凍融循環作用下黃土無側限抗壓強度和微觀規律的試驗研究

劉樂青，張吾渝，張丙印，谷遇溪，解邦龍

（1.青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016；3.清華大學土木水利學院，北京 100084）

黃土是一種由風化作用和沉積作用形成多孔且柱狀節理的特殊堆積物，廣泛分布于青海、寧夏、新疆和甘肅等地，其中青海地區的黃土面積約占我國黃土總面積的4%[1]。同時，青海屬于多年凍土地區，冬季氣溫較低，這種氣候造成的凍融循環會對黃土的物理力學性能產生顯著影響，給實際工程建設帶來危害，因而在青海西寧地區建設工程時應考慮凍融循環作用的影響。

近年來，國內外學者關于凍融循環作用對黃土結構和力學特性影響進行的研究發現，凍融循環作用是改變黃土強度和內部結構的重要原因之一。李寶平等[2]分析了凍融循環周期對黃土物理力學性質的影響，得出凍融循環周期越多，黃土的損害越嚴重，且黏聚力以指數型趨勢減小；張遂等[3]對凍粉質黏土進行三軸剪切試驗，發現含水率和溫度均會影響土體的抗剪強度；周有祿等[4]對青海省黃土進行剪切試驗，分析了凍融循環次數對黃土黏聚力和內摩擦角的影響；Li等[5]通過室內試驗研究發現，在凍融循環作用下原狀黃土和重塑黃土的無側限抗壓強度和抗剪強度均隨著凍融循環周期的增大而減小；柯睿等[6]對固化淤泥質土進行凍融循環試驗，得出當土樣經過凍融循環后其無側限抗壓強度減小；崔宏環等[7]通過非飽和直剪試驗，得出凍融循環次數和凍融溫度對土樣力學特性的影響較為顯著，凍融溫度越低，土樣的黏聚力呈現出先降低后穩定的趨勢；楊更社等[8]、魏堯等[9]、葉萬軍等[10]利用三軸剪切試驗對凍融循環后的黃土進行研究，發現凍融溫度和凍融循環次數均會改變黃土的力學特性，但凍融溫度影響較小。由此可見，凍融溫度和凍融循環次數均可以損害黃土的結構，降低黃土的強度。

許多學者還從微觀角度分析了黃土經過凍融循環后內部顆粒的變化規律，葉萬軍等[11]、張澤等[12]對黃土進行電鏡掃描試驗，分析不同凍融循環次數黃土的微觀圖像，發現凍融循環次數的增加使黃土內部顆粒逐漸圓滑，且經歷10次凍融循環時土樣內部的顆粒和孔隙結構逐漸趨于穩定；趙魯慶等[13]通過對陜西原狀黃土進行凍融循環試驗和電鏡掃描試驗，發現不同凍融循環次數下原狀黃土的顆粒逐漸剝落，顆粒的微觀形態和排列方式重新形成新的結構體系；肖東輝等[14?15]、倪萬魁等[16]通過對凍融循環后的原狀和重塑黃土進行壓汞試驗，得到原狀黃土孔隙率達到穩定狀態的凍融循環次數高于重塑黃土。由此發現，從微觀角度也能揭示凍融循環作用對黃土的影響。

綜上所述，凍融溫度和凍融循環次數對原狀黃土、重塑黃土抗剪強度影響的研究成果較多，而影響黃土無側限抗壓強度的研究成果較少。針對凍融循環對黃土無側限抗壓強度的影響，本文將青海西寧地區的原狀黃土和重塑黃土作為研究對象，基于凍融循環條件，對土體進行無側限抗壓強度試驗和電鏡掃描試驗，研究凍融溫度、凍融循環次數對黃土強度及微觀結構的影響，旨在為青海西寧地區的實際工程建設提供參考。

1 材料及試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用黃土取自青海省西寧市城北區某場地，取土深度為3 m，試驗結果如表1所示。

表1 基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties

1.1.1 制備原狀黃土

將試驗所用的原狀黃土土塊利用削土器削成標準的圓柱試樣（直徑39.1 mm，高80 mm），用保鮮膜將其密封保存，保證試樣的水分一致。制備方法均符合《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）中規定的操作步驟。

