冻融循环条件下原状黄土强度损伤试验研究*

刘　慧，杨更社，叶万军，魏　尧，田俊峰

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)



冻融循环条件下原状黄土强度损伤试验研究*

刘慧，杨更社，叶万军，魏尧，田俊峰

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

受昼夜小周期及季节大周期交替气温循环作用的影响，黄土体的损伤对低温黄土工程建设的影响不可忽视。冻融循环过程对黄土体原生结构产生不可逆的改变，导致黄土物理力学性能劣化。开展阳曲高含水率黄土在冻融循环条件下的力学性能进行试验研究，通过分析黄土原生结构逐渐丧失和次生结构逐渐形成的过程，探讨了黄土体在加载和温度等因素作用下的变形发展规律，提出以冻融循环次数表示冻融损伤，用弹性模量定义损伤变量，描述冻融循环后黄土强度损伤演化。所提出的方法为正确评价黄土结构在冻融循环作用下损伤机理分析提供了科学依据。

黄土；冻融循环；损伤；弹性模量

0　引　言

黄土作为一种典型的结构性土体，具有大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特殊性[1-4]。黄土的结构性研究是深化认识黄土力学及工程特性的重要内容之一，已有研究表明[5-8]，土颗粒之间的排列规则和联接方式是决定黄土变形和结构强度的主要因素。在温度、水分及外部荷载等因素作用下，土颗粒之间的联结方式和排列规则发生改变，从而引起黄土原生结构性的不可逆变化，引起构筑物或者地基强度发生改变，进而导致工程事故的发生。在冻融循环过程中[9-11]，黄土体内部的水分发生2次迁移：冻结过程水分向着冷源方向迁移，融解过程水分则逆向迁移。土颗粒的重新排列使土体的孔隙特征发生显著变化，导致土骨架特征发生相应的改变，引起传力骨架的结构体系发生内部位移，造成黄土结构性的变化，宏观上体现为黄土体力学性质的变化；而在黄土的融解过程中，其强度难以恢复到土体冻结前的状态。可见，冻融循环作用引起黄土强度损失，造成黄土冻融损伤。因此，研究黄土冻融前后强度损伤的变化规律对于揭示低温黄土工程灾害发生机理有重要的理论价值。

目前，在黄土的物理力学性能以及结构性方面，国内外学者进行着一定的研究。方祥位等[12]利用和CT机配套的多功能土工三轴仪，对原状Q2黄土在三轴剪切过程中内部结构的变化进行了动态、定量和无损的量测，得到了软化破坏土样内部结构演化的CT图像和相应的CT数据，从细观上解释了软化破坏过程。王朝阳等[13]以损伤理论为基础，建立了非饱和原状黄土的非线性损伤本构模型，模型可反映原状非饱和黄土独特的力学特性。罗爱忠等[14-15]在真三轴应力路径及增湿等复杂条件下，研究了结构性黄土的结构损伤演化规律；揭示了损伤参数与剪应变、含水率、固结压力、中主应力比之间的关系。刘志彬等[16]分析了黄土的电阻率温度校正系数以及电流频率对电阻率测量值的影响，对不同条件下压实黄土的电阻率变化进行了一系列室内试验，研究了黄土的电阻率与其压实特性间相互关系。徐湘田等[17]针对冻土工程中地基冻土体受力形式复杂常处于变应力路径、反复加卸载作用问题，开展了冻结黄土静力条件下的三轴加卸载试验与单调加载对比试验，研究了2种应力路径下冻结黄土的变形和损伤特性。杨更社等[18]基于综合结构势和构度概念为理论基础，对不同含水率黄土进行了不同冻融循环次数的无侧限抗压试验研究，分析了冻融循环对结构性黄土构度指标的影响。

上述研究对于黄土强度及损伤特性的认识起到了积极的促进作用，但是对于冻融环境下的黄土强度损伤特性的研究较少。文中通过进行不同冻融循环次数的黄土无侧限单轴抗压试验，探讨低温环境下黄土的强度损伤规律。

1　试样制备及试验方法

1.1工程背景

文中依托山西平阳高速公路阳曲一号黄土公路隧道为工程背景，该隧道地处季节性冻土区，昼夜温差大。隧道为单洞三车道，单洞开挖面积160 m2，跨度17 m，黄土围岩含水率为14.42%～29.10%，由于含水率高且受冻融作用使隧时常出现塌方、掉拱等事故，含水率高且遇到融沉期将会导致土体强度大大减弱并且自稳性差。

1.2试件选取

原状土样的制备依照GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》，首先将原状土削样至φ39.1 mm*80 mm，测定原状土含水率，根据规范公式计算出所需加水量；将需加的水量滴至试样上表面，静置浸入后保鲜膜密封，置于密闭容器内至少24 h，使含水量均匀，然后进行土样制备，设计土样分别制成14%，18%，22%，26%含水率。通过物理试验测得原状土样物理力学性质指标，见表1.

