基于溫度路徑的凍融作用下黃土強度及微觀結構研究

龍建輝，張玲玲，邢鮮麗，郭曉娟

基于溫度路徑的凍融作用下黃土強度及微觀結構研究

龍建輝，張玲玲，邢鮮麗，郭曉娟

(太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

在季節性凍土區，凍融作用誘發黃土滑坡的本質是凍融循環作用下黃土物理力學性質的劣化，探明凍融作用下溫度以及水分遷移對黃土強度的影響及其機制是必要的。以山西省柳林縣某黃土邊坡為例，采用一種新的凍融循環方式即按照土體每年歷經的溫度路徑進行凍融循環，研究在溫度動態變化的凍融循環作用下土體的抗剪強度變化規律以及反復凍融循環作用對土體黏聚力、內摩擦角和微觀結構的影響。結果表明：在一輪凍融循環過程中，土體強度與溫度呈負相關關系，低溫對土體強度影響較大。隨著凍融次數的增加，土體黏聚力呈指數函數下降，內摩擦角幾乎沒有明顯變化。微觀試驗表明，隨著凍融次數的增加，土體內大顆粒破碎化，孔隙增多，表現為顆粒趨于均一化，中等大小(5～10 μm)孔隙占比最大。本次研究模擬了土體經歷的溫度變化過程，為該地區季節性凍融型黃土滑坡防治提供了借鑒作用。

溫度路徑；凍融循環；強度；微觀結構；山西省

黃土由于其特殊的結構性和水敏性，當其處于天然含水率以及未經凍融循環作用影響時，能長期保持較高的強度[1]，隨著含水率增加或者經歷凍融循環作用后，其強度將大幅降低[2-6]，山西省作為典型的季節性凍土區，每年春季由于凍融作用引發的滑坡災害也愈發嚴重[7]。在土體凍融過程中，其物理力學性質劣化是引起黃土邊坡失穩的主要原因，許多學者對凍融作用下土體力學性質的劣化做過一定研究。葉萬軍等[8]通過對黃土開展單向凍結–雙向融化的凍融循環試驗，表明凍融過程中凍結區水分顯著增加是造成土體強度衰減、孔隙增多的主要原因；許健等[9]在–20～20℃凍融條件下，研究得出原狀與重塑黃土黏聚力均表現出指數衰減特征，內摩擦角無明顯變化；胡田飛等[10]通過控制凍結負溫和循環次數，得出冷卻溫度越低，達到新的穩定狀態所需的凍融次數越少；魏堯等[11]研究了不同凍結溫度對黃土力學特性的影響，得到凍結溫度越低無側限抗壓強度和黏聚力下降值越快，內摩擦角隨凍融次數增加先減小隨后增大；龐旭卿等[12]研究了–10℃下凍結和10℃下融化對土體力學性質的影響；倪萬魁等[13]研究了在凍結溫度為–31～29℃時對黃土力學性質的影響。實際上，影響土體凍融作用的因素有很多：凍融循環溫度、凍融循環次數、土體的初始狀態以及凍融循環方式等[14-19]，導致試驗結果千差萬別。

綜上所述，目前針對凍融作用對黃土性質的試驗研究，只關注單一凍結和融化溫度的試驗研究相對比較簡單，而在一個實際凍融循環周期中，由于冬春季節和晝夜溫差的影響，溫度處在一個動態變化的周期范圍內，而溫度場的改變能引起土體內水分場和熱參數的變化[20]，這是影響水分遷移以及結構變化的主要原因。故筆者以山西省柳林縣某黃土邊坡為例，對實際溫度路徑凍融循環方式下黃土強度隨溫度的變化規律以及微觀結構特性進行研究，是凍融型災害研究的一種新思路，為研究該地區凍融型滑坡的機理提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試樣基本性質

試驗所用土樣取自山西省柳林縣莊上鎮輝大峁村一個未經凍融作用的黃土邊坡，柳林縣最大凍土深度為1 m，取土深度為4～5 m，土樣為Q3新鮮黃土，土樣的基本物理性質見表1。

表1 土的基本物理性質指標

1.2 試驗制備

本次試樣采用原狀土樣，根據《土工試驗方法標準》進行制樣。

①直剪樣的制備 將大塊土樣制備尺寸為?61.8×20 mm的環刀試樣。根據試驗需要，共制備144個直剪樣品，如圖1所示。

圖1 制備的直剪試樣

②微觀樣的制備 用砂紙對原狀土樣進行打磨，制備成大小為10 mm×10 mm×20 mm的長條狀試樣。

③含水率的配制 含水量的多少對于凍融作用影響很大，過低有可能土體性質變化不明顯，過高不具有代表性，因此，采用水膜轉移法[21]配制土樣，含水率取12%、16%、20%和24%，并用保鮮膜包裹放置于保濕缸內靜待一周，保證水分均勻分布。

