冻融循环条件下黄土结构性参数变异性研究

康 刚

（山西路桥集团 隰吉高速公路有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

黄土分布于我国中西部季节性冻土地区，是这些地区的常用建筑材料，路基、边坡等均为黄土构筑物，在其运营期间，都不可避免地要经受冻融循环作用，对于冻融作用下土体特性的研究取得了一些成果。倪万魁等[1]认为随着冻融循环次数的增加，黄土的原始胶结结构逐渐被破坏，颗粒重新排列，土的结构越来越疏松，同级压力下土体的孔隙比不断增大；冻融循环50次后土样的原始胶结已完全破坏，当压力超过自重应力时会产生很大的附加变形。肖东辉等[2]认为冻融循环作用通过破坏黄土颗粒的大小和土体的骨架及组构影响黄土的孔隙率。通过颗粒分析试验发现冻融循环后土体颗粒有变小趋势，且集中分布在0.01～0.05 mm，在冻融10次后颗粒大小趋于稳定。在以往的研究工作中，针对冻融循环作用下黄土结构性定量的系统研究较少[3-8]，选取该地区某边坡黄土为研究对象，该黄土液限较低，地区冻融温差较大，周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构，土体结构性会相应变化，这些特性变化会导致土体工程性质的改变甚至劣化，开展研究具有重要意义。

以山西季节性冻土地区晋西某处高边坡土体为研究对象，现场取样，通过相关资料调研、理论分析、室内试验等方法，对土样进行冻融作用并进行压缩试验，开展冻融循环对结构性的影响规律研究。

1 试验用土

对晋西某高速公路边坡进行取土试验，开展常规试验，基本物理性质指标如表1。

表1 试验用土物理性质指标

2 试验仪器与试验方法

制备试样，进行冻融循环试验（图1）。

图1 恒温恒湿箱

保证密度一致，制备天然含水率原状试样、天然含水率重塑试样、饱和原状试样均5个，分别进行冻融循环0、1、2、4、8次，施加垂直荷载，进行压缩试验。

试样置于恒温恒湿箱，调节冻结温度为零下20℃，时间为12个小时，融化温度为5℃，时间同样为12个小时，循环相应的次数后，取出安装在压缩仪器上进行试验。

3 试验结果与分析

冻融循环作用下土的工程性质的变异性需要结合冻融次数及冻融前后参数变化，引入变化量与变异系数两个参数，从而确定物理性质变化的具体程度，变异系数计算公式为：

式中：A为未经历冻融作用的土样结构性参数值；B为冻融作用后土样结构性参数值；N为冻融循环次数；K为变异系数，即冻融作用下结构性参数变化的频率及剧烈程度。

3.1 冻融循环条件下结构性参数求解

进行压缩试验，根据不同条件下变形量，计算孔隙比。

表2 原状黄土压缩试验

表3 重塑黄土压缩试验

谢定义[9]提出了结构性参数mp，其表达式为：

式中：S原为原状样变形量；S饱为饱和样变形量；S塑为重塑样变形量。

计算结构性参数，结果见表4。

表4 结构性参数

3.2 冻融循环对黄土结构变异性规律

冻融循环次数及荷载对结构性参数变异量的影响规律曲线如图2、图3所示。

由图2及图3可以看出，随竖向压力增大，土体结构性变异量减小，是因为荷载较大时，土体被压得较密实，结构性更容易破坏扰动，扰动后冻融作用对土的胶结结构影响力逐渐减弱。

图2 变异量随压力的变化规律曲线

图3 变异量随冻融循环次数的变化规律曲线

冻融循环次数及荷载对变异系数的影响规律曲线如图4、图5所示。

图4 变异系数随压力的变化规律曲线

图5 变异系数随冻融循环次数的变化规律曲线

由图4及图5可以看出，随冻融循环次数增大，变异系数初始阶段增大，到峰值后，逐渐减小，趋于稳定，循环次数大时，平均条件下单次冻融循环对结构性的影响程度变低，而累加结构性参数变异量总体呈增大趋势。

4 结论

本文采用常规固结仪及恒温恒湿箱，研究了冻融循环作用下黄土结构性参数的变化规律，主要结论如下：

a）随竖向压力增大，变异量及变异系数均降低，土体结构性变异性逐渐减小，主要是因为荷载较大时，土体被压得较密实，结构性更容易破坏扰动，扰动后冻融作用对土的胶结结构影响力逐渐减弱。

b）随冻融循环次数增大，变异量逐渐增大，而变异系数初始阶段增大，到峰值后，逐渐减小，趋于稳定，循环次数大时，平均条件下单次冻融循环对结构性的影响程度变低。