凍融循環對陽曲隧道黃土細觀損傷演化規律影響研究*

楊更社，田俊峰，葉萬軍

(西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安710054)

0 引 言

黃土是中國廣泛分布的特殊土，是一種第四紀的沉積物，多分布于干旱、半干旱地區，常態為非飽和狀態，含水率和溫度對其強度特性有著重要的作用，寒冷地區黃土工程近些年得到了較大的發展，黃土的凍融強度劣化是凍土力學與工程重要研究課題之一。

隨著CT(Computed tomography)掃描技術在巖土工程中的廣泛應用，因其可對材料在受力過程中的動態、定量和無損量測，可根據物體不同薄層的圖像資料三維成像、超大檢測面積和高分辨率等優點，近些年在土的微觀研究中得到了較為廣泛的 使 用 和 發 展。吳 紫 汪(1996)［1］、馬 巍(1997)［2］等對凍土單軸蠕變過程中結構的變化進行了CT 動態監測;賴遠明(2000)［3］等對大版山隧道圍巖的凍融損傷進行了CT 分析;雷勝友(2004)［4］等對黃土進行了三軸剪切、浸水濕陷過程的CT 掃描，根據數據和損傷理論，對原狀黃土進行了微結構的分析;劉增利(2005)［5］等基于CT對凍土單軸壓縮所造成的損傷進行了本構分析;王朝陽(2006，2010)［6-7］等采用三軸CT 實時試驗對原狀黃土在三軸剪切試驗過程中的應力-應變進行了研究，提出了用CT 數所定義的損傷變量關系，擬合得出損傷變量與軸向應變及偏應力的關系式。趙淑萍(2010，2012)［8-9］等基于CT 單向壓縮試驗對凍結重塑蘭州黃土進行了損傷耗散勢研究;方詳位(2011)［10］利用CT 多功能土工三軸儀對非飽和原狀Q2黃土進行三軸浸水變形特性的研究。葉萬軍(2007)［11］根據影響黃土路鏨邊坡斷面設計的5 個指標，建立邊坡斷面設計的模糊判斷矩陣，將定性指標轉換為模糊值。郭利平(2010)［12］結合黃土的抗拉特性，探討并建立了基于開挖擾動引起黃土邊坡剝落破壞的分析模型。馮曉光(2012)［13］通過peck 公式的兩個重要參數對其進行修正，使其適用于黃土地區，并為今后黃土地區地鐵的盾構施工提供參考依據。任建喜(2009)［14］完成了單一預制裂紋的裂隙砂巖三軸壓縮條件下的細觀破壞特征CT 實時掃描試驗。盧全中(2006)［15］總結了黃土高原地區第四紀斷層與構造地裂縫等結構面的特征及災害效應，得出了其特性影響因素。謝星(2006，2009)［16-17］建立了Q2黃土的統計損傷本構模型。鄭志勇(2008)［18］深入探討了銅川黃土滑坡的地質和非地質因素、形成機理及發育過程，提出了具有一定操作性的防治對策。李加貴利用定義的非飽和Q3黃土的結構參數，建立了側向卸荷過程的細觀結構演化方程。鄭劍鋒通過在1 MPa 圍壓下不同溫度條件下凍結蘭州黃土三軸壓縮試驗過程的CT動態掃描，獲得了由CT 數表示的土體損傷量表達式。朱元青進行了一系列控制吸力的CT-三軸濕陷試驗，得到了加載過程和濕陷過程中的宏觀反應曲線和相適應的CT 掃描圖像。

山西陽曲1 號黃土公路隧道位于山西省中部陽曲縣與盂縣交界處。隧道圍巖含水率為23%左右，由于含水率高及凍融作用的影響，導致隧道病害的發生。陽曲1 號隧道在2010 年4 月1 日掌子面未進行施工情況下左線發生冒頂。分析原因認為陽曲地區12 月至來年3 月為冬季，早晚溫差大而產生日凍融循環。該線路在穩定高含水率黃土隧道圍巖的費用共計達到數億元。僅從保證該條公路建設質量和效益來講，文中就都具有巨大的經濟和社會效益。

可以看出，對于溫度對黃土的細觀損傷研究方面，許多人做了大量的工作。本文主要針對山西陽曲特殊的黃土特征，對其進行凍融循環后的細觀損傷的CT 掃描特征分析，從而得到山西陽曲黃土在不同凍融循環次數下的劣化特性，為同類型的隧道施工提供參考。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣選取