1.3 試驗方案

本次試驗主要分為三大部分，基于溫度路徑的凍融循環試驗、直剪試驗以及微觀結構實驗(SEM)。

溫度路徑即考慮土體每年歷經的溫度變化進行凍融循環試驗，統計柳林縣當地近50 a的年平均最低溫和最高溫并以5年為一個節點計算得到表2，作為本次凍融循環作用的最低和最高溫控制點，中間設置18、0、–10℃這3個溫控點作為中間控制點，模擬凍融過程中不同的溫度變化，每個溫控點設置8 h，保證試樣充分反應。由于土體每年冬季凍結，春季融化，故每次循環均以18℃開始和結束，1次凍融循環演示如圖2所示。凍融循環次數為0、1、3、7、12，根據采取的凍融循環次數，4個含水率4個圍壓共需80個樣品。

為探究凍融過程中溫度變化對土體強度的影響，分別對4個含水率試樣在1次凍融循環作用過程中所歷經的不同溫度段進行研究，劃分階段如下：①未凍融；② 18—34.2℃；③ 18—34.2—18—0℃；④ 18—34.2—18—0—–10—–22.4℃；⑤ 18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0℃；⑥ 18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0—18℃。由于增加了4個階段強度研究且樣品不可重復利用，這個過程共需樣品64個。

對凍融后的每個試樣進行快速剪切試驗，施加垂直壓力為100、200、300、400 kPa。

表2 柳林縣近50 a平均年最低溫和最高溫

圖2 凍融循環1次溫控點

微觀試驗時，將長條狀樣品經自然風干后掰斷，暴露新鮮結構面，用薄鋒利刀片制取約10 mm×10 mm×5 mm的小薄片作為掃描電鏡試樣，選取有代表性的位置進行觀察。

2 凍融循環過程不同階段黃土強度的變化

根據試驗方案中劃分的不同溫度段，限于篇幅設置，以4個含水率土樣在100 kPa和300 kPa圍壓時凍融1次過程中每個階段土體抗剪強度變化為例進行分析(圖3)。

從圖3可以看出，4種含水率下，整個過程土體強度與溫度呈負相關關系，對圖3a中12%含水率的不同階段變化進行分析，未經凍融時土體強度為80.6 kPa，當溫度由18℃升至34.2℃時，土體強度增加了1.2 kPa，但其他含水率條件均呈下降趨勢，這是因為水的黏度會隨溫度的升高而下降，水分運動的阻力就會減小[21]，土體滲透系數增大，同時溫度升高使得土體內部黏土顆粒膨脹變大，原來由黏土顆粒構成的孔隙變大，孔隙比增大[22]，土體密度變小，從而引起土體強度的降低；溫度處于18—34.2—18—0℃降溫過程中，土體強度相比上一階段增加了4.4 kPa，為85.6 kPa，這個階段由于溫度的降低，土體內部水分子運動減緩，密度升高，土體內部顆粒收縮，體積變小，孔隙比減小[23]，土體強度有所增加；溫度繼續由0℃降溫至–22.4℃時，土體強度持續升高，此時土體強度最大為92.9 kPa，這個過程中，土體內的水分開始凍結成冰，冰的導熱系數是水的4倍，使土體導熱系數迅速增加[24]，相應的孔隙比就會減小，土體骨架內充滿冰夾層，這增加了土顆粒之間的膠結力[25]，致使土體強度一直升高直至穩定；當溫度開始回升，即18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0℃時，土體強度急劇降低為73.8 kPa，由于溫度的回升，冰晶體開始緩慢融化，土顆粒間的膠結能力減弱，原先因冰晶凍結產生的大團粒土顆粒破碎化，此時土體內的冰全部緩慢融化為水，體積發生大幅降低，強度也隨之迅速降低，沒有之前穩定；溫度繼續升高至18℃時，此時強度下降幅度不大，土體內水分的凍結、融化和遷移破壞了原生土體結構，土顆粒之間將發生重新排列，顆粒間的分子作用力、膠結力和咬合力均不如之前穩定，強度進一步降低。

圖3中，土體的強度隨溫度的升高而降低，但降低幅度比較小，當溫度降至0℃以下時，土體強度隨溫度的降低增幅較大，由此可見低溫對土體強度影響較大。隨著含水率的增加，土體強度變化幅度也隨之增加，這是因為土體內部水分越多，升溫時導致水分充分軟化土顆粒，故強度隨著含水率的升高而降低，當溫度為負溫時，含水率越高，形成的冰晶體越大，強度也隨之更高，表現為在此階段隨著含水率的增加斜率越來越大，同時溫度回升至0℃時下降幅度也最大，這是因為含水率越大由于冰晶生長增大的孔隙體積越大，當冰晶融化時，有些增加的孔隙無法恢復到原始狀態，土體結構更加疏松，聯結力也就更弱，表現為斜率越大。隨著圍壓的增大，土體的強度隨之增加，但強度衰減規律大致相同。整個過程中土體強度變化逐步穩定，土體有足夠的時間來反映每個過程并直至穩定，這是與傳統單一冷熱源凍融循環方式相區別的地方。

