凍融作用對黃土物理性質影響研究綜述

2018-09-26 10:14:36占世源閆壘仇楠

價值工程 2018年25期

占世源閆壘仇楠

摘要：我國黃土總面積達63.1萬平方公里，該數據遠超其他國家，由此也帶來許多問題，特別是凍融作用對黃土工程性質產生的不良影響，該作用會對工程產生巨大影響，是黃土工程產生凍害的主要原因。凍融作用會影響黃土中水分的分布，改變黃土的飽和度，給土體帶來沉降和變形。從本質上說，凍融作用會在一定程度上破壞黃土結構，從而引發黃土物理性質發生改變。本文通過分析和整理凍融作用對黃土影響的相關文獻，針對目前研究現狀、存在的問題和發展趨勢，歸納其中共同點，總結其中存在規律，從而對凍融領域未來做出展望。

Abstract： The total area of loess in China is 631，000 square kilometers. This data far exceeds that of other countries. It also brings many problems， especially the adverse effects of freeze-thaw on the engineering properties of loess. This effect will have a huge impact on the project and is the main cause of frost damage in the loess project. Freeze-thaw effect will affect the distribution of water in loess， change the saturation of loess， and bring settlement and deformation to soil. In essence， freeze-thaw effect will destroy the structure of loess to a certain extent， which will lead to changes in the physical properties of loess. This article analyzes and collates the relevant literature on the influence of freeze-thaw effect on loess， summarizes the common points， summarizes the existing laws， and looks forward to the future of the field of freeze-thaw in view of current research status， existing problems， and development trends.

關鍵詞：凍融作用；黃土；飽和度；物理性質

Key words： freeze-thaw；loess；saturation；physical properties

中圖分類號：U416.1+11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0259-02

0 引言

此前我國發生過很多起由黃土凍融引起的地質災害，在2010年3月19日，陽曲縣黃寨村水泉涯三巷發生黃土坍塌地質災害，該地質坍塌對普通民眾造成了極大經濟損失，損毀民眾房屋，改變地質構造，進而對當地的經濟環境造成影響。該地區地表附近主要為黃土，下部為粉質黏土，上部的黃土的透水性較好，同時下部的粉質黏土可以形成隔水層，造成土體含水量極高。同時，土體通過凍融后強度、穩定性急劇下降，最后導致此次事故的發生。諸如此類由黃土凍融而引發的工程事故還有很多，這些事故警醒人們應該重視黃土工程凍害的防治和研究。

1 相關研究現狀

此前世界上并沒有將凍土研究作為一門獨立的學術領域來看待，該現象在1927年得到徹底改觀，《蘇聯境內永久凍結土壤》出版意味著全新領域已向人類展開，這本研究的問世從此為世界開啟了動土研究新大門，也開啟了一門新學科。而黃土凍融作為凍土學科中的一個重要問題，吸引著許多研究者參與其中，并取得豐富成果。科學家們從不同角度對黃土凍融進行研究，并由此獲取了一系列顯著成果，如呂擎峰等[1]透過微觀領域直接研究動土的物理力學指標和滲透性的變化，這些與普通研究不同的研究方法的運用，為呂擎峰等設計如何改變黃土性質的方案提供了技術支持；再有周志軍[2]等主要研究了外部條件對黃土物理性質的影響，其發現溫度可以改變黃土中的含水率從而改變黃土的物理性質，除此之外，這些研究者同時發現溫度與黃土的壓縮模量息息相關，并與其呈現正比趨勢等等一系列研究成果。筆者借助國內外研究學者對凍土的研究文獻，從客觀角度分析凍融循環如何改變黃土結構及物理性質，并由此創作本文。

1.1 凍融對黃土孔隙率的影響

研究發現，凍融才是影響季凍區黃土地區工程的主要原因。凍融作用通過增大黃土孔隙率，使建設在黃土基礎上的工程出現不同程度安全問題，包括裂縫、滲漏等，從而影響相關黃土工程的安全性。李玉國等[3]的研究表明，凍融作用可以導致黃土的孔隙率發生變化，從而影響黃土的濕陷性。借助李國玉等的實驗數據可以清晰看出黃土濕陷性和孔隙率之間呈現正比關系，濕陷性越大的黃土，孔隙率一般不會有較小數值，根據以往研究結果，這一比率多在40%～50%左右，孔隙比為0.85～1.24。從微觀角度來看，凍融循環作用通過作用于黃土顆粒，進而直接改變自身物理性質，這種性質包含孔徑，排列等。長期研究發現，隨著凍融次數增加，土壤會向越來越密的方向沉降，密實土體孔隙率與疏松土體孔隙率呈現出完全相反的變化方向。

對比李國玉等人的研究方法，馬駿驊等[4]采用一種截然不同的研究手法進行黃土凍融的相關研究。在馬駿驊等的研究成果中，其通過控制黃土的凍融次數，從而得出黃土孔隙率的變化孔隙率呈現先降低后升高趨勢，中間點在第十次達到最低谷。這些研究數據可以看出，凍融作用影響孔隙率與很多因素有關，包括土質、凍融次數等。

1.2 凍融對黃土含水率的影響

除了前文提及的影響因素外，凍融對黃土的影響也反應在含水率方面。從以往研究來看，含水率與濕陷性呈現出負比關系，較高的含水率意味著較低濕陷性[5]。趙剛等人[6]研究含水率的影響機理發現，含水率的高低對水分遷移率的影響以正比例形式展現，遷移率隨其升高而加大。這一發現充分證明，含水率的高低對決定了凍融作用影響程度。

