凍融循環和干濕交替對黃土力學性質影響的試驗研究

周有祿,武小鵬,李 奮,劉賀業,孟進寶

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著國家“一帶一路”倡議的實施，我國基礎工程的建設也隨之進入了高潮時期，如西北地區的高速公路、高速鐵路及城市地鐵等。黃土區基礎工程的建設及運營過程中將會遇到季節性凍土區復雜氣候所導致的一系列工程病害和防治問題。

凍融循環的研究表明，經歷長期凍融后土的黏聚力和內摩擦角的變化趨勢相反，黏聚力降低，內摩擦角變大，且隨著冷端溫度的降低，凍融作用對其的影響逐漸增加，最終使土的力學性質發生改變[1-3]。龐旭卿等[4]通過試驗研究表明黃土強度參數隨凍融循環產生劣化，黃土的黏聚力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，當含水率很高時黏聚力下降不明顯，內摩擦角隨凍融循環次數無明顯變化。齊吉琳等[5]研究發現凍融循環可以改變土的力學性質，凍融前后土的力學性質和微觀結構特征都有一定的變化，而力學性質的變化從某種程度上都可以從微觀結構的定量改變中得到解釋。

干濕交替方面，段濤[6]通過對重塑黃土的干濕循環試驗研究得出：隨著干濕循環次數的增加土樣強度峰值逐漸降低，降低到一定值時趨于穩定；隨著干濕循環次數的增加土樣滲透系數逐漸增大，最終趨于穩定。李麗等[7]研究表明：試樣的黏聚力和抗剪強度隨著干濕循環次數的增加而減小，其中內摩擦角隨著干濕循環次數的增加先增大，最終逐漸趨于穩定。劉宏泰等[8]通過試驗研究了干濕交替周期對重塑黃土的強度特性及滲透特性的影響規律。目前研究主要集中在單一因素對土體力學性質的影響，而在季節性凍土區氣候環境更為復雜，土體要經歷凍融循環和干濕交替共同作用。因此研究黃土在凍融和干濕共同作用下的力學性質很有必要。

本文以青海東部民小(民和至小峽)公路K70+050處非飽和黃土為研究對象，采用室內模擬土體凍融循環、干濕交替以及兩者共同作用下的直剪試驗，得到了凍融循環、干濕交替以及兩者共同作用后土體抗剪強度參數的影響及其變化規律。

1 試驗方案

1.1 土樣制備

試驗土樣取自青海東部黃土，土樣制備嚴格執行GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[9]要求。將所取土樣過0.5 mm的篩，將過篩土樣攪拌均勻并測量其含水率，土樣制備過程中干密度誤差控制在0.03 g/cm3范圍內；土樣復測含水率與其要求含水率之差≤±1%。通過土工試驗測的土樣的基本物理力學性能指標見表1，土樣擊實曲線見圖1。

表1 土樣基本物理力學指標

圖1 土樣擊實曲線

1.2 試驗設計

試驗分為3部分，即不同凍融循環次數下的直剪試驗、干濕交替后的直剪試驗和兩者共同作用下的直剪試驗。土樣均為高103 mm，底面直徑101 mm的圓柱體。將每種試驗結束后的試樣環刀取樣進行直剪試驗。

1)凍融循環試驗。對不同含水率和不同干密度土樣進行凍融循環試驗，凍融循環凍結溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃，凍融周期為24 h(凍結12 h，融化12 h)，分別進行0,1,3,5次的凍融循環，隨后進行直剪試驗獲得黃土的強度參數，從而比較不同凍融循環次數對土體力學性質的影響。

2)干濕交替試驗。對不同含水率的土樣進行直剪試驗，每個含水率土樣制備2個，含水率分別為5%，15%，25%，土樣增濕時為保證土樣水分分布均勻，將增濕后土樣靜置24 h以上，干濕試驗過程中含水率通過定時稱取土樣重量來實現。干濕循環試驗次數為0，1，3，5次。

3)凍融干濕共同作用試驗。對不同含水率的土樣先后交替進行凍融循環和干濕交替循環，當土樣滿足試驗所要求的凍融和干濕交替循環次數(0，1，3，5次)時進行直剪試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 凍融循環條件下土樣強度參數變化

取干密度為1.65 g/cm3，含水率分別為5%,15%,25%和含水率為15%，干密度分別為1.55，1.65，1.75 g/cm3的6組黃土土樣進行凍融循環。不同凍融循環次數下不同含水率時，干密度為1.65 g/cm3土樣的強度參數變化曲線見圖2。

圖2 不同含水率時土樣的強度參數變化曲線

由圖2(a)可知，當干密度為1.65 g/cm3時，土樣含水率越低，其黏聚力越大，經過5次凍融循環后，不同含水率的土樣黏聚力都有所降低，且降低的幅度隨著含水率的增大而減小。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。由此可知，隨著凍融循環次數的增加土樣黏聚力最終將趨于一個穩定值。

由圖2(b)可知，當干密度為1.65 g/cm3時，含水率為5%和15%的土樣在1～3次凍融循環過程中內摩擦角有所減小，在經過3～5次凍融后內摩擦角又有所增大。含水率為25%的土樣隨凍融循環次數的增加呈現出線性減小趨勢，但減小程度不大。所有土樣經過5次凍融循環后內摩擦角都有所減小，但減小幅度不大，即凍融循環對土樣的內摩擦角影響不顯著。