圖3 1次凍融循環過程不同含水率土樣各階段強度變化曲線

3 抗剪強度指標的變化

凍融循環對土體強度的影響主要表現在黏聚力和內摩擦角上。圖4為凍融循環次數對土體抗剪強度指標的影響。

分析圖4可知，土體黏聚力劣化曲線具有快速劣化階段和緩慢劣化階段，當處于低含水率時即12%含水率時，試樣黏聚力在凍融次數為1、3、7、12時分別下降了6.20、2.25、1.50、0.35 kPa，16%含水率試樣黏聚力下降了4.35、2.60、0.45、0.40 kPa，整個過程劣化程度比較強烈。當處于高含水率時，即試樣含水率為20%時，黏聚力隨凍融次數(1，3，7，12)的增加分別降低了3.0、1.7、0.4、0.2 kPa，而24%含水率的土樣降低了2.75、0.90、0.95、0.25 kPa。首次凍融對土體強度影響較大，在7次凍融前，土體強度降幅較大，之后變化很小。在相同凍融循環次數下，低含水率試樣的黏聚力要高于含水率較高的試樣，并且黏聚力的下降幅度也是強于高含水率試樣。含水率較低時，土顆粒間的水膜比較薄，凍融作用增厚了土顆粒外的水膜，凍結產生的冰晶使得土體的體積變大，充填了土體間的孔隙，隨著凍融循環次數增加，冰晶體積增加，土體孔隙也變大，導致土顆粒間的聯結被破壞，黏聚力也隨之降低，但是凍融作用對土體結構的破壞有限，每次經過凍融后土顆粒又會重新排列至“短時”穩定狀態，黏聚力也隨之穩定；含水率較高時，土顆粒間水膜較厚，此時土顆粒間的水分主要是其潤滑作用，也就導致其黏聚力本身就低，故凍融作用對高含水率試樣的黏聚力劣化程度并不大。整體上，黏聚力隨凍融次數增加呈指數型減小，采用指數函數對其擬合，具體的關系如下：

圖4 不同含水率土樣凍融循環次數與抗剪強度指標的關系

式中：c為黏聚力；N為凍融循環次數；a、b、n為模型參數。根據試驗數據擬合結果，a–w符合線性擬合關系a=Aw+B，b–w符合拋物線擬合關系b=Cw2+Dw+E，w為含水率；擬合結果如圖5所示。擬合參數n在一定范圍內上下波動，取平均值1.29。

擬合參數結果為=–0.52，=27.61，=0.03，=–1.41，=23.22，將擬合結果代入式(1)得到：

擬合度2=0.99。

從圖4b可以看出，雖然土體內摩擦角在開始凍融的前幾次有所降低，但整體變化幅度不大。這是因為內摩擦角主要是由土顆粒之間的接觸面積和土顆粒形狀決定，在前幾次凍融后，土顆粒的接觸基本穩定，顆粒之間的粒徑都會保持在一定范圍內，土顆粒大小逐漸穩定，水分的凍融和遷移也只在小部分范圍內發生，故內摩擦角變化不大。

4 土體微觀結構變化

沈珠江[26]指出，21世紀土力學的核心問題是土結構性問題，而土體微觀結構主要是指顆粒大小、形狀、排列方式以及孔隙特征等的分布，為了探究凍融循環次數對土體結構的影響，由于樣品之間本身存在差異，對比同一位置并不具有代表性，故尋找土顆粒和孔隙分布較均勻的地方進行掃描分析，避開邊緣以及個別大顆粒、大孔隙的部位，對每個試樣選取5個掃描點進行拍攝，選取其中最好的圖像對比其結構變化。圖6為含水率為20%(倍率200)的土樣經過不同凍融循環次數的微觀結構圖。

在圖6中，隨著凍融循環次數的增加，土體中原先的大顆粒破碎為小顆粒，小顆粒集合體越來越多，顆粒大小慢慢趨于統一，棱角逐漸磨圓，表面起伏減小，同時土體中微裂縫、裂隙不斷增加，顆粒集合體間的孔隙不斷增大，土體擾動越來越明顯。黏聚力主要是自由分子力、土顆粒間膠結力和咬合力共同作用的結果，凍融作用破壞了原有顆粒間的膠結力和咬合力，顆粒產生分裂和重聚合，孔隙增多，隨之密度下降，導致黏聚力的降低。同時顆粒間的接觸由附著型、角礫型轉變為附著型和基底型，顆粒排列成孔方式由架空–鑲嵌成孔變為架空成孔，顆粒間的接觸方式由面面接觸及膠結的方式變為點–面以及點點接觸為主要方式[27]。

