凍融循環(huán)對黃土強度影響研究綜述

仇楠　馬楠　雷榮凱

摘要：針對黃土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后土體強度的問題，歸納總結了凍融循環(huán)對黃土微結構以及力學性質和參數(shù)產(chǎn)生的影響、通過改性黃土提高土體強度的研究進展，并對未來該領域研究做出展望。

關鍵詞：凍融循環(huán);含水率;強度

引言

我國黃土分布廣泛，且主要分布在西北、華北與東北地區(qū)，尤其集中分布在被稱為黃土高原的陜西、甘肅以及寧夏等地區(qū)。且寧夏處于季節(jié)性凍土地區(qū)，從工程角度來講，季節(jié)性凍土對工程危害最大，稍有不慎就會造成地面塌陷，建筑物傾斜、倒塌，凍融循環(huán)是季節(jié)性凍土區(qū)產(chǎn)生病害的關鍵因素[1]。黃土經(jīng)歷凍融后土體結構容易發(fā)生改變進而影響黃土的工程性質，比如黃土的抗剪強度、單軸抗壓強度等。進而會造成有些工程事故的發(fā)生，因此研究凍融條件下黃土工程性質的變化規(guī)律就顯得迫在眉睫。目前國內已有部分學者針對黃土凍融后土體強度的問題進行了研究，本文主要對國內部分學者的相關研究成果進行梳理和總結。

1 研究進展

1.1 凍融循環(huán)對黃土微結構的影響

黃土是一種特殊土，具有水敏性、大孔性、結構性，其中結構性影響黃土的強度特性最為顯著。宏觀上講，結構性主要是指黃土抗壓、抗剪等能力;微觀上講，主要是指黃土顆粒之間排列連接形式;水、溫度、外部荷載等因素可以改變土顆粒之間的連接和排列方式從而改變黃土的結構性[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，黃土體經(jīng)過凍融循環(huán)后，土體顆粒之間連接形式改變，使土整體結構發(fā)生變化，對土體的強度特性產(chǎn)生很大的影響[3]。

并且，凍融作用對黃土微觀結構影響顯著，表現(xiàn)在黃土大骨架顆粒數(shù)量明顯減少，顆粒變的較為松散，小孔隙也隨之增多[4]。具體表現(xiàn)為顆粒尺寸大部分變得一致，土粒結構發(fā)生明顯改變，土顆粒由于土中孔隙水的凍結，連接不斷減弱，土中大孔隙不斷增加，破壞了黃土體結構的完整性，使得土體強度減弱。大孔隙相互連接形成孔隙水的遷移通道，使黃土表面凍害加劇且析冰量增加。

1.2 凍融循環(huán)對黃土強度的影響

凍融循環(huán)作用使得土體內水分重新分布且結構發(fā)生弱化，改變了黃土的原有骨架和組構，使得黃土孔隙率發(fā)生明顯變化進而導致黃土的滲透性發(fā)生變化[5][6]。從而影響了水分的遷移，在補水情況下凍融過程中黃土表面結構發(fā)生破壞，含水率越高土樣形態(tài)破壞越嚴重[7]。且隨凍融次數(shù)的增加黃土粘聚力隨凍融次數(shù)增加呈現(xiàn)出衰減，含水率高到一定程度后，水充滿了土顆粒間的間隙，內部水分遷移顯著，土體凍結形成較大的冰晶，產(chǎn)生的凍脹力對土體的結構破壞就越嚴重[8]。理論上講，黃土在凍融過程中土顆粒結構發(fā)生了改變，土體結構受到損傷，土顆粒間的接觸點增多，可以使得土體內摩擦角增大[9]。

程秀娟等[10][11]研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)主要影響了黃土抗剪強度，使土的粘聚力降低，含水率越大粘聚力降低的越明顯，因此在補水條件下增進了黃土強度的降低，進一步影響黃土工程的穩(wěn)定性。

1.3 改性黃土凍融循環(huán)后土體強度的變化

由于凍融循環(huán)對黃土土體結構造成破壞導致黃土體強度弱化，因此人們想要通過一系列措施來對黃土地基進行處理。當前硅化法是濕陷性黃土地基處理的主要化學方法之一[12]。為了提高凍融循環(huán)后黃土的強度王建良、王銀梅、宋學慶、呂擎峰等[13][14][15][16]通過石灰、粉煤灰、新型高分子固化劑SH、水泥等摻料來改良黃土，通過實驗對改良黃土的抗剪強度、無側限抗壓強度、承載比、抗凍性等分析研究，結果表明改良后黃土抗剪強度和抗壓強度均隨著摻料在一定范圍內的增加而增大;說明改良黃土可以有效的提升黃土的強度，并有效防止凍融條件導致的損害。

