凍融循環作用下黃土土體力學特性變化研究

溫 浩

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

含有冰的各種土壤和巖石并且溫度低于零度的土質被稱為凍土。凍土是由未凍水、冰、巖土固體顆粒和空氣組成的四相體系，也是對溫度非常敏感的各向異性多孔介質。凍土與非凍土之間的巨大差異是因為冰這種物質成分的存在，它會造成凍土力學性質的不穩定性。含冰量決定了凍土的物理性質，外部的溫度和壓力等因素的變化會影響凍土里冰的含量，從而發生相變，進而導致凍土物理性質的改變。凍土的物理力學性能會隨著外部溫度和壓力的變化而變化，這表明凍土是不穩定的[1]。對于現階段的研究成果而言，凍融作用對黃土的物理性質變化的影響研究已經較為透徹，但是對土體力學變化特性的研究卻是比較欠缺，現階段沒有得出普適性的結論，因此有待進一步研究與細化。

凍脹現象指的是在土體的凍結過程中，因為水變成冰造成的體積膨脹現象，使得土體顆粒之間產生了相對位移，造成土地表面隆起的現象。凍脹現象會使得地面發生不規則形變、隆起或者產生裂縫，嚴重的可能會對道路造成一定的破壞[2]。土體的水分補給條件以及土體本身的特征都是土體凍脹的影響因素。

融沉現象指的是凍土因受到外界因素變化的影響后，已經被凍結的土質開始漸漸融化或不再繼續凍結的物理現象，由于冰化成水造成土體總體積漸漸變小、并有沉降現象發生的一種過程。融沉會使得土體結構的內部發生位移，從而改變了土體的力學性質。一般構造物的安全性會被土體的融沉現象嚴重影響，影響其正常使用[3]。所以在冬天寒冷的氣候中要特別注意凍融狀態對土體力學性質的改變。在冬天進行工程建設的同時，需要特別考慮土體的不穩定性，這體現在地基承載力和邊坡的穩定性分析。

1 黃土的基本特性

1.1 黃土的基本特性

與其他土體類別相比，黃土自身獨特的特征有：黃褐色為主，會摻雜少量灰色；孔隙大多直徑為1 mm左右，且肉眼可見；具有濕陷性；粒徑小于0.25 mm、粉土含量超過60%；土質中碳酸鈣的含量不小于10%，層理發育不顯著；鈣質結核是黃土特有的大孔隙結構。

1.2 黃土的成因及分布

對于黃土的成因，暫無一致意見。水成說、殘積說和風成說都被人提及過，且都存在一定的科學依據。隨著人為作用和時代的變遷，黃土土質形成了峁、柱、橋、坪、塬、梁等種種獨特的地貌。同時，按照黃土的成因，也可將黃土分為原生黃土和次生黃土。

在世界范圍內，黃土狀的面積大概為1 300萬km2，占陸地總面積的1/10，分布于全世界各地的干燥地區。在我國地區約有80%的黃土土質具有濕陷性，它們大多分布于黃河中下游地區，即我國的黃土高原地帶[4]。

1.3 黃土的組成特性

黃土主要由二氧化硅構成，同時摻雜著部分的氧化鋁和氧化鈣。在我國的地形從東南向西北，顆粒大小從細小顆粒慢慢變為粗大顆粒。約有60余種礦物質存在于黃土中，大部分都是碎屑和礦物質，其中包含了碳酸巖、石英等。在黏土礦物質中，水云母占了半數以上，同時摻雜少量的高嶺石和蒙脫石。

2 凍融作用對土力學性質影響的試驗研究

2.1 試驗設計

在對設計試驗的變量因素選擇時需要注意：要選擇在試驗中變化的因素以及其變化范圍、因素的規定水平及其變化范圍；同時要考慮如何將這些變量的值控制在理想的區域范圍內；隨后分析試驗中潛在的重要因素，不能受到試驗者主觀意愿的影響。

2.2 待考證的黃土力學特性

土體結構受到凍融過程的影響，其性質會發生明顯變化。本節致力于研究凍融現象對黃土土體性質變化的影響。因此本次試驗將會涉及到由凍融現象給土體帶來的抗剪特性壓縮特性的影響。那么就需要考量土體的壓縮模量和黏聚力、內摩擦角等物理參數的變化規律。試驗重點是要考察土體凍融前后壓縮特性的變化特征以及土體凍融前后的強度變化[5]。