在趙剛等人的研究中，他們通過水分遷移來觀察含水率的變化，這是目前研究含水率變化最常用的方式。該觀察模型從模式差異角度可以分為三種類型，第一類研究方式——即毛細管理論模型的正確性存在爭議，這一模型通過將土壤類比為毛細管，將土壤中顆粒以規則排列的形式儲存于其中。但這一理論不能解釋冰透鏡現象，因而為研究者所詬病；第二種模型是分凝勢模型，該模型的優勢在于可以準確度量水分遷移量，但也存在不可避免的缺點，即受到多種因素限制，所以該模型依舊不是大眾選擇；最后一種模型是由諸多研究者共同推出的模型，動力學模型。該模型具有較多前兩者不具備的優點，因而被廣泛接受。該模型的優點在于可以描述較多凍融現象，包括孔隙水凍結、熱質遷移等。值得注意的是，該模型在物理學理論的基礎上建立多項介質本構方程并確定多項介質自由能和耗散能表達式[7]。

除了上述理論研究外，還可以用實驗方法來分析含水率變化。趙剛等[6]研究本身性質不同的粉質黏土在-40～60℃凍融作用下黏土自身發生的水分遷移，發現在溫度不同時，水分遷移率存在不同表現。實驗證明，水分遷移量在深度不同時表現不同，試樣2～8cm層處含水率增大，8～12 cm層含水率減小。根據上文數據，可以發現除了深度對水分遷移有影響外，溫度影響也不可忽視。溫度通常正向影響水分遷移，并使其以正比例于溫度的趨勢變化。凍結時溫度越低，試樣5cm處水分聚集量越大，溫度梯度越大，凍結速率越快，水分聚集層離暖端越近，借助上述研究結果，可以將影響凍融作用對黃土含水率的影響歸結于兩個方面即溫度梯度和土體初始含水率。

1.3 凍融對黃土滲透性的影響

滲透性也是對黃土工程影響較重要的因素，只有了解黃土地區滲透規律，才能避免凍融作用對黃土建設的毀壞，才能將黃土設計真正意義上從設計投射至現實情況。而凍融對于黃土滲透性的影響則已經較為準確地得出結論，在學術領域上，對于該影響方式存在一致觀點，凍融作用對土的密度存在雙向作用，這一雙向作用將松散土和密實土壤向兩個完全不同的密度趨勢延伸，凍融作用會導致松散黃土密度變高，密實黃土密度變低，雖然密度會朝著兩個方向發展，但凍融最終都會使得黃土滲透性增大。

研究者發現凍融前后黃土滲透性發生變化的主要原因在于黃土孔隙和粒徑的變化，同時相關研究表明，粒徑對黃土滲透性的影響更大。宋春霞對蘭州Q3原狀黃土進行反復凍融后，利用現代技術掃描發現，樣本表面產生裂縫是滲透性發生改變的主要原因，Q3黃土滲透性在不同情況下呈現不同變化，但影響黃土滲透性的主要原因為黃土粒徑的變化[8]。對于凍融作用而言，其通過改變黃土顆粒粒徑，使黃土結構由緊致變為疏松，最終使黃土滲透系數增大。

2 存在的問題

對于上述研究，筆者認為其中仍然存在問題，從研究方式角度而言，可以分為以下幾點。

第一，凍融作用主要改變黃土結構性，而目前的研究主要集中于黃土的大孔隙性和濕陷性上，借助現代較高級的設備對黃土結構進行微觀領域的分析。但鮮有研究者著眼于黃土的結構性，對其進行微觀定量分析定量。

第二，在黃土凍融實驗中，以下關鍵問題上還存在分歧。例如：選擇不同的凍融方式會對結構造成不同影響，時間段的確立也會影響凍融結果，所以需要針對實際來選擇不同方式。

第三，由于研究設備缺乏，現階段研究成果還未得到驗證。由于現實情況的限制，諸多研究結果無法直接作用于實際工程建設。

3 結論及展望

①在已研究成果中，凍融影響黃土的方式以密度和滲透性為主，無論黃土密度如何變化，凍融均會增加土的滲透性，這些研究成果已經得到學術界的普遍認識。而對于凍融是否會影響黃土的其他方面，仍然處于分歧狀態，這種分歧將會引領未來學術發展方向。

②黃土凍融的相關研究中仍然存在一個問題沒有攻克，即凍融作用對黃土濕陷性的影響，該方面的相關研究結論較少。同時，由于沒有現實成果作為支持，這一研究沒能從現實角度解決問題。對于該問題未來將仍需要進行研究，研究成果出現后才能解決困擾諸多專業學者的季節性凍土地區黃土路基災害問題。

參考文獻：

[1]呂擎峰，李曉媛，趙彥旭，等.改性黃土的凍融特性[J].中南大學學報（自然科學版），2014，45（3）：819-825.

[2]周志軍，呂大偉，宋偉.基于含水率和溫度變化的凍融黃土性能試驗[J].中國公路學報，2013，26（03）：44-49.

[3]李國玉，馬巍，穆彥虎，等.季節凍土區壓實黃土濕陷特性研究進展與展望[J].冰川凍土，2014，36（4）：934-943.