非饱和原状黄土冻融强度研究

张 辉，王铁行，罗 扬

(1 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054;2 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

非饱和原状黄土冻融强度研究

张 辉1，王铁行2，罗 扬2

(1 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054;2 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

【目的】 对非饱和原状黄土经历冻融循环后强度的变化规律进行研究，为分析黄土地区冻融病害机理提供参考。【方法】 制备含水率分别为16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%的非饱和原状黄土，采用可设定温度的冰柜冻结及室外融化的方法进行冻融循环处理，冻结温度分别为-8，-13，-21 ℃，冻融循环次数分别为1，3，5，7次，然后对冻融循环后的土样进行直剪试验，得到受冻融循环影响的土体抗剪强度参数，分析冻融循环次数、含水率、冻结温度对黏聚力和内摩擦角的影响规律。基于-21 ℃下黏聚力随冻融循环次数变化的数据，拟合得到黏聚力劣化模型表达式。【结果】 在16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%含水率下，-21 ℃冻融循环7次之后土样黏聚力分别由24.50，18.52，12.69，9.56和7.56 kPa降低到21.04，13.52，7.45，2.60和0.23 kPa，含水率32.5%的原状土样黏聚力减小量最大。同一含水率下黏聚力随冻融循环次数的增加呈指数减小，随着冻结温度的降低，黏聚力变化并不明显。内摩擦角在冻融循环后增加量为1°～2°。拟合得到了非饱和原状黄土黏聚力劣化模型表达式，其拟合结果与实测结果的相关系数均在0.937以上，计算值与实测值基本吻合，拟合度较高。【结论】 同一含水率下原状黄土黏聚力随冻融次数的增加呈指数减小。冻结温度对不同含水率原状土样冻融后黏聚力与内摩擦角的影响不显著。

黄土；冻融循环；抗剪强度；黄土劣化

我国黄土分布面积很广，大部分黄土分布在季节冻土区。由于黄土水敏性强，降雨、管道漏水入渗和冻结等情况均会引起非饱和黄土含水率增加，进而导致地基发生不均匀沉降、塌陷，边坡发生滑塌、溜方、剥落等工程病害[1-7]。引起这些病害的原因之一是冻融循环，前人对其进行了大量的研究。如李国玉等[8]根据压实黄土在补水条件下的冻融试验，探求了冻融工程的地质特性；董晓宏等[9]研究了冻融作用对杨凌Q3非饱和重塑黄土蠕变特征的影响；齐吉琳等[10]研究了天津粉质黏土和兰州黄土的重塑超固结土在冻融作用后强度参数的变化；毕贵权等[11]研究了冻融循环作用对黄土物理力学性质的影响；王铁行等[12]对不同含水率原状黄土的冻融强度进行了初步的定性分析；董晓宏等[13]研究了长期冻融循环后杨凌Q3非饱和重塑黄土的强度变化规律；叶万军等[14]在开放不补水条件下，研究了洛川和铜川黄土冻融循环后物理力学性质的变化情况；宋春霞等[15]研究了兰州黄土在封闭系统下经历1次冻融循环后土的前期固结压力、黏聚力和内摩擦角的变化规律。现有研究大多针对重塑黄土，研究结果对探讨路基、坝基等黄土填料在冻融环境下的物理力学性状具有重要意义，但对原状黄土研究较少，且未能进行深入分析。鉴于此，本研究通过室内试验，深入研究了冻融作用对非饱和原状黄土抗剪强度的影响，以期为黄土地区窑洞和隧道洞口冻害、水渠冻害、路基路面和边坡滑塌、溜方、剥落等工程病害的系统分析奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的原状土样取自西安北郊某工程基坑内，土样的基本物理参数为：干密度1.3 g/cm3，液限30.9%，塑限18.1%，塑性指数12.8。

1.2 试验方法

本试验目的是研究不同冻结温度、不同含水率、不同冻融循环次数对非饱和原状黄土抗剪强度参数的影响。冻融循环均在封闭系统中完成，为了在冻融循环后能直接进行直剪试验，选用直剪环刀进行试样制备，用滴水法配制成含水率(w)为16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%的土样，并用塑料薄膜包裹以保持含水率不变。将制备好的土样放入冰柜冻结12 h，冻结之后在室外融化并静置24 h，此为冻融循环1次，重复以上试验过程可进行1,3,5,7次冻融循环。冰柜冻结温度可任意设定，本次试验方案考虑3种冻结温度，分别为-8，-13和-21 ℃。不同冻融循环后进行直接剪切试验得到不同冻结温度、不同含水率、不同冻融循环次数下的抗剪强度参数。

