凍融循環對陽曲隧道黃土強度影響對比試驗研究

余 翔， 楊更社， 葉萬軍， 田俊峰， 魏 堯

(西安科技大學建筑與土木工程學院， 陜西 西安 710054)

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凍融循環對陽曲隧道黃土強度影響對比試驗研究

余 翔， 楊更社， 葉萬軍， 田俊峰， 魏 堯

(西安科技大學建筑與土木工程學院， 陜西 西安 710054)

為了研究凍融環境對黃土強度的影響，以山西陽曲1號公路隧道不同含水量的黃土為研究對象，設計凍融循環次數和含水量變化的對比試驗，通過進行凍融前后的直接剪切試驗，獲得含水量不同的黃土經過不同次數凍融循環后的強度變動規律。結果表明： 原狀土樣和重塑土樣在含水量變大的過程中，抗剪強度與黏聚力均在減小，內摩擦角基本保持穩定，但原狀土樣的抗剪強度與黏聚力始終高于同含水量的重塑土樣。在含水量較高的情況下進行凍融試驗，發現黃土干密度變化非常明顯，此現象表明影響黃土凍脹劣化的主要因素是含水率的大小，黃土中水分含量越大劣化征象越顯著。

黃土； 陽曲隧道； 凍融循環； 劣化

0 引 言

黃土是第四紀形成的一種土狀堆積物，構造性與強度特征有著緊密的關聯。從構造方面講，土顆粒間擺列規則和聯接方法是確定黃土結構強度的關鍵要素； 從力學方面講，則是黃土本身可以抵御毀壞而維持原有狀態的能力。黃土結構強度是原生結構在天然情況下經過長期固結形成的，是自身特有的一種性質。在整個凍融循環過程中，水分發生2次轉移，凝結過程水分會朝向冷源方向轉移，融解過程水分會反向轉移。而融化后的土體強度想要復原到凍結前的狀況異常困難。

為此，非常有必要深入探究土體在受到凍融后強度的變化特性。胡再強等[1]通過無側限壓縮試驗，獲得非飽和土與原狀土的結構強度和含水量曲線關系； 王朝陽[2]以重塑非飽和黃土為研究對象，通過進行直接剪切試驗和CT掃描對其結構強度和抗剪強度特性進行了研究； 謝星等[3]以Q2和Q3黃土為研究對象，將這2種土的CU剪切應力-應變曲線進行分析比較，創立了有關Q2黃土統計損傷本構模型； 李保雄等[4]主要探討沉積年代與含水量差異的黃土剪切強度以及應力-應變特點與水敏感特性； 張茂花[5]對Q3黃土進行增、減濕后的單軸抗壓強度試驗，解釋了增、減濕對Q3黃土的影響；宋春霞等[6-7]以為干密度的變化會致使弱化和強化作用也不同，凍融循環會對前期固結壓力也存在干擾； 邵升俊等[8]發現了構造性與強度特征的內在關聯，同時在黃土隧道力學特性分析中引入抗剪強度與土體結構性變化關系； 畢貴權[9]研究了在開放補水條件下，凍融循環對土樣物理力學性質的劣化作用； 董曉宏等[10]對含水量不同的重塑黃土進行長階段數次凍融循環并進行一系列直接剪切試驗，依據實驗結果推算出將凍融循環作用考慮在內的一種強度損耗模型； 葉萬軍等[11-12]深入研究了土樣在不同凍結速度條件下的直接剪切試驗及細觀結構CT掃描，探討凍融循環作用致使黃土邊坡脫落形成的機制與原因； 高建偉等[13]主要對山西河曲黃土進行無側限抗壓強度的試驗，研究密度和含水率對抗壓強度影響規律； 楊更社等[14]對山西陽曲黃土進行CT實時細觀掃描，研究黃土的劣化特性與凍融循環次數的差異； 田俊峰等[15]對不同含水量黃土隧道進行多次凍融循環后的圍巖變形規律進行研究。

可以看出，國內學者前期主要分析黃土壓縮變形的機制，后期通過凍融循環次數與凍結速率試驗對黃土壓縮特性的研究取得一定進展，可是關于凍結次數、含水量為差異前提下原狀與重塑黃土剪切特性的研究還不夠。本文主要針對山西陽曲1號隧道的特點，通過增(減)濕后的不同含水量重塑黃土進行不同凍融循環次數下剪切特性試驗。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 工程背景

