冻融循环对阳曲隧道黄土强度影响对比试验研究

余 翔， 杨更社， 叶万军， 田俊峰， 魏 尧

(西安科技大学建筑与土木工程学院， 陕西 西安 710054)



冻融循环对阳曲隧道黄土强度影响对比试验研究

余 翔， 杨更社， 叶万军， 田俊峰， 魏 尧

(西安科技大学建筑与土木工程学院， 陕西 西安 710054)

为了研究冻融环境对黄土强度的影响，以山西阳曲1号公路隧道不同含水量的黄土为研究对象，设计冻融循环次数和含水量变化的对比试验，通过进行冻融前后的直接剪切试验，获得含水量不同的黄土经过不同次数冻融循环后的强度变动规律。结果表明： 原状土样和重塑土样在含水量变大的过程中，抗剪强度与黏聚力均在减小，内摩擦角基本保持稳定，但原状土样的抗剪强度与黏聚力始终高于同含水量的重塑土样。在含水量较高的情况下进行冻融试验，发现黄土干密度变化非常明显，此现象表明影响黄土冻胀劣化的主要因素是含水率的大小，黄土中水分含量越大劣化征象越显著。

黄土； 阳曲隧道； 冻融循环； 劣化

0 引 言

黄土是第四纪形成的一种土状堆积物，构造性与强度特征有着紧密的关联。从构造方面讲，土颗粒间摆列规则和联接方法是确定黄土结构强度的关键要素； 从力学方面讲，则是黄土本身可以抵御毁坏而维持原有状态的能力。黄土结构强度是原生结构在天然情况下经过长期固结形成的，是自身特有的一种性质。在整个冻融循环过程中，水分发生2次转移，凝结过程水分会朝向冷源方向转移，融解过程水分会反向转移。而融化后的土体强度想要复原到冻结前的状况异常困难。

为此，非常有必要深入探究土体在受到冻融后强度的变化特性。胡再强等[1]通过无侧限压缩试验，获得非饱和土与原状土的结构强度和含水量曲线关系； 王朝阳[2]以重塑非饱和黄土为研究对象，通过进行直接剪切试验和CT扫描对其结构强度和抗剪强度特性进行了研究； 谢星等[3]以Q2和Q3黄土为研究对象，将这2种土的CU剪切应力-应变曲线进行分析比较，创立了有关Q2黄土统计损伤本构模型； 李保雄等[4]主要探讨沉积年代与含水量差异的黄土剪切强度以及应力-应变特点与水敏感特性； 张茂花[5]对Q3黄土进行增、减湿后的单轴抗压强度试验，解释了增、减湿对Q3黄土的影响；宋春霞等[6-7]以为干密度的变化会致使弱化和强化作用也不同，冻融循环会对前期固结压力也存在干扰； 邵升俊等[8]发现了构造性与强度特征的内在关联，同时在黄土隧道力学特性分析中引入抗剪强度与土体结构性变化关系； 毕贵权[9]研究了在开放补水条件下，冻融循环对土样物理力学性质的劣化作用； 董晓宏等[10]对含水量不同的重塑黄土进行长阶段数次冻融循环并进行一系列直接剪切试验，依据实验结果推算出将冻融循环作用考虑在内的一种强度损耗模型； 叶万军等[11-12]深入研究了土样在不同冻结速度条件下的直接剪切试验及细观结构CT扫描，探讨冻融循环作用致使黄土边坡脱落形成的机制与原因； 高建伟等[13]主要对山西河曲黄土进行无侧限抗压强度的试验，研究密度和含水率对抗压强度影响规律； 杨更社等[14]对山西阳曲黄土进行CT实时细观扫描，研究黄土的劣化特性与冻融循环次数的差异； 田俊峰等[15]对不同含水量黄土隧道进行多次冻融循环后的围岩变形规律进行研究。

可以看出，国内学者前期主要分析黄土压缩变形的机制，后期通过冻融循环次数与冻结速率试验对黄土压缩特性的研究取得一定进展，可是关于冻结次数、含水量为差异前提下原状与重塑黄土剪切特性的研究还不够。本文主要针对山西阳曲1号隧道的特点，通过增(减)湿后的不同含水量重塑黄土进行不同冻融循环次数下剪切特性试验。

1 试样制备及试验方法

1.1 工程背景

阳曲1号黄土隧道，位于山西省中部阳曲县与盂县接壤处，地处季节性冻土区，昼夜温差大。该地域多年平均温度为8.6 ℃，1月的平均温度为-10.9 ℃，最低温度为-29.2 ℃，11月至3月属于冻结期，最大冻土深度250 cm，近3年来冬季白天平均温度为4.6 ℃，夜间为-10.7 ℃，每天的温度形成一个冻融循环，有些部位含水量超过27%，再加上冻融极易引起灾害。隧道为单洞三车道，单洞开挖面积160 m2，跨度17 m，围岩黄土含水率最低为14%，最高达到29%。在2010年4月掌子面未施工情况下左线发生冒顶，查明是由于冒顶段隧道围岩含水率高达27%，并且碰到融沉期致使土体稳定性降低、强度削弱。该隧道为巩固高含水率黄土围岩的费用合计达到数百万元。