2 结果与分析

2.1 冻融循环后原状土表面的变化

图1为含水率32.5%的原状黄土经历冻融循环后土样表面的变化特征。从图1可以看出，含水率较高的土样经过7次冻融循环后，与未经历冻融循环的土样相比，多次冻融土样表面出现麻面，大孔隙明显增多，表面更为松散，且出现微小裂纹，与环刀接触处也有细小裂纹。其他含水率较小的土样冻融处理后肉眼可见的表面变化现象不明显，故在此未给出图片。

图1 冻融循环后供试原状黄土的表面变化Fig.1 Surface changes of the undisturbed soil samples after freezing-thaw cycles

2.2 冻融循环后原状土样黏聚力的变化

冻融循环后直剪试验得到的土样黏聚力试验结果如图2所示。从图2可看出，冻融循环次数对黏聚力影响显著，在16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%含水率下，-21 ℃冻融循环7次后黏聚力分别由24.50，18.52，12.69，9.56和7.56 kPa降低为21.04，13.52，7.45，2.60和0.23 kPa，其中含水率32.5%的原状土样黏聚力减小量最大，说明含水率越大的土样冻融循环后黏聚力减小量越大；同一含水率下，土样黏聚力随冻融次数的增加呈指数减小；随着冻结温度的降低，变化不明显，说明冻结温度对黏聚力影响不大。

土样黏聚力主要受土颗粒之间黏结力的影响，冻融循环之后黏聚力的降低是因为黏结力受冻结时冰晶生长而导致结构弱化所致。含水率越大，土体自由水就越多，冻结时冰晶发育的体积膨胀量就越大，越容易破坏土颗粒之间的黏结力。在较低冻结温度下，土中弱结合水已冻结，未冻水含量很低，冻结温度对冰晶发育影响不显著，因此冻结温度对黏聚力影响不大。

图2 不同含水率(w)及不同冻结温度下原状黄土黏聚力与冻融循环次数的关系
Fig.2 Relationships between cohesion and number of freeze-thaw cycles at different freezing temperatures and different water contents (w)

2.3 内摩擦角的变化分析

图3为含水率(w)16.5%，20.5%，24.0%，29.0%及32.5%土样在不同冻结温度下内摩擦角与冻融循环次数的关系曲线。由图3可知，内摩擦角随着冻融循环次数的增大而略微增大，增加量 1°～2°，产生这种现象的原因主要是因为土样冻融循环之后大孔隙所占的比例下降，土颗粒间的接触点增多而引起内摩擦角略有增大。

3 原状非饱和黄土冻融循环后的强度劣化模型

根据上述试验结果将-21 ℃下黏聚力随冻融循环次数变化的数据进行整理，结果如表1所示。从图2和表1可看出，对于一定的冻结温度，同一含水率下黄土黏聚力随冻融循环次数的增加呈指数减小，采用如下函数拟合可具有较高的相关系数：

c=a+be-dN。

(1)

式中：c为黏聚力，N为冻融循环次数，a、b、d均为参数。

首先对-21 ℃下不同含水率时的黏聚力与冻融循环次数进行拟合，拟合参数见表2。从表2中的相关系数可以看出，式(1)拟合黏聚力与冻融循环次数的效果较好。

图3 不同含水率(w)及不同冻结温度下原状黄土内摩擦角与冻融循环次数的关系Fig.3 Relationships between internal friction angle and number of freeze-thaw cycles at different freezing temperatures and different water contents (w)

表1 -21 ℃下不同含水率原状黄土土样冻融循环后黏聚力的变化Table 1 Changes in cohesion of undisturbed loess at different water contents after freezing-thawing cycles at -21 ℃ kPa

表2 -21 ℃下不同含水率原状黄土黏聚力与冻融循环次数拟合函数参数的确定Table 2 Fitting parameters of cohesion and freezing-thawing cycles for undisturbed loess with different water contents at -21 ℃

