鄂尔多斯红色砒砂岩冻融循环变形特性

陈溯航，李晓丽，张强，李明玉

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，010018，呼和浩特)



鄂尔多斯红色砒砂岩冻融循环变形特性

陈溯航，李晓丽†，张强，李明玉

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，010018，呼和浩特)

砒砂岩区的产沙量是以非径流的冻融风化侵蚀为主形成的，冻融循环作为一种特殊的强风化作用，其对砒砂岩进行结构性的破坏。为揭示砒砂岩冻融破坏机制，使用LDMD-A三温冻融循环试验仪，以内蒙古自治区鄂尔多斯准格尔旗红色砒砂岩为研究对象，模拟自然条件进行单向冻融，研究分析冻融次数及含水率对原状砒砂岩冻融循环的影响规律。结果表明：冻融循环过程可以很清晰地反映砒砂岩在冻结和融化过程中，其固相、液相相互转化时内部热量的变化，以及砒砂岩冻结、融化过程的体积变化；在冻结过程中，砒砂岩冻胀率与含水率、冻融次数密切相关，含水率对冻胀率影响更显著。当含水率为8.56%和10.27%时，冻胀率随冻融次数增加而增大；但含水率为8.56%时，冻胀量很小，当含水率>10.27%时，发生冻胀明显，试样冻胀量会随冻融次数增加而增大；当含水率≥11.53%时，冻融循环>6次，冻胀率趋于平缓。其结果揭示了不同因素下，砒砂岩冻融循环变形规律，为砒砂岩冻融侵蚀机理的深入研究提供参考。

砒砂岩； 冻胀； 融沉； 冻融循环； 结冰潜热

砒砂岩大面积分布于鄂尔多斯地区，以红色和白色色调为主，主要由砂岩、粉砂岩及泥岩组成的半固结碎屑岩组合而成[1]。该地区属于典型的温带大陆性气候，在冬春两季，昼夜温度变化大，砒砂岩土体胀缩交替，“水”“冰”相变频繁[2-4]。砒砂岩在冻结的过程中，岩土体从冷源方向(地表)开始向下逐渐冻结，岩土体颗粒间的水由结合水变为固态冰，体积膨胀加大了固体颗粒之间的间距。随着温度的回升，冻结岩土体在自然条件下，由地表竖直向下开始逐渐融化，岩土体内部颗粒以不同下沉组合方式进行重新组合，引起颗粒间的重新排列，使得岩土体的孔隙特征发生变化，导致岩土体骨架特征发生相应变化，使传力结构的体系发生内部位移，造成结构性的变化，常伴随裂隙的产生和发展。在自重和外力的作用下，产生边缘岩土体的剥落和坍塌[5-7]；同时，由于砒砂岩中相对不稳定的化学成分在水的作用下，易发生化学风化作用，加剧砒砂岩的强度损失[8-10]：因此，冻融循环作为一种温度变化的具体形式，可以被理解为一种特殊的强风化作用，对土体的物理力学性质有着强烈的影响[11-20]。砒砂岩经冻融循环作用，结构发生变异，黏聚力降低，冻融-风力侵蚀成为冬春、秋冬季节主要的侵蚀形式。为保持该地区生态环境和构筑物的稳定，极有必要开展砒砂岩土壤冻融变异机制研究。

笔者以鄂尔多斯地区准格尔旗红色的砒砂岩为研究对象，模拟外界自然环境的冻融过程，进行单向冻融循环试验。选取不同的含水率、不同冻融次数，分析冻融循环对砒砂岩变形特性的影响，为今后砒砂岩复合侵蚀破坏机制的深入研究，提供基础理论依据。

1　研究区概况

试验区位于内蒙古南部鄂尔多斯市准格尔旗(E 111°12′00″～111°14′40″，N 40°18′40″～40°23′00″)。年平均气温7.4 ℃ ，≥10 ℃积温3 400 ℃，太阳总辐射量599 kJ/(cm2·a)，年蒸发量2 100～3 700 mm，年降水量251.1～522.2 mm，且多以暴雨形式出现，主要集中在7—8月份，平均风速12.3 m/s，春季干旱，冬季寒冷。该区域主要以紫红色砒砂岩分布为主，地形切割强烈，沟壑纵横交错。地表部分薄层风积沙与裸露砒砂岩交错排列，植被覆盖稀疏，表层土壤养分质量分数低，土表侵蚀严重。

