冻结温度对冻融黄土力学特性的影响规律研究

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(西安科技大学 a.建筑与土木工程学院; b.陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，西安 710054 )

1 研究背景

我国黄土广泛分布在西北和华北地区，处于季节性冻土地区。季节性冻土地区的黄土构筑物在其施工及运营阶段，将会不可避免地经受冻融循环作用。冻融循环过程会强烈地改变土体的原生结构，导致黄土物理力学特性出现劣化。冻融作用是季节性冻土地区黄土构筑物工程性质劣化的重要原因之一。

土体的冻融循环是冻土物理学和实际工程建设中的一个重要研究方向，试验结果表明：土体的粒度组成、含水率、重度、强度和渗透等都会因为冻融循环作用而发生改变[1-4]。杨更社等[5-6]运用损伤力学的研究方法对冻融循环的土体进行了CT扫描，发现随冻融循环次数的增加，土体CT数减小而方差增大；历经15次冻融循环后，土体CT数呈现平缓现象；依据构度理念，提出了冻融循环状态后的原状-重塑黄土构度变化趋势，该趋势可能是由于黄土的结构性被冻融循环和土中水的综合作用破坏的结果。叶万军等[7]进行了洛川黄土的冻融循环试验，前几次循环引发土体体积增大、含水率产生较大变化，冻胀力的产生和消失对土体产生不可恢复的破坏，冻融循环周期达到10次以后，土体物理力学状态开始趋于稳定。田俊峰等[8]通过压缩试验发现冻融循环会使土体的干密度、空隙比和体积均增加，压缩系数变化值与冻融循环次数、含水率呈正相关。宋春霞等[9-10]对兰州黄土做了一系列的试验，发现其力学性质在经过一次冻融循环之后发生了明显的变化，冻融循环造成不同干重度黄土试样产生了强化和弱化的2种效果;试验对比分析了青藏黏土和兰州黄土在经受冻融循环后力学特性，得到冻融对青藏黏土的影响更大。王大雁等[11]研究了冻融循环条件中青藏黏土的物理力学特性的变化过程，得出土体由可变状态发生连续不间断的动态变化，最后趋向一个不变的变化过程中，反而数次的冻融循环作用致使土体的构造性和稳定特征产生了改变，将土体连续不间断朝向新的动态平衡稳定状态转变总结概括为冻融循环作用。刘丽萍[12]通过物理力学试验对重塑土和人工结构性的黄土进行研究，得出黄土的初始干密度会对其特征有很大的影响。杨俊等[13]研究了风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系。当掺砂比例为10%时,风化砂改良膨胀土试样的无侧限抗压强度最大，在同一掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增大而减小,其降低的幅度随冻融循环次数的增大也呈减小的趋势。蒋先刚[14]从含水率、围压、水泥含量、温度等多方面的变化因素出发，分析总结了黄土力学特性变化规律。陈有亮等[15]在恒定应力不同加载速率下试验研究了冻土的无侧限单轴抗压强度，由此得到了不同冻结温度、不同加载速率下冻土的应力-应变曲线。发现应变增长的速率导致无侧限单轴抗压强度以幂函数增大；冻结温度的降低导致无侧限单轴抗压强度出现线性增大。

以上研究主要针对冻融后的试样，开展了含水率、干密度及强度等物理力学指标测试，并分析了土体冻融后的力学变化规律与微观结构的相关性。试验过程中含水率主要以天然含水率进行控制，冻结温度往往设定为常量。本文将冻结温度设定为5种工况(0，-5，-10，-15，-20 ℃)，分别测试了不同冻结温度时土样的无侧限抗压强度、抗剪强度及压缩性等指标，分析了冻结温度对冻融黄土力学性质的影响规律。

2 试验简介

2.1 工程概况

本文以山西平阳高速公路阳曲一号黄土公路隧道为工程背景，隧道地处季节性冻土区，昼夜温差大。统计2000—2015年期间阳曲地区冬季(12月、1月、2月)的月平均低温分别为-13.6，-15.3，-10.6 ℃，整个冬季的低温平均值为-13.2 ℃。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，隧道时常出现塌方、掉拱等事故，遇到融沉期土体强度大大减弱并且自稳性差。试验所用土样的物理性质指标见表1。

表1 土的物理性质指标Table 1 Physical properties of soil

2.2 试验设计

依照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)的方法进行土样的制备。阳曲地区黄土天然含水率为21.54%，试验得到最优含水率为18%，基准天然含水率为22%，差值定为4%以增加试验的差异性，从而将设计土样制成14%，18%，22%，26%的含水率。试样在最优含水率下对应的最大干密度为1.5 g/cm3，确保试样的干密度相同、含水率不同，以防止双变量的产生而引发较大误差。

使用水膜转移法改变现场取回的土样的含水率，根据理论计算所配水量的多少，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容器里养护数天，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。

将不同含水率的土样放置在RTP-175BU可编程式高低温试验箱，设置冻结温度为0，-5，-10，-15，-20 ℃，冻结时间为12 h，随后在15 ℃下融化12 h，然后进行无侧限抗压强度、抗剪强度及压缩性力学试验(图1)。

