慶陽黃土凍融環境下的特性研究①

潘俊義， 王治軍， 周　鵬， 吳光輝， 許元珺

(1.西安長慶科技工程有限責任公司,陜西 西安 710018；2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069)

慶陽黃土凍融環境下的特性研究①

潘俊義1， 王治軍1， 周鵬1， 吳光輝2， 許元珺2

(1.西安長慶科技工程有限責任公司,陜西 西安 710018；2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069)

摘要：為了解凍融作用對黃土濕陷性的作用效果，以Q3黃土為研究對象，采用增(減)濕法配制不同含水量黃土試樣，測試黃土在無補水條件下受溫度影響的凍融變形、壓縮變形和濕陷變形；對原狀黃土進行顆粒分析及基本物理力學參數試驗。分析表明：(1)黃土是否產生凍脹取決于其含水量是否超過“臨界凍脹含水量”。(2)凍融黃土與原狀黃土相比壓縮變形量較大，把部分浸水濕陷變形轉化為壓縮變形，凍融作用使黃土的濕陷性弱化。(3)冷凍黃土在相同溫度下，含水量越大，濕陷系數越小；在同一含水量下，凍結溫度愈低濕陷系數愈小。

關鍵詞：凍融變形； 濕陷變形； 臨界凍脹含水量； 濕陷系數

0引言

黃土由于其特殊的成因及后期的堆積環境，造成了其不同于同時期其他沉積物的工程性質。它在干燥條件下強度高，一旦遇水浸濕將在短時間內產生明顯的濕陷變形，因此在黃土地區進行工程建設時，經常會遇到樓房地基不均勻沉降、路基變形等一系列問題。工程中通常采用強夯法、擠密法、預浸水法等地基處理方法來消除或減輕黃土的濕陷性。但是在季節性凍土地區進行工程建設時，凍融作用會使得黃土結構受到冷生作用的影響，改變其原有的物理力學性質，對后期工程造成一定危害，包括造成黃土地基的不均勻沉降、塌陷等。黃土對水的特殊敏感性及其在變形、強度和本構關系等力學特性上所表現的影響規律一直是黃土工程性質研究的中心[1-3]。

當前凍脹理論主要包括毛細理論、水動力模型、次凍脹模型、吸力理論等。對凍土的融化下沉研究主要根據經驗和理論相結合的方法，其中Foriero等[4]在一維大變形固結理論基礎上建立了一維大變形融化固結理論。Sykes等[5]基于現時構型得到了三維條件下的大變形固結理論。齊吉琳等[6]研究凍融對超固結土強度的影響，得出凍融過程會改變土的結構性。李玉國等[7]研究發現凍融循環和增濕作用引起的壓實黃土結構疏松和強度弱化是黃土地基和路基濕陷變形增加的主因。楊平等[8]研究證明土凍融后，密度、干密度及塑性指數略有降低，孔隙比、液性指數略有增大。周志軍等[9]認識到凍土壓縮模量及抗剪強度隨含水率增大而降低，溫度對黃土力學性能的影響與試樣含水率有關。葉萬軍等[10]發現土樣在初始凍融過程中，體積稍有增大，含水率變化較大，凍結過程中冰晶凍脹力破壞土體結構，結構不可恢復，反復凍融導致其強度弱化。宋春霞等[11]發現凍融循環對不同干容重的土具有強化和弱化的雙重作用，導致其力學性質發生相應變化。董曉宏等[12]用經歷不同凍融次數的試樣進行了系列直剪試驗，研究黃土的黏聚力和抗剪強度與凍融循環的關系[12]。王家鼎等[13]研究了黃土改良后的動力特性。

本文考慮到輸油管線等線性工程施工的特殊性和運營的安全問題，提出季節性凍土區凍融作用引起黃土地基或路基再次產生濕陷的原因，針對一種凍脹敏感性土——慶陽黃土進行研究，制備不同水分的黃土樣，在不同凍結溫度下進行濕陷試驗，分析黃土在不同溫度和含水量下的濕陷性。

1試驗概況

1.1試樣取樣及物理力學參數

基于慶陽地區最大凍深和本次試驗目的，以埋深1m的土樣作為研究對象。黃土呈褐黃色，稍濕，大孔隙，含有少量姜石、見蝸牛。黃土粒徑級配曲線見圖1，以黏粒和粉粒(<0.05mm)為主，約占總量86.37%，且以粉粒(0.005～0.05mm)為主，黏土顆粒(<0.005mm)含量在16.13%，平均粒徑0.020mm，屬典型的凍脹敏感性土，定名為粉質黏土。土樣物理性質指標如表1所示。