2　研究方法

2.1试样的制备

样品采于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗的圪坨店沟试验区，试样是由野外试验场选取未扰动坡面，将砒砂岩挖深至40～50 cm处，制取块状原状土试样，并及时蜡封密存，带回实验室后，将保存完好的土样切削，并打磨试样表面，将原状土样削成直径100 mm、高100 mm的圆柱形标准试样。为测定温度沿试件内部高度的变化规律，在试件的中心部位打孔，上下2个钻孔距离顶、底板分别为2 cm，中间孔间距为1.5 cm(图1)。

图1　三温循环试验仪构造模型Fig.1　Structure model of three temperature cycle experiment instrument

2.2试验方法

由前期工作[21]得知，砒砂岩含水率<8%时，冻融作用不明显，而原状砒砂岩饱和含水率为15.01%，所以试验含水率设计在8%～15%之间。为测定不同含水率使其对冻融循环产生影响，在取值时，使含水率之间的间隔在1.5%左右。而本次试验所用的土样是原状砒砂岩，含水率的具体数值并不能精准的控制，将试样放入真空饱和装置进行饱和，然后分别放入烘箱，在105 ℃下烘不同时间，静置48 h后称量，得到试样含水率分别为 8.56%、10.27%、11.53%和13.7%，选择这4个不同含水率的原状砒砂岩进行冻融试验。

根据准格尔旗近30年的气象资料及地表实测温度，顶板温度变化，选取秋冬和冬春季节中日温度较低值-17 ℃为冻结控制温度，日温度较高值+20 ℃为融化控制温度，冻融过程中底板温度、箱体环境温度均控制在+1 ℃，采用恒温冻结及融化，土样侧面隔热保温，不进行热传导。每隔10 min记录1次数据，冻结和融解结束的时间均以其位移传感器显示的读数趋于稳定为止，根据刘李杰[21]的研究，确定每个试件冻融循环次数为8次。试验装置采用LDMD-A三温冻融循环试验仪(图1)，它由试样盒、恒温箱、温控系统、温度监测系统、变形量测系统及加压系统组成。试样桶由外径120 mm、内径100 mm、高200 mm、壁厚10 mm的有机玻璃构成，并将其作为侧壁，沿高度每隔10 mm设热敏电阻温度计插孔，底板和顶板能提供恒温液循环通道。在有机玻璃试样桶内壁涂上一薄层凡士林，放在底板，桶内放上一张薄型滤纸，把试件平放推入桶内。然后在试样顶面再加上一张薄型滤纸，放上顶板，稍稍加力，使得试样和顶、底板接触紧密。将试样桶放入箱体，在试样的顶板、底板插上热敏电阻温度计；同时，在试样上等距打好的5个孔内也插上热敏电阻温度计，试样周侧包裹5 cm厚的泡沫塑料保温。在箱体顶部安装位移传感器。试验开始每隔10 min，记录各个孔以及顶、底板和箱体的温度，以及位移变化。冻结到位移不再发生变化时开始融化，冻结稳定时间一般出现在4 h左右；同样融化到位移量不发生变化时停止试验，融化完成时间一般在6 h左右，然后进入下一个冻融循环。

3　结果与分析

3.1各测点温度变化时程曲线

由于所测试样温度变化时程曲线的趋势相同，故选取含水率为11.53%的第1次冻融为例(图2)，顶板CH14、底板CH13、环境温度CH12温度变化最快，短时间就能够达到试验温度设计值，达到设计温度后，温度可以保持恒定，能够充分保障试样产生单向冻结和融化。从降温开始，随顶板温度的降低，从上至下各深度测点的温度依次降低，在整个冻结的过程中，降低幅度较均匀。

图2　各测点温度变化的时程曲线Fig.2　Time history curves of each measuring point

3.2冻融过程的温度改变及物态转化

由图3可知：在A阶段，是正温向负温过渡阶段，随负温差增大，累计位移不断增加，变形量逐渐加大。经过50 min(图中第6个数据点)，负温差突然减小，出现拐点，测得此时第1测点CH1的温度恰好接近0 ℃时，表明在此处对应的土体内部孔隙水开始冻结，孔隙水由液态转变成固态，析出结冰潜热，土温急剧升高，到此CH1高度处开始进入冻结状态。随着冷端温度的降低，CH2、CH3分别在60和70 min相继出现突变点，所对应高度处的温度均接近0 ℃，表明结冰潜热析出，由上至下各高度相继进入冻结状态，也表明温度是从上往下均匀传递的；但CH4和CH5 2个测点的突变点发生在50 min时，冻结时间比CH3提前。这是由于底板温度始终保持在1 ℃，而CH4和CH5距离底板距离较近，影响了CH4和CH5从最初的温度下降的速度。

