冻融循环对结构性黄土构度指标影响研究＊

杨更社，魏 尧，田俊峰，赵 轩，叶万军

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安710054)

0 引 言

黄土作为一种第四纪沉积物，强度特性均与其结构性有着密切的联系。黄土的结构性从宏观来说，主要是指其抵抗破坏而保持原状的能力;从微观上来说，主要是指黄土颗粒的排列和联接方式。水、温度、外部荷载等因素可以改变土颗粒之间的连接和排列方式从而改变黄土的结构性。

胡再强［1］通过对室内原状黄土、人工制备结构性黄土的各项试验，研究和非饱和黄土结构性、压缩特性及其影响因素。谢星［2-3］建立了Q2黄土的统计损伤本构模型。宋春霞［4-5］认为不同干密度的土弱化和强化作用不同，冻融作用对前期的固结压力也有影响。叶万军［6］根据影响黄土路堑边坡断面设计的5 个指标，建立了边坡设计各指标的模糊判断矩阵，将定性指标转化为模糊值。肖海斌［7］对人工冻土进行单轴压缩试验，分析了抗压强度与温度和含水量的关系。郑志勇［8］深入探讨了铜川黄土滑坡的地质和非地质因素、形成机理及发育过程，提出了具有一定操作性的防治对策。宋志刚［9］对上海第④层淤泥质粘土冻融前后的无侧限抗压强度进行了试验研究。

郭利平［10］结合黄土的抗拉特性，探讨并建立了基于开挖扰动引起黄土边坡剥落破坏的分析模型。连江波［11-12］对杨凌黄土进行多次冻融循环试验，探索其结构性。董晓宏［13］探讨了长期冻融循环下黄土的强度劣化特性。叶万军［14］等对不同含水量洛川Q2黄土开展不同冻结速率条件下土样结构细观分析及室内直剪试验。叶万军［15］在开放不补水条件下，对洛川黄土开展了冻融试验，分析了冻融循环对洛川边坡黄土的影响及其对边坡剥落灾害产生的机制。李晓媛［16］对冻融循环条件下改性黄土进行无侧限抗压强度等试验，探讨了冻融循环对改性黄土的影响。

高建伟［17］对山西河曲黄土进行了无侧限抗压强度的试验，研究了黄土无侧限抗压强度、弹性模量与含水量、干密度的关系。罗爱忠［18］对不同初始结构性黄土在单轴压力下的结构性变化特性进行了规律研究。陈存礼［19］对一定试验含水量及干密度下具有不同结构性(排列)的压实黄土试验进行了无侧限压缩试验，探讨其内在规律性。杜海民［20］开展了高含冰(水)量粉质砂土的单轴抗压强度系统性测试。文献［21］等对冻融循环后的阳曲黄土进行了CT 扫描试验、物理力学试验，分析了冻融对黄土细观损伤、物理力学性质的影响。

对于黄土的构度指标，邵生俊［22］沿用综合结构势的思想，通过原状土、重塑土和饱和土的无侧限抗压强度试验，由原状土和重塑土的无侧限抗压强度比较反映土的结构可稳性，表达的是土颗粒的联接特性，由饱和土与原状土的无侧限抗压强度比较反映土的结构可变性，表达的是土颗粒的排列特性，定义了如下构度指标

式中 (qu)o，(qu)r，(qu)s分别为原状土、重塑土、饱和原状土的无侧限抗压强度;m1反映了结构可稳性;m2反映了结构可变性。

在广大的短期冻结黄土地区正在进行着大开发，由于在黄土地区进行隧道工程无成熟的经验可循，且黄土特殊的结构性，在经历外界温度变化和自身含水率变化综合作用的前提下，经常发生塌方或者病害等灾害的发生，给黄土覆盖地区的隧道工程建设带来了巨大的困难。另一方面，针对不同冻融循环次数下黄土的无侧限抗压强度结果尚不多见，文章以山西阳曲一号隧道黄土为研究对象，利用单轴压缩设备对其经过不同冻融循环次数后的单轴压缩强度分析，依据邵生俊提出的综合结构势和构度的概念对阳曲黄土的结构性进行定量分析，研究成果可运用于短期冻结黄土地区的工程地质的设计和施工。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样选取

试验所用的原状土样均取自山西阳曲1 号黄土公路隧道新开挖土体。经过试验，可知试样天然含水率为22.65%，计算可得天然状态下的塑性指数Ip为15.5，液性指数IL为0.30.