陽曲1 號隧道隧址區地表表層為第四紀全新統沖洪坡積層Q4al+pl+dl，為了盡可能保持試樣的原始狀態，嚴格原狀土樣的制備按照《土工試驗方法標準》的有關土工試驗的規定要求制作試樣，減少人為擾動影響，制備好的土樣保證重量誤差在1%之內。

試樣天然含水率為22.65%，計算可得天然狀態下的塑性指數IP為0.30，具有中塑性，其天然狀態處于可塑狀態。

1.2 試驗設備

凍融循環試驗采用天津市港源試驗儀器廠生產的DWX-150 -30 型低溫試驗箱。由進口壓縮機、冷凝器、過濾器、毛細管、蒸發器、恒溫槽、數顯儀器、數碼控溫系統等組成。各項技術參數為:儀器容積150 L，控溫范圍0 ～-30 ℃，控溫精度±1℃，電源AC220 V，50 Hz，如圖1 所示。

表1 顆粒分析試驗結果Tab.1 Particle size analysis test results

表2 含水率試驗結果描述統計分析表Tab.2 Moisture content test results of descriptive statistics analysis table

表3 試驗樣品初始條件Tab.3 Initial conditions of test samples

圖1 DWX-150 -30 型低溫試驗箱Fig.1 DWX-150 -30 type low temperature test box

本次CT 試驗使用的是中科院寒旱所的SIEMENS SOMATOM plus 型X 射線螺旋CT 機，空間分辨率為0.35 mm×0.35 mm.

2 試驗數據分析

對山西陽曲隧道取樣開展凍融循環條件下黃土結構的細觀損傷規律試驗。樣品共進行了25 次凍融循環。試樣樣品初始條件見表3，試驗數據見表4 ～6.

表4 試樣初始掃描值Tab.4 Initial specimen scanning value

圖5 ～7 為試驗結果分析曲線。圖2 ～4 為每次掃描時上部、中間層面和下部的圖像，其中(a ～f)分別表示樣品初始狀態、凍融循環5，10，15，20，25 次狀態下掃描的照片。由圖可以看出，未烘干前天然土樣是有微孔洞和微裂紋的初始損傷介質，且初始損傷有不均勻性。在凍融循環作用下，烘干后土樣中的微裂紋開始擴展，隨凍融循環次數增加，微裂紋出現伸長、分叉、貫通、損傷擴展過程。試件凍融后破壞多發生在其初始空隙分布較密集處，可見初始空隙多、水容易進入的部位是易發生破壞的薄弱部位，凍融作用對黃土試件的破壞作用與其空隙分布結構密切相關。

表5 凍融循環對不同區ME 值影響表Tab.5 Effect of freeze thaw cycles on different ME value

圖2 黃土樣品上部層面各狀態CT 掃描圖像Fig.2 Each state CT scanning image of upper level loess samples

圖3 黃土樣品中間層面各狀態CT 掃描圖像Fig.3 Each state CT scanning image of middle level loess samples

表6 凍融循環對不同區SD 值影響表Tab.6 Effect of freeze thaw cycles on different SD value

圖4 黃土樣品下部層面各狀態CT 掃描圖像Fig.4 Each state CT scanning image of lower level loess samples

圖5 凍融循環次數與密度的關系曲線Fig.5 Relationship between freezing and thawing cycles and density

圖6 凍融循環次數與ME 值的關系曲線Fig.6 Relationship between freezing and thawing cycles and ME value

圖7 凍融循環次數與SD 值的關系曲線Fig.7 Relationship between freezing and thawing cycles and SD value

由試驗結果可見，樣品在0 ℃，-10 ℃凍16 h，-20 ℃凍8 h 的凍結溫度下掃描，體積稍增，密度稍減，變化不大;10 ℃經歷16 h 保溫掃描，CT 數中心減小，邊緣增大，標差增大，說明凍結過程發生水分向低溫端(由內向外)遷移。凍結過程體積-密度發生變化，土樣發生明顯的凍脹密減現象;凍融循環后在整數周期(20 ℃)時掃描，樣品內外殘存含水率差異(外大內小)，土體保持而水分有所喪失，各區域含水率幾乎同步減小。

