鑒意義。

關鍵詞：黃土；力學性質；凍融循環；損傷模型

長期以來，凍脹和融沉一直是寒區工程凍害問題的主要問題，凍融災害的存在與發展給凍土區環境與開發帶來極大影響[1-7]。大量工程案例表明[8-12]，在寒區進行各種工程活動，如管道施工、路基壓實、路塹開挖及邊坡處理等，土體都會受到凍融作用的影響，凍融作用是導致季節性凍土區構筑物工程性質劣化的重要原因之一。因此，在計算地基及路基的沉降變形和邊坡的穩定性分析時，都需要考慮凍融作用下土體物理力學性質的變化。國內20世紀90年代左右才開展關于凍融循環的研究，雖起步較晚，但也取得了豐碩的成果。唐益群等[13-14]分別進行了凍融作用下粉質黏土、軟巖類材料的物理力學性質試驗研究，韓春鵬等[15-16]分別研究了凍融作用下纖維土、水泥土強度變化規律。關于凍融作用對黃土力學性質的影響，研究發現經過凍融作用后的土體抗剪強度有所降低，有人卻認為抗剪強度經過凍融作用之后有所增加，還有人研究發現凍融作用前后土的強度變化不大；土體在融化中，強度的衰減與土的類型有很大的關系[17-18]，宋春霞等[19]認為凍融循環對不同干容重的土具有強化和弱化的雙重作用，倪萬魁等[20-22]認為反復凍融下黃土抗剪強度有明顯的劣化現象，張輝等[23]認為凍結溫度對不同含水率原狀土樣凍融后黏聚力與內摩擦角的影響不顯著。本文以陜西楊凌Q3黃土為研究對象，通過對不同含水量的重塑黃土進行不同凍融循環次數條件下的三軸試驗，研究不同含水量的黃土在凍融循環條件下的力學特性，從而為黃土地區工程建設中的凍融災害防治提供科學依據。

1試驗方案設計

1.1樣品的制備

試驗樣品取自陜西楊凌，屬Q3黃土，土樣制備根據 GB /T 50123-1999《土工試驗方法標準》的

要求制樣，經過擊實試驗及顆粒分析試驗后獲得土樣物理性質指標，圖1及表1分別為試驗區原狀黃土的級配曲線與基本物理性質指標。

將所取土樣過2 mm篩用于制作試驗土樣，將過篩的土用蒸餾水配成含水率為17%(接近天然含水量)、21%和飽和樣(用抽氣飽和的方法制成)。采用干密度控制土樣密實度，試樣的干密度取1.3 g/cm3，試樣的底面積為12.06 cm2，試樣高8 cm。

1.2試驗方案設計

試驗分為兩大部分，不同低溫溫度條件下的三軸試驗和不同凍融循環次數條件下的三軸試驗。

1)不同低溫試驗。將不同含水量試樣組分別在恒溫條件-10，-5，0和5 ℃的試驗冰箱中靜置48 h，靜置后對試樣進行不固結不排水剪；溫度回彈試樣組重復進行恒溫條件-10，-5和0 ℃下48 h的靜置，隨后將溫度調至5 ℃對試樣消融 24 h 后同樣進行不固結不排水剪。溫度回彈組所得到的黃土強度回彈參數與之前靜置在5 ℃的試驗組進行比較。

2)凍融循環試驗。對不同含水量試樣組進行凍融循環試驗 (凍融循環凍結溫度為-10 ℃，融化溫度為10 ℃)，選取凍融周期為48 h (冷凍24 h，融化24 h)，分別進行0，1，3，5，7，9和12次的凍融循環，隨后進行固結排水剪。三軸試驗獲得黃土的強度參數，從而比較不同凍融循環次數對強度的影響。

圖1　土樣的粒度組成Fig.1 Soil sample size composition

相對密度液限/%塑限/%最優含水率/%最大干密度/(g·cm-3)顆粒組成/mm>0.0750.075～0.005<0.0052.6828.717.5201.6216.562.820.7

