基于湿载—冻—融耦合作用的黄土灵敏度特性研究

田俊峰 杨更社 叶万军 余翔 魏尧 刘慧

摘要：黄土的灵敏度是黄土结构特性的重要指标。为了研究湿载-冻-融耦合作用对黄土灵敏度特性的影响，取山西阳曲、陕西洛川、陕西宝鸡等地的黄土为研究时象，时经历不同湿载、冻结、融化过程的3种黄土的灵敏度变化规律进行研究。结果表明，湿载是黄土灵敏度变化的主要影响因素，冻融作用是黄土灵敏度的次要影响因素。塑限含水率时，黄土的灵敏度下降幅度最大；饱和含水率时，黄土的灵敏度达到最小值。3种黄土的灵敏度均与湿载-冻-融作用有着良好的函数关系。

关键词：湿载-冻-融作用；辐合；灵敏度；黄土结构

中图分类号：P642.13+1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.026

黄土受水和温度影响效果明显，在季节性冻土区，当土中水发生冻结、融化时，黄土结构特性的变化会引发基坑、边坡等工程事故的发生。其原因为：当含水率变化时，土中自由水含量变化，自由水会改变土颗粒的排列和联接作用；当受到冻结作用时，土颗粒之间的自由水会发生体积增大约9%的原位冻结和向冻结锋面的迁移运动；当受到融化作用时，土颗粒之间的自由水会发生融化和向冻结锋面的迁移运动；冻结和融化过程中土颗粒的排列和联接均会发生改变，从而黄土结构特性发生改变。

黄土的灵敏度为其原状与重塑后强度之比，湿载、冻、融作用均会对黄土的灵敏度产生影响。杨艳等川使用应力和应变灵敏度对西安黄土的结构性进行了定量化研究，认为应变灵敏度具有更大的优越性。杨更社等[2-3]研究了冻融循环对黄土结构性指标和压缩特性的影响，探讨了其结构性的变化。庞旭卿等[4]对不同初始含水率、不同低温及不同冻融循环次数对黄土力学性质影响的过程与机理进行了研究，基于极限平衡法建立了冻融循环作用下强度参数的损伤模型。胡再强等[5]进行了杨凌黄土在不同冻融环境下的静三轴试验，分析了冻融对黄土强度的影响。周泓[6]对经历不同冻融次数黄土的组成、结构、物理性质及长期强度进行了测试研究、分析，认为黏粒含量是决定冻土长期强度的关键因素。肖东辉等[7]通过研究印证了黄土的孔隙率随着冻融次数的增加先减小后增大最后趋于稳定的变化规律。连江波等[8]对封闭系统下不同初始条件的杨凌Q3黄土进行了冻融循环后的孔隙比和渗透系数的变化规律研究。王丽琴等[9]对黄土的构度指标与含水量之间的定量关系进行了研究，得到了黄土干构度与物理指标定量关系的经验公式。叱干晓敏[10]对含水率变化与黄土边坡安全系数的关系进行了研究，认为随着含水率的增大，安全系数变化速率呈现减小的趋势，降雨作用对初始含水率小的边坡稳定性影响显著。王铁行等[11]认为当非饱和原状黄土含水率过小时冻融作用对黄土的黏聚力值基本上无影响，当含水率较大时，随着冻结温度降低和冻融循环次数增加，黏聚力值变化幅度较大。胡再强等[12]分析了不同类洛川黄土的結构特性，认为洛川黄土的结构特性随取土深度的减小呈减弱的趋势。田勘良等[13]通过对黄土结构性、力学特性的研究，提出黄土压密强度、摩擦结构强度、联结结构强度的概念。程小勇等[14]对河南安阳Q2黄土采用人工改变含水率、不同龄期的相关实验，认为原状和重塑状态的黄土对水具有较强的敏感性。

上述文献对黄土灵敏度的分析主要集中在含水率变化对灵敏度特征指标的影响研究，以及冻融特性对黄土强度特征指标的影响研究，基于湿载-冻-融耦合作用的黄土灵敏度的研究尚处于起步阶段。本文对山西阳曲、陕西洛川、陕西宝鸡3个地区黄土进行不同工况下的无侧限抗压强度试验，分析湿载-冻-融耦合作用对3个地区黄土灵敏度的影响。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样选取及配备