從CT 數與凍融循環關系曲線上來看，隨著凍融循環次數的增加，黃土CT 數均值減少，方差增大，這是由于土樣外表面在凍結時被封閉，土樣內部孔隙水很難遷移到土樣外表面，只能在外表面凝結成冰，水冰相變體積膨脹，對孔壁產生凍脹力，凍脹力的產生使得土樣原來的損傷微裂隙、微孔洞以及微裂紋產生新的損傷，土樣密度減少，從而CT 數均值也減少。當15 次凍融循環后，CT 數均值趨于平緩，這是由于經過前面凍融循環后，產生了大量的微裂隙、空洞;同時，水分在不斷的流失，空隙內很難飽水，凍結時候，產生了水分遷移，凍脹時產生的凍脹力小，損傷的擴展也小。總體上來看，土樣ME 隨凍融循環次數的增加而降低，SD 隨凍融循環次數的增加而增加。

由試驗發現:凍融循環25 次后，體積縮小0.42%，密度減少4.5%;這是由于在凍融循環過程中有土質損失，水分也不斷的損失。

利用凍融循環次數定義損傷變量

式中 Ddr為在凍融循環條件下的損傷變量;當Ddr=1 時，說明土樣開始破壞;ni為在i 次循環次數;Nf為在試樣到達破壞時的循環次數;K 為修正系數，與土性、地域等因素有關。

圖8 為循環次數與損傷變量的關系曲線，由圖可見，在初始凍結過程中，損傷變量出現了負值，說明在初期由于土樣閉合空隙占大多數，含水率較小，水的滲入造成了土樣密度增大，CT 數均值增大，損傷變量減少。達到了一定的凍融次數后(9次凍融循環后)，土樣原來閉合的空隙開始貫通飽水，凍脹力開始發揮主導作用，裂隙擴展、密度減少，CT 數均值降低，損傷變量增大。

圖8 損傷變量隨凍融循環次數變化規律Fig.8 Damage variable with freeze-thaw cycle number variation

采用CT 數定義凍融損傷變量，以研究CT 數影響損傷變量的規律。設未循環土樣初始ME 定義為M1，完全破壞時土樣ME 值為M2，則某一黃土樣在凍融循環過程中的損傷變量Ddr為

試樣在從1 次凍融循環到9 次凍融循環之間，損傷變量小于1，土樣損傷變化不大。超過9 次循環后，損傷變量為大于1，即土樣開始損傷破壞，隨著循環次數的增加，細觀損傷演化并穩定發展階段，即在初始損傷的基礎上產生了新的損傷，裂紋繼續張開，密度減少，從而CT 均值減小。

3 結 論

凍融循環是黃土強度劣化的重要因素之一，經過CT 掃描，可知凍融循環對黃土強度有著如下影響。

1)天然土樣是有著微孔洞與裂紋的初始損傷介質，隨凍融循環作用，裂紋開始擴展、伸長、分叉、貫通。且破壞處均為初始孔隙分布密集處，可知初始孔隙處為試樣的薄弱環節，凍融循環對試件的破壞作用與初始孔隙分布密切相關;

2)凍結過程發生水分向低溫端(由內向外)遷移。凍結過程體積-密度發生變化，土樣發生明顯的凍脹密減現象;凍融循環后在整數周期(20℃)時掃描，樣品內外殘存含水率差異(外大內小)，土體保持而水分有所喪失，各區域含水率幾乎同步減小;

3)隨著凍融循環次數的增加，黃土CT 數均值減少，方差增大，這是由于土樣外表面在凍結時被封閉，土樣內部孔隙水很難遷移到土樣外表面，只能在外表面凝結成冰，水冰相變體積膨脹，對孔壁產生凍脹力，凍脹力的產生使得土樣原來的損傷微裂隙、微孔洞以及微裂紋產生新的損傷，土樣密度減少，從而CT 數均值也減少;

4)當15 次凍融循環后，CT 數均值趨于平緩，這是由于經過前面凍融循環后，產生了大量的微裂隙、孔洞;同時，水分在不斷的流失，孔隙內很難飽水，凍結時候，產生了水分遷移，凍脹時產生的凍脹力小，損傷的擴展也小。總體上來看，土樣ME 隨凍融循環次數的增加而降低，SD 隨凍融循環次數的增加而增加。

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