冻融作用对黄土物理性质影响研究综述

2018-09-26占世源闫垒仇楠

价值工程 2018年25期

占世源闫垒仇楠

摘要：我国黄土总面积达63.1万平方公里，该数据远超其他国家，由此也带来许多问题，特别是冻融作用对黄土工程性质产生的不良影响，该作用会对工程产生巨大影响，是黄土工程产生冻害的主要原因。冻融作用会影响黄土中水分的分布，改变黄土的饱和度，给土体带来沉降和变形。从本质上说，冻融作用会在一定程度上破坏黄土结构，从而引发黄土物理性质发生改变。本文通过分析和整理冻融作用对黄土影响的相关文献，针对目前研究现状、存在的问题和发展趋势，归纳其中共同点，总结其中存在规律，从而对冻融领域未来做出展望。

Abstract： The total area of loess in China is 631，000 square kilometers. This data far exceeds that of other countries. It also brings many problems， especially the adverse effects of freeze-thaw on the engineering properties of loess. This effect will have a huge impact on the project and is the main cause of frost damage in the loess project. Freeze-thaw effect will affect the distribution of water in loess， change the saturation of loess， and bring settlement and deformation to soil. In essence， freeze-thaw effect will destroy the structure of loess to a certain extent， which will lead to changes in the physical properties of loess. This article analyzes and collates the relevant literature on the influence of freeze-thaw effect on loess， summarizes the common points， summarizes the existing laws， and looks forward to the future of the field of freeze-thaw in view of current research status， existing problems， and development trends.

关键词：冻融作用；黄土；饱和度；物理性质

Key words： freeze-thaw；loess；saturation；physical properties

中图分类号：U416.1+11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0259-02

0 引言

此前我国发生过很多起由黄土冻融引起的地质灾害，在2010年3月19日，阳曲县黄寨村水泉涯三巷发生黄土坍塌地质灾害，该地质坍塌对普通民众造成了极大经济损失，损毁民众房屋，改变地质构造，进而对当地的经济环境造成影响。该地区地表附近主要为黄土，下部为粉质黏土，上部的黄土的透水性较好，同时下部的粉质黏土可以形成隔水层，造成土体含水量极高。同时，土体通过冻融后强度、稳定性急剧下降，最后导致此次事故的发生。诸如此类由黄土冻融而引发的工程事故还有很多，这些事故警醒人们应该重視黄土工程冻害的防治和研究。

1 相关研究现状

此前世界上并没有将冻土研究作为一门独立的学术领域来看待，该现象在1927年得到彻底改观，《苏联境内永久冻结土壤》出版意味着全新领域已向人类展开，这本研究的问世从此为世界开启了动土研究新大门，也开启了一门新学科。而黄土冻融作为冻土学科中的一个重要问题，吸引着许多研究者参与其中，并取得丰富成果。科学家们从不同角度对黄土冻融进行研究，并由此获取了一系列显著成果，如吕擎峰等[1]透过微观领域直接研究动土的物理力学指标和渗透性的变化，这些与普通研究不同的研究方法的运用，为吕擎峰等设计如何改变黄土性质的方案提供了技术支持；再有周志军[2]等主要研究了外部条件对黄土物理性质的影响，其发现温度可以改变黄土中的含水率从而改变黄土的物理性质，除此之外，这些研究者同时发现温度与黄土的压缩模量息息相关，并与其呈现正比趋势等等一系列研究成果。笔者借助国内外研究学者对冻土的研究文献，从客观角度分析冻融循环如何改变黄土结构及物理性质，并由此创作本文。

1.1 冻融对黄土孔隙率的影响

研究发现，冻融才是影响季冻区黄土地区工程的主要原因。冻融作用通过增大黄土孔隙率，使建设在黄土基础上的工程出现不同程度安全问题，包括裂缝、渗漏等，从而影响相关黄土工程的安全性。李玉国等[3]的研究表明，冻融作用可以导致黄土的孔隙率发生变化，从而影响黄土的湿陷性。借助李国玉等的实验数据可以清晰看出黄土湿陷性和孔隙率之间呈现正比关系，湿陷性越大的黄土，孔隙率一般不会有较小数值，根据以往研究结果，这一比率多在40%～50%左右，孔隙比为0.85～1.24。从微观角度来看，冻融循环作用通过作用于黄土颗粒，进而直接改变自身物理性质，这种性质包含孔径，排列等。长期研究发现，随着冻融次数增加，土壤会向越来越密的方向沉降，密实土体孔隙率与疏松土体孔隙率呈现出完全相反的变化方向。

对比李国玉等人的研究方法，马骏骅等[4]采用一种截然不同的研究手法进行黄土冻融的相关研究。在马骏骅等的研究成果中，其通过控制黄土的冻融次数，从而得出黄土孔隙率的变化孔隙率呈现先降低后升高趋势，中间点在第十次达到最低谷。这些研究数据可以看出，冻融作用影响孔隙率与很多因素有关，包括土质、冻融次数等。

1.2 冻融对黄土含水率的影响

除了前文提及的影响因素外，冻融对黄土的影响也反应在含水率方面。从以往研究来看，含水率与湿陷性呈现出负比关系，较高的含水率意味着较低湿陷性[5]。赵刚等人[6]研究含水率的影响机理发现，含水率的高低对水分迁移率的影响以正比例形式展现，迁移率随其升高而加大。这一发现充分证明，含水率的高低对决定了冻融作用影响程度。