2試驗結果及分析

2.1不同低溫條件下黃土的強度參數變化

在不同低溫溫度條件下試驗結果的基礎上，進行溫度回彈對照組試驗，試驗強度參數黏聚力c和內摩擦角φ的變化趨勢見圖2～3。

圖2　黏聚力c劣化趨勢Fig.2 Deterioration trend graph of cohesion

由圖2可見，不同含水量黃土試樣在不同低溫凍結并溶解后試驗所得黏聚力c都明顯降低，以17%含水量試樣的試驗結果為例，由0 ℃回彈至5 ℃的試樣黏聚力43 kPa降至20 kPa，比5 ℃標準組的24 kPa劣化了4 kPa；由-5 ℃回彈至5 ℃的試樣黏聚力52 kPa降至18 kPa，比標準組劣化了6 kPa；由-10 ℃回彈至5 ℃的試樣黏聚力57 kPa降至17 kPa，比標準組劣化了7 kPa。試驗結果表明，黃土的強度參數黏聚力c在凍融過程中產生明顯的劣化效應。

圖3　內摩擦角φ變化及劣化趨勢Fig.3 Deterioration trend graph of inner friction angel

由圖3可見，經過凍結溶解過程后黃土試樣的內摩擦角φ變化幅度較小，可視為在較小范圍內波動，并無明顯規律性變化。波動幅度在1°～2°范圍，在21%和飽和含水量試樣試驗結果中內摩擦角有略微降低的趨勢。

2.2凍融循環條件下黃土的強度參數變化

從3組不同含水量的重塑黃土試樣經過凍融循環在三軸試驗條件下的總應力摩爾圓，根據摩爾圓確定各凍融循環次數的c和φ繪出凍融循環試驗中黏聚力c隨凍融循環次數的變化曲線見圖4。

圖4　不同凍融循環次數黏聚力c變化趨勢Fig.4 Cohesion change curves of remolded loess under different freezing-thawing cycles

由圖4可見，初始含水量為17%和21%的試樣在1～5次凍融循環過程中黏聚力下降的幅度較大，含水量為17%的試樣c從48 kPa經過5次凍融循環后降至30 kPa，含水量為21%試樣c從40 kPa經過5次凍融循環后降至24 kPa。在到達5～7次凍融循環時趨于穩定，含水量為17%試樣c值穩定在25 kPa左右，含水量為21%的試樣c值穩定在21 kPa左右。這是由于凍融循環對土結構的破壞越來越強烈，黏聚力降到最低值也比較快，但在高含水率時由于未凍融時的水膜很厚，以至于其對土顆粒的潤滑作用大于凍融作用引起的黏聚力下降量，這時未凍融土的黏聚力比較低。

(a) 含水量為17%和21%試樣；(b) 飽和樣圖5　不同凍融循環次數內摩擦角φ變化趨勢Fig.5 Inner friction angel change curves of remolded loess under different freezing-thawing cycles

由圖5可見，凍融循環對內摩擦角φ的影響呈無規律的波浪型，浮動范圍在 1°～2°左右，總體有略微變小的趨勢，可以認為內摩擦角隨凍融循環次數在長期范圍內無明顯變化。

2.3低溫條件下黃土的應力應變特性

在三軸試驗條件下以w=17%，w=21%重塑黃土試樣進行不同低溫溫度的比較試驗，應力應變曲線見圖6～7。繪出5次和12次凍融循環2個有代表性階段中體積應變隨圍壓及含水量的變化曲線見圖8～9。

圖6　-10 ℃凍結溫度下重塑黃土應力—應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of remolded loess under -10 ℃

圖7　-5 ℃凍結溫度下重塑黃土應力—應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of remolded loess under -5 ℃

由圖6～7可見，由于重塑土樣土體結構性已經破壞并在凍融過程中生成次生結構，重塑黃土的應力應變曲線基本上為硬化型曲線；由于粒間的膠質含水量越高越易溶解，不論在任何圍壓下，初始含水量越大，黃土的強度越低，溫度越低，冰晶的產生使土體內部顆粒膠結力增大，而含水率越大，膠結力增量越大，黃土的強度越大。

由圖8～9可見,體積應變εv同時受到固結圍壓和含水量的影響，固結圍壓越大，體積應變εv越大，含水量越大，體積應變εv也越大；固結圍壓對體積應變εv的影響作用大于含水量對體積應變εv的影響作用。

