凍融作用下黃土的壓縮特性研究

占世源 楊瑞雪 仇楠 胡月

寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021

引言

黃土在我國具有廣泛的分布，其主要集中在西北、華北地區(qū)，該地區(qū)大部分均處于季節(jié)性凍土區(qū)。當(dāng)在季凍區(qū)進(jìn)行黃土工程活動時(shí)，必須考慮凍融循環(huán)對黃土壓縮性的影響。有研究表明，凍融作用會破壞黃土顆粒間的膠結(jié)作用，使土顆粒間發(fā)生相對位移。從宏觀上看，土體就發(fā)生了壓縮變形。

目前，對于季凍區(qū)黃土壓縮特性的研究方面也取得了一些進(jìn)展。周志軍等通過試驗(yàn)可得，凍融循環(huán)后黃土壓縮性較未凍結(jié)土樣強(qiáng)，且隨著凍結(jié)速度的增大，土樣的壓縮模量增大。凍結(jié)溫度越低，凍融后壓縮性越大，融化溫度對壓縮性基本無影響[1]。鄭林春對黃土的地質(zhì)時(shí)代、成因、微結(jié)構(gòu)、成分及其他影響因素進(jìn)行剖析，得出了不同黃土具有不同壓縮變形特性的結(jié)論[2]。本文主要針對季凍區(qū)黃土施工建設(shè)中遇到的黃土工程問題，通過研究凍融過程中凍結(jié)溫度、土樣含水率、凍融循環(huán)次數(shù)等因素對黃土壓縮性的影響，為凍融導(dǎo)致的季凍區(qū)黃土岸坡工程的凍害問題提出可行性的建議。

1 凍融黃土壓縮特性主要影響因素及其研究進(jìn)展

1.1 凍結(jié)溫度

為了研究凍融作用下黃土的壓縮變形參數(shù)，現(xiàn)有研究均主要考慮壓縮系數(shù)與凍結(jié)溫度的關(guān)系。例如王瀚[3]對不同溫度下原狀黃土的固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)控制土樣含水率為25%，凍結(jié)溫度分別控制為-5℃、-10℃、-10℃，不同凍結(jié)溫度下的壓縮系數(shù)分別0.35MPa-1、0.39MPa-1、0.42MPa-1，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們不難看出，不同含水率的試件其壓縮系數(shù)隨著凍融溫度降低均存在增大的趨勢。

根據(jù)王瀚等人的研究我們可以得到黃土的凍結(jié)溫度降低會導(dǎo)致其壓縮系數(shù)增長，且壓縮系數(shù)的增長速率與試件初始含水率存在正相關(guān)。韓雪[4]等人也得到類似結(jié)論，即黃土試樣的壓縮系數(shù)會隨著凍融溫度的降低而增大。與王瀚等人不同的是，韓雪等人從凍融前后黃土的孔隙變化角度來闡明凍結(jié)溫度對黃土壓縮性的影響，其研究表明隨著凍結(jié)溫度的降低，凍融后黃土的壓縮系數(shù)大幅度增長的同時(shí)，孔隙比也快速的增長，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)導(dǎo)致黃土內(nèi)水分的體積膨脹，孔隙比增大最終導(dǎo)致黃土的滲透系數(shù)增大。

1.2 含水率

含水率對凍融后黃土的滲透性有著至關(guān)重要的影響，王瀚[3]等人的研究也發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)溫度、體密度相同的情況下，隨著含水率的升高，黃土的壓縮系數(shù)也會增大。潘鵬[5]等人利用取自寧夏同心的黃土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，也得出了類似規(guī)律。其實(shí)驗(yàn)得到的壓縮系數(shù)增量與土樣含水率的關(guān)系曲線如圖2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，試樣的含水率越大，壓縮性越高。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因?yàn)閮鋈谑雇馏w中的水因融化被擠出，土體孔隙度減小，土體被壓密，同時(shí)凍融也會導(dǎo)致土體中的礦物顆粒集合體膨脹孔隙度增加，而黃土凍融后孔隙度增加者占大多數(shù)，證明凍融過程中土體中礦物顆粒集合體的膨脹作用大于土體的壓密作用，從另一方面來講，即土體中的孔隙水對膨脹作用導(dǎo)致黃土孔隙度增加，最終導(dǎo)致黃土的壓縮系數(shù)明顯增大。

圖2 壓縮系數(shù)增量與土樣含水率的關(guān)系曲線

1.3 凍融循環(huán)次數(shù)

師華強(qiáng)[6]等為研究凍融次數(shù)與黃土壓縮性的相關(guān)關(guān)系，對土樣進(jìn)行10次凍融循環(huán)，測定每次凍融循環(huán)前后黃土的壓縮特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，總體上壓縮系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，曲線在凍融循環(huán)5次前斜率最大,隨后斜率減小，壓縮系數(shù)與含水量和凍融循環(huán)次數(shù)均正相關(guān)，且此時(shí)壓縮系數(shù)的增長速率較快，證明該階段凍融循環(huán)次數(shù)對黃土的壓縮性影響較大。5次凍融循環(huán)后，壓縮系數(shù)增長速率較慢，這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體中顆粒的孔隙和尺寸達(dá)到相對平衡的原因。通過該實(shí)驗(yàn)可知，凍融循環(huán)次數(shù)會對黃土顆粒的孔隙比等性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，最終導(dǎo)致黃土凍融前后的壓縮性產(chǎn)生較大的差異。

2 結(jié)論及展望

（1）凍融后的黃土其壓縮特性與土樣的含水率、凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)相關(guān)，且凍融循環(huán)次數(shù)和含水率在一定范圍內(nèi)與土樣的壓縮系數(shù)正相關(guān)，壓縮系數(shù)隨著凍融溫度降低具有增大的趨勢。

（2）通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，不同的含水率、凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)下，壓縮系數(shù)的變化速率存在差異，究其根本原因?yàn)辄S土孔隙變化水平存在差異，探究黃土凍融前后孔隙變化與黃土滲透性的相關(guān)研究結(jié)論較少，應(yīng)作為今后的重點(diǎn)研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 周志軍,楊海峰,耿楠,等.凍結(jié)速度對凍融黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2013,13 (4):16-21.

[2] 鄭林春.不同黃土的壓縮變形特性分析[J].成都西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,47(增):115-117.

[3] 王瀚.凍土融化壓縮性試驗(yàn)研究[J].山東煤炭科技,2010,(01):154-155.

[4] 韓雪,高子睿.凍融作用對松浦大橋段岸坡土體壓縮性的影響[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2012,22(03):315-319,208.

[5] 潘鵬,郝佳興,崔自治,等.冬灌區(qū)黃土壓縮性的反復(fù)凍融效應(yīng)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,42(01):214-218.

[6] 師華強(qiáng),倪萬魁,劉魁,等.凍融循環(huán)作用對黃土壓縮性的影響[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39(03):45-48.