在赵刚等人的研究中，他们通过水分迁移来观察含水率的变化，这是目前研究含水率变化最常用的方式。该观察模型从模式差异角度可以分为三种类型，第一类研究方式——即毛细管理论模型的正确性存在争议，这一模型通过将土壤类比为毛细管，将土壤中颗粒以规则排列的形式储存于其中。但这一理论不能解释冰透镜现象，因而为研究者所诟病；第二种模型是分凝势模型，该模型的优势在于可以准确度量水分迁移量，但也存在不可避免的缺点，即受到多种因素限制，所以该模型依旧不是大众选择；最后一种模型是由诸多研究者共同推出的模型，动力学模型。该模型具有较多前两者不具备的优点，因而被广泛接受。该模型的优点在于可以描述较多冻融现象，包括孔隙水冻结、热质迁移等。值得注意的是，该模型在物理学理论的基础上建立多项介质本构方程并确定多项介质自由能和耗散能表达式[7]。

除了上述理论研究外，还可以用实验方法来分析含水率变化。赵刚等[6]研究本身性质不同的粉质黏土在-40～60℃冻融作用下黏土自身发生的水分迁移，发现在温度不同时，水分迁移率存在不同表现。实验证明，水分迁移量在深度不同时表现不同，试样2～8cm层处含水率增大，8～12 cm层含水率减小。根据上文数据，可以发现除了深度对水分迁移有影响外，温度影响也不可忽视。温度通常正向影响水分迁移，并使其以正比例于温度的趋势变化。冻结时温度越低，试样5cm处水分聚集量越大，温度梯度越大，冻结速率越快，水分聚集层离暖端越近，借助上述研究结果，可以将影响冻融作用对黄土含水率的影响归结于两个方面即温度梯度和土体初始含水率。

1.3 冻融对黄土渗透性的影响

渗透性也是对黄土工程影响较重要的因素，只有了解黄土地区渗透规律，才能避免冻融作用对黄土建设的毁坏，才能将黄土设计真正意义上从设计投射至现实情况。而冻融对于黄土渗透性的影响则已经较为准确地得出结论，在学术领域上，对于该影响方式存在一致观点，冻融作用对土的密度存在双向作用，这一双向作用将松散土和密实土壤向两个完全不同的密度趋势延伸，冻融作用会导致松散黄土密度变高，密实黄土密度变低，虽然密度会朝着两个方向发展，但冻融最终都会使得黄土渗透性增大。

研究者发现冻融前后黄土渗透性发生变化的主要原因在于黄土孔隙和粒径的变化，同时相关研究表明，粒径对黄土渗透性的影响更大。宋春霞对兰州Q3原状黄土进行反复冻融后，利用现代技术扫描发现，样本表面产生裂缝是渗透性发生改变的主要原因，Q3黄土渗透性在不同情况下呈现不同变化，但影响黄土渗透性的主要原因为黄土粒径的变化[8]。对于冻融作用而言，其通过改变黄土颗粒粒径，使黄土结构由紧致变为疏松，最终使黄土渗透系数增大。

2 存在的问题

对于上述研究，笔者认为其中仍然存在问题，从研究方式角度而言，可以分为以下几点。

第一，冻融作用主要改变黄土结构性，而目前的研究主要集中于黄土的大孔隙性和湿陷性上，借助现代较高级的设备对黄土结构进行微观领域的分析。但鲜有研究者着眼于黄土的结构性，对其进行微观定量分析定量。

第二，在黄土冻融实验中，以下关键问题上还存在分歧。例如：选择不同的冻融方式会对结构造成不同影响，时间段的确立也會影响冻融结果，所以需要针对实际来选择不同方式。

第三，由于研究设备缺乏，现阶段研究成果还未得到验证。由于现实情况的限制，诸多研究结果无法直接作用于实际工程建设。

3 结论及展望

①在已研究成果中，冻融影响黄土的方式以密度和渗透性为主，无论黄土密度如何变化，冻融均会增加土的渗透性，这些研究成果已经得到学术界的普遍认识。而对于冻融是否会影响黄土的其他方面，仍然处于分歧状态，这种分歧将会引领未来学术发展方向。

②黄土冻融的相关研究中仍然存在一个问题没有攻克，即冻融作用对黄土湿陷性的影响，该方面的相关研究结论较少。同时，由于没有现实成果作为支持，这一研究没能从现实角度解决问题。对于该问题未来将仍需要进行研究，研究成果出现后才能解决困扰诸多专业学者的季节性冻土地区黄土路基灾害问题。

参考文献：

[1]吕擎峰，李晓媛，赵彦旭，等.改性黄土的冻融特性[J].中南大学学报（自然科学版），2014，45（3）：819-825.

[2]周志军，吕大伟，宋伟.基于含水率和温度变化的冻融黄土性能试验[J].中国公路学报，2013，26（03）：44-49.

[3]李国玉，马巍，穆彦虎，等.季节冻土区压实黄土湿陷特性研究进展与展望[J].冰川冻土，2014，36（4）：934-943.