试样取自3个地区，分别为山西阳曲1号隧道掌子面Q3黄土、陕西洛川黑木沟Q3黄土、陕西宝鸡渭滨区马营镇凉泉村Q3黄土。由试验可知，取样阳曲黄土的液限为33.5%、塑限为18.0%、饱和含水率为35.3%，取样洛川黄土的液限为33.3%、塑限为22.1%、饱和含水率为35.8%，取样宝鸡黄土的液限为34.7%、塑限为20.1%、饱和含水率为35.7%。

根据3种黄土的物理特性，分别配备含水率为8%、14%、18%、20%、22%、26%和35%的原状和重塑土样进行试验。

1.2 试验设备

冻融循环试验采用西安科技大学建筑与土木工程学院的RTP-175BU可程序控制高低温实验箱，生产厂家为东莞市环瑞环境测试设备厂。无侧限抗压强度试验采用西安科技大学建筑与土木工程学院的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪，生产厂家为南京土壤仪器厂有限公司。

1.3 试验步骤

试验冻结温度选择-15℃，冻结时间取12h，融化温度选择15℃，融化时间取12h，每24h为一次冻融循环，利用高低温实验箱对不同含水状态的原状和重塑黄土分别进行1、3、5、10、20、30次冻融循环试验，对不同冻融状态的土样进行无侧限抗压强度试验，对其灵敏度变化规律进行分析计算。

2 湿载作用下强度与灵敏度规律研究

对不同湿载状态的阳曲、洛川、宝鸡黄土的原状土样强度、重塑土样强度和灵敏度变化情况进行分析统计（见图1、图2）。

由图1、图2可知：

（1）3种黄土中，洛川黄土的原状和重塑土样的强度最高，其次为宝鸡黄土，最低的为阳曲黄土。同一种黄土，原状黄土的强度均高于重塑黄土的。

（2）随着含水率的增大，即随着湿载强度的增大，3种黄土的原状土样强度和重塑土样强度均呈降低的趋势，但同一黄土原状土样强度始终大于重塑土样强度。

（3）3种黄土中，在湿载增加的情况下，灵敏度由高到低分别为阳曲黄土、洛川黄土和宝鸡黄土。随着湿载的增加，3种黄土的灵敏度均呈降低的趋势，但3种黄土灵敏度值之间大小关系未发生变化，且其灵敏度值均高于1。

（4）阳曲黄土含水率为8%时的灵敏度值为3.45，属于中灵敏度黄土，表明阳曲黄土在含水率为8%时有着较强的结构性。随着含水率的增大直至饱和，其灵敏度值逐渐减小为3.15、2.90、2.30、2.25、2.18、1.71，表明随着湿载的增加，阳曲黄土的灵敏度降低，当黄土饱和时，黄土转换为低灵敏度黄土，结构性减弱。

（5）洛川黄土含水率为8%时的灵敏度值为1.42，属于低灵敏度黄土，随着含水率的增大直至饱和，其灵敏度值逐渐减小为1.38、1.32、1.23、1.21、1.17、1.16，表现为结构性的减弱。

（6）宝鸡黄土含水率为8%时的灵敏度值为1.30，属于低灵敏度黄土，随着含水率增大至饱和，其灵敏度逐渐减小为1.25、1.24、1.22、1.17、1.14，与阳曲、洛川黄土规律一致。

（7）阳曲黄土、洛川黄土、宝鸡黄土灵敏度下降的最大幅度均出现在塑限含水率处，分别为30.0%、9.6%、7.0%。分析其原因：黄土的灵敏度由原状土和重塑土的无侧限抗压强度值决定，湿载作用对3种黄土的无侧限抗压强度均有着较大的影响，但经过重塑过程的影响，湿载对原状黄土的损伤大于对重塑黄土的损伤，表现为湿载对原状黄土的无侧限抗压强度值降低幅度较大，原状土和重塑土的无侧限抗压强度比值呈现减小的趋势，即随着含水率的增大、湿载作用的增强，黄土的灵敏度减小。

3湿载一冻一融耦合作用下灵敏度变化规律

当冻融作用发生时，土颗粒之间的联接和排列会因为土中自由水的媒介作用发生破坏，且其原状和重塑土样抵抗冻融作用损伤破坏的能力不同，表现为其灵敏度的变化。对3种黄土进行冻融后测定其灵敏度，分析冻融循环对黄土灵敏度的影响规律，见图3～图5。

