冻融循环对新疆黄土结构的影响

陈敬知 张远芳 潘蕾 张运海

摘要：为探究冻融循环作用对黄土结构的影响，选取新疆天山北麓黄土，采用室内试验的方法，对重塑黄土进行冻融循环试验和冻融循环后的湿陷试验，结果表明：黄土湿陷净变形随着冻融循环次数的增多先增大后趋于稳定;含水率低于塑限时黄土表现为冻缩，含水率高于塑限时黄土表现为冻胀;冻缩时冻融循环使黄土湿陷系数降低，冻胀时黄土湿陷系数增大，冻缩对黄土湿陷性起到弱化作用，冻胀使黄土湿陷性增强：含水率对黄土冻融循环后湿陷性的变化起主導作用。

关键词：冻融循环;冻胀;冻缩;湿陷系数

中图分类号：P642.13

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.027

新疆地区黄土分布广泛，在形成时间上比黄土高原更晚，因此具有强烈的湿陷特性。新疆大部分地区为季节性冻土区，在冻融循环作用下浅层湿陷性黄土反复遭受冻结、融化作用，导致土颗粒间水一冰相互转化，进而改变黄土的结构，造成黄土地基的不均匀沉降、塌陷等。黄土湿陷性又称为“水敏性”，探究冻融循环作用对黄土水敏性的影响具有一定意义。

黄土在天然状态下一般是稳定的，并具有一定湿陷结构[1-2]，冻融循环能够改变重塑黄土内部的土体骨架。方丽莉等[3-5]研究了冻融循环作用对黄土结构的影响：董晓宏等[6]研究了冻融循环对黄土抗剪强度的劣化作用，建立了强度劣化模型：张世民等[7-8]研究表明，随着冻融循环次数的增加，黄土干密度趋于某一特定值，土颗粒间自由水的分布规律在冻融循环条件下发生改变：宋春霞等[9]指出冻融循环对不同干容重的土具有强化和弱化的双重作用：王治军等[10]提出黄土冻胀临界含水率与塑限接近：肖东辉等[11]发现冻融循环作用将孔隙中大颗粒分解成小颗粒，导致黄土孔隙率发生改变，进而影响黄土的湿陷性：王泉等[12]认为在冻融循环下黄土具有二次湿陷性，重塑土的二次湿陷比原状黄土更为强烈。地基和路基湿陷变形增加的主要原因是，在冻融循环和增湿条件下，压实黄土结构疏松和强度劣化，在实际工程中，黄土冻胀往往受力不均，对建筑物危害极大。李国玉等[13-14]认为，压实黄土反复冻胀和融沉，使黄土干密度减小，孔隙比增大，湿陷变形增加。本文通过对黄土冻融循环变形量变化规律的分析，以及新疆黄土冻融循环后湿陷系数变化规律的探讨，得出新疆地区冻融循环对不同含水率下重塑黄土结构的影响，以期为新疆地区黄土地基病害防治提供借鉴。

1 试样制备及试验方法

试验用土取自新疆天山北麓昌吉回族自治州昌吉市第二污水处理厂，昌吉地区年均最大冻土深度为1.42 m，故将取样深度确定为1.40 m。按照《土工试验方法标准》（ GB/T 50123-1999）进行土常规试验，得到原状黄土基本物理指标，其中天然含水率为8%.干密度为1.49 g/cm3，相对体积质量为2. 68，塑限为18.1%，液限为28.5%，塑性指数为10.4。将原状黄土碾碎过2.0 mm圆孔筛后放人烘箱，烘至恒重，按照原状黄土干密度pd= 1.49 g/cm³配置重塑黄土，含水率取8%、13%、18%和23%，采用击样法，在环刀内制成土样备用。

试验分为两个阶段。第一阶段为冻融循环试验，采用可控式低温试验箱，用固结仪容器盛放试验土样。为保证试验过程中土样含水率不变，且避免土样上部受压影响试验结果，在试样底部铺设保鲜膜，护环内壁用凡士林密封，用8 mm厚亚克力板代替透水石与加压上盖。在冰箱底部铺设气泡膜，以减小冰箱震动导致的误差。经反复测定，土样在+25℃下，单周期24 h可完成冻结和解冻（冻结12 h、解冻12 h），冻融循环次数为1- 10次。由于百分表受低温影响存在误差，因此不同含水率黄土设置4组平行试验，取4组平行试验百分表读数的平均值。由于试样在有侧限条件下只在竖向发生胀缩，因此黄土净变形量乘以环刀面积（30 cm²）为黄土体积变化量。第二阶段试验为不同含水率黄土在经历不同冻融循环次数后的湿陷试验，在室温25℃下进行。由于5次冻融后，单周期净变形量变化不大，因此湿陷试验选取0、1、3、5、10次冻融后的试样进行。试验仪器为WG型单杠固结仪，采用双线法进行，即一个试样保持其含水率不变，另一个试样在25 kPa压力下，达到变形稳定后，自试样底面加水，待再度稳定后，按照100、200、400、800、1 600 kPa逐级加压，读数后获得原含水率土体与饱和含水率土体的压缩位移，计算不同因素下黄土的湿陷系数δsp：