圖6 不同凍融循環次數下20%含水率土體微觀結構

將SEM圖像采用PCAS軟件進行二值化處理，該軟件通過種子算法并分割得到孔隙，且能自動對孔隙區域進行彩色處理[8]，如圖7所示。在經過二值化處理后，采用Image-pro Plus軟件進行孔徑的分析，得到圖8。

圖7 3次凍融循環處理后的孔隙分布(200倍)

從圖8可知，孔隙平均直徑大小主要集中在5～10 μm，呈現先升高隨后降低的趨勢，表明在前幾次凍融作用時，由于水結成冰導致微小孔隙本身體積增大或者相互貫通，導致平均直徑小于5 μm

的孔隙百分含量降低，從而5～10 μm和10～20 μm數量增加，呈升高趨勢，隨著凍融次數的增加，顆粒骨架坍塌，顆粒發生移動，使得大孔隙變為多個中等小孔隙，導致大于20 μm孔隙百分占比減少，微小孔隙小于5 μm數量增加，5～10 μm略有降低，這說明凍融作用下大孔隙變成多個中等大小孔隙，微小孔隙之間的合并作用比較明顯。黃土強度的大小與微觀孔隙之間關系密切，在未經凍融時土樣結構較好(圖6a)，凍融循環作用使得水分遷移，溶蝕沖刷土體礦物組分，造成顆粒骨架間膠結力破壞，此外，由于土顆粒形狀以及運移，造成土體內大中孔隙數量增多，顆粒間接觸面積減少，引起摩擦阻力發生改變，強度降低。

圖8 不同凍融循環次數的孔隙不同平均直徑占比

5 結論

a. 在一輪凍融循環過程，高溫對土體強度變化幅度影響不大，低溫對土體強度影響較大，且二者呈現明顯的負相關關系。

b.宏觀上，基于溫度路徑的凍融條件下，土體黏聚力發生改變，引起其力學強度的變化。試驗得到不同含水率土體的黏聚力隨著凍融循環次數的增加均呈指數型函數下降，并且建立了黏聚力的擬合公式，4個含水率下的土樣內摩擦角值變化不明顯。

c. 微觀實驗結果顯示，隨著凍融循環次數的增加，土體內顆粒破碎嚴重，顆粒間膠結力破壞，土體內裂縫發育演化，中等大小孔隙占比最大，大孔隙數量減少，孔隙比增大，這也是導致土體黏聚力劣化的主要內在原因。

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Study on the strength and microstructure of loess under freeze-thaw based on temperature path

LONG Jianhui, ZHANG Lingling, XING Xianli, GUO Xiaojuan

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, China)

In seasonal frozen soil regions, the essence of loess landslides induced by freeze-thaw cycles is the deterioration of the physical and mechanical properties of loess. It is necessary to find out the influence of temperature and water migration on the strength of loess under freeze-thaw cycles and its mechanism. Therefore, a new freeze-thaw cycle method is adopted, which is carried out based on the temperature path that the soil goes through each year, to study the law of the shear strength of the soil under the action of the freeze-thaw cycle with dynamic temperature changes and the influence of repeated freeze-thaw cycles on soil cohesion, internal friction angle and microstructure. The test results show that during a freeze-thaw cycle, the soil strength is negatively correlated with temperature, and low temperature has a greater impact on the soil strength. As the freeze-thaw cycles increase, the cohesion of the soil decreases exponentially, and the internal friction angle has little change. The microscopic test shows that with the increase of freeze-thaw cycles, the large particles in the soil are broken and the pores increase, indicating that the particles tend to be uniform, and the medium-sized(5-10mm) pores account for the largest proportion. This study simulates the temperature change process of soil, providing a reference for the prevention and control of seasonal freeze-thaw loess landslides in this area.

temperature path; freeze-thaw cycle; strength; micro structure; Shanxi Province

P642

A

1001-1986(2021)04-0242-08

2021-02-23；

2021-06-22

山西省青年基金面上項目(201801D221051)；山西省自然基金面上項目(201801D21033)

龍建輝，1972年生，男，博士，副教授，從事地質災害方面的研究. E-mail：longjianhei@163.com

張玲玲，1997年生，女，山西臨汾人，碩士，研究方向為工程地質. E-mail：1448928034@qq.com

龍建輝，張玲玲，邢鮮麗，等. 基于溫度路徑的凍融作用下黃土強度及微觀結構研究[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(4)：242–249. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.029

LONG Jianhui，ZHANG Lingling，XING Xianli，et al. Study on the strength and microstructure of loess under freeze- thaw based on temperature path[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：242–249. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.04.029

(責任編輯 周建軍)