陽曲1號黃土隧道，位于山西省中部陽曲縣與盂縣接壤處，地處季節性凍土區，晝夜溫差大。該地域多年平均溫度為8.6 ℃，1月的平均溫度為-10.9 ℃，最低溫度為-29.2 ℃，11月至3月屬于凍結期，最大凍土深度250 cm，近3年來冬季白天平均溫度為4.6 ℃，夜間為-10.7 ℃，每天的溫度形成一個凍融循環，有些部位含水量超過27%，再加上凍融極易引起災害。隧道為單洞三車道，單洞開挖面積160 m2，跨度17 m，圍巖黃土含水率最低為14%，最高達到29%。在2010年4月掌子面未施工情況下左線發生冒頂，查明是由于冒頂段隧道圍巖含水率高達27%，并且碰到融沉期致使土體穩定性降低、強度削弱。該隧道為鞏固高含水率黃土圍巖的費用合計達到數百萬元。

1.2 試樣制備

試驗中用的土樣取自陽曲1號黃土公路隧道施工新開挖面。為了極力保持試樣自然狀態，完全依據GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[16]制備試樣。

試樣自然含水率為23%，塑性指數為0.31，具備中可塑性，自然狀態處于塑性狀態。通過試驗測定土樣的物理指標及含水率，見表1和表2。

表1 土樣物理力學指標

表2 含水率試驗結果統計

為了測定黃土結構強度，須控制土樣的含水量。將現場采集回來的土樣分別制備成初始含水率不盡相同的原狀土樣和相同含水率且同干密度的重塑土樣。嚴格依照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[16]制備試樣。

原狀土樣的制備，使用水膜遷移方法制備成含水率不同的試樣。首先將現場采回的土樣使用酒精燃燒法測定原狀土的含水率，計算需要加的水量，將其噴灑到試樣外表面上，靜置浸入后用保鮮膜包裹密封，然后置于密閉容器內至少24 h。重塑土樣的制備，將黃土碾碎，過2 mm篩并測定風干后的含水率后進行配土試驗。每組直接剪切試樣制備成直徑為39.1 mm，高度為20 mm的原狀、重塑土樣，分別設計14%、18%、22%和26% 4種含水率，見圖1。

圖1 直接剪切試樣

1.3 試驗設備

凍融試驗設備采用的是RTP-175BU可程式高低溫試驗箱，見圖2。

圖2 RTP-175BU型高低溫試驗箱

均衡調溫系統(BTC)，以P.I.D.(比例、積分、微分)模式管控SSR固態繼電器，設備溫度極限為-30～50 ℃，溫度波動為±0.5 ℃，溫度偏差為≤±1.0 ℃。

直接剪切試驗設備使用的是ZJ型應變控制式直剪儀，在3個不同垂直壓力下，施加剪切應力進行剪切。設備最大垂直荷載為400 kPa，水平最大剪切力為1.2 kN。

1.4 試驗方法

將制備好的土樣放置在RTP-175BU可程式高低溫試驗箱中，設置溫度-15 ℃凍結12 h后設置溫度15 ℃融化12 h，為1次凍融循環。重復數次可得1、3、5、10次凍融循環土樣。取出試件后分別進行含水率為14%、18%、22%和26%這4組原狀試樣和重塑試樣的不排水直接剪切試驗。

為了研究在不同含水率前提下原狀黃土與重塑黃土的抗剪強度特性，獲得不同含水率強度指標c、φ的變化規律，不排水剪切試驗歷時3～5 min，試樣在3個級別壓力(100、200、400 kPa)下的抗剪強度通常取最大的峰值強度。

2 黃土結構強度測定及分析

真凝聚力、摩擦強度和表觀凝聚力構成黃土強度的主要部分，各部分對黃土強度的影響都具有十分重要的意義。真凝聚力是黃土結構、抗壓、抗剪和抗拉強度的主要組成部分，屬于黃土原生結構中自身特有屬性，與外界環境無關； 摩擦強度是黃土抗剪強度的重要組成部分，外力作用產生正壓力，土顆粒相互間發生滑移，導致在接觸面上產生摩擦，大小為土體受到有效正應力和摩擦系數之積，該項指標反應土體的內摩擦角； 表觀凝聚力是黃土由于負孔隙水壓力所產生的一種附加摩擦強度。

