凍融作用下黃土的壓縮特性研究

占世源 楊瑞雪 仇楠 胡月

寧夏大學土木與水利工程學院 寧夏 銀川 750021

引言

黃土在我國具有廣泛的分布，其主要集中在西北、華北地區，該地區大部分均處于季節性凍土區。當在季凍區進行黃土工程活動時，必須考慮凍融循環對黃土壓縮性的影響。有研究表明，凍融作用會破壞黃土顆粒間的膠結作用，使土顆粒間發生相對位移。從宏觀上看，土體就發生了壓縮變形。

目前，對于季凍區黃土壓縮特性的研究方面也取得了一些進展。周志軍等通過試驗可得，凍融循環后黃土壓縮性較未凍結土樣強，且隨著凍結速度的增大，土樣的壓縮模量增大。凍結溫度越低，凍融后壓縮性越大，融化溫度對壓縮性基本無影響[1]。鄭林春對黃土的地質時代、成因、微結構、成分及其他影響因素進行剖析，得出了不同黃土具有不同壓縮變形特性的結論[2]。本文主要針對季凍區黃土施工建設中遇到的黃土工程問題，通過研究凍融過程中凍結溫度、土樣含水率、凍融循環次數等因素對黃土壓縮性的影響，為凍融導致的季凍區黃土岸坡工程的凍害問題提出可行性的建議。

1 凍融黃土壓縮特性主要影響因素及其研究進展

1.1 凍結溫度

為了研究凍融作用下黃土的壓縮變形參數，現有研究均主要考慮壓縮系數與凍結溫度的關系。例如王瀚[3]對不同溫度下原狀黃土的固結壓縮實驗，實驗控制土樣含水率為25%，凍結溫度分別控制為-5℃、-10℃、-10℃，不同凍結溫度下的壓縮系數分別0.35MPa-1、0.39MPa-1、0.42MPa-1，通過實驗數據我們不難看出，不同含水率的試件其壓縮系數隨著凍融溫度降低均存在增大的趨勢。

根據王瀚等人的研究我們可以得到黃土的凍結溫度降低會導致其壓縮系數增長，且壓縮系數的增長速率與試件初始含水率存在正相關。韓雪[4]等人也得到類似結論，即黃土試樣的壓縮系數會隨著凍融溫度的降低而增大。與王瀚等人不同的是，韓雪等人從凍融前后黃土的孔隙變化角度來闡明凍結溫度對黃土壓縮性的影響，其研究表明隨著凍結溫度的降低，凍融后黃土的壓縮系數大幅度增長的同時，孔隙比也快速的增長，這是因為凍結導致黃土內水分的體積膨脹，孔隙比增大最終導致黃土的滲透系數增大。

1.2 含水率

含水率對凍融后黃土的滲透性有著至關重要的影響，王瀚[3]等人的研究也發現，凍結溫度、體密度相同的情況下，隨著含水率的升高，黃土的壓縮系數也會增大。潘鵬[5]等人利用取自寧夏同心的黃土進行實驗研究，也得出了類似規律。其實驗得到的壓縮系數增量與土樣含水率的關系曲線如圖2。

根據實驗結果可知，試樣的含水率越大，壓縮性越高。產生該現象的主要原因為凍融使土體中的水因融化被擠出，土體孔隙度減小，土體被壓密，同時凍融也會導致土體中的礦物顆粒集合體膨脹孔隙度增加，而黃土凍融后孔隙度增加者占大多數，證明凍融過程中土體中礦物顆粒集合體的膨脹作用大于土體的壓密作用，從另一方面來講，即土體中的孔隙水對膨脹作用導致黃土孔隙度增加，最終導致黃土的壓縮系數明顯增大。

圖2 壓縮系數增量與土樣含水率的關系曲線

1.3 凍融循環次數

師華強[6]等為研究凍融次數與黃土壓縮性的相關關系，對土樣進行10次凍融循環，測定每次凍融循環前后黃土的壓縮特性，根據實驗結果可知，總體上壓縮系數隨著凍融循環次數增加而增大，曲線在凍融循環5次前斜率最大,隨后斜率減小，壓縮系數與含水量和凍融循環次數均正相關，且此時壓縮系數的增長速率較快，證明該階段凍融循環次數對黃土的壓縮性影響較大。5次凍融循環后，壓縮系數增長速率較慢，這是因為隨著凍融循環次數的增加，土體中顆粒的孔隙和尺寸達到相對平衡的原因。通過該實驗可知，凍融循環次數會對黃土顆粒的孔隙比等性質產生不同的影響，最終導致黃土凍融前后的壓縮性產生較大的差異。

2 結論及展望

（1）凍融后的黃土其壓縮特性與土樣的含水率、凍結溫度與凍融循環次數相關，且凍融循環次數和含水率在一定范圍內與土樣的壓縮系數正相關，壓縮系數隨著凍融溫度降低具有增大的趨勢。

（2）通過以上研究可以發現，不同的含水率、凍結溫度與凍融循環次數下，壓縮系數的變化速率存在差異，究其根本原因為黃土孔隙變化水平存在差異，探究黃土凍融前后孔隙變化與黃土滲透性的相關研究結論較少，應作為今后的重點研究方向。

參考文獻

[1] 周志軍,楊海峰,耿楠,等.凍結速度對凍融黃土物理力學性質的影響[J].交通運輸工程學報,2013,13 (4):16-21.

[2] 鄭林春.不同黃土的壓縮變形特性分析[J].成都西南交通大學學報,2012,47(增):115-117.

[3] 王瀚.凍土融化壓縮性試驗研究[J].山東煤炭科技,2010,(01):154-155.

[4] 韓雪,高子睿.凍融作用對松浦大橋段岸坡土體壓縮性的影響[J].黑龍江科技學院學報,2012,22(03):315-319,208.

[5] 潘鵬,郝佳興,崔自治,等.冬灌區黃土壓縮性的反復凍融效應[J].廣西大學學報(自然科學版),2017,42(01):214-218.

[6] 師華強,倪萬魁,劉魁,等.凍融循環作用對黃土壓縮性的影響[J].水文地質工程地質,2012,39(03):45-48.