圖1　土體顆粒級配曲線Fig.1　Particle size distribution curve

密度ρ/(g·cm-3)含水量w/%孔隙比e干密度r/(g·cm-3)飽和度Sr/%塑限WP/%液限/%1.4617.91.181.2441.118.527.5

1.2試驗方案

主要記錄增、減濕土體凍結和融化的變形，以及凍融后土體的壓縮系數、濕陷系數,分析含水量和溫度對黃土濕陷的影響規律。

初始含水量：10%、15%、18%(天然)、20%、25%、飽和；

凍結溫度：-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃。

試驗方法：

(1) 增濕試驗:使用面積50cm2、高2cm的環刀制樣，計算目標含水量，然后利用水膜轉移法，以24h為一周期的增濕進度分三次將土樣增濕至目標含水量，再養護24h，使土樣內水分分布均勻。減濕采用自然風干的方法。

(2) 將試樣放置容器中，整體置于預先設定好目標溫度的DW-FL362型超低溫冷凍箱中凍結(圖2)。觀測低溫無荷載黃土樣的變形情況，5h累計變形小于0.01mm視為穩定；然后調制22 ℃進行融化，繼續觀測土樣豎向變形。

(3) 將上述凍融后的試樣再進行室內壓縮試驗，測試其壓縮系數及濕陷系數。0～200kPa壓力內，每級增量50kPa；大于200kPa，每級增量為100kPa。每小時變形量不大于0.01mm，進行下一級加載壓力。

(4) 目標壓力下土樣變形穩定后浸水，用滴定管緩慢注滿蒸餾水，記錄土樣濕陷變形。

圖2　凍融黃土試樣Fig.2　Loess sample under freeze-thaw cycle

2黃土的凍脹和融沉變形

黃土凍結試驗主要測試不同初始含水量的原狀黃土在無載條件下的凍結、融沉變形。

2.1試驗結果

含水量為10%、15%、18%、20%、25%及飽和的6個土樣在無水源補給的低溫環境下凍結,變形穩定再進行室溫下消融。試驗中黃土的凍結和消融變形量隨時間的變化如圖3所示。

圖3　土樣凍結及融化變形曲線Fig.3　Deformation curves of samples under freeze-thaw cycle

圖3(a)～(d)分別展示了不同含水量黃土在低溫下凍結和室溫消融的變形過程。含水量較高的土樣在低溫環境水相轉化為冰時，其體積迅速產生凍脹，且凍脹量顯著。含水量越高產生的變形越大，等變形穩定后將試樣置于室溫環境，試樣在前一階段凍脹的基礎上逐漸產生融沉，殘余膨脹變形量降到某一穩定值。含水量較低的土樣在低溫環境沒產生凍脹變形，而是出現輕微的凍陷變形，沉陷穩定后繼續將試樣置于室溫融化，監測沉陷量較大的試樣發生相應融脹。凍脹變形試驗中觀測到黃土的凍脹臨界含水量約為20%，與其塑限值較接近。本文將這一“界限含水量”稱為黃土的“凍脹臨界含水量”。

其中含水量高于25%的土樣低溫凍結時很快產生了膨脹，且最大膨脹量達到0.8mm，含水量越高產生的變形量越大。含水量15%和10%的土樣凍結過程沒有產生膨脹變形，而是出現輕微的凍陷現象，最大沉陷量達0.081mm。

上述現象分別在-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃低溫下得到驗證，隨溫度不同均出現一定差異，其中含水量高于20%的土樣最大凍脹變量隨著溫度的降低逐漸變小。以25%含水量土樣為例，從-10 ℃的0.918mm降到-25 ℃的0.439mm。含水量低于15%的土樣，在-20 ℃下凍結時凍陷量最大。

2.2結果分析

當土水系統中土體溫度降至水凍結起始溫度點及以下時，土顆粒間和孔隙中部分水相變結晶，體積膨脹，使間隙體積變大而推動土顆粒移動產生所謂的凍脹現象。并非所有的土凍結都會產生凍脹，只有水-冰發生相變時才會發生，因負溫下土溫度愈低，冷縮顆粒和冰都遵循熱脹冷縮的規律。如果土體中無足夠的水分參與凍結，不但不會產生凍脹，相反還會出現凍陷現象。