对原状土样采用水膜迁移法进行增湿和自然风干减湿，当含水率达到试验所需含水率控制点时，将土样在保湿器内密封养护24 h，使试样内部和表面水分分布均匀，达到误差率不超过1%要求的含水率。首先制备好含水率为14%的土样，随后采用水膜转移法将低含水率土样配制成高含水率土样，根据理论计算所配水量的多少，用5 mL的医用注射器在试样表面各处缓慢、均匀滴入预定的水量，然后把试样放置在一密闭的养护缸里养护数天，使水分在水膜压力的作用下逐渐转移，最后均匀分布在试样内部，达到该试样含水率配制的目的。饱和试样的制备时，将装有14%试样的饱和器置于无水的抽气缸内，进行抽气采用抽气饱和办法进行饱和。

重塑土样的制备依照GB/T50123 -1999《土工试验方法标准》，首先将黄土碾碎，过2 mm 筛后测定风干后含水率，然后进行配土试验。将需加的水量喷洒到土料上拌匀，稍静置后装入塑料袋，然后置于密闭容器内至少24 h，使含水率均匀，然后进行土样制备，设计土样分别制成14%，18%，22%，26%和饱和含水率32%.

1.2 试样设备

冻融试验采用东莞市环瑞环境测试设备厂生产的RTP-175BU 可程序高低温试验箱(图1)，平衡调温控制系统(BTC)，以P.I.D.方式控制SSR，使系统加热量等于热损耗量，故能长期稳定使用。各项参数为温度可控范围为-30 ～50 ℃，温度波动度为±0.5 ℃，温度偏差:≤±1.0 ℃.

图1 RTP-175BU 型高低温试验箱Fig.1 RTP-175BU high low temperature test box

压缩试样采用南京土壤仪器厂有限公司生产的YYW-2 型应变控制式无侧限压力仪，最大测力为0.6 kN，速率为2.4 mm/min. 无侧限单轴抗压强度是固结围压等于0 时一种不固结不排水试验。

1.3 试验方法

每组无侧限抗压强度需制备直径为39.1 mm，高度为80 mm 的原状、重塑土样(图2)，将制备好不同含水率的土样放置在RTP -175BU 可程序高低温试验箱，设置温度-15 ℃冻结12 h 后，设置温度15 ℃融化12 h，为1 次冻融循环。重复多次可得0(其中0 次是未经冻融循环)、1，3，5，10 次冻融循环土样(图3)，取出试样后分别对其进行无侧限单轴抗压强度。

图2 无侧限压力仪Fig.2 Unconfined pressure instrument

图3 冻融循环试样Fig 3 Freeze-thaw cycle test specimens

2 实验结果与分析

在不同含水率黄土力学性质试验中，实际配制土体含水率为14.05%，18.07%，22.03%，26.08%，32.03%作为含水率控制点进行比较，保证所有试样的干密度均为(1.45 ±0.05)g/cm3。为了比较相同含水率条件下，不同冻融循环次数对黄土物理力学性质的影响，在文中含水率一律略去试样制备时含水率的误差，采用理想值作为含水率控制点进行比较。

图4 不同含水率原状黄土应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of intact loess with different water content

图5 不同含水率重塑黄土应力应变曲线Fig.5 Stress-strain curve of remolded loess with different water content