表1　土样的物理力学指标

1.3试验方法

统计2000年至2015年期间阳曲地区冬季(12月、1月、2月)的月平均低温(图1)可知，阳曲地区12月、1月、2月的低温平均分别为-13.6 ℃，-15.3 ℃，-10.6 ℃，整个冬季的低温平均为-13.2 ℃，因此，选取冻结温度为-15 ℃，融化温度为15 ℃.

图1　阳曲地区冬季各月平均温度图Fig.1　Average temperature chart of Yangqu area in Winter

将制备好不同含水量的土样放置在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，分别得到1，3，5，10次冻融循环土样。取出试样后分别对其进行无侧限单轴抗压试验。

2　试验结果分析

2.1应力-应变曲线

通过无侧限单轴抗压试验得到4种不同含水率试样的应力-应变曲线(图2)。

图2　不同含水率黄土无侧限抗压强度Fig.2　Unconfined compressive strength of loess under different moisture contents

由图2可知，当含水率等于22%时，曲线变化较为平缓，应变较大，当应力达到峰值时，所对应的应变约为低含水率的2倍左右。当含水率高于22%时(含水率为26%)，试件处于应变硬化，轴向压缩而径向扩张(通常以应变达到15%来定义试样的破坏)；当含水率低于22%(含水率为14%和18%)时为应变软化，曲线呈凸形且有峰值，试样前期处于颗粒压密阶段，孔隙变小；之后曲线呈直线，土样处于弹性变形阶段，弹性模量在数值上等于该段直线的斜率；再后曲线呈波动上升，试样出现屈服，土样发生胀大，表面有微裂纹产生，继而出现曲线峰值，此峰值即为试样的无侧限单轴抗压强度值；最后呈下降趋势，试样裂纹迅速扩展，直至破坏，该曲线充分反映出试样的变形破坏过程。

2.2冻融循环与无侧限抗压强度的关系分析

根据试验所得各黄土试样的应力-应变曲线，取各曲线峰值作为试件的无侧限抗压强度值，得到不同含水率、不同冻融循环次数试件的无侧限抗压强度(图3)。

图3　黄土试件冻融循环次数与无侧限抗压强度的关系Fig.3　Relationship between freezing-thawing cycle number and the unconfined compressive strength of loss samples

根据图3数据，在含水率不变情况下，随着冻融循环次数的增加，试件无侧限抗压强度值不断减小，通过作试件冻融循环次数与无侧限抗压强度的关系曲线可见，在同一含水率下，一定冻融循环范围内试样无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低，且呈线性相关关系，可表示为

q=A·N+B(10≥N≥1).

(1)

式中q为试样的无侧限抗压强度值；N为冻融循环次数且10≥N≥1；A，B为拟合参数。

根据表2可知，冻融循环1次时，无侧限单轴抗压强度降低明显。随冻融循环次数的增加，无侧限单轴抗压强度持续降低。历经10次冻融循环后，不同含水率黄土强度出现了不同程度的损伤，14%，18%，22%和26%含水率的黄土强度损伤分别为32.63%，31.22%，30.67%和35.29%.当含水率低于天然含水率23.1%时，并且二者差值越大，受到冻融损伤后强度损失更大；当含水率高于天然含水率时，强度损伤会显著增大；处于天然含水率时，冻融作用后强度损伤最小。可见，冻融循环作用下，黄土含水率与天然含水量间的差值对于强度的变化有较大影响。

