凍融循環條件下黃土結構性參數變異性研究

康 剛

（山西路橋集團 隰吉高速公路有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

黃土分布于我國中西部季節性凍土地區，是這些地區的常用建筑材料，路基、邊坡等均為黃土構筑物，在其運營期間，都不可避免地要經受凍融循環作用，對于凍融作用下土體特性的研究取得了一些成果。倪萬魁等[1]認為隨著凍融循環次數的增加，黃土的原始膠結結構逐漸被破壞，顆粒重新排列，土的結構越來越疏松，同級壓力下土體的孔隙比不斷增大；凍融循環50次后土樣的原始膠結已完全破壞，當壓力超過自重應力時會產生很大的附加變形。肖東輝等[2]認為凍融循環作用通過破壞黃土顆粒的大小和土體的骨架及組構影響黃土的孔隙率。通過顆粒分析試驗發現凍融循環后土體顆粒有變小趨勢，且集中分布在0.01～0.05 mm，在凍融10次后顆粒大小趨于穩定。在以往的研究工作中，針對凍融循環作用下黃土結構性定量的系統研究較少[3-8]，選取該地區某邊坡黃土為研究對象，該黃土液限較低，地區凍融溫差較大，周期性的凍結與融化持續改變著土體內部結構，土體結構性會相應變化，這些特性變化會導致土體工程性質的改變甚至劣化，開展研究具有重要意義。

以山西季節性凍土地區晉西某處高邊坡土體為研究對象，現場取樣，通過相關資料調研、理論分析、室內試驗等方法，對土樣進行凍融作用并進行壓縮試驗，開展凍融循環對結構性的影響規律研究。

1 試驗用土

對晉西某高速公路邊坡進行取土試驗，開展常規試驗，基本物理性質指標如表1。

表1 試驗用土物理性質指標

2 試驗儀器與試驗方法

制備試樣，進行凍融循環試驗（圖1）。

圖1 恒溫恒濕箱

保證密度一致，制備天然含水率原狀試樣、天然含水率重塑試樣、飽和原狀試樣均5個，分別進行凍融循環0、1、2、4、8次，施加垂直荷載，進行壓縮試驗。

試樣置于恒溫恒濕箱，調節凍結溫度為零下20℃，時間為12個小時，融化溫度為5℃，時間同樣為12個小時，循環相應的次數后，取出安裝在壓縮儀器上進行試驗。

3 試驗結果與分析

凍融循環作用下土的工程性質的變異性需要結合凍融次數及凍融前后參數變化，引入變化量與變異系數兩個參數，從而確定物理性質變化的具體程度，變異系數計算公式為：

式中：A為未經歷凍融作用的土樣結構性參數值；B為凍融作用后土樣結構性參數值；N為凍融循環次數；K為變異系數，即凍融作用下結構性參數變化的頻率及劇烈程度。

3.1 凍融循環條件下結構性參數求解

進行壓縮試驗，根據不同條件下變形量，計算孔隙比。

表2 原狀黃土壓縮試驗

表3 重塑黃土壓縮試驗

謝定義[9]提出了結構性參數mp，其表達式為：

式中：S原為原狀樣變形量；S飽為飽和樣變形量；S塑為重塑樣變形量。

計算結構性參數，結果見表4。

表4 結構性參數

3.2 凍融循環對黃土結構變異性規律

凍融循環次數及荷載對結構性參數變異量的影響規律曲線如圖2、圖3所示。

由圖2及圖3可以看出，隨豎向壓力增大，土體結構性變異量減小，是因為荷載較大時，土體被壓得較密實，結構性更容易破壞擾動，擾動后凍融作用對土的膠結結構影響力逐漸減弱。

圖2 變異量隨壓力的變化規律曲線

圖3 變異量隨凍融循環次數的變化規律曲線

凍融循環次數及荷載對變異系數的影響規律曲線如圖4、圖5所示。

圖4 變異系數隨壓力的變化規律曲線

圖5 變異系數隨凍融循環次數的變化規律曲線

由圖4及圖5可以看出，隨凍融循環次數增大，變異系數初始階段增大，到峰值后，逐漸減小，趨于穩定，循環次數大時，平均條件下單次凍融循環對結構性的影響程度變低，而累加結構性參數變異量總體呈增大趨勢。

4 結論

本文采用常規固結儀及恒溫恒濕箱，研究了凍融循環作用下黃土結構性參數的變化規律，主要結論如下：

a）隨豎向壓力增大，變異量及變異系數均降低，土體結構性變異性逐漸減小，主要是因為荷載較大時，土體被壓得較密實，結構性更容易破壞擾動，擾動后凍融作用對土的膠結結構影響力逐漸減弱。

b）隨凍融循環次數增大，變異量逐漸增大，而變異系數初始階段增大，到峰值后，逐漸減小，趨于穩定，循環次數大時，平均條件下單次凍融循環對結構性的影響程度變低。