1.2 试样制备

试验中用的土样取自阳曲1号黄土公路隧道施工新开挖面。为了极力保持试样自然状态，完全依据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[16]制备试样。

试样自然含水率为23%，塑性指数为0.31，具备中可塑性，自然状态处于塑性状态。通过试验测定土样的物理指标及含水率，见表1和表2。

表1 土样物理力学指标

表2 含水率试验结果统计

为了测定黄土结构强度，须控制土样的含水量。将现场采集回来的土样分别制备成初始含水率不尽相同的原状土样和相同含水率且同干密度的重塑土样。严格依照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[16]制备试样。

原状土样的制备，使用水膜迁移方法制备成含水率不同的试样。首先将现场采回的土样使用酒精燃烧法测定原状土的含水率，计算需要加的水量，将其喷洒到试样外表面上，静置浸入后用保鲜膜包裹密封，然后置于密闭容器内至少24 h。重塑土样的制备，将黄土碾碎，过2 mm筛并测定风干后的含水率后进行配土试验。每组直接剪切试样制备成直径为39.1 mm，高度为20 mm的原状、重塑土样，分别设计14%、18%、22%和26% 4种含水率，见图1。

图1 直接剪切试样

1.3 试验设备

冻融试验设备采用的是RTP-175BU可程式高低温试验箱，见图2。

图2 RTP-175BU型高低温试验箱

均衡调温系统(BTC)，以P.I.D.(比例、积分、微分)模式管控SSR固态继电器，设备温度极限为-30～50 ℃，温度波动为±0.5 ℃，温度偏差为≤±1.0 ℃。

直接剪切试验设备使用的是ZJ型应变控制式直剪仪，在3个不同垂直压力下，施加剪切应力进行剪切。设备最大垂直荷载为400 kPa，水平最大剪切力为1.2 kN。

1.4 试验方法

将制备好的土样放置在RTP-175BU可程式高低温试验箱中，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。重复数次可得1、3、5、10次冻融循环土样。取出试件后分别进行含水率为14%、18%、22%和26%这4组原状试样和重塑试样的不排水直接剪切试验。

为了研究在不同含水率前提下原状黄土与重塑黄土的抗剪强度特性，获得不同含水率强度指标c、φ的变化规律，不排水剪切试验历时3～5 min，试样在3个级别压力(100、200、400 kPa)下的抗剪强度通常取最大的峰值强度。

2 黄土结构强度测定及分析

真凝聚力、摩擦强度和表观凝聚力构成黄土强度的主要部分，各部分对黄土强度的影响都具有十分重要的意义。真凝聚力是黄土结构、抗压、抗剪和抗拉强度的主要组成部分，属于黄土原生结构中自身特有属性，与外界环境无关； 摩擦强度是黄土抗剪强度的重要组成部分，外力作用产生正压力，土颗粒相互间发生滑移，导致在接触面上产生摩擦，大小为土体受到有效正应力和摩擦系数之积，该项指标反应土体的内摩擦角； 表观凝聚力是黄土由于负孔隙水压力所产生的一种附加摩擦强度。

2.1 黄土结构强度的测定

4组含水率差别试样的黏聚力c与内摩擦角φ的数值见表3。

表3 直接剪切试验结果

2.2 黄土结构强度的变化规律分析

以含水量为14%的试件，取竖向压力为400 kPa的原状黄土与重塑黄土的应力应变曲线为例分析，见图3。

图3 原状/重塑黄土应力-应变关系图

Fig. 3 Relationships between stresses and strains intact and remolded loess samples

由图3可知，原状黄土的应力-应变曲线有较为显著的应力峰值，强度达到最大后开始出现变形。由于在制备重塑黄土试样时结构性已经被人为破坏，所以没有体现出明显的峰值，反而曲线表现为应力增大应变也随之增大。原状黄土所对应的应力-应变曲线突显了原生结构性的影响，弹性阶段中曲线呈直线增长，应力的增大速度远远高于应变，说明结构内部的真凝聚力起主要作用。当应力达到峰值之前，原状黄土结构体内的土颗粒间作用力达到最大，土颗粒间开始出现相对滑动； 达到应力峰值之后，黄土原生结构的强度无法抵抗剪切应力，颗粒间相对错动凝聚力消失，导致土体结构破坏； 随后黄土摩擦强度发挥作用，在曲线上表现为应变增大应力微小增加。当土颗粒瓦解后造成土体本身构造毁坏，将会引起结构的大变形，最终破坏。

图3中的应力差值曲线即为原状黄土与重塑黄土的应力差随应变量变化的关系，称为结构强度曲线，直观地反映结构强度在应力与应变关系中的发展过程。在应变的坐标轴上，结构强度变化曲线被分为2个阶段，拐点即为原状黄土曲线峰值点。在拐点以前，应力差随应变的增加而急剧增长，体现出黄土的结构强度； 在拐点之后，应力差随应变的增加而降低，当应力增大至变形量的15%时，黄土的原生结构发生了不可恢复的破坏，此拐点就是黄土原生结构发生破坏的起点。