2.1 黃土結構強度的測定

4組含水率差別試樣的黏聚力c與內摩擦角φ的數值見表3。

表3 直接剪切試驗結果

2.2 黃土結構強度的變化規律分析

以含水量為14%的試件，取豎向壓力為400 kPa的原狀黃土與重塑黃土的應力應變曲線為例分析，見圖3。

圖3 原狀/重塑黃土應力-應變關系圖

Fig. 3 Relationships between stresses and strains intact and remolded loess samples

由圖3可知，原狀黃土的應力-應變曲線有較為顯著的應力峰值，強度達到最大后開始出現變形。由于在制備重塑黃土試樣時結構性已經被人為破壞，所以沒有體現出明顯的峰值，反而曲線表現為應力增大應變也隨之增大。原狀黃土所對應的應力-應變曲線突顯了原生結構性的影響，彈性階段中曲線呈直線增長，應力的增大速度遠遠高于應變，說明結構內部的真凝聚力起主要作用。當應力達到峰值之前，原狀黃土結構體內的土顆粒間作用力達到最大，土顆粒間開始出現相對滑動； 達到應力峰值之后，黃土原生結構的強度無法抵抗剪切應力，顆粒間相對錯動凝聚力消失，導致土體結構破壞； 隨后黃土摩擦強度發揮作用，在曲線上表現為應變增大應力微小增加。當土顆粒瓦解后造成土體本身構造毀壞，將會引起結構的大變形，最終破壞。

圖3中的應力差值曲線即為原狀黃土與重塑黃土的應力差隨應變量變化的關系，稱為結構強度曲線，直觀地反映結構強度在應力與應變關系中的發展過程。在應變的坐標軸上，結構強度變化曲線被分為2個階段，拐點即為原狀黃土曲線峰值點。在拐點以前，應力差隨應變的增加而急劇增長，體現出黃土的結構強度； 在拐點之后，應力差隨應變的增加而降低，當應力增大至變形量的15%時，黃土的原生結構發生了不可恢復的破壞，此拐點就是黃土原生結構發生破壞的起點。

3 凍融循環對黃土強度的影響

在季節性凍土地區，凍脹力會破壞黃土原生結構粒間膠結物質產生的聯結強度。土顆粒間的接觸特性和數目直接影響黃土力學特性，即為黃土的抗剪強度。將不穩固凝聚力對抗剪強度的影響理解為非飽和黃土的構造強度。

τf=c′+σtan φ′+λqs。

式中： c′為有效黏聚力； σ為直接剪切壓應力； φ′為有效內摩擦角； qs為結構強度； λ是與土構造有關的一個參數，體現結構強度關于不穩固凝聚力的影響，通常取λ≥1.0。

非飽和黃土的不穩定凝聚力，定義為

τf=c′-c。

式中： c為總黏聚力，它與含水量的大小有關。

圖4顯現出非飽和黃土的結構強度會因為含水率的增大而連續降低，隨著凍融循環次數增長，結構強度與不穩定凝聚力類似重合，與總黏聚力差值縮小。當含水率由14%增加到22%時，不穩定凝聚力、總凝聚力和結構強度都隨凍融循環次數的增大而出現相同的變化趨勢。

(a)凍融循環1次與qs、c、τs的關系

(b)凍融循環3次與qs、c、τs的關系

(c)凍融循環5次與qs、c、τs的關系

(d)凍融循環10次與qs、c、τs的關系

Fig. 4 Relationships between freezing-thawing cycles and qs，c and τs

圖5表現為陽曲黃土的結構強度會因為含水率和凍融次數的增加而持續降低，并且黃土處于低含水率時的下降速率高于高含水率時的下降速度。在含水量較低的情況下，非飽和黃土中的水分子在土體原生結構內分布不平均，水分子絕大部分存在于細小顆粒孔隙當中，細微的含水量變化將對結構強度有著顯著的影響。在第1次凍融循環后，各含水率黃土的結構強度下降浮動均達到最大，在含水率為21.74%時達到最大的2.63 kPa。14%含水率下的黃土受到凍融循環影響反應較小，22%含水率影響最顯著。試驗結果顯示，當該地區黃土處在天然含水率21.61%左右時，黃土結構強度隨凍融循環影響浮動較大。