不同凍融循環次數下不同干密度時，含水率為15%土樣的強度參數變化曲線見圖3。

圖3 不同干密度時土樣的強度參數變化曲線

由圖3(a)可知，當土樣含水率為15%時，不同干密度土樣在凍融循環過程中黏聚力都有所減小，隨著凍融循環次數的增加黏聚力減小趨勢變緩。由于干密度較大時土樣中的水膜與土顆粒的接觸緊密，水膜相變對土單元的影響較大，所以前幾次凍融循環對土樣的黏聚力影響較大；但隨著干密度的減小，土中孔隙變大，在凍結過程中冰晶有足夠的空間膨脹，水膜相變對土結構的影響逐漸減弱，所以凍融循環對黏聚力的影響也逐漸減弱。

由圖3(b)可知，當土樣含水率為15%時，不同干密度下的土樣在經過5次凍融循環后內摩擦角降低幅度不大。

圖2(b)和圖3(b)表明，無論在凍融前還是凍融后，內摩擦角隨土樣含水率的增大或干密度的減小而減小。這主要是由于影響內摩擦角的主要因素是土顆粒之間的接觸面積和接觸方式，土樣在制備時這些性質已經確定，故凍融循環不會改變這個趨勢。

2.2 干濕交替條件下土樣強度參數變化

干濕交替條件下土樣強度參數變化曲線見圖4。由圖4(a)可知，土樣黏聚力均隨含水率的增大而減小，當含水率從5%逐漸增加到25%時，0次干濕交替時的原狀黃土黏聚力增加了12 kPa，經過5次干濕循環后，其黏聚力增加了約6 kPa。當土樣含水率較高時，隨含水率的增大，黏聚力減小趨勢緩慢；當含水率在5%～15%時，隨著土樣含水率的逐漸增大，黏聚力減小趨勢變快，表明土樣的黏聚力在低含水率時比在高含水率時敏感。由圖4(b)可知，在0次干濕交替時，土樣的內摩擦角隨含水率的減小呈非線性增大，最后逐漸趨于穩定；經過5次干濕交替后土樣的內摩擦角與0次干濕交替時具有相似的規律，內摩擦角也隨著含水率的減小逐漸增大，土樣含水率為25%時干濕交替前后基本保持不變。

圖4 干濕交替條件下土樣強度參數變化曲線

2.3 凍融循環和干濕交替共同作用下土樣強度參數變化

圖5 凍融干濕共同作用下土樣強度參數變化曲線

凍融循環和干濕交替共同作用下土樣強度參數變化曲線見圖5。由圖5(a)可知，在經過5次凍融循環和干濕交替共同作用下含水率為5%和15%的土樣黏聚力分別下降了26 kPa和19.7 kPa，而含水率為25%的土樣經過5次凍融循環和干濕交替共同作用后黏聚力下降幅度不大，并在第3次共同作用后趨于穩定。由圖5(b)可知，土樣的內摩擦角隨著凍融循環和干濕交替次數的增多均稍有減小，但減小程度不大。從本次試驗可以看出，凍融循環和干濕交替共同作用對內摩擦角的影響開始逐漸減小隨后又變大，浮動范圍在1°～2.5°，總體有略微變小的趨勢，可以認為內摩擦角隨凍融循環和干濕交替共用作用次數的增加在長期范圍內變化不大。

3 結論

1)不同含水率土樣在凍融循環條件下其黏聚力在前3次凍融循環劣化比較強烈，隨著含水率的增加降低幅度在減小，當含水率很高時黏聚力下降不明顯。凍融循環對土樣的內摩擦角影響不顯著。

2)不同干密度土樣在凍融循環過程中黏聚力都有所減小，隨著凍融循環次數的逐漸增加黏聚力最終趨于穩定。內摩擦角隨凍融循環次數的增加略有減小。

3)土樣黏聚力隨含水率的增大而減小，且黏聚力在低含水率時比在高含水率時敏感;隨著干濕交替次數的增加土樣黏聚力呈減小趨勢，最終趨于穩定。內摩擦角隨著含水率的減小而增大，當含水率增加到一定程度時經過多次干濕交替后土樣內摩擦角將不再變化。

4)凍融循環和干濕交替共同作用對土樣的破壞程度大于單純的凍融循環或干濕循環作用。

[1]宋春霞.凍融作用對土物理力學性質影響的試驗研究[D].西安:西安理工大學,2007.

[2]趙永峰,謝強,王子江,等.川藏鐵路季節性凍土區粗顆粒土邊坡溫度場特征[J].鐵道建筑,2017,57(5):95-99.

[3]章文姣,王志強,宋碧亞.凍融循環對粉質黏土工程特性的影響[J].鐵道建筑，2014,54(7):121-123.

[4]龐旭卿,胡再強,劉寅.凍融循環作用對黃土力學性質損傷的試驗研究[J].鐵道科學與工程學報,2016,13(4):669-674.

[5]齊吉琳,張建明,朱元林.凍融作用對土結構性影響的土力學意義[J].巖石力學與工程學報,2003,22(增2):2690-2694.

[6]段濤.干濕循環情況下黃土強度劣化特性研究[D].咸陽:西北農林科技大學,2009.

[7]李麗,張坤,張青龍,等.干濕和凍融循環作用下黃土強度劣化特性試驗研究[J].冰川凍土,2016,38(4):1142-1149.

[8]劉宏泰，張愛軍，段濤，等.干濕循環對重塑黃土強度和滲透性的影響[J].水利水運工程學報，2010(4):38-42.

[9]國家質量技術監督局,中華人民共和國建設部.GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社,2000.

(責任審編 劉 莉)