1.1.2 制備重塑黃土

將碾碎黃土放進烘箱中烘8 h，烘箱溫度為108 ℃，基于天然含水率配出試驗所需土樣并裝入試樣桶中密封，靜置12 h，保證土樣與水混合均勻。試樣制備按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行，制備時將配置好的土樣倒入三瓣膜內，將土樣分層擊實并逐層刮毛，保證試樣不斷層，最后用保鮮膜將圓柱試樣密封保存。

1.2 試驗方案

1.2.1 凍融循環試驗

試驗采用凍脹循環試驗箱（TMS9018—500）對原狀黃土和重塑黃土進行凍融循環試驗，根據青海西寧地區的冬季氣溫變化（圖1），本試驗設定凍融溫度是±19.1 ℃、±14.1 ℃和±9.1 ℃，凍融循環次數設定2，4，6，8，10次，凍結時間為12 h，融化時間為12 h。

圖1 青海西寧近幾年最低氣溫Fig.1 Change of the minimum temperature in Xining of Qinghai in recent years

1.2.2 無側限抗壓強度試驗

試驗采用YYW-2型應變控制式無側限壓力儀，試驗操作及試樣制備均按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行。該試驗的加載速率為2.4 mm/min，當黃土試樣出現斜向剪裂時，認為試樣已被破壞，達到試驗終止條件，如圖2所示。

圖2 黃土的斜向剪裂破壞Fig.2 Oblique shear failure of loess

1.2.3 電鏡掃描試驗

將凍融循環后的土樣自然風干后，用削土刀削成長為1 cm、寬為1 cm、高為2 cm的長方體土樣，通過電鏡掃描儀得到土樣經過不同溫度和不同凍融循環次數后的SEM圖像，本試驗采用 500倍微觀圖像分析土樣內部結構變化。

2 試驗結果分析

2.1 原狀黃土的試驗結果

凍融循環后原狀黃土的無側限抗壓強度與凍融循環次數的關系如圖3所示。由圖3（a）（b）可知，相同的凍融溫度下，原狀黃土的應力-應變曲線關系呈現應變軟化型，且原狀黃土的無側限抗壓強度隨凍融循環次數的增加而減小，而在凍融循環8次時原狀黃土無側限抗壓強度緩慢增加至35 kPa，凍融循環10次時土樣強度又逐漸下降。原狀黃土未經過凍融循環時無側限抗壓強度達到65 kPa，經過凍融循環后的原狀黃土峰值強度下降約31%，這表明凍融循環后黃土的原生結構遭受破壞。

圖3（c）表現出原狀黃土的無側限抗壓強度隨凍融循環次數的增加而減小的特點。

從圖3（d）中可知，凍融溫度改變會使原狀黃土強度產生相應的宏觀變化。原狀黃土的強度隨凍融溫度降低而降低，在凍融循環2次時±19.1 ℃下原狀黃土的峰值強度比±9.1 ℃下的峰值強度下降約42%，但在8次凍融循環時±14.1 ℃和±19.1 ℃下土體的強度均增大，±9.1 ℃下土體強度減小，這說明凍融溫度對原狀黃土的原生結構破壞較為嚴重。

圖3 原狀黃土的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of the undisturbed loess

圖4為凍融溫度為±9.1℃時不同凍融循環次數下原狀黃土的微觀圖像，分析圖4可知，當原狀黃土經過凍融循環前6次時小顆粒數量增加，顆粒間的間距較小，連接緊密，而當凍融循環次數增加至8次時，土顆粒間的孔隙較大，結構疏散，這也從微觀角度解釋了原狀黃土在±9.1℃下強度減小的原因。

圖4 凍融溫度為±9.1℃時不同凍融循環次數下原狀黃土的微觀圖像（×500）Fig.4 Microscopic images of the undisturbed loess under different freezing-thawing cycles at ±9.1℃（×500）

對±19.1 ℃下不同凍融循環次數下的原狀黃土進行電鏡掃描，其結果如圖5所示。從圖5（a）得出未經過凍融循環的土顆粒以大顆粒為主，小顆粒少量分布，且顆粒棱角分明，大顆粒之間的接觸多以面-面接觸為主，顆粒之間的排列方式緊密。由圖5（b）（c）（d）可見，經過8次凍融循環之前，原生結構開始被破壞，大顆粒體積逐漸減小，小顆粒的數量逐漸增加，但顆粒間的間距大，連接弱，大顆粒由棱角分明向圓滑過渡，顆粒之間的接觸方式由面-面接觸過渡為點-面接觸。由圖5（e）（f）可見，當經歷8次凍融循環后，土體的原生結構破壞較嚴重，多數大顆粒被分解為小顆粒，并填充到顆粒之間形成次生結構。