圖5 不同凍融循環次數黃土強度與含水率關聯圖

Fig. 5 Relationships between loess strength and water content under different freezing-thawing cycles

4 結論與體會

1)重塑的非飽和黃土結構強度會因為含水率的增大而連續削弱，結構強度與不穩定凝聚力隨著凍融循環次數的增長慢慢近似重合，與總黏聚力的差值逐漸縮小，結構強度呈現降落最后接近平穩。依據實驗數據顯示，在陽曲地區黃土在受到5次凍脹力對結構的破壞后，黃土自身結構性達到最大破壞，隨后的凍融循環作用對黃土結構影響則較小。

2)不論原狀土樣或者重塑土樣，在凍融次數相同而含水率不同時，含水率變大抗剪強度與黏聚力均在減小，內摩擦角基本不變； 但原狀土樣的抗剪強度與黏聚力始終高于同含水率的重塑土樣。這表明原狀土樣具有明顯的結構性。

3)含水率不盡相同的黃土土樣在反復數次凍融作用下，土樣外表面劣化破壞程度隨凍融次數和含水率的增加變的越來越顯著，含水率越高凍融次數越多，表面結構破壞越嚴重。陽曲地區黃土在經歷過5次凍融循環后裂隙分叉、伸長和寬度明顯增長，10次循環之后無明顯變化。

4)黃土凍融問題是非常復雜的，目前研究還不夠深入。本文只是在不同含水率黃土受凍融循環作用后的抗剪強度變化上進行了探討，其中土的物理性質、干密度和水分遷移等其他因素作用對黃土強度的影響還需進一步深入研究。

[1] 胡再強,沈珠江,謝定義. 非飽和黃土的結構性研究[J]. 巖石力學與工程學報,2000,19(6): 775-779.(HU Zaiqiang,SHEN Zhujiang,XIE Dingyi. Research on structural behavior of unsaturated loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(6): 775-779. (in Chinese))

[2] 王朝陽. 非飽和黃土的強度特性及非線性本構模型研究[D].西安： 長安大學,2004.(WANG Zhaoyang. Strength characteristics and nonlinear constitutive model of unsaturated loess [D]. Xi’an: Chang’an University,2004. (in Chinese))

[3] 謝星,趙法鎖,王艷婷,等. 結構性Q2,Q3黃土的力學特性對比研究[J]. 西安科技大學學報,2006,26(4): 451-455,468.(XIE Xing,ZHAO Fasuo,WANG Yanting,et al. Comparative study of mechanical features of structural Q2 and Q3 loess[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2006,26(4): 451-455,468. (in Chinese))

[4] 李保雄,苗天德. 黃土抗剪強度的水敏感性特征研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(5): 1003-1008.(LI Baoxiong,MIAO Tiande. Research on water sensitivity of loess shear strength[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(5): 1003-1008. (in Chinese))

[5] 張茂花,謝永利,劉保健. 增(減)濕時黃土的壓縮變形特性分析[J]. 湖南科技大學學報(自然科學版),2007,22(3): 50-55.(ZHANG Maohua,XIE Yongli,LIU Baojian. Analysis of compression deformation characteristics of loess during moistening and dehumidify process[J]. Journal of Hunan University of Science & Technology (Natural Science Edition),2007,22(3): 50-55. (in Chinese))

[6] 宋春霞. 凍融作用對土物理力學性質影響的試驗研究[D].西安： 西安理工大學,2007.(SONG Chunxia. Experimental study of the freeze-thaw effects on physical and mechanical properties of soils[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology,2007. (in Chinese))

[7] 宋春霞,齊吉琳,劉奉銀. 凍融作用對蘭州黃土力學性質的影響[J]. 巖土力學,2008,29(4): 1077-1080,1086.(SONG Chunxia,QI Jilin,LIU Fengyin. Influence of freeze-thaw on mechanical properties of Lanzhou loess[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(4): 1077-1080,1086. (in Chinese))

[8] 邵生俊,鄧國華. 原狀黃土的結構性強度特性及其在黃土隧道圍巖壓力分析中的應用[J]. 土木工程學報,2008,41(11): 93-98.(SHAO Shengjun,DENG Guohua. The strength characteristics of loess with difference structure and its application in analyzing the earth pressure on loess tunnel[J]. China Civil Engineering Journal,2008,41(11): 93-98.(in Chinese))