图1 黄土试样Fig.1 Loess samples

3 试验结果分析

3.1 冻结温度对无侧限抗压强度的影响

在无侧限单轴试验条件下，对4种含水率(w)黄土试样进行不同温度下低温冻结试验，通过相应的含水率冻融样的力学特性对比来研究冻结温度对黄土力学性质的影响。

图2为不同含水率试样在经历不同冻结温度的冻融循环后，无侧限单轴抗压条件下的应力-应变曲线。

图2 不同含水率试样无侧限单轴抗压条件下的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of loess samples of different moisture contents under unconfined uniaxial compression

由图2可见：

(1)随着冻结温度的降低，不同含水率黄土的无侧限抗压强度均减小，主要因为黄土内部颗粒结构的联接强度受到低温影响从而发生弱化。冻结温度越低，未冻水转化成冰的比例就会越多，冰晶体体积的增大，将会直接挤压土颗粒骨架，破坏效果相应的越大，损伤值也就越大，导致强度下降明显。

(2)14%和18%含水率的黄土应力峰值出现在应变为1.5%～2%处，22%含水率土样的应力峰值所对应的应变处于2%～4%，即应力峰值出现得更晚；而26%含水率的土样，黄土一直处于压密阶段，未出现应力峰值，不同冻结温度下的5条曲线接近重合，冻结温度对该含水率土样的影响较小。

(3)受到不同冻结温度的影响，黄土试样的无侧限单轴强度峰值下降差值区别较大。14%含水率的试样在0 ℃下降至-20 ℃时，温度每下降5 ℃，相邻低温应力差值为(3±0.5) kPa；18%和22%含水率试样对应的应力差值分别为(2±0.5) kPa、(1±0.5)kPa；26%含水率试样表现出明显的应力软化，无明显的应力峰值。

冻结温度与无侧限抗压强度的关系见图3。

图3 冻结温度与无侧限抗压强度的关系Fig.3 Relationship between freezing temperature and unconfined compressive strength

由图3可见:14%,18%和22%含水率试样在冻结温度由0 ℃降低至-20 ℃时，无侧限抗压强度呈现出线性降低的趋势,且下降幅度大致相同；而含水率为26%的试样强度基本无变化。

3.2 冻结温度对抗剪强度的影响

针对不同冻结温度下冻融土样开展直剪试验，直剪试验历时3～5 min，法向压力σ分别为100, 200, 400 kPa。试样在3级压力下的抗剪强度τ一般取应力峰值强度或者应变在15%时所对应的应力大小。试样抗剪强度试验曲线见图4。

图4 不同含水率试样直剪试验结果Fig.4 Results of direct shear test on loess samples of different moisture contents

图5给出了抗剪强度指标与冻结温度及土样含水率的关系。

图5 抗剪强度指标与冻结温度及土样含水率的关系Fig.5 Relationship of shear strength indexes versus freezing temperature and moisture content of sample

由图5(a)和图5(c)可见，在冻结温度降低过程中，不同含水率的黄土黏聚力总体上表现出下降趋势。14%含水率的试样在0 ℃冻结融化后的黏聚力为54.10 kPa，在温度降至-20 ℃时冻结融化后黏聚力下降至46.40 kPa，下降值为7.7 kPa；含水率为18%，22%，26%的黄土从冻结温度0 ℃降至-20 ℃时，黏聚力分别下降16.04，4.92，9.33 kPa。分析原因主要是低温冻结黄土试样后，土体颗粒间的水转化成固态冰，冰的存在影响了颗粒内部的联接力。初始含水率越大，相应形成的固态冰也就会越多，毁坏程度也越大，进行土体直剪试验时，表现为黏聚力快速下降。

土样内摩擦角随着冻结温度的变化趋势见图5(b)。14%含水率的土样0 ℃冻结后内摩擦角为11.711°，-5 ℃冻结后内摩擦角减小至10.934°，-10 ℃冻结后内摩擦角增加至11.072°，-15 ℃冻结后内摩擦角增加至11.128°，-20 ℃冻结后内摩擦角减小至11.100°；18%含水率的土样0 ℃冻结后内摩擦角增加2.176°，-5 ℃冻结后内摩擦角减小0.016°，-10 ℃冻结后内摩擦角增加1.212°，-15 ℃冻结后内摩擦角增加0.09°，-20 ℃冻结后内摩擦角减小0.847°；22%含水率的土样经冻融后内摩擦角增量分别为2.052°,1.266°,1.561°，0.834°，0.401°；26%含水率的土样经冻融后内摩擦角增量分别为2.862°，1.396°，0.545°，-0.97°，-0.503°。不同含水率黄土随着冻结温度降低，每降低5 ℃，内摩擦角变化值开始表现为减小趋势，且随着含水率的增加，变化值变得有正变负，变化范围为0°～2°。