表 2　典型土的臨界脹陷含水量

試驗證明，只有土中含水量超過其“臨界凍脹含水量”時，才會出現凍脹變形。如表2所示，一般情況下粉質黏土的“臨界凍脹含水量”相當于土體塑限含水量WP值。在此界限下，土體的結合水占絕對優勢，凍結過程中弱結合水的冰結晶通常在土體內部產生凍結位移，由土顆粒的相對位移進行調節，而在宏觀上不足以引起土體變形。一旦土體的含水量超過塑限含水量，孔隙中貯存較多的自由水凍結時就可能導致土顆粒錯位產生凍脹。

(1) 土體在凍結過程中，蒙脫石、伊利石等礦物自身要發生冷縮，而土中水凍結則要發生凍脹，決定土體產生凍脹或凍陷的是土中含水量。多數情況下含水土體凍結都要產生凍脹，而凍脹量的大小主要取決于含水狀況和水分遷移的多少。水分遷移改變了凍土原來的結構構造和水冰比例。這種在空間位置上不等量的冰-水-土骨架的重分配，改變了凍土物理力學性質。

(2) 細顆粒土水分遷移方向：凍結區內含水量增大，未凍區向凍結區運移，含水量較小的土體(低于天然含水量)所含水量不足以產生體積的增大。蒙脫石晶胞由三層組成，上下層為Si-O四面體，中間層為Al-O-OH的八面體，特點為晶胞間以O-連接，結構不緊密，可吸收無定量的水分子，所以其內部結構構架靈活、親水性強。蒙脫石具有很強的吸水能力和體積膨脹收縮性，在水分遷移作用下含水量微弱降低，失水收縮，宏觀上表現為凍陷現象。并且其他條件相同時，初始含水量本身對水分遷移無影響，而是含水的相變作用延緩凍結鋒面推進的能力。含水量越高，凍結鋒面推進相對延緩，凍結速率降低，水分遷移提供的有效時間增大，遷移水分的積累量增大。所以含水量較高的土體水分遷移量大，水分進行重分布，土體局部區含水量較高，凍結變形效果也就更明顯。

動態系統理論的語言發展觀認為，語言系統是復雜的非線性系統，是具有自相似嵌套的分形結構，語言演化的原動力來自語言系統內部，上下層級結構分形的關系是推動語言結構生成演化的原動力。

(3) 土密度、凍結溫度相同條件下，初始含水量愈大，凍結速率愈小，水分遷移量大。土顆粒粒徑為0.05～0.005mm的粉質黏土水分遷移作用最大，其孔隙連通性好，毛細作用強，持水性好，屬水分聚集、聚冰的最敏感性土類。慶陽黃土以黏粒和粉粒(<0.05mm)為主，約占總量的86.37%，且以粉粒(0.05～0.005mm)占優勢。

3凍結土體壓縮性分析

3.1試驗結果

經過凍融的試樣置于固結儀上進行壓縮試驗。壓縮系數與濕陷系數的變化關系見圖4，濕陷系數隨壓縮系數增大而減小，近似呈線性變化。凍土的壓縮模量與其含水量關系見圖5。由于黃土屬非均質各相同性材料，基本隨著含水量的增大壓縮模量變小。在前期隨著含水量增大壓縮模量大幅度減小，等含水量超過20%以后，隨著含水量的繼續增加壓縮模量不再降低，保持穩定值。

圖4　壓縮系數與濕陷系數的關系Fig.4　Relation between the compressibility and collapsiblity coefficient

圖5　壓縮模量與含水量的關系Fig.5　Relation between the compressive modulus and water content

3.2結果分析

研究表明，經過凍結和融化的土體，其抗剪強度會大幅度降低。在任何情況下，凍土融化時黏聚力將急劇降低，甚至成許多倍降低，而內摩擦角則可能無明顯變化。根據大量試驗資料統計，土體經過反復凍融作用后，其孔隙度增加者占大多數，結果造成已融土壓縮系數比未凍的同一類土壓縮系數明顯增大。

根據試驗資料，飽和土凍結融化后孔隙度大于凍前，這是因為土體凍結時孔隙水變成冰，并在土體中形成各種結構，土顆粒位移，土體發生凍脹所致。冰融化后，留下的大孔隙又不能恢復到凍前的細小孔隙，致使土體變得疏松，孔隙度增加，直接影響固結過程中超孔隙水壓力的產生和消散，加速已凍土的變形進程。

一定孔隙度和干密度的黃土，其變形量是固定的，即濕陷變形和壓縮變形是一個穩定值，凍結黃土在融化后具有較高的壓縮性，所以就相對減弱了其濕陷性，這是一種此消彼長的對立性關系。

