壓實黃土單向凍融特性研究

閆壘　仇楠　占世源

摘 要：黃土是第四世紀堆積的以粉土顆粒為主、富含碳酸鹽、具有大孔隙、黃色的土狀堆積物。由于黃土分分布范圍廣，因此成為工程建設的主要承載土體。然而絕大部分位于季節性凍土區。所以，針對季凍區土的凍融造成的危害，深入了解黃土非充分補水條件下的凍脹率，融沉特性有很大的研究意義，對季凍區工程建設非常重要，在以往的研究基礎上，分析了季凍區凍融特性。

關鍵詞：凍融；凍脹率；融沉特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.211

0 引言

我國黃土主要分布在主要是山西、陜西、寧夏、甘肅東南部和河南西部，而這些地區廣泛存在著季節性凍土區，溫度在0℃或0℃以下含有冰的各種巖石和土壤稱為凍土，我國的西北高山東北北部存在著大片多年凍土，季節凍土區主要分布在秦嶺-淮河線以北，賀蘭山沿線地區。季凍區受溫度影響較大，冬季在地表層凍結，夏季融化，凍土的力學性質比融土的力學性質復雜得多，溫度，含水率，土的密度以及土的類型影響著凍土的力學性質[1]，這對季凍區工程的建設加大了難度，再加上近年來事故的發生，給人們造成了巨大的威脅，國家倡導西部大開發建設。因此，研究壓實黃土的凍融特性，對工程的凍害防治具有重要意義。

1 研究進展

1.1 黃土的組成

黃土是指在地質時代中的第四紀期間，以風力搬運的黃色粉土沉積物。它是原生的、成厚層連續分布，黃土狀土又叫次生黃土，是原生黃土地層再受風力以外的營力搬運，主要是洪積、坡積、沖積成因，堆積在洪積扇前沿，低階地與沖積平原上，有層理，很少夾古土壤，垂直節理不發育，不易形成陡壁。我國黃土的弧線分布除了受山脈地形控制外，與我國氣候的帶狀分布有關。黃土中有礦物的存在，使黃土具有吸附、膨脹、收縮等特性，影響到黃土的工程性質。碳酸鹽類礦物往往起膠結作用，使黃土在天然結構情況下，顆粒經常呈團聚體存在。遇水后，由于可溶鹽膠結的團聚體被破壞，往往使黃土的濕陷性增強。故有人認為，黃土中碳酸鹽類的存在是黃土濕陷的原因之一。

黃土中垂直節理的產生，一方面由于在重力作用下黃土內部在鉛直方向上受張應力的作用，另一方面黃土中又有著眾多的鉛直孔隙，削弱了水平方向的合力，因而沿鉛直方向易產生裂隙。在黃土區的邊坡部位，經常沿節理面發生崩塌，形成峭壁，有時至產生大規模的滑坡。

1.2 黃土的性質

影響黃土性能的因素很多，也很復雜，但是對黃土壓實起控制性影響的因素概括來說主要有內部因素和外部因素。、許建[2]等采用電子顯微鏡技術、壓汞法來研究黃土的微觀結構特征、孔隙結構特征及其對黃土工程性質的影響，取得了重大進展。張英[3]使用相似的方法發現小孔隙受凍融的作用較小，小孔隙的直徑凍融后基本保持不變。大孔隙受凍融的作用較大，大孔隙的直徑凍融后變大。這是由于土中孔隙水在土顆粒表面附著，溫度低于0℃時，經歷一個凍結期，到達臨界值時，土開始凍結，土中水體積變大從而土體膨脹。國內外大量的研究結果表明，季凍區建設工程的病害主要原因是反復的凍脹，融沉。凍土的性質比融土的性質復雜的多，凍土是四相體系，在凍結過程中未凍區的水分向凍結區聚集，并伴有膨脹現象，當土融化時，孔隙水排出使土體下沉，造成建筑物地基不均勻沉降從而引起破壞。經過多次凍融循環后，密實的土孔隙比增大，強度減小[4]，潘鵬等[5]對壓實黃土分別采用補水和非補水條件，發現有外界補水時，初始干密度與凍融循環次數存在關聯，另有研究發現，初始干密度大的經過凍融后干密度變小，而初始干密度曉得相反，經過多次凍融循環后趨于穩定值。周泓等[6]研究了凍融對土體物理性質的作用，發現土樣的孔隙比隨凍融次數增加表現為先增大后趨于穩定的態勢。

2 研究展望

到目前為止，我國關于凍融作用對土的影響研究已經進行的比較深入，歸結起來可以看到，目前凍融作用對不同土質、各種混合土都有研究，研究早期主要集中針對水分、成冰作用和土體凍脹的機理等方面，并且致力于建立凍脹-融沉模型的研究，理論上取得了不錯的成果，但與實際工程結合的程度有限。后來逐漸開始對凍融作用下的各種土的物理性質開始研究，得到的結論大致相同，如今這方面的研究比較充分，但是由于土質、試驗方法等方面的不同，得到的結論難免有出入。目前，對于凍脹的研究較為深入，對融沉的研究多停留在經驗方法上。

凍融作用對土力學性質的影響，尤其是強度、模量等方面的研究還不是很充分，而且分歧比較大。凍融對土工程性質的影響研究不多，而且已有的研究基本上都是一次或者幾次的凍融。由于多次凍融循環涉及的歷時久，試驗量大，目前多數研究只涉及一種或者兩種凍結方式下的幾個凍融循環，研究并不全面。至今針對黃土的長期凍融循環的物理力學性質方面研究還很有限，有待進一步去探索，由于試驗試樣的類型、試樣的初始條件、凍融條件及循環次數等方面的不同，導致許多研究者的結論經常得出不一致的結論。另外凍土試樣很難采集，有很多難以控制的因素，對于該問題需進一步研究，對季凍區工程建設具有重大意義。

參考文獻：

[1]齊吉琳，馬巍.凍土的力學性質及研究現狀[J].巖土力學，2010， 31（01）：133-143.

[2]許健，王掌權，任建威等.原裝黃土與重塑黃土凍融過程滲透特性對比試驗研究[J].工程地質學報，2017，25（02）：292-299.

[3]張英，邴慧.基于壓汞法的凍融循環對土體孔隙特征影響的試驗研究[J].冰川凍土，2015，37（01）：169-174.

[4]嚴晗，王天亮，劉建坤.粉砂土反復凍脹融沉特性試驗研究[J].巖土力學，2013，34（11）：3159-3165.

[5]潘鵬，李劍，郝佳興等.寧夏飽和黃土的凍脹融沉特性[J].科學技術與工程，2016，16（18）：230-233.

[6]周泓，張澤，秦琦等.凍融循環作用下黃土基本物理性質變異性研究[J].冰川凍土，2015，37（01）：162-168.

作者簡介：閆壘（1995-），男，河南新鄉人，碩士在讀，研究方向：地基基礎。