从表2可以看出，式(1)中的a、b随土样含水率的变化而变化。因此，以表2数值a、b作为已知值，进一步对其随含水率的变化进行拟合，分析发现a-w符合抛物线关系，b-w符合线性关系，拟合结果见式(2)、(3)。参数d虽在一定范围内波动，但在该范围内，d值的波动对黏聚力的变化影响不大，因此建议取平均值1.39。

a=557w2-403w+72.5，r2=0.999 1。

(2)

b=24.1w-0.3，r2=0.964 7。

(3)

将拟合结果式(2)、(3)带入式(1)，可得-21 ℃非饱和原状黄土黏聚力劣化模型的表达式为：

c=557w2-403w+72.5+(24.1w-0.3)e-1.39N。

(4)

采用式(4)对不同冻融循环次数下5种含水率土样的黏聚力进行计算，对比实测结果和计算结果，分析其相关性，结果如表3所示。从表3可以看出，不同含水率土样的黏聚力劣化模型表达式(4)拟合结果与实测结果的相关系数均在0.937以上，拟合效果较好。

表3 -21 ℃下原状黄土黏聚力劣化模型计算值和试验值的相关性分析Table 3 Correlation analysis on experimental and predicted values of cohesion degradation model for undisturbed loess at -21 ℃

由于较低的冻结温度对黏聚力影响不大，因此在较低冻结温度下非饱和原状黄土劣化模型均可采用式(4)表示。冻融循环次数对非饱和原状黄土内摩擦角基本无影响，因此未对内摩擦角进行拟合分析。

4 结 论

通过对非饱和原状黄土经历冻融循环后强度的变化规律研究，得到以下结论：

(1)同一含水率下黏聚力随冻融循环次数的增加呈指数减小。不同含水率土壤，含水率越大冻融循环后的黏聚力减小量越大。冻结温度对含水率为16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%的原状土样冻融后黏聚力影响不显著。

(2)内摩擦角随着冻融循环次数的增大而略微增大，总体增加量1°～2°。

(3)基于试验数据，进一步得到了较低冻结温度下非饱和原状黄土黏聚力的劣化模型表达式。

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Freezing-thawing strength of unsaturated undisturbed loess

ZHANG Hui1,WANG Tie-hang2,LUO Yang2

(1SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shannxi710054,China; 2SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shannxi710055,China)

【Objective】 Variations in strength of unsaturated undisturbed loess during freezing-thawing cycles were investigated to analyze the freezing-thawing damage mechanism in loess area. 【Method】 Unsaturated undisturbed loess samples with water contents of 16.5%,20.5%,24.0%,29.0% and 32.5% were prepared,respectively.Freezing-thawing cycle was simulated using freezer with temperatures of -8,-13,and -21 ℃ and outdoor melting.The numbers of freezing-thawing cycles were 1,3,5,and 7,respectively.Then the soil shear strength parameters influenced by freezing-thawing cycles were observed through the direct shear test of unsaturated undisturbed loess.The influence of freezing-thawing cycle,water content,and freezing temperature on strength parameters was analyzed and the degradation model of cohesion was obtained by fitting data at -21 ℃.【Result】 After seven freezing-thawing cycles at -21 ℃,cohesion values of soil samples with water contents of 16.5%,20.5%,24.0%,29.0% and 32.5% decreased from 24.50,18.52,12.69,9.56,and 7.56 kPa to 21.04,13.52,7.45,2.60,and 0.23 kPa,respectively.Cohesion of undisturbed soil sample with water content of 32.5% reduced the most.Cohesion exponentially decreased with the increase of the number of freezing-thawing cycles at the same water content,while it did not change significantly with the decrease of freezing temperature.Angle of internal friction was increased by 1°-2° after freezing-thawing cycles.The cohesive deterioration model of unsaturated undisturbed loess was obtained with the coefficients of >0.937.The calculated values were consistent with the measured values.【Conclusion】 Cohesion exponentially decreased with the increase of number of freezing-thawing cycles at the same water content.The freezing temperature had no significant impact on cohesion and internal friction angle of the undisturbed soil samples.

loess;freezing-thawing cycles;shear strength;loess deterioration

2013-11-18

国家自然科学基金项目(51078309；51208409)；陕西省教育厅专项科研计划项目(12JK0914)

张 辉(1986-)，男，博士，讲师，主要从事黄土及冻土工程理论与实践研究。E-mail：0107zhanghui@163.com

时间:2015-03-12 14:17

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.04.021

TU42

A

1671-9387(2015)04-0210-05

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150312.1417.021.html