图3　各测点温差与累计位移变化量关系Fig.3　Relationship between the temperature difference of each measuring point and the cumulative displacement variation

进入B阶段，温差变化幅度逐渐减小，冻结深入，最后温差接近于0 ℃后基本保持不变，位移继续上升，即冻胀量一直增加；当累计位移达到1.846 mm时，数据点堆积重合，累计位移保持不变，此时土体进入“恒温冻结”阶段。

进入C阶段，是负温差向正温差过渡阶段，由负温差转变为正温差，温度升高，正温差急剧变大；但由于位移一直恒定不变，此时试样虽进入“迅速升温”阶段，但融化并没有开始，仍处于冻结状态。

进入D 阶段后，正温差减小，温度升高速度变缓，位移开始显著下降，有融沉发生，表明土体内冰晶已经开始融化，由固相向液相缓慢转化，导致试样发生了沉降。进入D阶段末端，随时间增加，温度差接近0 ℃，数据点堆积重合，表明此时温度不变，位移基本不变，土体处于“恒温融化”状态。经过D阶段，又出现第3次温差突变，位移不变，正温差突然增加。表明土体温度突然升高，图中圆圈所标为冻融时温度差突变点。对应图2，测得在350 min温度基本保持在0 ℃左右，突变点对应高度处的温度仍然出现在0 ℃附近。表明此时土体固相向液相的相变转化已经完成，析出土体原来融化所需热量，使得温度迅速增加。

突变完成，进入E阶段，温差稳定在0.8 ℃基本保持不变，此时升温均匀，位移继续减小，即融沉进一步发展，土体处于“继续升温”状态。E阶段末端，温差缓慢减小，表明温度升高非常缓慢；但位移保持不变，表明土体内部融沉变形已经彻底完成，温度的升高已不再改变土体的变形。

至此一个完整的冻融过程完成，可以很清晰地反应土体在冻结和融化过程中，其固相、液相相互转变时内部热量的变化；同时，也很清晰地反映随温度的变化，土体冻结、融化的体积变化过程，而体积的变化必然导致土体骨架特征发生相应改变，这是造成土体结构性的变化的主要原因。

3.3砒砂岩冻融时温度场变化

为研究不同阶段试样温度场的变化，分别选取冻融过程中各阶段、各深度层的温度变化情况，见图4。在单向冻结温度场中，各阶段底板处温度变化最小；从B阶段(恒温冻结)开始到D阶段(恒温融化)，由于持续低温冻结，大部分土体处于低于0 ℃温度区，各深度层温度逐渐降低。在B阶段和C阶段，土体在底板处最大温度变化仅为1.5 ℃，而在顶板处温度变化接近10 ℃；当处于迅速升温状态，即C阶段，顶板温度受人为调控，温度上升快，但各测点温度比冻结时低，此时内部各深度层的冰晶还未融化，还处于晶体状态。深度的改变，同时也影响温度的变化，随深度层的降低，温度差也在不断增大。融化时测点距顶板距离愈近，温度梯度愈大，D阶段(恒温融化)和E阶段(继续升温)的最大温度跨度在15 ℃左右，随着深度层的不断增加，温度差值逐渐减小，说明E阶段时，土样内冰晶融化过程基本完成。

3.4冻结过程中砒砂岩冻胀量的变化

砒砂岩在进行冻结过程中冻胀量的发生、发展如图5所示。当含水率为8.56%时，冻胀变化很小，位移值分布在-0.055～0.462 mm之间，可见反复冻融对其影响不明显；而当含水率≥10.27%时，随着冻融次数的逐渐增加，冻胀量呈现出不断增大的趋势，说明当含水率>10.27%时，冻胀量会随冻融次数增加而增大。试验所测的砒砂岩试样基本均在降温0.5 h时，冻胀量开始出现增长，并逐渐增长加快；但含水率为8.56%时，试样基本在2.5 h时冻胀稳定，然后趋于平稳。当含水率>10.27%时，冻胀时间延长到3.5 h左右，冻胀增加才有所减缓。可见，含水率的大小，影响砒砂岩冻胀量达到稳定的时间。