2 试验结果分析

2.1 冻融特性

各级含水率黄土变形量与冻融循环次数的关系见图1。当干密度为1.49 g/cm³时，含水率为8%、13%、18%的黄土受冻净变形量小于0，出现冻缩现象;含水率为23%的黄土净变形量大于0，表现为冻胀。含水率为8%、13%、18%、23%的黄土，10次冻融循环后的净变形量分别为-0.042、-0.029、-0.024、0.042 mm。从图1可以看出，随着冻融循环次数的增加，黄土的变形量达到最大值后不再增加而是趋于某一定值，含水率为8%、13%、18%、23%的黄土分别于第5、4、4、3周期冻胀率达到峰值，此时黄土结构可视为已完成重组，即冻融循环作用下含水率较高的黄土先完成重组。冻胀率达到峰值后，随着冻融循环次数的增加，单周期内冻胀率与融沉系数值大致相等，黄土土体冻胀增量为0.即随着冻融次数的增加，达到峰值后单周期内土体受冻产生的变形量大致与融化产生的变形量相等，因此也可说明黄土结构重组完成。冻胀率、融沉系数与冻融次数的关系曲线见图2、图3。

由于取样地含盐量低，因此盐胀对黄土的影响可忽略不计。当温度降低至冻结温度及其以下时，土颗粒遵循热胀冷缩这一物理规律发生冻缩，土中的水逐渐向冰转化，发生体积膨胀。土水系统中，温度降至冻结温度及其以下，当含水率小于塑限含水率时，水吸附于土颗粒表面，土颗粒中伊利石、蒙脱石等矿物发生受冻收缩，粒间无自由水结晶膨胀，升温时土体体积发生膨胀。在10次冻融循环后，含水率越低，黄土融化后收缩越明显，见图2、图3。当含水率大于塑限18%时，黄土内部有足够的自由水参与冻融循环，自由水受冻结晶，冰晶的冻胀力破坏黄土结构，融化时结构不可恢复，导致土体体积发生膨胀，表现为冻胀，在温度上升时出现融沉。冻融循环净变形量是累加的过程，净变形量达到峰值后趋于稳定，说明黄土在冷冻、融化的交替作用下结构不断发生累加变化，当净变形量达到峰值时黄土结构已经完全重组，黄土结构达到稳定，随着冻融循环次数的增加，净变形量不再发生明显变化，胀缩量基本相等。

2.2 冻融循环对黄土湿陷性的影响

将不同次数冻融循环后的湿陷系数与未冻黄土湿陷系数进行对比，可知冻融循环对含水率为8%和13%黄土湿陷性影响不大，虽然经历了由1次到10次的冻融循环，低含水率条件下，黄土在不同压力段与未冻黄土一样有较大的湿陷性，湿陷系数在800 kPa压力时达到最大，湿陷系数峰值大于0.07.属于强烈湿陷性黄土，见图4。因此含水率远小于黄土塑限含水率时，冻融循环作用对黄土湿陷性影响不大，这与低含水率条件下新疆黄土降温时冻缩、升温时热胀有很大关系。当含水率靠近塑限含水率时，湿陷系数在400 kPa压力下达到最大，压力小于200 kPa时，冻融循环对黄土湿陷性无明显影响，当压力大于200 kPa时，随着冻融循环次数的增加黄土湿陷性有所降低。当含水率超过塑限时，黄土在降温时表现为冻胀，升温时表现为融沉。随着融沉不断累加，黄土中孔隙比减小，湿陷系数明显减小，此时低压力段因冻胀和融沉值相对较小，湿陷系数变化不大，在200。400 kPa压力段湿陷系数降低最显著，此时融沉相对较大，使黄土湿陷性相对降低，当压力大于800 kPa时，湿陷系数变化不大，且趋于平缓，见图4（d）。

含水率低于塑限的黄土由于冻缩作用，因此前5个周期内，湿陷系数峰值随冻融次数的增加有所减小，第5周期与第10周期黄土湿陷系数曲线基本一致，说明黄土结构于第5周期前完成重组：含水率高于塑限的黄土受冻胀影响，前5周期内，湿陷系数峰值逐渐增大，第5周期与第10周期黄土湿陷系数曲线相吻合，即第5周期后黄土结构无明显改变，新的结构于第5周期已经成型，见图4、表1。各含水率黄土经过10次冻融循环后，湿陷系数峰值均大于0.015，说明在冻融循环作用下黄土形成的新结构仍然具有湿陷性，且含水率越大，在逐级加荷过程中湿陷系数峰值出现的越早，即黄土抵抗湿陷变形的能力越弱。黄土的湿陷系数与结构性密切相关。冻融循环使得黄土大颗粒崩解，大孔隙减少，小孔隙增加。冻缩黄土在重力作用下土颗粒逐渐密实，导致孔隙率降低形成新的结构，相较未冻融土样而言，冻缩对于黄土结构起到了强化作用，从而降低了湿陷性。冻胀的往复循环导致黄土孔隙率增大，黄土骨架变得疏松，湿陷性增强。由图1、图4可以得出，黄土湿陷系数峰值的变化规律与冻融循环净变形量的变化规律相似：黄土达到最大净变形量时，其湿陷系数峰值达到最大，且在之后的冻融循环过程中无明显变化，说明随着冻融循环次数的增加，湿陷系数峰值趋于稳定时，黄土湿陷结构完成重组。

3 结论

不同含水率黄土的冻融循环试验以及冻融循环后湿陷试验研究表明：新疆黄土由于其特殊的结构与矿物组成，因此当黄土含水率低于塑限时出现冻缩，当含水率高于塑限时表现为冻胀：黄土的冻胀率曲线在达到峰值后趋于某一个定值，此时可认为冻融循环条件下黄土新的结构已经基本形成：黄土因冻融循环而出现胀缩现象，胀缩使黄土孔隙率发生变化，黄土结构改变，进而影响黄土的湿陷系数。

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【责任编辑吕艳梅】