4慶陽黃土原位凍融規律分析

在試坑內布置13個凍融變形監測點，1個位于試坑中心，另外12個分別布置在半徑為1m和2m的圓上。圓的內圈為A，外圈為B，A1埋深0.2m，A2埋深0.4m，依此類推，最深的B6埋深2.4m。本次布置的監測點已經完全覆蓋了可能出現凍融變形的全部深度范圍。注水4天，共計117m3，從開始注水前的測讀初值，到注水過程中的沉降觀測，凍結過程中的凍脹觀測，至融化后的融陷監測，共歷時99天。每天觀測一次，共觀測99次。

根據實測沉降數據繪制了O～B6 ，13個標點累計沉降量隨時間變化的曲線，從O～B6埋深以0.2m為增量逐漸增加。1.0m以上的6條曲線見圖6(a)，1.0m以下的8條曲線見圖6(b)。

從圖6(a)可以看出，浸水3天后，隨著水分向下運移至上覆壓力達到濕陷起始壓力的土層后，開始產生濕陷變形，試坑中心O點最早產生濕陷變形，并且變形量最大，隨著深度的增加濕陷開始時間變晚，濕陷量也逐漸減小。浸水后第13天，即1月4日濕陷不再發展，反而出現了土層回彈現象，在力學條件與水分條件均改變的情況下，回彈是由水分凍結引起的。監測標點所觀測到的變形量反映了其下覆土層的變形量，從圖6(a)和(b)可以看出，0、0.2、0.4及0.6m的沉降標均觀測到了膨脹變形，膨脹量由淺至深逐漸減小，0.8m及以下標點未觀測到膨脹變形，因此可以推論凍結下限深度在0.6～0.8m之間。經歷了5天的回彈變形以后，變形基本穩定，一直持續到第154天，即3月1日氣溫恢復后土層出現二次沉降，表明土層中凍結的水分開始融化并引起了土層的二次下沉。

圖6　監測標點沉降量隨時間發展曲線Fig.6　Settlement curves of monitoring points with time

為了更加直觀地探討飽和黃土層凍脹融陷過程，繪制了小試坑中心O點的累計沉降量及單天沉降量隨時間發展曲線(圖7)。從圖中可以看出，浸水后第4天開始產生濕陷沉降，單天沉降量達0.95cm，隨后的6天沉降量逐漸減小，第11天未發生沉降，第12天至16天發生了明顯的凍脹變形，最大單天凍脹量為0.15cm，總凍脹量為0.3cm。從凍脹曲線來看，凍脹過程經歷一個波峰之后即基本結束，這表明凍脹過程完成得較為迅速，這主要由于凍深有限，在該場地所處的溫度環境下，可凍結的土層在3天之內即可完成凍結過程。3月1日之后，溫度回升到0℃左右，凍土層在地溫和氣溫的影響下開始融化，土層在融化過程中發生了二次沉降，土層總沉降量在4天之內即快速恢復到了凍結前的總沉降量，在隨后的時間里繼續緩慢下沉，至試驗結束。最終的總沉降量為2.60cm，二次沉降量為0.6cm，占總沉降量的23%。

圖7　O點累計沉降量及單天沉降量隨時間發展曲線Fig.7　Curvs of cumulative settlement and settlement of singe day at point O

5凍融黃土濕陷規律分析

(1) 經歷凍融的試樣濕陷試驗。試驗中首先以未經歷凍融的試樣作為基礎試樣，對比凍結溫度作用對土體濕陷的影響程度。以200kPa壓力下的濕陷系數為分析對象，給出試樣經歷不同凍結溫度的濕陷系數與初始含水量的關系曲線(圖8)。試樣在各級溫度下隨含水量的增加其濕陷系數依次降低。同含水量的土樣隨著凍結溫度的降低其濕陷系數相應減小。其中室溫條件下黃土的濕陷系數普遍大于凍結黃土所對應的濕陷系數。

圖8　含水量與濕陷系的關系Fig.8　Relation between water content and collapsibility coefficient

(2) 通過水分來實現溫度對凍黃土濕陷系數的影響。凍結溫度與濕陷系數的關系曲線見圖9。凍黃土的含水量、密度、孔隙比等其他條件相同時，濕陷系數隨凍結溫度的降低而相應降低。本次試驗土樣干密度小、孔隙度大，所以具有顯著的濕陷性，濕陷系數值較大。

圖9　濕陷系數與溫度的關系Fig.4　Relation between the collapsibility coefficient and temperature