圖5 凍融溫度為±19.1℃時不同凍融循環次數下原狀黃土的微觀圖像（×500）Fig.5 Microscopic images of the undisturbed loess under different freezing-thawing cycles at ±19.1℃（×500）

凍融溫度對原狀黃土影響結果如圖6所示，從圖6中可知，凍融溫度的變化會使土體內部結構發生改變，尤其是土顆粒的變化。圖6（a）顯示，凍融溫度為±9.1 ℃下，土顆粒逐漸被分解，但顆粒間的連接能力較強，排列緊密，這說明土體結構開始發生破壞，且破壞程度較弱。圖6（c）顯示，當凍融溫度為±19.1 ℃時，大顆粒分解為小顆粒且數量明顯增多，顆粒之間的大孔隙轉變為小孔隙，與圖6（a）相比，其顆粒排列松散，粘結能力較弱，結構疏松，表明凍融溫度降低，土體的內部結構遭受破壞，這也說明凍融溫度越低，原狀黃土內部結構的破壞越嚴重。

圖6 不同凍融溫度下原狀黃土的微觀圖像Fig.6 Microscopic images of the undisturbed loess under different freezing-thawing temperatures

2.2 重塑黃土的試驗結果

對重塑黃土進行不同溫度、不同凍融循環次數的試驗，得到重塑黃土的應力-應變關系曲線（圖7）。由圖7可知，在相同凍融溫度下，重塑黃土的無側限抗壓強度與凍融循環次數的變化關系趨勢與原狀黃土基本一致，均表現出應變軟化型。重塑黃土經歷0～6次凍融循環后，無側限抗壓強度均隨著凍融循環次數的增加而降低，而凍融循環次數達到8～10次時，土樣的強度均提高至17 kPa。

如圖7（d）所示，重塑黃土的曲線圖較原狀黃土而言波動變化較大，經過2次凍融循環時凍融溫度越低，重塑黃土的強度逐漸增加，比±9.1 ℃時的強度增大約9%，這說明2次凍融循環作用破壞了重塑黃土顆粒骨架，固體顆粒之間的大孔隙被小顆粒填充，重塑黃土的整體連接有所提高，且凍融溫度越低，對重塑黃土顆粒在2次循環下的破壞作用越顯著。

對于經過4次和6次凍融循環的重塑黃土而言，凍融溫度對強度影響的結果與原狀黃土一致，均隨凍融溫度的降低而降低。經過8次凍融循環后，其強度增大至17 kPa并逐漸穩定。由此可見，凍融溫度對原狀黃土和重塑黃土的影響有所差異，原狀黃土的強度隨凍融溫度降低而降低且變化幅度較均勻，而重塑黃土的強度值波動幅度隨凍融溫度的變化較明顯。

圖8為重塑黃土在±19.1 ℃下經歷不同凍融循環次數的微觀圖像，由圖8（a）—（d）可見，隨著凍融循環次數的增加，重塑黃土小顆粒的數量逐漸增加，大孔隙轉變為小孔隙，顆粒排列松散，顆粒間的膠結能力減小。由圖8（e）（f）可見，經過8次凍融循環后，小顆粒的數量顯著增多，使顆粒間的連接緊密，導致結構的整體性增強，這也解釋了重塑黃土經歷8次循環后其強度逐漸增大的原因。

圖8 凍融溫度為±19.1 ℃時不同凍融循環次數下重塑黃土的微觀圖像（×500）Fig.8 Microscopic images of the reshaped loess under different freezing-thawing cycles at ±19.1℃（×500）

3 結論

（1）隨著凍融循環次數的增加，原狀黃土和重塑黃土的強度均逐漸下降，但經歷8次循環后2種黃土的無側限抗壓強度先增加后基本趨于穩定。

（2）隨著凍融溫度的降低，原狀黃土的無側限抗壓強度也降低，但重塑黃土的無側限抗壓強度變化不均勻，說明溫度對重塑黃土的強度影響嚴重。

（3）凍融溫度的降低和凍融循環次數的增加，會使原狀黃土和重塑黃土內部的大顆粒逐漸變為小顆粒，小孔隙含量逐漸增大，顆粒排列方式發生變化，黃土結構變得疏松，當經歷8次循環后小顆粒含量增多并填充孔隙，使顆粒間排列緊密，連接能力增強。