冻融循环作用下重塑黄土强度劣化试验研究

周有禄，武小鹏，李 奋，刘贺业

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

关于冻融循环作用的研究，主要是冻胀和融沉对工程的影响，大量的研究都致力于防冻胀、融沉的措施等。冻融循环作用对黄土工程性质的影响大致分为对黄土的物理性质和力学性质2方面。邴慧等[1]以兰州黄土为研究对象，在通过不同的冻融循环次数后含盐土在常温下的应力应变呈脆性破坏，而经冻融循环后的试样呈弱塑性破坏。WANG等[2]对细粒土的破坏强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角进行冻融前后的对比研究，发现土样的弹性模量和破坏强度经历7次冻融循环后可应用于寒区工程设计过程。随着冻融循环次数的增加，土样的黏聚力呈下降趋势，内摩擦角呈增加趋势。杨成松等[3]研究发现冻融循环后的土体干重度趋于某一定值，且这一定值与土体的种类有关，冻融循环后的土体含水率比初始含水率大。齐吉琳等[4]研究了冻融作用对超固结土强度的影响，发现其强度参数发生了变化；冻融过程会改变土颗粒的排列和联结。宋春霞等[5]认为冻融循环对不同干重度的土具有强化和弱化的双重作用。倪万魁等[6-8]认为反复冻融下黄土抗剪强度有明显的劣化现象。张辉等[9]认为冻结温度对不同含水率原状土样冻融后黏聚力与内摩擦角的影响不显著。

本文以青海东部Q3黄土为研究对象，对不同含水率的重塑黄土进行不同冻融循环时的三轴试验，研究不同含水率的黄土在冻融循环条件下的力学特性，从而为青海黄土地区工程建设中的冻融灾害防治提供科学依据。

1 试验概况

1.1 土样制备

取青海东部一新建公路地基中Q3黄土，根据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》制备土样。将原状土样切削下来的土风干、碾碎，然后过2 mm筛。通过土工试验检测土样的基本物理力学指标见表1。

表1 土样基本物理力学指标

1.2 试验设计

将不同含水率和不同干密度的土样放入冻融箱中进行冻融循环试验(冻结温度为-15 ℃，融化温度为20 ℃)，选取冻融周期为24 h(冷冻12 h，融化12 h)，分别进行0，1，3，5次的冻融循环，随后进行三轴剪切试验。冻融循环试验方案见表2。三轴剪切试验围压采用100，200，300，400 kPa，剪切速率为0.8 mm/s。

表2 冻融循环试验方案

2 试验结果及分析

2.1 黄土劣化的表观分析

不同含水率和不同干密度的土样经过冻融循环后，发现冻融循环次数越多含水率越高，表面起皮和麻面越严重，即结构破坏越严重。

不同冻融循环次数下土样的表观现象描述见表3。可知，冻融循环对土样的破坏比较严重，在每次的冻融循环时由于水分迁移作用，使土样表面含水率增加，从而使得土样表面出现破碎。尤其当土样含水率较高时，在冻融循环后期土样的变形较严重，一般边缘向上隆起，表面变形不均匀，出现贯穿裂纹及松动。

表3 不同冻融循环次数下土样的表观现象描述

2.2 不同干密度下强度参数变化

不同干密度下含水率为15.6%的黄土强度参数变化见图1。可知，试样经过1～5次冻融循环后黏聚力和内摩擦角下降幅度都较大，但内摩擦角在第5次冻融循环后略有变大。如试样1黏聚力经过5次冻融循环后由 40 kPa 下降至21 kPa，其下降率为47.5%；内摩擦角经过5次冻融循环后由29.5°下降至26.8°，其下降率为9.2%。黏聚力和内摩擦角都与干密度基本呈线性正相关，即黏聚力和内摩擦角都随着干密度的增加而增加。

图1 不同干密度下黄土强度参数变化

2.3 不同含水率下强度参数变化

不同含水率下干密度为1.75 g/cm3的黄土强度参数变化见图2。

图2 不同含水率下黄土强度参数变化

由图2(a)可知，随着含水率的增加土样的黏聚力降低幅度较大，而且经过1～5次冻融循环后，不同含水率下土样随着冻融循环次数的增加其黏聚力均减小，其黏聚力与含水率基本呈线性负相关。通过线性回归分析，其相关系数R2=0.997，回归方程为y=-0.343x+33.25。

由图2(b)可知，随着冻融循环次数的增加内摩擦角和黏聚力有基本相同的规律，其中内摩擦角经过第5次冻融后有所增大。主要原因是当土样含水率较低时，水分基本都是原位冻结，水分迁移不明显，形成不了较大冰晶，即对土样内部破坏有限。当含水率增加时，土颗粒之间的水膜变厚，冻结后土颗粒之间的冰晶体积显著增大，融化时土颗粒之间的体积不会恢复到之前状态，所以当土样处于较高含水率时土颗粒之间水膜较厚，颗粒之间的滑动起主导作用，这时土样的黏聚力和内摩擦角就减小到最低。由此可见，初始含水率对非饱和黄土的强度参数影响很大。

2.4 不同冻融循环次数下强度参数变化

土样的含水率和干密度一定时，不同冻融循环次数下黄土强度参数变化见图3。

图3 不同冻融循环次数下黄土强度参数变化

由图3(a)可知，经过多次冻融循环后，黏聚力随着冻融循环次数的增加而减小，当减小到一定值后就趋于稳定。其特点是第1次冻融循环后，黏聚力的降低幅度大，经过3次、5次冻融循环后，土样的黏聚力下降幅度变缓趋于稳定状态。

由图3(b)可知，经过多次冻融循环后，与黏聚力不同的是土样的内摩擦角呈现出相反的变化。随着冻融循环次数的增加，土样的内摩擦角有所增大。

在不同冻融次数下黏聚力和内摩擦角出现以上变化现象分析如下：在冻融循环作用下，水分在土样内部和表面不断冻结和迁移，土颗粒之间的连接及排列被破坏，随着冻融循环的进行，黏聚力在不断的下降。与此同时土样中较大的土团粒被破坏，此时土颗粒之间重新进行了排列和结合，细颗粒不断增多，即表面积增大，土颗粒之间的摩擦增加，最终表现为内摩擦角有所增加。

2.5 冻融循环作用下强度参数拟合关系

对于给定含水率和干密度的土样，通过数据拟合黏聚力c和内摩擦角φ的变化趋势，建立强度参数与冻融循环次数的函数关系式见式(1)和式(2)。可见，c与冻融循环次数n呈指数关系,而φ与冻融循环次数呈抛物线关系。

3 结论

1)当土样初始含水率越高，随着冻融循环次数的增加，黄土颗粒间的胶质越容易溶解，表面起皮和麻面越严重，进而导致强度降低。即初始含水率对非饱和黄土的强度参数影响很大。

2)不同干密度下，土样的黏聚力和内摩擦角的变化都随着冻融循环次数的增加呈现下降趋势，而黏聚力和内摩擦角都随着干密度的增大而增加，呈线性正相关关系。

3)不同含水率下，随着含水率的增加，土样的黏聚力和内摩擦角降低幅度都较大，并随着冻融循环次数的增加其黏聚力和内摩擦角均减小。

4)当土样的含水率和干密度一定时，经过多次冻融循环后，土样的黏聚力下降幅度变缓趋于稳定状态，而内摩擦角有所增大。

5)通过试验数据拟合建立了强度参数与冻融循环次数的函数关系式。该关系式能较好反映黄土在冻融循环作用下的劣化规律。