试验结果表明：由于含水率较低的土样中土颗粒吸湿作用有限，在土颗粒外为薄膜水和结构中主要是毛细水的情况下，冻融循环对土颗粒结构的破坏作用有限；随着含水率的提高，土颗粒之间的自由水量增加，在冻结过程中形成的冰晶体较大，体积膨胀明显，土的结构不足以限制其变形从而导致土中结构被破坏，颗粒重新排布，这个过程中对土颗粒之间的胶结性破坏严重，导致黏聚力下降。

3.3 冻结温度对压缩性能的影响

不同冻结温度冻融后对试样开展压缩试验，固结压缩试验中采用垂直荷载分别为50，100，200，300 kPa。依据规范要求在指定时间记录压缩变形值，随后通过压缩理论计算公式得到压缩曲线,见图6。

图6 不同含水率试样压缩试验曲线Fig.6 Curves of compression test on samples of different moisture contents

由图6可见，各含水率土样在5种冻结温度下，在垂直压力逐级增大的情况下，孔隙比均逐渐下降。在垂直压力为50 ～300 kPa时，含水率为14%的黄土，随冻结温度降低，孔隙比下降率由4.91%增加至9.2%；含水率为18%的黄土，孔隙比下降由7.24%增加至9.4%；含水率为22%的黄土，孔隙比下降率基本持平在8%至10%之间；含水率为26%的黄土，孔隙比下降基本持平在14%至15%之间。由此可以看出，处于低含水率(14%,18%)时，毛细水及自由水含量低，由于水形成冰冻胀量较小及良好的土体结构对冻胀的束缚，土样孔隙比虽随冻结温度的下降而有所下降，但变化量相对不大。随着含水率增大(22%,26%)，毛细水和自由水含量的增多直接影响水变为冰的膨胀量相应增多，对土颗粒连结的损坏效果增大，因此在垂直荷载增大的过程中,土样孔隙比随冻结温度的下降而降低的幅度就有所增加。冻结温度的不同，改变了土体团聚体的大小和稳定性。温度越低，土体颗粒间的冰晶体破坏了粒间的胶结，团聚体遭受到的破坏能力就越强。冻融周期作用有效地将土体中大团聚体破坏，形成大量的小团聚体，从而导致黄土颗粒孔隙增多。

根据压缩曲线计算出试样的压缩系数，并建立压缩系数与冻结温度、含水率之间的关系曲线，如图7所示。

图7 压缩系数与冻结温度、含水率的关系Fig.7 Relationship of compression coefficient versus freezing temperature and moisture content

不同冻结温度下，黄土的压缩系数呈现出不规律性,随着冻结温度的降低，压缩系数时增时减。图7(a)为压应力范围在0～300 kPa下压缩系数随冻结温度的变化曲线。由图7(a)可以看出：压缩系数的变化呈现波浪性的增大或者减小，可能是由于较小冻结温度差作用的影响。

通过图7(b)对比4种含水率土样的压缩变形系数可见：含水率14%的土样，在-15～0 ℃时压缩系数变化浮动不大，但在-20 ℃时压缩系数有了约1.5倍的增长，究其原因可能是低含水率黄土在-15～0 ℃时下存在较多的不能冻结的孔隙水和薄膜水，对压缩系数影响较小，而当温度下降到某一极值(如-20 ℃)后，水分的冻结产生了较大的影响；含水率18%的土样，在冻结温度下降的过程中，压缩系数较均匀地增大；含水率22%的土样，在冻结温度下降的过程中，压缩系数较均匀地下降，但相比18%的土样，相邻冻结温度下压缩系数的差值比含水率18%的土样大；含水率26%的土样，在冻结温度下降的过程中，出现了变化浮动多集中在±0.05 MPa-1之间的现象，高含水率中影响较多的是土中自由水的因素，尚未影响土颗粒间的薄膜水，所以高含水率对黄土的压缩系数影响较小。

4 结论与展望

(1)高含水率黄土历经不同冻结温度后，不同含水率黄土试件的无侧限单轴抗压强度均减小，温度越低，未冻水转化为冰的比例越大，挤压土颗粒骨架就越紧密，土的结构破坏得越大，其损伤值就越大，导致黄土融化后强度下降就越快；但试验发现含水率高过某一临界值时，冻结温度的改变将不会对黄土试件的无侧限抗压强度造成较大影响。

(2)不同含水率的土样黏聚力都呈现出随负温的降低而略微下降，同样在含水率达到某一值后，黏聚力值的改变也变得微小；黄土试件的内摩擦角变化呈现先减小后增加，变化量约为0°～2°。

(3)14%和26%的含水率黄土的压缩系数在-20 ℃冻结后的增幅都出现0.1 MPa-1以上的增长，其余低温情况下变化幅度比较微弱，表明在不大的冻结温度变幅对压缩系数影响较小；而18%和22%含水率黄土的压缩系数会随着冻结温度的下降呈现出较均匀的波动变化，压缩系数在相邻负温情况下(即温差为5 ℃)的波动值不超过±0.1 MPa-1。

试验设定的冻结温度较固定，未进行多种温度梯度下的冻融试验，继而未分析冷冻状态下黄土强度；只在宏观上对冻融循环下黄土强度变化进行了试验总结性分析，而针对黄土内部结构的冻融前后微观上的变化还需要后续进一步研究分析。