凍融循環作用下呂梁地區馬蘭黃土性質研究

張玲玲，龍建輝，邢鮮麗，郭曉娟

(太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024)

黃土作為一種疏松多孔的結構性土體，具有結構疏松、孔隙發育、富含碳酸鈣、易被侵蝕、水敏性強、濕陷性強、垂直節理發育等特點。當其處于天然狀態時，其本身特點使其能夠長期保持較高的強度，但由于外界條件的干擾，例如降雨和經歷凍融循環，其強度就會急劇降低[1-6]。目前，許多學者大都致力于研究降雨及人類工程活動引起的滑坡[7-8]，針對凍融型黃土滑坡災變機理的研究較少。凍融期黃土滑坡已造成多起人員傷亡和財產損害事件，而且數量還在不斷增多，其中最典型的是黑方臺發生的多處滑坡，在1-3月份發生的比例明顯提高，占到該地區總滑坡數的34%[9-11].

山西位于黃土高原，四季分明，每年凍融循環必定會對黃土的強度產生影響，例如由于凍融作用的影響，2018年4月30日，呂梁市離石區棗林鄉發生山體滑坡致9人遇難，因此研究凍融作用對黃土性質的影響十分必要。ALKIRE et al[12]通過研究得到凍融作用下低密度粉質黏土的抗剪強度指標增大的結論；CHUVILIN et al[13]通過試驗研究，指出凍融作用使土體的抗剪強度有一定的降低。OZTAS et al[14]提出凍融循環對土體穩定性的影響主要取決于土體材料本身。董曉宏[15]、胡再強等[16]、葉萬軍等[17-18]通過實驗研究證明土體的黏聚力隨凍融循環次數的增加而降低，而內摩擦角隨凍融次數的變化無明顯變化。倪萬魁等[19]研究了凍融循環作用下洛川黃土的強度變化，表明凍融次數越多，黏聚力降低，顆粒之間接觸點增多，內摩擦角增大，多次凍融后，原狀黃土的強度與重塑黃土的強度接近。張輝等[20]認為凍融溫度對不同含水率土樣的黏聚力和內摩擦角幾乎沒有影響；許健等[21]發現凍融循環對原狀黃土的劣化作用更強，且原狀黃土的黏聚力比重塑黃土衰減更快，呈指數衰減。由此可見，有關凍融作用的研究由于試驗條件和試驗地點的差異，試驗結果不盡相同。因此，本文針對山西省呂梁地區黃土進行凍融循環試驗，探究凍融對其強度影響的變化機理，為當地因凍融作用而引發的黃土地質災害提供理論指導。

1 試驗方案設計

1.1 試樣的基本性質

試驗所用土樣取自于山西省柳林縣莊上鎮輝大峁村，柳林縣的最大凍土深度為1 m，取土深度為4～5 m深的未經凍融作用的新鮮Q3黃土，土樣的基本物理性質見表1.

表1 土的基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of soil

1.2 試樣制備

1) 三軸樣的制備：采用砂線切割機將大塊土樣切割成尺寸為Φ36.1 mm×80 mm的圓柱體試樣。

2) 微觀樣的制備：用砂紙對原狀土樣進行打磨，制備成大小為10 mm×10 mm×20 mm的長條狀試樣。

3) 含水率的配制：根據水膜轉移原理，計算所需水量采用分層滴水法，使用注射器均勻緩慢地對土體表面進行滴水。每注一層，放置在保濕器中保濕24 h，循環往復，直至達到目標含水率。最后分別制得含水率為12.2%、18.2%和24.1%的三軸試樣和微觀試樣，為了防止水分散失，用保鮮膜包裹，放入保濕缸中靜待一周，保證水分均勻分布。

1.3 試驗方案

1) 采用多段溫控的低溫恒溫槽凍融儀，對微觀試樣和三軸試樣進行凍融循環試驗，凍結和融化溫度分別為-20 ℃和20 ℃，為保證試樣充分凍結和融化，將試樣凍結12 h，融化12 h，即為一個凍融周期。根據以往學者的研究成果，凍融10次左右基本穩定，因此本次試驗經歷0、1、5、8、10、15次凍融循環作用，并對凍融前后試樣的質量進行記錄。

2) 對凍融后的三軸試樣進行不固結不排水三軸剪切試驗，試驗圍壓分別為100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.4 mm/min，剪切結束的條件是土體軸向應變達到15%.

3) 將經過凍融作用后的微觀試樣自然風干后掰斷，暴露新鮮結構面，用薄鋒利刀片制取約10 mm×10 mm×5 mm的小薄片作為觀察的掃描電鏡試樣。觀察倍率為200倍和500倍，選取有代表性的位置進行觀察分析。

2 試樣結果及分析

2.1 含水率的變化

凍融過程中水分發生遷移，土體中的含水量會有所變化，利用公式(1)計算不同凍融循環次數下試樣含水率的變化量。

(1)

式中：m1，m2分別為試樣凍融后和凍融前的質量，g；mg為干土的質量，g.