3.5相同含水率下冻融次数对冻胀率的影响

由上述分析知：一次温度的变化，可以导致砒砂岩土体的冻胀和融沉，那么多次冻、融的循环如何影响砒砂岩结构的变化。为研究砒砂岩在不同冻融次数下的冻胀最大变形，引入冻胀率。冻胀率是一次冻结完成后，冻胀量稳定值或者是最大值与试样初始高度的比值，即冻胀率指单位高度的冻胀量。计算公式为

(1)

式中：h0为试样初始高度，mm；h为试样冻结稳定后的高度，mm；ηf为冻胀率，%，计算至0.01。

经过对试样进行8次冻融循环后，分别研究在第2、4、6、8次冻融循环次数的不同含水率下，砒砂岩的冻胀率变化情况，如图6所示。当含水率为8.56%和10.27%时，冻胀率随冻融次数增加而增大。表明在反复冻融的过程中，随着固相、液相的转化和水分迁移，土颗粒经过重新排列，并且所用试样干密度经测得在2.08～2.11 g/cm3之间。砒砂岩属于高密实度土体，所以冻融使得土体体积在不断变大。含水率为11.53%和13.7%，冻融大于6次时，冻融次数增多，使得冻胀率趋于平缓，可以看出，含水率>11.53%时，并非冻融次数越多冻胀率越大。对于冻胀率，含水率不是单一的影响因素；冻融增大到一定次数，增加土粒之间的润滑作用，影响土粒的重新排列和密实，并且第1次冻融时的冻胀率明显小于其他冻融次数的冻胀率，含水率不断增大，冻胀率也逐渐趋于平稳。即反复冻融改变了土体的性状，导致土体间颗粒的定向化，所以随着冻融次数的增加，不同含水率的冻胀率都趋向于稳定值。

图6　冻胀率随冻融次数变化关系Fig.6　Relationship between the frost heaving ratio with the change in the number of freezing-thawing

3.6相同冻融次数下含水率对冻胀率的影响

在冻胀的影响因素中，含水率是影响较大的因素，而影响冻胀的水分主要是土体中未冻水的质量分数；所以土体的冻胀变化特征是和土体中未冻水的质量分数变化是紧密联系的，并且含水率对土体微结构刚度起控制作用。从图7可见，含水率>10.27%时，冻胀率明显大于含水率为8.56%的冻胀率。说明砒砂岩的含水率在8.56%～10.27%之间，存在一个阈值。当含水率大于阈值时，砒砂岩试样的冻胀率在1%以上，冻胀明显；而当试样的含水率较小，在阈值以下时，冻结过程中试样内只有孔隙冰，而没有结构冰，水变成冰对试样体积影响较弱，冻胀率在1%以下。2个较小含水率的冻胀率是随冻融次数的增加在逐步增大，这一点从图6中体现出来。而另外2个含水率在第2次冻融循环时，冻胀率增加，然后逐渐趋于平缓。这是土体内部结构发生变化，冻融次数增加，土粒之间胶结力变强，起到骨架作用，使得冻胀率增加；然而，冻融作用进一步影响，临时作用消失，土粒向稳定状态过渡[18]，即在自重的影响下，原状土的冻胀率随着冻融次数的增加，呈现出先增大后减小，最终趋于平缓的趋势，并且随着含水率的增加，原状土的冻胀率也在增大。

图7　冻胀率随含水率变化关系Fig.7　Relationship between the frost heaving ratio with the change in moisture content

由此表明：含水率上升，引起微结构强度的下降，导致结构变形增大，水分由液相转变成固相，冻结成冰，土样体积增加而膨胀。为更好地分析冻胀率与冻融次数的关系，将冻结过程中冻胀率与冻融次数关系进行二次项拟合，得出表1。可以看出相关系数都在0.8以上，最大可达0.98。说明二次项拟合对本次试验冻胀率和冻融次数的关系比较准确，求得不同含水率下冻胀率与冻融次数的关系式。

表1　冻结过程中冻胀率与冻融次数关系

4　结论

本文通过对不同含水率的原状砒砂岩，经过多次冻融循环后，研究在冻胀和融沉过程中变形特性，得出下列结论：

1)冻融循环过程可以很清晰地反映砒砂岩在冻结和融化中，其固相、液相相互转化时内部热量的变化；同时，也反映随温度的变化，砒砂岩冻结、融化的体积变化过程，而体积的变化必然导致土体骨架特征发生相应改变，这是造成砒砂岩结构性的变化的主要原因。

