冻融循环作用下黄土土体力学特性变化研究

温 浩

（山西交通科学研究院集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

含有冰的各种土壤和岩石并且温度低于零度的土质被称为冻土。冻土是由未冻水、冰、岩土固体颗粒和空气组成的四相体系，也是对温度非常敏感的各向异性多孔介质。冻土与非冻土之间的巨大差异是因为冰这种物质成分的存在，它会造成冻土力学性质的不稳定性。含冰量决定了冻土的物理性质，外部的温度和压力等因素的变化会影响冻土里冰的含量，从而发生相变，进而导致冻土物理性质的改变。冻土的物理力学性能会随着外部温度和压力的变化而变化，这表明冻土是不稳定的[1]。对于现阶段的研究成果而言，冻融作用对黄土的物理性质变化的影响研究已经较为透彻，但是对土体力学变化特性的研究却是比较欠缺，现阶段没有得出普适性的结论，因此有待进一步研究与细化。

冻胀现象指的是在土体的冻结过程中，因为水变成冰造成的体积膨胀现象，使得土体颗粒之间产生了相对位移，造成土地表面隆起的现象。冻胀现象会使得地面发生不规则形变、隆起或者产生裂缝，严重的可能会对道路造成一定的破坏[2]。土体的水分补给条件以及土体本身的特征都是土体冻胀的影响因素。

融沉现象指的是冻土因受到外界因素变化的影响后，已经被冻结的土质开始渐渐融化或不再继续冻结的物理现象，由于冰化成水造成土体总体积渐渐变小、并有沉降现象发生的一种过程。融沉会使得土体结构的内部发生位移，从而改变了土体的力学性质。一般构造物的安全性会被土体的融沉现象严重影响，影响其正常使用[3]。所以在冬天寒冷的气候中要特别注意冻融状态对土体力学性质的改变。在冬天进行工程建设的同时，需要特别考虑土体的不稳定性，这体现在地基承载力和边坡的稳定性分析。

1 黄土的基本特性

1.1 黄土的基本特性

与其他土体类别相比，黄土自身独特的特征有：黄褐色为主，会掺杂少量灰色；孔隙大多直径为1 mm左右，且肉眼可见；具有湿陷性；粒径小于0.25 mm、粉土含量超过60%；土质中碳酸钙的含量不小于10%，层理发育不显著；钙质结核是黄土特有的大孔隙结构。

1.2 黄土的成因及分布

对于黄土的成因，暂无一致意见。水成说、残积说和风成说都被人提及过，且都存在一定的科学依据。随着人为作用和时代的变迁，黄土土质形成了峁、柱、桥、坪、塬、梁等种种独特的地貌。同时，按照黄土的成因，也可将黄土分为原生黄土和次生黄土。

在世界范围内，黄土状的面积大概为1 300万km2，占陆地总面积的1/10，分布于全世界各地的干燥地区。在我国地区约有80%的黄土土质具有湿陷性，它们大多分布于黄河中下游地区，即我国的黄土高原地带[4]。

1.3 黄土的组成特性

黄土主要由二氧化硅构成，同时掺杂着部分的氧化铝和氧化钙。在我国的地形从东南向西北，颗粒大小从细小颗粒慢慢变为粗大颗粒。约有60余种矿物质存在于黄土中，大部分都是碎屑和矿物质，其中包含了碳酸岩、石英等。在黏土矿物质中，水云母占了半数以上，同时掺杂少量的高岭石和蒙脱石。

2 冻融作用对土力学性质影响的试验研究

2.1 试验设计

在对设计试验的变量因素选择时需要注意：要选择在试验中变化的因素以及其变化范围、因素的规定水平及其变化范围；同时要考虑如何将这些变量的值控制在理想的区域范围内；随后分析试验中潜在的重要因素，不能受到试验者主观意愿的影响。

2.2 待考证的黄土力学特性

土体结构受到冻融过程的影响，其性质会发生明显变化。本节致力于研究冻融现象对黄土土体性质变化的影响。因此本次试验将会涉及到由冻融现象给土体带来的抗剪特性压缩特性的影响。那么就需要考量土体的压缩模量和黏聚力、内摩擦角等物理参数的变化规律。试验重点是要考察土体冻融前后压缩特性的变化特征以及土体冻融前后的强度变化[5]。