2.3 試驗試樣和試驗設備

本次試驗地點選在山西省某國道施工區基坑，取土深度大致為4.0 m，擬采用凍脹敏感性土，土樣顏色黃褐色，無鈣質結核，土質均勻堅硬，其他的物理性質如表1所示。

表1 土體物理性能表

利用輕型擊實儀來測定試樣的最大干密度，利用擊實試驗對土樣的壓實特性做進一步的了解。試驗7次夯擊不同含水量的土樣，7次的試驗結果測定土樣含水量分別為20.0%、17.7%、11.4%、18.0%、23.5%、21.2%和13.6%。

黃土試樣的夯擊曲線圖如圖1所示。通過該曲線不難判定，本黃土的最優含水量為17.7%，最大干密度為1.57 g/cm3。

圖1 黃土夯擊曲線

原狀的試樣制備可以按下述方法獲得：首先從公路施工場地取回，小心搬運并密封存儲，不能在試驗前開啟；隨后，辨別其上層和下層，將兩端土樣整平，切土方向與天然層次垂直[6]。利用削土器將試樣切成圓柱形。

重塑試樣的制備可以用下述方法獲得：將原狀土樣之后剩下的土樣碾散開來，通過1 mm孔徑的篩子，隨后密封2 d以上。同時采用分層壓樣法來制備三軸試樣，分若干層（至少5層）壓實，隨后將容器內的試樣取出后，對三軸土樣進行稱重，最后計算制備重塑土試樣需要的土樣質量[7]。

含水量的配制：這里采用風干法來處理非飽和土樣[8]。如果含水量過大，則可以采用滴定注水法對土樣質量進行改變。滴水速度過快會導致容器開裂或損壞，因此此處采用分離滴定法，逐級增加含水量，最后將適配成功的試樣放在保濕缸里72 h以上，保證水分的均勻。

3 試驗方法及過程

研究土樣的結構參數、圍壓、結構參數隨著凍融循環次數的變化規律及特征，先將不同含水量的原狀土通過恒定溫度-15℃～15℃（為防止水分蒸發導致土體強度發生變化，最好提前將試樣裝好并密封，隨后再凍融），每隔半天交替改變溫度。

對試樣進行圍壓力為50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa的靜三軸試驗。原狀樣控制條件如表2所示。

表2 原狀土樣凍融循環試驗方案

試驗控制條件如表3所示。

表3 重塑黃土凍融循環試驗方案

3.1 原狀樣電鏡掃描試驗的方案

原狀黃土經過預處理后，進行電鏡掃描處理。由于條件所限，每一組掃描選擇1個試樣，然后對12個試樣逐個檢驗，試驗方案如表4所示。

表4 電鏡掃描試驗方案

重塑黃土和原狀黃土二者均有結構性，其重要程度不可忽視。重塑黃土的結構性可以為黃土性質研究提供一些必要幫助。由于北方季節性的凍融循環作用，道路路基會經常發生水分轉移，從而導致路基密度發生變化，嚴重的則會使道路發生形變。

假設圍壓不變，變量是凍融循環次數，15%的應變作為對應的土體結構參數，那么含水量與結構參數的關系曲線如圖2所示。

圖2 含水量與結構參數關系曲線圖

從圖2中不難看出，含水量與結構參數之間的關系非常明顯。當含水量較低時，微小的含水量增加會使得黃土的結構性明顯降低。圍壓固定在100 kPa時，含水量從13.1%增加到15.8%時，結構參數下降了約30%。當含水量逐漸增大時，其對壓力變化的敏感性已經在逐漸降低。當含水量從18.2%增大到23.5%時，結構參數下降了12.1%。當圍壓固定在50 kPa，1次凍融循環過程之后，結構參數下降幅度很大，約為47.1%。當圍壓固定在100 kPa，9次凍融循環過程之后，結構參數下降幅度很大，約為42.7%。當圍壓固定在200 kPa，15次凍融循環過程之后，結構參數下降幅度適中，約為27.4%。

因此由上述數據不難看出，由水分引發的土體形態變化和轉移，從而引起顆粒破碎，可經高圍壓可變性發揮，形成次生結構。

4 結論

a）重塑樣結構參數曲線的生長階段較短，由于剪切應力的增加，初始結構因顆粒的調整而增大。重塑黃土經過初始生長階段后，其結構參數急劇下降，然后下降的速度越來越小。

b）重塑樣在相同圍壓下，不同含水量的結構參數隨著應變的增加最終趨于相位，圍壓越大，結構參數越穩定，應變值越小。當壓實度不同時，趨于穩定時的應變也不同。

c）原狀黃土的結構特征隨著水含量的增大而逐漸減小。當含水量較低時，含水量的變化對黃土結構特性的變化是非常敏感的。同時，隨著圍壓的慢慢變大，含水量降低的幅度越大，結構參數的變化范圍越小。圍壓的增大使得土體結構性參數呈現先變大后變小的趨勢。