根據記錄的不同凍融次數前后試驗土樣的質量變化，計算得到3種含水率水平、5種凍融循環次數下的土體含水率變化數據，繪制含水率減少量如圖1所示。

圖1 含水率減少量折線圖Fig.1 Line chart of water content reduction

從圖1中可以看出，三組初始含水率不同的試樣，含水率減少量隨凍融循環次數均呈對數型增長。即隨著凍融循環次數的增大，含水率的減小速率越來越小，可以推斷土體內的含水率越來越穩定，最終水分會保持在土體內部和外表面之間較折中的一段范圍內。含水率越大，含水率減少量相對而言也越大，這是因為初始含水率較高，自然散失量也相對比較高。但是，最終經過10次凍融循環后，三組初始含水率試樣的減少速率基本一致，說明水分遷移都趨于穩定，只在一定范圍內遷移。在土樣經歷15次凍融循環后減少量普遍較低，最大值僅有0.077%.說明土樣在封閉系統中經受凍融循環作用后，整體的含水量散失并不明顯，這與保鮮膜包裹的密閉程度有關。整體來看，在封閉環境下進行凍融循環試驗，土樣的含水率變化并不大。因此，含水率高低本身對土體強度有很大影響，但實驗結果表明，同一含水率在實驗過程中變化量很小，在對凍融后土體抗剪強度的變化機理進行分析時，可以忽略含水率變化對強度劣化的影響。

2.2 凍融循環后應力應變分析

三軸試驗得到不同凍融循環次數和不同圍壓下的應力應變數據曲線。圖2為天然含水率的試樣經過不同凍融次數后的應力-應變曲線。

圖2 天然含水率黃土在凍融后的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of loess with natural moisture content after freezing and thawing

從圖中可以看出，在不同凍融循環次數下，偏應力值均隨著圍壓的增大而增大，且隨軸向應變的增大而增大。當應變較小時，即2%之前各曲線均表現為彈性變形，近乎成線性增長，且隨圍壓增大曲線越來越陡；當應變大于2%時，曲線增長明顯變緩，在100 kPa時表現為微應變軟化，隨著圍壓增大呈微應變硬化狀態，圍壓為400 kPa表現為典型的應變硬化。這是因為圍壓越大，土顆粒間大孔隙會迅速被壓縮，土體顆粒與顆粒之間被有效聯結起來，咬合力加大，土體的初始強度隨圍壓顯著增強，因此同一含水率下達到相同應變時，偏應力值相應就越大。隨著凍融循環次數的增加，土體的偏應力值逐漸降低，說明隨著凍融次數的增加，土體達到強度屈服點的值越低，凍融循環次數在黃土抗剪強度劣化過程中起重要作用。

為了研究不同初始含水率下，不同圍壓原狀土樣在不同凍融次數下的變化情況，以200 kPa為例對其應力-應變曲線進行分析，如圖3所示。

圖3 不同含水率黃土在凍融后的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of loess with different moisture content after freezing and thawing

在同一圍壓，相同凍融條件下，含水率低的應力-應變曲線始終位于含水率高的應力-應變曲線的上方。隨著初始含水率的增加，應力-應變曲線由應變硬化型逐漸過渡為微應變硬化型，最終呈現弱軟化型。隨著凍融次數的增加，當初始含水率較低時(即12.2%)，由應變強硬化型轉為應變弱硬化型，究其原因是凍融作用使得土顆粒移動和偏轉，顆粒間間距變大，土顆粒重新排列，土體結構有弱化趨勢，宏觀上表現為軸向應力隨應變的增加而變小呈弱硬化型。同一圍壓條件下，隨著凍融循環次數的增加，試樣的偏應力差及峰值顯著下降，可見含水率也是導致黃土抗剪強度劣化的主要原因。

3 凍融循環后土體強度參數的變化

通過試驗測定了4個試驗圍壓下的破壞應力，以(σ1+σ3)f/2為圓心，(σ1-σ3)f/2為半徑繪制了對應的4個莫爾圓，之后通過Matlab擬合出4個圓的公切線，得出該圓的強度包線的表達式，進而獲得每組試驗的黏聚力和內摩擦角，繪制對應的強度參數隨凍融循環次數的變化曲線，見圖4.