表2　不同含水率、不同冻融循环次数试样的无侧限抗压强度计算结果

2.3参数分析

拟合参数A表示线性拟合的减小速率，与试样含水率的关系曲线如图4所示。随着试样含水率的不断增加，参数A的增大速率呈二次函数增长规律，即试样含水率越大，其无侧限抗压强度随冻融循环次数增长的速率越大。究其原因在于冻融作用破坏了土体内部的原生结构，土体更加容易发生微膨胀，孔隙变大，颗粒联结能力减弱，导致黏聚力和咬合力变小，抵抗变形破坏的能力降低，从而降低了试样的无侧限抗压强度值。

图4　拟合参数A与试样含水率的关系曲线Fig.4　Curve of the relationship between the fitting parameter A and the water content of the sample

拟合参数B表示试样未冻状态下的无侧限抗压强度值，与含水率的关系曲线如图5所示。随冻融循环次数的增大，参数B的下降速度增大，试样无侧限抗压强度值随着含水率的增加而衰减，主要原因是由于试样含水率的增加致使孔隙水膜大量增加，水膜的润滑作用降低了试样土体的粘聚力和土颗粒之间的摩擦力，引起试样无侧限抗压强度的降低。

图5　拟合参数B与黄土试件含水率的关系曲线Fig.5　Curve of the relationship between the fitting parameter B and the water content of the sample

2.4公式验证

采用冻融循环次数为8次时的不同含水率阳曲黄土的试验数据对强度损伤拟合式进行验证。验证结果见表3.

q=(0.003 19w2-0.098 41w+0.329 52)×N-0.120 04w2+3.851 57w-15.896 29.

(2)

通过强度损伤拟合表达式计算的含水率为8%，14%，20%，26%，经过8次冻融循环后的无侧限单轴抗压强度的计算值与试验值基本吻合。说明强度损伤拟合表达式能够反映阳曲较高含水率黄土无侧限单轴抗压强度随冻融循环和含水率变化。对于冻融循环次数继续增大的情况下，还需要后续试验的数据验证。

3　冻融循环损伤特性分析

3.1抗压强度损伤

结构性黄土在外部因素如温度，水分和荷载作用下的结构损伤过程实质为黄土颗粒间原生结构的改变，并伴随土体变形扩展而产生新结构的变化过程，即结构损伤过程(图6)；在宏观上显现为黄土受到外荷载作用后，纵向产生压缩，横向扩展，土体出现微裂缝，变形至破坏的过程。

图6　黄土结构冻融损伤Fig.6　Freezing-thawing damage of loess structure

从细观层次上，外部因素作用下，黄土土体内的初始损伤不断扩展变化，新的结构强度不能补替原生结构强度的损失时，引起土体的结构性损伤，宏观力学响应表现为应变随应力的增大而急剧增大。因此，可以用结构性黄土的损伤程度来反映外荷作用下的原生结构损伤而失去的承载能力。根据损伤力学理论，定义冻融循环作用下黄土强度损伤因子m为

m=R1/R0.

(3)

式中R1为黄土冻融循环后无侧限单轴抗压强度；R0为黄土未冻融循环时无侧限单轴抗压强度。

表4　不同冻融循环次数的黄土强度损伤因子计算结果

基于广义最小二乘法得到无侧限单轴抗压强度损伤因子的拟合曲线方程，可表示为图7.分别为

图7　强度损伤因子随冻融循环次数的拟合曲线Fig.7　Fitting curve of intensity damage factor with freezing-thawing cycles number

w=14%:m=0.960 7e-0.003 959N,R2=0.998 8;

w=18%:m=0.961 2e-0.002 638N,R2=0.965 6;

w=22%:m=0.953 2e-0.003 042N,R2=0.983 6;

w=26%:m=0.865 6e-0.003 215N,R2=0.997 6.

根据强度损伤因子随冻融循环次数的拟合曲线(图7)，冻融循环作用对不同含水率的黄土无侧限单轴抗压强度损伤因子的影响规律基本相同，含水率为18%和22%的强度损伤因子略高于含水率为14%的，大幅高于26%的，究其原因在于含水量为26%的土样，超过天然含水率23.1%时，受冻胀力影响大，土体内部产生不可恢复的变形，因而对黄土原生结构产生的影响也大；而含水率14%的黄土，其孔隙水少量存在，在冻融作用下，产生于黄土微结构上的冻胀力不足以改变其原生结构；对于含水率18%和22%的土样，冻融作用下引起的作用力通过土中水，间接传递至黄土原生结构上，由于原生结构本身具有的抵抗外部作用力的能力，使得土样受到的结构损伤有所减小。

3.2弹性模量损伤

冻融循环作用下黄土在外荷载的变形过程实质上是原状黄土初始损伤受扰动的演化过程，也是土体原生结构强度逐渐丧失的过程，即结构的损伤过程，这种结构损伤与黄土的宏观力学性质之间具有紧密的关联。在无侧限单轴抗压过程中应力～应变曲线的切线斜率变化反映出黄土结构损伤的变化。因此，可用抗压变形过程中弹性模量E的变化描述冻融循环作用下黄土损伤演化的宏观力学行为，定义冻融损伤变量D为

D=1-E/E0.