考虑塑限对黄土灵敏度的影响，引入含水率差的概念。定义实际含水率与塑限含水率的差值为含水率差，用Δw表示。即

△w=w-wp（1）式中：w為实际黄土含水率；wp为塑限含水率。

由图3～图5可知：

（1）随着冻融循环次数的增加，不同含水率状态下，3种黄土灵敏度均呈现降低的趋势，冻融循环前10次灵敏度降低幅度较大，冻融20次后，灵敏度降低的幅度减小。

（2）阳曲黄土在含水率为8%时，冻融30次后，灵敏度从3.45降低至3.12，降低总幅度为9.5%。当含水率为14%时，冻融作用下灵敏度降低的幅度为16.5%。当含水率为18%、20%、22%、26%、35%时，冻融作用下灵敏度降低的幅度分别为19.7%、21.7%、22.8%、37.9%。当含水率为20%时，冻融30次后，黄土由中灵敏度转换为低灵敏度。当含水率为22%时，黄土冻融20次后即由中灵敏度转换为低灵敏度。当含水率为26%时，黄土冻融5次后即由中灵敏度转换为低灵敏度。因此随着含水率的增大，冻融作用对灵敏度的影响作用增强。

（3）对于洛川黄土，当含水率为8%、14%、18%、20%、22%、26%、35%时，其经历冻融30次后的灵敏度降低幅度分别为15.1%、15.8%、14.1%、9.0%、11.7%、8.9%、12.9%。对于宝鸡黄土，当含水率为8%、14%、18%、20%、22%、26%、35%时，其经历冻融30次后的灵敏度降低幅度分别为7.8%、8.9%、9.5%、14.3%、13.7%、14.3%、13.5%。因此，3种黄土在不同含水率状态下，经历冻融循环后，灵敏度均有较大幅度的降低。

（4）3种黄土在塑限含水率时，即含水率差为0时，其灵敏度降低值均达到最大。阳曲黄土经历1、3、5、10、20、30次冻融循环时，其塑限含水率灵敏度值降低幅度分别为32.6%、34.9%、36.3%、35.8%、33.8%、36.5%，其余含水率时灵敏度降低幅度平均值为13.6%。洛川黄土经历1、3、5、10、20，30次冻融循环时，其塑限含水率灵敏度值降低幅度分别为7.9%、8.0%、10.0%，8.7%、2.6%、4.2%，其余含水率时灵敏度降低幅度平均值为2.5%。宝鸡黄土经历1、3、5、10、20、30次冻融循环时，其塑限含水率灵敏度值降低幅度分别为6.1%、7.8%、11.4%、12.5%、11.2%、11.8%，其余含水率时灵敏度降低幅度平均值为1.3%。因此，当处于塑限含水率时，3种黄土的灵敏度降低幅度均远大于其余含水率时灵敏度的降低值。

分析其原因：

（1）当冻融循环作用发生时，冻融作用以土颗粒之间的自由水为媒介，冻结时土中水约9%的体积膨胀，膨胀作用使得土中水和土颗粒之间产生作用力，即冻胀力。当土颗粒之间的联接键不足以抵抗冻胀力而发生破坏时，即发生了冻胀破坏。当温度升高时，土中水融化，土颗粒由于联接键发生破坏而发生相对位移，宏观上表现为沉降，我们称其为融沉。当融沉发生时，土中自由水体积恢复，但土颗粒之间的联接键无法恢复，从而使得经历冻融循环后，黄土的无侧限抗压强度呈现降低的趋势。

（2）当黄土的含水率增大时，意味着参加冻融作用的自由水在增加，即冻结发生时，体积膨胀作用更加剧烈，对土颗粒联接作用的破坏更加明显，即对黄土无侧限抗压强度值的降低作用更加明显。

（3）重塑黄土相对于原状黄土，经历过颗粒间联接和排列的重组过程，对于其固有的强度有先期损伤作用，即重塑土的无侧限抗压强度均低于原状土的无侧限抗压强度，表现为3种黄土的灵敏度始终大于1。

（4）因重塑黄土在重塑过程中土颗粒的联接已部分受损，故对于含水率相同的原状和重塑黄土，冻融作用对原状黄土的损伤作用大于对重塑黄土的损伤作用，表现为经过冻融循环作用后黄土的灵敏度降低。

（5）当含水率增大和冻融循环次数增加共同发生时，原状和重塑黄土的无侧限抗压强度降低比单一因素作用时更为强烈，表明湿载-冻-融耦合作用对黄土的强度和灵敏度均有较大影响。