[9] 畢貴權,張俠,李國玉,等. 凍融循環對黃土物理力學性質影響的試驗[J]. 蘭州理工大學學報,2010,36(2): 114-117.(BI Guiquan,ZHANG Xia,LI Guoyu, et al. Experiment of impact of freeze-thawing cycle on physico-mechanical properties of loess[J]. Journal of Lanzhou University of Technology,2010,36(2): 114-117. (in Chinese))

[10] 董曉宏,張愛軍,連江波,等. 反復凍融下黃土抗剪強度劣化的試驗研究[J]. 冰川凍土,2010,32(4): 767-772.(DONG Xiaohong,ZHANG Aijun,LIAN Jiangbo,et al. Study of shear strength deterioration of loess under repeated freezing-thawing cycles[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2010,32(4): 767-772. (in Chinese))

[11] 葉萬軍,楊更社,李喜安,等. 凍結速率對Q2黃土性狀影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2011,30(9): 1912-1917.(YE Wanjun,YANG Gengshe,LI Xi’an,et al. Test study of effect of freezing speed on behavior of Q2 loess[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(9): 1912-1917. (in Chinese))

[12] 葉萬軍,楊更社,彭建兵,等. 凍融循環導致洛川黃土邊坡剝落病害產生機制的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2012,31(1): 199-205.(YE Wanjun,YANG Gengshe,PENG Jianbing,et al. Test research on mechanism of freezing and thawing cycle resulting in loess slope spalling hazards in Luochuan[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(1): 199-205. (in Chinese))

[13] 高建偉,余宏明,李科.黃土無側限抗壓強度的試驗研究[J].安全與環境工程.2014,21(4): 132-137.(GAO Jianwei,YU Hongming, LI Ke.Experimental research on unconfined compression strength of loess[J]. Safety and Environmental Engineering,2014,21(4): 132-137. (in Chinese))

[14] 楊更社,田俊峰,葉萬軍. 凍融循環對陽曲隧道黃土細觀損傷演化規律影響研究[J]. 西安科技大學學報,2014,34(6): 635-640.(YANG Gengshe,TIAN Junfeng,YE Wanjun. Influence of freeze-thaw cycles on Yangqu tunnel loess meso-damage evolution[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology,2014,34(6): 635-640. (in Chinese))

[15] 田俊峰,葉萬軍,楊更社. 含水量及凍融循環對黃土隧道圍巖變形規律影響研究[J]. 公路,2015(4): 271-276.(TIAN Junfeng,YE Wanjun,YANG Gengshe. Impact of moisture content and freeze-thaw cycle on rock deformation law of loess tunnel in Yangqu region[J]. Highway,2015(4): 271-276. (in Chinese))

[16] 土工試驗方法標準： GB/T 50123—1999[S].北京： 中國計劃出版社，1999.(Standard for soil test method: GB/T 50123—1999[S].Beijing: China Planning Press,1999.(in Chinese))

Study of Influence of Freezing-thawing Cycle on Loess Strength of Yangqu Loess Tunnel

YU Xiang, YANG Gengshe, YE Wanjun, TIAN Junfeng, WEI Yao

(College of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

The comparative tests are made on influence of freezing-thawing cycle and water content on loess strength of Yangqu Highway Tunnel No. 1 in Shanxi. The testing results show that: 1) The shear strength and cohesion of intact and remolded soil samples reduce with the water content increases; the internal friction angles of both samples remain stable; the shear strength and cohesion of intact soil samples are larger than those of remolded soil samples under same water content. 2) The obvious variation of dry density of loess under high water content and freezing-thawing test shows that the larger the water content is, the more significant the loess degradation is.

loess; Yangqu Tunnel; freezing-thawing cycle; degradation

2016-03-01;

2016-04-22

國家自然科學基金資助項目(41272340，41172262)； 教育部新世紀人才支持計劃項目(NCET-12-1044)； 陜西省重點科技創新團隊計劃項目 (2014KCT-30)

余翔(1991—)，男，陜西西安人，西安科技大學建筑與土木工程工程專業在讀碩士，研究方向為黃土凍融。E-mail: 450829961@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.011

U 45

A

1672-741X(2016)11-1356-05