(4)

式中E0为初始弹性模量；E为变形过程中的弹性模量；D为冻融损伤变量。

图8　冻融循环次数对弹性模量的影响Fig.8　Influence of freezing-thawing cycle number on the elastic modulus

弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，在细观上反映为土颗粒间键合强度。冻融循环次数对弹性模量的影响如图8所示，含水率为14%的黄土在冻融1次，弹性模量显著减小，随后降低速率减小；其余3种含水率黄土弹性模量变化规律相同。含水率为14%的黄土的损伤变量最大，随冻融次数的增大，损伤增长率最小51.35%；含水率为18%的黄土的损伤变量最小，随冻融次数的增大，损伤增长率达到最大166.23%；含水率为22%与26%的黄土位于中间，这与损伤因子反映的情况一致。黄土中孔隙水对于弹性变形可能起到缓冲作用，冻融作用造成不可恢复的损伤，从而导致黄土强度减小，且强度变化大小因含水率的不同而不同。通过不同含水率黄土在受到冻融影响后弹性模量的改变量来反应黄土强度的改变，能够直观准确地描述冻融循环作用下低温黄土损伤力学特性。

表5　冻融损伤变量

4　结　论

冻融循环是原状黄土的力学性能的重要影响因素，通过进行不同含水率和冻融循环次数下，原状黄土的无侧限抗压强度损伤试验研究，对原状黄土力学性能的损伤演化规律进行了探讨。

1)通过进行1，3，5，10次冻融循环原状黄土无侧限单轴抗压试验，得到抗压强度变化规律；

2)基于无侧限单轴抗压强度定义强度损伤因子，以及基于弹性模量定义冻融损伤变量，能够准确描述冻融循环作用下黄土损伤力学特性，反映出冻胀融化对土体细观结构的破坏程度、含水率对冻融损伤的影响幅度，为确定低温区黄土工程建设损伤变量最小时的含水率提供科学依据；

3)文中开展的冻融循环试验的最大冻融次数为10次，更多冻融循环作用下的黄土无侧限单轴抗压强度的试验研究以及相关公式的验证需进一步深入探讨。文中仅对不同含水率黄土受冻融循环作用后的单轴抗压强度变化进行了探讨，黄土的物理性质、干密度和水分迁移等其他因素及其耦合作用对其强度损伤影响还需进行系统深入研究。

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Experimental study on strength damage of undisturbed loess under freeze-thaw cycles condition

LIU Hui，YANG Geng-she，YE Wan-jun,WEI Yao，TIAN Jun-feng

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Affected by alternating temperature cycling because of day and night cycle and seasonal cycle，loess engineering at low temperature will inevitably undergo problem of damage.Freezing and thawing cycles produce irreversible change in primary structure of loess.Moreover，it causes deterioration of physical and mechanical properties of loess.Experiment of loess with high water content was carried out to study its mechanical properties.By analysis the process of gradual loss of primary structure and formation of secondary structure，discussion on the development of deformation is done under the combined effect of freeze-thaw cycles and loads.It is proposed that freeze-thaw damage can represented in number of freeze-thaw cycles，and damage variable can defined by modulus of elasticity to describe damage evolution of loess strength.The method proposed in this paper provides scientific basis for damage mechanism analysis of structure of loess under the action of freezing and thawing cycles.

loess；freeze-thaw cycles；damage；modulus of elasticity

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0505

1672-9315(2016)05-0633-07

2016-03-23责任编辑：李克永

国家自然科学基金(41272340, 41172262)；陕西省科技创新团队(2014KCT-30)；中国博士后科学基金面上资助项目(2013M532070)

刘慧(1981-)，女，山东微山县人，讲师，E-mail:woaiwojialiu@126.com

P 642.14

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