从图4，图5 可得出以下特点

1)原状和重塑样在含水率变大的过程中，无侧限单轴抗压强度均减小，呈现出相同的变化趋势，但原状土样的无侧限单轴抗压强度均高于同含水率的重塑土的无侧限单轴抗压强度，表现出来明显的结构强度。

2)对于原状和重塑土样，当含水率为14%，18%，22%时，都具有明显的峰值强度点，属于脆性破坏。应力-应变曲线有上升阶段，当处于上升阶段时，土体结构稳定，变形小，土颗粒之间无滑移，土单元基本上呈弹性变形阶段。当土的结构性不足以抵抗轴向压缩荷载时，土骨架遭受到破坏，轴向应力出现峰值，土颗粒之间出现滑移变形，部分颗粒的联接破损后出现微裂纹。这表明原状土相比同含水率的重塑土，具有明显的结构性，应力突降的点就是原状土结构性被破坏的点。

3)对于原状和重塑土样，当含水率高于26%时，应力应变曲线基本上呈直线，呈现出应变硬化特性。可知含水率较大时，土中水对土的结构性影响较大。

4)试样在饱和过程中，原状和重塑黄土结构性中的水敏势得到充分释放，水膜的进入将会改变了原生矿物的粒间结合，次生黏土矿物颗粒形成的粒间胶结发生分解，从而使土结构性发生了明显的改变，单轴压缩结构强度表现出明显的降低;骨架颗粒间胶结的丧失及颗粒的均匀排列，形成了一种新的稳定的次生结构。

以含水率为22%的黄土冻融循环后的无侧限单轴抗压强度曲线为例，分析冻融循环次数对黄土无侧限单轴抗压强度的影响。

图6 含水率22%原状黄土冻融循环后应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of moisture content 22% of intact loess after freeze-thaw cycle

从图6，图7 可得出以下特点

1)随着冻融循环次数的增加，含水率为22%的原状黄土和重塑黄土的无侧限单轴抗压强度均减小，这是因为冻融循环通过土中水破坏了土颗粒的联接，致使土样强度降低的缘故。经历相同冻融循环次数后，原状土样的无侧限单轴抗压强度始终大于重塑土样的无侧限单轴抗压强度。

2)随着冻融循环次数的增加，原状土样和重塑土样的结构强度均呈现减小的趋势，且其抗压强度峰值点呈现减小的趋势。

图7 含水率22%重塑黄土冻融循环后应力应变曲线Fig.7 Stress-strain curve of moisture content 22% of remolded loess after freeze-thaw cycle

3)在相同含水率，不同冻融条件下，原状黄土试样的无侧限单轴抗压强度要明显高于重塑黄土试样。依据综合结构势思想分析，土体重塑过程实际为土体颗粒排列组合的重分布过程，重塑导致黄土试样原生结构性得到释放，扰动重塑使土体颗粒的排列较原状土体更加均匀化，粒间的大孔隙及竖向裂隙消失，继而影响到了黄土结构性的改变。

3 构度指标分析

长期以来土体的结构性由于缺乏一个定量描述其初始结构性的参数，使其处于土的基本物理力学性质研究的框架之外。因此，将构度结构性参数作为初始结构性的状态量，与土的粒度、密度和比重一起作为土体物理力学性质研究的框架内容，将更能反映结构性土的强度、变形等基本宏观力学性质，如果进一步将其反映到结构性宏观力学行为中，必将为实际工程应用带来很好的发展前景。

图8 含水率为14%时土样冻融循环后的可稳定和可变性Fig.8 Stability and variability of 14% water content sample after freeze-thaw cycles

图9 不同含水率黄土构度随冻融循环次数变化图Fig.9 Structure index with different water content after freeze-thaw cycles

从图8，图9 可知以下特点

1)当含水率一定时，土样经历冻融循环后，其结构可稳性总体呈现减小趋势，说明冻融循环使得土颗粒之间的联接破坏，土颗粒联接能力减小。可变性呈增加趋势，变化不大，说明冻融循环通过改变土颗粒的联接改变了土颗粒的排列，新的排列方式更易发生破坏。