結果解釋：

土樣保持著其地質歷史過程中形成的結構強度，而經歷過低溫凍結作用的凍黃土在溫度和水分作用下，產生凍脹力并使土體內應力產生影響。凍結過程中，含水量高的土體產生較大的凍脹變形，在無荷載約束的條件下，土顆粒在水-冰相轉化過程中產生內壓力或拉力。這一狀態一直持續到凍土消融并且內部應力達到最大值。凍土消融后，土樣的內部原始結構在溫度和水分、鹽分的綜合作用下產生新的變化。凍結過程中冰晶凍脹力破壞土體結構，融化時結構不可恢復，凍融導致土體強度弱化。其他外界環境條件相同時，對其施加一定的載荷，未凍土體壓縮性相比凍結土體壓縮性小，目標壓力下變形穩定，繼續浸水后將產生較大的濕陷變形。

隨著黃土凍結溫度的降低，土體內部產生的凍脹力將迅速增加，土體凍結時承受比融土條件下高數倍的應力。在后期壓力作用下產生較大的壓縮變形，把部分浸水濕陷變形轉化為壓縮變形，所以凍結溫度愈低其濕陷系數愈小。

6結論

(1) 慶陽黃土以粉粒(0.005～0.05mm)為主，顆粒粒徑水分遷移作用最大，孔隙連通性好，毛細作用強，持水性好，屬水分聚集、聚冰的最敏感性土類，是黃土凍脹及融陷變形的主要因素。

(2) 黃土在冷凍條件下存在 “界限含水量”，當土的含水量大于“界限含水量”時，會出現凍脹變形，反之則出現輕微凍陷變形。慶陽地區黃土“界限含水量”在20%左右。

(3) 黃土的基本物性指標一致時，相同壓力下其變形總量(濕陷變形和壓縮變形)固定。凍結過程中冰晶凍脹力破壞土體結構，融化時結構不可恢復，凍融導致土體強度弱化，導致凍融黃土比原狀黃土壓縮變形量大，把部分浸水濕陷變形轉化為壓縮變形，所以凍融作用使黃土的濕陷性弱化。

(4) 經現場原位測試，慶陽地區實測凍深下限深度在0.6～0.8m。

(5) 凍結黃土在同一溫度下，含水量越大，濕陷系數越小；在同一含水量下，凍結溫度愈低濕陷系數愈小。

(6) 溫度對黃土濕陷影響機理：高飽和土樣凍結時，一方面產生凍脹，造成土體內微觀結構上的位錯滑移等運動，內應力相繼出現并增大，凍土消融后，原先產生的應力消散。經過凍融這一過程土體內的膠結作用遭到損傷，原有的結構喪失。另一方面孔隙水變成冰，并在土體中形成各種結構，土顆粒位移，土體發生凍脹。冰晶融化后，大孔隙又不能恢復到凍前的細小孔隙，土樣變得疏松，孔隙度增加。在相同外力作用下，其壓縮性相應增大，而濕陷性相應降低。

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CharacteristicsofQingyangLoessunderFreeze-thawCycle

PANJun-yi1,WANGZhi-jun1,ZHOUPeng1,WUGuang-hui2,XUYuan-jun2

(1.Xi’an Changqing Science & Technology Engineering Co., Ltd, Xi’an 710018, Shaanxi, China;2.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China)

Abstract:With the development of One Belt and One Road, a number of key national construction projects are proposed in regions with seasonally frozen ground and collapsible loess in western China. Researchers have determined engineering problems associated with freeze-thaw and the collapse of loess, and based on previous studies this study aims to determine the rules of change pertaining to loess collapsibility after the effects of freeze-thaw. Therefore, Q3 loess samples with different moisture contents are prepared using a moistening or demoistening method. After freezing-thawing at different test temperatures, and with no water supply, tests are conducted on frost-heave and thawing deformation, compression deformation, and the collapsible deformation of loess. Particle and physo-mechanical parameters of natural loess are also analyzed. Results indicate the following: firstly, when the moisture content is greater than the critical value, frost heave deformation is generated in loess in a freezing environment. Secondly, compared to pre-freezing samples, there is a greater compression deformation of post-thaw loess samples. However, there is a reduced coefficient of collapsibility; the freeze-thaw action weakens loess collapsibility. Thirdly, when using the same test temperature, the coefficient of collapsibility of frozen loess decreases with an increase in the moisture content, and also decreases when the test temperature is decreased but moisture content remains unchanged.

Key words：frost-heave and thawing deformation; collapsible deformation; critical water content of frost heave; coefficient of collapsibility

收稿日期：①2015-05-18

作者簡介：潘俊義(1981-)，男，工程師，注冊巖土工程師，現從事巖土工程勘察設計工作。E-mail：wuguanghui.10@163.com。

中圖分類號:TU435

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0445-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0445