冻融作用下黄土的压缩特性研究

2018-05-25占世源杨瑞雪仇楠胡月

建筑与装饰 2018年6期

占世源杨瑞雪仇楠胡月

宁夏大学土木与水利工程学院宁夏银川 750021

引言

黄土在我国具有广泛的分布，其主要集中在西北、华北地区，该地区大部分均处于季节性冻土区。当在季冻区进行黄土工程活动时，必须考虑冻融循环对黄土压缩性的影响。有研究表明，冻融作用会破坏黄土颗粒间的胶结作用，使土颗粒间发生相对位移。从宏观上看，土体就发生了压缩变形。

目前，对于季冻区黄土压缩特性的研究方面也取得了一些进展。周志军等通过试验可得，冻融循环后黄土压缩性较未冻结土样强，且随着冻结速度的增大，土样的压缩模量增大。冻结温度越低，冻融后压缩性越大，融化温度对压缩性基本无影响[1]。郑林春对黄土的地质时代、成因、微结构、成分及其他影响因素进行剖析，得出了不同黄土具有不同压缩变形特性的结论[2]。本文主要针对季冻区黄土施工建设中遇到的黄土工程问题，通过研究冻融过程中冻结温度、土样含水率、冻融循环次数等因素对黄土压缩性的影响，为冻融导致的季冻区黄土岸坡工程的冻害问题提出可行性的建议。

1 冻融黄土压缩特性主要影响因素及其研究进展

1.1 冻结温度

为了研究冻融作用下黄土的压缩变形参数，现有研究均主要考虑压缩系数与冻结温度的关系。例如王瀚[3]对不同温度下原状黄土的固结压缩实验，实验控制土样含水率为25%，冻结温度分别控制为-5℃、-10℃、-10℃，不同冻结温度下的压缩系数分别0.35MPa-1、0.39MPa-1、0.42MPa-1，通过实验数据我们不难看出，不同含水率的试件其压缩系数随着冻融温度降低均存在增大的趋势。

根据王瀚等人的研究我们可以得到黄土的冻结温度降低会导致其压缩系数增长，且压缩系数的增长速率与试件初始含水率存在正相关。韩雪[4]等人也得到类似结论，即黄土试样的压缩系数会随着冻融温度的降低而增大。与王瀚等人不同的是，韩雪等人从冻融前后黄土的孔隙变化角度来阐明冻结温度对黄土压缩性的影响，其研究表明随着冻结温度的降低，冻融后黄土的压缩系数大幅度增长的同时，孔隙比也快速的增长，这是因为冻结导致黄土内水分的体积膨胀，孔隙比增大最终导致黄土的渗透系数增大。

1.2 含水率

含水率对冻融后黄土的渗透性有着至关重要的影响，王瀚[3]等人的研究也发现，冻结温度、体密度相同的情况下，随着含水率的升高，黄土的压缩系数也会增大。潘鹏[5]等人利用取自宁夏同心的黄土进行实验研究，也得出了类似规律。其实验得到的压缩系数增量与土样含水率的关系曲线如图2。

根据实验结果可知，试样的含水率越大，压缩性越高。产生该现象的主要原因为冻融使土体中的水因融化被挤出，土体孔隙度减小，土体被压密，同时冻融也会导致土体中的矿物颗粒集合体膨胀孔隙度增加，而黄土冻融后孔隙度增加者占大多数，证明冻融过程中土体中矿物颗粒集合体的膨胀作用大于土体的压密作用，从另一方面来讲，即土体中的孔隙水对膨胀作用导致黄土孔隙度增加，最终导致黄土的压缩系数明显增大。

图2 压缩系数增量与土样含水率的关系曲线

1.3 冻融循环次数

师华强[6]等为研究冻融次数与黄土压缩性的相关关系，对土样进行10次冻融循环，测定每次冻融循环前后黄土的压缩特性，根据实验结果可知，总体上压缩系数随着冻融循环次数增加而增大，曲线在冻融循环5次前斜率最大,随后斜率减小，压缩系数与含水量和冻融循环次数均正相关，且此时压缩系数的增长速率较快，证明该阶段冻融循环次数对黄土的压缩性影响较大。5次冻融循环后，压缩系数增长速率较慢，这是因为随着冻融循环次数的增加，土体中颗粒的孔隙和尺寸达到相对平衡的原因。通过该实验可知，冻融循环次数会对黄土颗粒的孔隙比等性质产生不同的影响，最终导致黄土冻融前后的压缩性产生较大的差异。