2.3 试验试样和试验设备

本次试验地点选在山西省某国道施工区基坑，取土深度大致为4.0 m，拟采用冻胀敏感性土，土样颜色黄褐色，无钙质结核，土质均匀坚硬，其他的物理性质如表1所示。

表1 土体物理性能表

利用轻型击实仪来测定试样的最大干密度，利用击实试验对土样的压实特性做进一步的了解。试验7次夯击不同含水量的土样，7次的试验结果测定土样含水量分别为20.0%、17.7%、11.4%、18.0%、23.5%、21.2%和13.6%。

黄土试样的夯击曲线图如图1所示。通过该曲线不难判定，本黄土的最优含水量为17.7%，最大干密度为1.57 g/cm3。

图1 黄土夯击曲线

原状的试样制备可以按下述方法获得：首先从公路施工场地取回，小心搬运并密封存储，不能在试验前开启；随后，辨别其上层和下层，将两端土样整平，切土方向与天然层次垂直[6]。利用削土器将试样切成圆柱形。

重塑试样的制备可以用下述方法获得：将原状土样之后剩下的土样碾散开来，通过1 mm孔径的筛子，随后密封2 d以上。同时采用分层压样法来制备三轴试样，分若干层（至少5层）压实，随后将容器内的试样取出后，对三轴土样进行称重，最后计算制备重塑土试样需要的土样质量[7]。

含水量的配制：这里采用风干法来处理非饱和土样[8]。如果含水量过大，则可以采用滴定注水法对土样质量进行改变。滴水速度过快会导致容器开裂或损坏，因此此处采用分离滴定法，逐级增加含水量，最后将适配成功的试样放在保湿缸里72 h以上，保证水分的均匀。

3 试验方法及过程

研究土样的结构参数、围压、结构参数随着冻融循环次数的变化规律及特征，先将不同含水量的原状土通过恒定温度-15℃～15℃（为防止水分蒸发导致土体强度发生变化，最好提前将试样装好并密封，随后再冻融），每隔半天交替改变温度。

对试样进行围压力为50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa的静三轴试验。原状样控制条件如表2所示。

表2 原状土样冻融循环试验方案

试验控制条件如表3所示。

表3 重塑黄土冻融循环试验方案

3.1 原状样电镜扫描试验的方案

原状黄土经过预处理后，进行电镜扫描处理。由于条件所限，每一组扫描选择1个试样，然后对12个试样逐个检验，试验方案如表4所示。

表4 电镜扫描试验方案

重塑黄土和原状黄土二者均有结构性，其重要程度不可忽视。重塑黄土的结构性可以为黄土性质研究提供一些必要帮助。由于北方季节性的冻融循环作用，道路路基会经常发生水分转移，从而导致路基密度发生变化，严重的则会使道路发生形变。

假设围压不变，变量是冻融循环次数，15%的应变作为对应的土体结构参数，那么含水量与结构参数的关系曲线如图2所示。

图2 含水量与结构参数关系曲线图

从图2中不难看出，含水量与结构参数之间的关系非常明显。当含水量较低时，微小的含水量增加会使得黄土的结构性明显降低。围压固定在100 kPa时，含水量从13.1%增加到15.8%时，结构参数下降了约30%。当含水量逐渐增大时，其对压力变化的敏感性已经在逐渐降低。当含水量从18.2%增大到23.5%时，结构参数下降了12.1%。当围压固定在50 kPa，1次冻融循环过程之后，结构参数下降幅度很大，约为47.1%。当围压固定在100 kPa，9次冻融循环过程之后，结构参数下降幅度很大，约为42.7%。当围压固定在200 kPa，15次冻融循环过程之后，结构参数下降幅度适中，约为27.4%。

因此由上述数据不难看出，由水分引发的土体形态变化和转移，从而引起颗粒破碎，可经高围压可变性发挥，形成次生结构。

4 结论

a）重塑样结构参数曲线的生长阶段较短，由于剪切应力的增加，初始结构因颗粒的调整而增大。重塑黄土经过初始生长阶段后，其结构参数急剧下降，然后下降的速度越来越小。

b）重塑样在相同围压下，不同含水量的结构参数随着应变的增加最终趋于相位，围压越大，结构参数越稳定，应变值越小。当压实度不同时，趋于稳定时的应变也不同。

c）原状黄土的结构特征随着水含量的增大而逐渐减小。当含水量较低时，含水量的变化对黄土结构特性的变化是非常敏感的。同时，随着围压的慢慢变大，含水量降低的幅度越大，结构参数的变化范围越小。围压的增大使得土体结构性参数呈现先变大后变小的趋势。