2 存在問題

第一，在對黃土進行凍融循環(huán)實驗設計中，對于凍結溫度和凍結速率的影響因素沒有考慮到位，在我們一般的凍融循環(huán)實驗中，凍結速率通常被忽視，而凍結速率是黃土凍融災害的一個主要因素。

第二，非實驗環(huán)境條件下的凍融對黃土作用是一個漫長的過程，但是如今為滿足實驗的需要，盡快獲得凍融循環(huán)作用下黃土的性能變化，我們進行室內實驗來模擬研究黃土的凍融特性，然而模擬實驗凍融黃土的制樣大小及制樣形狀是我們需要考慮的問題。

3 結論及展望

凍融對黃土的微觀結構造成影響，破壞了土顆粒之間的連接。多次凍融循環(huán)作用使黃土的結構更加疏松，當壓力超過自重應力時會產(chǎn)生更大的附加變形。

凍融造成黃土中水分重分布，在補水條件下，水分通過毛細通道向土體表面遷移，使土體表面結構發(fā)生嚴重的凍融破壞，土體強度發(fā)生改變。

目前大部分對凍融后土體強度影響的研究僅僅止步于單向凍融循環(huán)后對土體強度進行剪切強度和抗壓強度的測定，而對于雙向凍融循環(huán)后凍脹和融沉規(guī)律以及強度規(guī)律的研究還很少，對于像黃土岸坡這類開放的黃土工程而言，雙向凍融作用對黃土的影響研究就顯得尤為必要。

參考文獻

[1]葉萬軍.凍融環(huán)境下黃土體結構損傷的尺度效應[J].巖土力學，2018，39（07）：01-09.

[2]楊更社，魏堯，田俊峰等.凍融循環(huán)對結構性黃土構度指標影響研究，西安科技大學學報[J]，2015，35（06）：675-681.

[3]齊吉琳，張建明，朱元林.凍融作用對土結構性影響的力學意義[J].巖石力學與工程學報，2003，22（02）：2690-2694.

[4]許健，王掌權，任建威等.重塑黃土凍融過程抗剪強度劣化特性試驗研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2017，49（02）：200-206.

[5]肖東輝，馮文杰，張澤等.凍融循環(huán)對蘭州黃土滲透性變化的影響[J].冰川凍土，2014，36（05）：1192-1198.

[6]肖東輝，馮文杰，張澤.凍融循環(huán)作用下黃土孔隙率變化規(guī)律[J].冰川凍土，

2014，36（04）：907-912.

[7]許健，李誠鈺，王掌權等.原狀黃土凍融過程抗剪強度劣化機理試驗分析[J].土木工建筑與環(huán)境工程，2016，38（05）：90-98.

[8]葉萬軍，劉寬，楊更社等.凍融循環(huán)作用下黃土抗剪強度劣化試驗研究[J].科學技術與工程，2018，18（03）：313-318.

[9]張輝，王鐵行，羅揚.非飽和原狀黃土凍融強度研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報（自然科學版），2015，43（04）：210-214.

[10]程秀娟，張茂省，朱立峰等.季節(jié)性凍融作用及其對斜坡土體強度的影響[J].地質通報，2013，32（06）：904-909.

[11]武丹，巨玉文.凍融循環(huán)對黃土路基填料抗剪強度影響的實驗研究[J].中國科技論文，2017，12（01）：118-120.

[12]呂擎峰，劉鵬飛，申貝.溫度改性水玻璃固化黃土凍融特性試驗研究[J].工程地質學報，2015，23（01）：59-64.

[13]王建良.青海地區(qū)水泥改良黃土技術與性能研究[J].公路，2017，（06）：60-63.

[14]王銀梅，程佳明，高立成.凍融循環(huán)對化學改良黃土性能的影響[J].太原理工大學學報，2013，44（04）：536-538.

[15]宋學慶.石灰粉煤灰黃土工程性質試驗研究[J].中外公路，2017，37（05）：228-232.

[16]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（03）：819-825.