圖4 抗剪強度參數與凍融循環次數關系圖Fig.4 Relationship between shear strength parameters and freeze-thaw cycle

從整體趨勢來看，3種含水率水平的原狀黃土試樣的黏聚力均隨凍融循環作用的疊加呈指數型減小，在10到15次后黏聚力趨于穩定，這主要是因為初次凍融時，土顆粒間的孔隙由于被冰峰面充滿而變大，土體的原始膠結程度被弱化，咬合在一起的顆粒變少，黏聚力會大幅降低，隨著凍融循環次數的疊加，之前凍融作用未被破壞的顆粒膠結和咬合力慢慢被削弱，因此黏聚力會一直降低，但是能被破壞的土顆粒越來越少，所以黏聚力降低幅度越來越小。由于土顆粒間的連接作用大都被破壞，最終將趨于穩定，對3種含水率土樣的黏聚力分別進行擬合，12.2%天然含水率土樣的擬合結果見式(2)，18.2%塑限含水率土樣的擬合結果見式(3)，24.1%含水率的擬合見公式(4).

(2)

(3)

(4)

式中：c為土體的黏聚力，kPa；n代表土的凍融循環次數；R2為曲線的擬合度。

從圖4中可以看出，內摩擦角呈波動狀無規律分布，但整體上有下降的趨勢。這是因為土體的內摩擦角主要是由土顆粒間的接觸方式(接觸形狀和接觸面積)所決定的，在經過前幾次凍融后，土顆粒間的接觸慢慢穩定，故內摩擦角變化不是很大。整體而言，黏聚力和內摩擦角受含水率影響也很大，隨著含水率的增加，土體的黏聚力逐漸降低，內摩擦角逐漸減小，這是因為高含水率土樣本身由于水分的影響，內部膠結結構軟化，顆粒間的咬合力和分子間作用力均不如低含水率土樣穩定。

4 微觀結構變化

沈珠江[22]指出21世紀土力學的核心問題是土結構性的問題。土的結構主要是指其土體骨架顆粒間的聯結形式、排列方式、孔隙的大小分布以及膠結物的種類和膠結程度。圖5為不同凍融次數下塑限含水率下18.2%的微觀結構圖。

圖5 塑限含水率凍融后的微觀結構圖Fig.5 Microstructure diagram of plastic limit moisture content after freezing and thawing

為了對土體顆粒進行定量化分析，采用Image-pro Plus軟件對SEM圖像進行顆粒粒徑分析，如圖6所示。

圖6 塑限含水率下不同凍融次數下粒徑百分含量圖Fig.6 Percentage of particle size under different freeze-thaw times under plastic limit water content

從圖中可以看出，未經凍融時，土顆粒間排列緊密，土體內以小顆粒(2～5 μm)和微小顆粒(<2 μm)為主，隨著凍融循環次數的增加，微小顆粒(<2 μm)有增多的趨勢，大顆粒(>20 μm)數量有減小的趨勢，中等顆粒(5～20 μm)和小顆粒2～5 μm質量分數波動不明顯。從微觀圖像中也可以看出，隨著凍融循環次數的增加，顆粒破碎化嚴重，許多顆粒集合體膠結在粘土顆粒周圍，小顆粒占比越來越大，大顆粒減少，表面起伏減小，顆粒趨于均一化狀態。同時，凍融循環作用使得顆粒間的排列疏松多孔，當放大倍數為500倍時，可以看出小顆粒集合體附著在相對較大的顆粒周圍使得微孔隙數量也隨之增加，顆粒間出現微裂縫，孔隙數量明顯增多，且有的相互貫通形成大孔隙?？梢?，隨著凍融循環次數的增加，土體凍結和融化產生的“聚合”和“分裂”作用加之水分的相變，使得土顆粒間的膠結方式改變，大顆粒不斷破碎為小顆粒和碎屑集合體，顆粒間原有的大孔隙由于顆粒的運移和重力作用下沉填充，導致大孔隙減小，微孔隙和中等孔隙數量增多，同時，顆粒間的接觸方式也發生了改變，由最初的鑲嵌結構轉為架空-鑲嵌結構，且慢慢以附著-基底型結構為主要接觸方式。

5 結論

1) 土樣在封閉系統中經歷不同次數的凍融循環作用后，同一含水率在凍融前后會有不同程度的減少，并且初始含水率越高，含水率減少量越多，但是減少量對實驗結果的影響可以忽略。

2) 根據應力應變特征曲線，偏應力會隨圍壓的增大而增大，且圍壓越大，初始時偏應力攀升速率也越大，先為彈性變形，隨著軸向變形增大，土樣由彈性變形轉為塑性變形，但是轉變程度有所不同，含水率和凍融循環次數是土體抗剪強度劣化的主要原因。

3) 不同含水率土樣的黏聚力隨凍融循環次數的增加呈指數型下降，內摩擦角呈略微劣化趨勢但降幅很小。

4) 通過觀察SEM試驗得到的不同凍融次數的微觀結構圖發現，隨著凍融次數的增加，土體擾動破壞也越嚴重，即顆粒破碎嚴重，趨于均一化，顆粒間的接觸方式由單顆粒接觸轉為附著-基底型為主，孔隙增多。