（6）塑限是黄土可塑和不可塑状态的临界含水率，达到塑限含水率时，土体的结构特性有着较为明显的变化，表现为土体原状强度降低幅度远远大于重塑土体强度降低幅度。

4 湿载-冻-融耦合作用关系研究

对经历不同冻融次数的阳曲、洛川、宝鸡黄土灵敏度与含水率差的关系进行研究，得知经历不同冻融次数的3种黄土的灵敏度均与含水率差有着较好的幂指数关系，令

St=aebΔw（2）式中：St为黄土的灵敏度；a为不均匀系数；b为不均匀校正系数。

（1）对阳曲黄土的分析。对a、b与冻融循环次数N的关系进行拟合，可得a与冻融循环次数N呈良好的幂指数关系，b可以取常数，其值为平均值。其关系为

a=2.5162e-0.008N（R2=0.9317）（3）

b=-0.034（4）

整理可知，阳曲黄土灵敏度与含水率差、冻融次数的关系式为

St=2.5162e-0.008N·e·（-0.034）△w（5）

（2）对洛川黄土的分析。对a、b与冻融循环次数N的关系进行拟合，可得a与冻融循环次数N呈良好的幂指数关系，b可以取常数，其值为平均值。其关系为

a=1.2288e-0.004N（R2=0.9333）（6）

b=-0.008（7）

整理可知，洛川黄土灵敏度与含水率差、冻融次数的关系式为

St=1.2288e-0.004N·e·（-0.008）Δw（8）

（3）对宝鸡黄土的分析。对a、b与冻融循环次数N的关系进行拟合，可得a与冻融循环次数N呈良好的幂指数关系，b可以取常数，其值为平均值。其关系为

a=1.1949e-0.003N（R2=0.9135）（9）

b=-0.007（10）

整理可知，宝鸡黄土灵敏度与含水率差、冻融次数的关系式为

St=1.949e-0.003·e·（-0.007）Δw（11）

5 结语

黄土的灵敏度是黄土结构特性的重要指标，对原状和重塑土体强度变化及其相互关系有着直观的反映。对湿载-冻-融耦合作用下阳曲、洛川、宝鸡黄土的强度、灵敏度变化规律进行了计算研究，3种黄土的灵敏度与其含水率差、冻融循环次数有着较好的函数关系。

参考文献：

[1]杨艳，齐吉琳，宋春霞，等.灵敏度在土结构性定量化研究中的应用[J].西北地震学报，2007，29（1）：26-29.

[2]杨更社，魏尧，田俊峰，等.冻融循环对结构性黄土构度指标影响研究[J].西安科技大学学报，2015，35（6）：675-681.

[3]田俊峰，叶万军，杨更社.含水量及冻融循环对阳曲黄土压缩特性的影响分析[J].地下空间与工程学报，2015，11（4）：933-939.

[4]庞旭卿，胡再强，刘寅.冻融循环作用对黄土力学性质损伤的试验研究[J].铁道科学与工程学报，2016，13（4）：669-674.

[5]胡再强，刘寅，李宏儒.冻融循环作用对黄土强度影响的试验研究[J].水利學报，2014，45（增刊2）：14-18.

[6]周泓.冻融循环作用下冻结黄土长期强度的变化规律[D].甘肃：兰州大学，2015；40-49.

[7]肖东辉，冯文杰，张泽.冻融循环作用下黄土孔隙率变化规律[J].冰川冻土，2014，36（4）：907-912.

[8]连江波，张爱军，郭敏霞，等.反复冻融循环对黄土孔隙比及渗透性的影响[J].人民长江，2010，41（12）：55-58.

[9]王丽琴，邵生俊.黄土构度与物理指标之间的定量关系[J].岩石力学与工程学报，2015，34（增刊2）：4380-4386.

[10]叱干晓敏.考虑含水率变化对黄土结构强度影响的边坡稳定性分析[J].水利与建筑工程学报，2013，11（5）：169-172.

[11]王铁行，罗少锋，刘小军.考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究[J].岩土力学，2010，31（8）：2378-2382.

[12]胡再强，林山，李宏儒，等.洛川黄土结构特性试验研究[J].土木工程学报，2015，48（增刊2）：64-68.

[13]田堪良，王沛，张慧莉.黄土结构性分析及新认识[J].人民黄河，2012，34（4）：145-148.

[14]程小勇，项伟，张伟锋，等.Q2黄土结构性试验研究[J].人民黄河，2009，31（2）：69-71.