圖8　5次凍融循環重塑黃土體變曲線Fig.8 Volume change curves of remolded loess under 5 times of freezing-thawing cycles

圖9　12次凍融循環重塑黃土體變曲線Fig.9 Volume change curves of remolded loess under 12 times of freezing-thawing cycles

2.4凍融循環作用下強度參數的損傷模型

針對強度參數c和φ的變化趨勢，建立強度參數值隨凍融循環次數增加的損傷模型，擬合抗剪強度參數c和φ隨凍融次數而損傷的函數。

分別定義黏聚力c和內摩擦角φ損傷系數如下：

(1)

(2)

其中：c0和φ0為未凍融樣的強度參數值；cn和φn為凍融循環n次試樣的參賭參數值。凍融循環試驗的抗剪強度參數c和φ損傷系數見表2和表3。

表2　凍融循環試驗c強度損傷系數

表3　凍融循環試驗φ強度損傷系數

根據表2和表3中的c和φ凍融循環損傷系數的平均值對凍融界面黃土的抗剪強度參數隨凍融循環損傷系數進行擬合，見圖10。

圖10　強度參數損傷系數隨凍融循環次數變化曲線Fig.10 Damage coefficient change curves of strength parameters under different freezing-thawing cycles

基于廣義最小二乘法得到抗剪強度損傷系數的擬合曲線方程分別為：

Kc=0.865 1e-0.041 4n

(3)

Kφ=0.999 4e-0.003 1n

(4)

以上2個方程的確定，能夠很好地反映凍融循環作用下黃土抗剪強度的折減劣化規律，可以為相關的研究提供參考。

3結論

1)初始含水量越大，黃土顆粒間的膠質越容易溶解，進而導致強度降低；低溫條件下，溫度越低，冰晶的產生使土體內部顆粒膠結力增大，含水率越大，膠結力增量越大，從而導致強度的增大。

2)在溫度回彈試驗中，與不同低溫條件下黃土強度參數進行對比，發現經過凍結溶解過程的試樣強度有明顯的劣化效應。

3)在凍融循環條件下黃土的黏聚力c在前幾次凍融循環劣化比較強烈，降低的幅度隨著含水量的增大而減小，當含水量很高時，黏聚力下降不明顯。在經過5～7次凍融循環后，黏聚力達到一個穩定值。內摩擦角隨凍融循環次數無明顯變化。

4)通過試驗數據建立了強度參數值隨凍融循環次數增加的損傷模型，該損傷模型能較好反映黃土在凍融循環作用下的損傷劣化規律。

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Experimental study on mechanics properties damage to the loess under the freeze-thaw cyclePANG Xuqing1，2，HU Zaiqiang1，LIU Yin1，3

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Shanxi Railway Institute，Weinan 714000，China；3.China Power Xibei Engineering Corporation Limited，Xi’an 710065，China)

Abstract:Based on freeze-thaw cycle test, the low temperature rebound test and the tri-axial shear test were conducted on Shaanxi Yangling Q3 loess under the replenishment conditions. Besides, the process and the mechanism of effects on mechanical properties of loess by initial water content and difference low temperature and freeze-thaw cycle was revealed, and the damage model of strength parameters is established under the effect of freeze-thaw cycle. The research shows that strength parameters of loess show signs of deterioration with the freeze-thaw cycle. The cohesion of loess has significant degradation effect at the beginning of the freeze-thaw cycle, and cohesive force reached a steady value after 5～7 times freeze-thaw cycle. Besides, cohesion of decline is not obvious when the moisture content is very high, and the change of angle of internal friction is not obvious with the freeze-thaw cycle. The values of strength parameter of the damage model can be well reflected by the increase of the number of freeze-thaw cycles and the shear strength of shear strength of loess under the action of freezing and thawing cycles, which can provide data for engineering design and construction in loess area from freeze-thaw damage.

Key words：loess; mechanical properties; freeze-thaw cycle; damage model

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0669-06

通訊作者：龐旭卿(1976-)，男，陜西華陰人，副教授，博士研究生，從事巖土工程及地質災害防治方面的教學與研究；E-mail：pangxuqing@126.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50778152)；陜西省渭南市科研發展計劃項目(2015KYJ-3-2)；陜鐵院科研基金資助項目(2015-09)

收稿日期：2015-07-24