3 冻融循环对黄土强度的影响

在季节性冻土地区，冻胀力会破坏黄土原生结构粒间胶结物质产生的联结强度。土颗粒间的接触特性和数目直接影响黄土力学特性，即为黄土的抗剪强度。将不稳固凝聚力对抗剪强度的影响理解为非饱和黄土的构造强度。

τf=c′+σtan φ′+λqs。

式中： c′为有效黏聚力； σ为直接剪切压应力； φ′为有效内摩擦角； qs为结构强度； λ是与土构造有关的一个参数，体现结构强度关于不稳固凝聚力的影响，通常取λ≥1.0。

非饱和黄土的不稳定凝聚力，定义为

τf=c′-c。

式中： c为总黏聚力，它与含水量的大小有关。

图4显现出非饱和黄土的结构强度会因为含水率的增大而连续降低，随着冻融循环次数增长，结构强度与不稳定凝聚力类似重合，与总黏聚力差值缩小。当含水率由14%增加到22%时，不稳定凝聚力、总凝聚力和结构强度都随冻融循环次数的增大而出现相同的变化趋势。

(a)冻融循环1次与qs、c、τs的关系

(b)冻融循环3次与qs、c、τs的关系

(c)冻融循环5次与qs、c、τs的关系

(d)冻融循环10次与qs、c、τs的关系

Fig. 4 Relationships between freezing-thawing cycles and qs，c and τs

图5表现为阳曲黄土的结构强度会因为含水率和冻融次数的增加而持续降低，并且黄土处于低含水率时的下降速率高于高含水率时的下降速度。在含水量较低的情况下，非饱和黄土中的水分子在土体原生结构内分布不平均，水分子绝大部分存在于细小颗粒孔隙当中，细微的含水量变化将对结构强度有着显著的影响。在第1次冻融循环后，各含水率黄土的结构强度下降浮动均达到最大，在含水率为21.74%时达到最大的2.63 kPa。14%含水率下的黄土受到冻融循环影响反应较小，22%含水率影响最显著。试验结果显示，当该地区黄土处在天然含水率21.61%左右时，黄土结构强度随冻融循环影响浮动较大。

图5 不同冻融循环次数黄土强度与含水率关联图

Fig. 5 Relationships between loess strength and water content under different freezing-thawing cycles

4 结论与体会

1)重塑的非饱和黄土结构强度会因为含水率的增大而连续削弱，结构强度与不稳定凝聚力随着冻融循环次数的增长慢慢近似重合，与总黏聚力的差值逐渐缩小，结构强度呈现降落最后接近平稳。依据实验数据显示，在阳曲地区黄土在受到5次冻胀力对结构的破坏后，黄土自身结构性达到最大破坏，随后的冻融循环作用对黄土结构影响则较小。

2)不论原状土样或者重塑土样，在冻融次数相同而含水率不同时，含水率变大抗剪强度与黏聚力均在减小，内摩擦角基本不变； 但原状土样的抗剪强度与黏聚力始终高于同含水率的重塑土样。这表明原状土样具有明显的结构性。

3)含水率不尽相同的黄土土样在反复数次冻融作用下，土样外表面劣化破坏程度随冻融次数和含水率的增加变的越来越显著，含水率越高冻融次数越多，表面结构破坏越严重。阳曲地区黄土在经历过5次冻融循环后裂隙分叉、伸长和宽度明显增长，10次循环之后无明显变化。

4)黄土冻融问题是非常复杂的，目前研究还不够深入。本文只是在不同含水率黄土受冻融循环作用后的抗剪强度变化上进行了探讨，其中土的物理性质、干密度和水分迁移等其他因素作用对黄土强度的影响还需进一步深入研究。

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Study of Influence of Freezing-thawing Cycle on Loess Strength of Yangqu Loess Tunnel

YU Xiang, YANG Gengshe, YE Wanjun, TIAN Junfeng, WEI Yao

(College of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

The comparative tests are made on influence of freezing-thawing cycle and water content on loess strength of Yangqu Highway Tunnel No. 1 in Shanxi. The testing results show that: 1) The shear strength and cohesion of intact and remolded soil samples reduce with the water content increases; the internal friction angles of both samples remain stable; the shear strength and cohesion of intact soil samples are larger than those of remolded soil samples under same water content. 2) The obvious variation of dry density of loess under high water content and freezing-thawing test shows that the larger the water content is, the more significant the loess degradation is.

loess; Yangqu Tunnel; freezing-thawing cycle; degradation

2016-03-01;

2016-04-22

国家自然科学基金资助项目(41272340，41172262)； 教育部新世纪人才支持计划项目(NCET-12-1044)； 陕西省重点科技创新团队计划项目 (2014KCT-30)

余翔(1991—)，男，陕西西安人，西安科技大学建筑与土木工程工程专业在读硕士，研究方向为黄土冻融。E-mail: 450829961@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.011

U 45

A

1672-741X(2016)11-1356-05