2)冻胀率受含水率影响显著，含水率8.56%的冻胀率只达到其他含水率的50%左右，冻胀率随冻胀次数变化缓慢，冻融循环6次以上稍有增加。

3)含水率为8.56%和10.27%时，冻胀率随冻融次数变化趋势相似，随次数增加而缓慢增大，但含水率10.27%的冻胀率明显大于含水率为8.56%的冻胀率；含水率为11.53%和13.7%的砒砂岩，前4次的冻融过程受冻融次数影响显著，随冻融次数增加冻胀率增长较快，冻融次数大于6次后，冻胀率趋于平缓。

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Deformation characteristics of red pisha-sandstone during freezing-thawing cycles in Ordos

Chen Suhang，Li Xiaoli，Zhang Qiang，Li Mingyu

(Water Conservancy and Civil Engineering College,Inner Mongolia Agricultural University,010018,Huhehot,China)

[Background] Pisha-sandstone is a kind of loose rock stratum.Since the rock stratum is thin and low in pressure,it is hard to form rock,poor to glue the sandstone and low in structural strength.In the spring of great change in temperature,pisha-sandstone soil is not only eroded by the wind,but also frozen and melted at the same time,thus freezing-thawing and wind erosion are the main erosive modes in the spring and winter.Therefore,to protect the ecological environment in this territory,it is of great necessity to study the mechanisms of freezing-thawing and wind erosion of pisha-sandstone soil and investigate the soil variation in pisha-sandstone territory.[Methods] We applied LDMD-A three temperature freezing-thawing cycle test instrument to study and analyze the influence of freezing-thawing cycle on pisha-sandstone stratum in Zhungeer,Inner Mongolia Autonomous Region,where the pisha-sandstone stratum is purple and covered by sparse vegetation,with low soil nutrient in the surface,droughty in spring,and cold in winter and severe soil erosion,in terms of freezing-thawing frequency and moisture by simulating one-way freezing and thawing under natural environment.The samples were collected at the depth of 40-50 cm of pisha-sandstone and prepared to be as cylinder-shape specimen of 100 mm diameter and 100 mm height.The specimen was punched five holes with 1.5 cm apart between them for temperature test at different heights in order to investigate the changing law of temperature inside the test specimen.The specimen was frozen till the displacement did not change and then began to thaw,likewise,the specimen was thawed till the displacement did not change and then began to freeze.Then next freezing-thawing cycle follows the same.[Results] Experimental results showed that freezing-thawing process clearly reflected the thermal quantity in the transition between the solid phase and liquid phase as well as the volume change in the procedure of freezing and thawing of pisha-sandstone stratum.In the freezing process,the frozen heaving ratio factor of pisha-sandstone stratum was in close relation to the freezing-thawing frequency and moisture content.The moisture content had more significant effect on frozen-heave factor; when the moisture contents were 8.56% and 10.27%,the frozen-heave factor increased with freezing-thawing frequency; when the moisture content was 8.56%,the frozen expansion was the least; when the moisture content was over 10.27%,frozen expansion obviously took place,and the frozen expansion increased with the freezing-thawing frequency; when the moisture content was over or equal to 11.53% and freezing-thawing frequency over six,the frozen-heave factor tended to be stable.[Conclusions] These results reveal the structural change law of pisha-sandstone stratum under different factors,which provides references for further researches on the erosive mechanisms of pisha-sandstone stratum.

pisha-sandstone stratum; frozen heave; thaw settlement; freezing-thawing cycle; frozen latent heat

2016-01-26

2016-05-26

项目名称：国家自然科学基金“鄂尔多斯丘陵区砒砂岩风-冻融复合侵蚀力学机理研究”(41261070)，“鄂尔多斯丘陵区砒砂岩水蚀动力学机理研究” (41561061)；教育部创新团队发展计划“寒旱区水文过程与环境生态效应”(IRT13069)

陈溯航(1992—)，男，硕士研究生。主要研究方向：岩土环境力学。E-mail:664008590@qq.com

简介：李晓丽(1969—)，女，博士，教授。主要研究方向：岩土环境工程及结构工程。E-mail:nd-lxl@163.com

S157

A

1672-3007(2016)04-0034-08

10.16843/j.sswc.2016.04.005