2)随着含水率和冻融循环次数的增加，黄土的构度值不断减小。这是由于土样可稳性变小，可变性变大的影响。表明随着含水率和冻融循环的增加，土颗粒的结构性被破坏，土体构度值减小，说明土体结构性减弱，更易破坏。

3)黄土的构度随初始含水率的变化曲线规律比较相似，含水率对初始结构性的影响在图9 中可以分为2 个不同的阶段:当冻融循环次数在0 ～5次时，冻融次数对黄土的结构亚稳定状态的影响较小，初始结构强度的损失也相对减小，结构的可变性相对较大，黄土的初始结构性较强，在冻融循环次数继续增大后，构度指标随冻融次数的增大出现骤减，说明冻融作用对黄土的结构性影响明显;当黄土的冻融次数达到一定值以后，构度指标受冻融循环的影响变化较小，可以理解为冻融次数的增大使得黄土试样在冻融循环后，土体内部土颗粒发生相对运动，随冻融次数的增加，土颗粒运动剧烈，导致土体内部出现冻融裂缝，土体强度变化迅速，从而对构度指标的影响相对较大。

试样天然含水率为22.65%，从图10 可以看出，当含水率高于天然含水率，黄土构度将出现大幅度下降现象，且黄土构度将在一定值上下浮动。

图10 不同冻融循环次数黄土的单轴抗压强度与构度指标Fig.10 Relationship between structural index and uniaxial compressive strength after different freeze-thaw cycles

图11 不同冻融循环次数黄土的单轴抗压强度与含水率关系Fig.11 Relationship between water content and uniaxial compressive strength after different freeze-thaw cycles

从图8 ～图11 所显示出的规律可以看出，除了黄土物质成分、特性状态、相对含量的变化外，它们之间的相互作用也是构成土体的初始结构性具有典型时空变异性的根本原因，土体在外部环境变化条件下所表现出的宏观力学特性的变化仅仅是土体结构在不同力系作用下综合表现。它一方面受制于土体粒度、密度及湿度的变化，另一方面还取决与土体所赋存的初始结构状态，它在土的生成过程及生成环境中形成。

4 结 论

冻融循环和土中水是土体压缩强度的2 个重要因素，不同含水率和冻融循环次数下，无侧限抗压强度、构度表现如下特性。

1)原状和重塑样在含水率变大的过程中，单轴抗压强度均减小，呈现出相同的变化趋势，但原状土样的单轴抗压强度均高于同含水率的重塑土的单轴抗压强度，表现出来明显的结构强度。2 类土样含水率低于天然含水率时，应力-应变曲线有上升阶段，当处于上升阶段时，土体结构稳定，变形小，土颗粒之间无滑移，土单元基本上呈弹性变形阶段。当土的结构性不足以抵抗轴向压缩荷载时，土骨架遭受到破坏，轴向应力出现峰值，土颗粒之间出现滑移变形，部分颗粒的联接破损后出现微裂纹，都具有明显的峰值强度点，出现了应变软化现象，属于脆性破坏。当含水率高于天然含水率时，出现了应变硬化特性，土样无峰值点。这表明原状土相比同含水率的重塑土，具有明显的结构性，应力突降的点就是原状土结构性被破坏的点。

2)相同含水率下的土样在经历冻融循环后，单轴抗压强度随着冻融循环的次数降低，经历相同冻融循环次数后，原状土样的抗压强度始终大于重塑土样的抗压强度。

3)随着含水率和冻融循环次数的增加，黄土的结构可稳性值降低，可变性值增大，黄土的构度值不断减小。这是因为随着含水率的增加，原状黄土的结构性不断被破坏，构度随之减小。随着冻融循环次数的增加，冻融对土中自由水的冻胀和融沉作用，破坏了土颗粒之间的联接作用，造成了构度的减小。

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