冻融作用下土体无侧限抗压强度变化研究

张亚英

(中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队)

在寒冷气候条件下，土壤在反复的冻融作用下会发生物理和力学性质的变化[1-2]。黄土是一种特殊的土壤类型，其广泛分布于我国中西部地区，由于其具有较高的孔隙度和敏感性，故其在冻融作用下的力学性质和渗透性变化较为显著[3-4]。土体无侧限抗压强度是描述土壤在无侧向压力条件下所能承受的垂直压力，是评价土壤力学性质的重要指标，在路基、基础设计和施工中十分关键。在冻融过程中，随着温度的变化，土壤中的水分迁移、相变、化学物质组成和微观结构等都会发生变化，这些变化进一步影响土壤的无侧限抗压强度和渗透性[5]。除此之外，对于在寒冷地区开展的工程项目，如建筑、道路和桥梁建设等，冻融作用可能会引起土壤力学性质的变化，从而导致工程的安全性和稳定性受到潜在风险。周有禄等[6]以青海东部黄土为研究对象，开展了不同干密度和含水率下黄土冻融循环后的直剪试验，发现冻融循环会使土体的强度指标被劣化，削弱土体的抗剪强度，并构建了土体抗剪强度和冻融循环次数间的关系式，体现了冻融循环下黄土的抗剪强度劣化趋势。杨更社等[7]通过开展冻融循环下黄土的核磁共振试验和直剪试验，分析了原状黄土力学性质和土体孔隙分布的关系，发现冻融循环会增加土中细颗粒的数量，且大孔隙和中孔隙随着冻融次数的增加而减少，小孔隙数量逐渐增多，土体的抗剪强度也呈现出逐渐降低的趋势。另外，冻融作用也会对黄土渗透系数造成较大的影响，因此，通过研究冻融作用下黄土无侧限抗压强度和渗透系数的变化，可以为寒冷地区工程项目的规划和设计提供科学依据，以保障工程的安全性和稳定性。

为了掌握冻融对土体的强度的破坏机理，通过设置不同冻融循环温度和循环次数，开展了冻融循环下原状黄土和重塑黄土的无侧限抗压强度试验，为类似工程提供了指导与借鉴。

1 试验材料和方案

1.1 试验材料

此次所用土体为取自某场地2m 深处的黄土，对其物理性质进行测试，具体结果见表1所示。

表1 试验用土基本物理性质

对于无侧限试样，在试验开始前，分别制备原状黄土、重塑黄土试样。在制作原状黄土试样时，借助削土器把挖取的原状黄土土块削成标准圆柱试样，其大小为直径39.1mm、高80mm，同时用保鲜膜密封包裹试样，静置24h，确保试样中水分均匀。对于重塑黄土试样，将大块黄土进行碾碎，之后放入烘箱中烘干，设置烘箱温度为108°C，持续烘8h，按照黄土的天然含水率配置其含水率，再放入桶中进行密封，在阴凉处静置24h，确保水分和土样混合均匀。静置完毕后把土样放进三瓣膜中，分层击实土样并作刮毛处理，确保每层土样有较好的连接性，土样不出现断层现象，最后在用保鲜膜密封土样进行保存，等待试验时使用。对于渗透试验，此次仅分析原状黄土在冻融循环作用下的渗透系数变化情况，借助削土器把挖取的原状黄土土块削成高40mm、直径61.8mm 的圆柱试样，同样用保鲜膜对试样进行包裹密封和静置。

1.2 试验方案

对于冻融循环试验方案，试验仪器为冻胀循环试验箱，TMS9018-500 为其具体型号，通过此冻胀仪进行原状、重塑黄土的冻融循环试验，参考当地冬季温度将冻融温度设置为±19.2°C、±14.2°C 和±9.2°C，设置冻融循环次数为8、6、4、2、0 次，冻结、融化时间均设置成12h。对于无侧限抗压强度试验方案，所用试验仪器为应变控制式无侧限压力仪，型号为YYW-2型，2mm/min为试验加载速率，判断试样破坏的标准为黄土试样在试验过程中是否产生斜向剪裂，如果产生，即可停止试验。对于渗透试验方案，试验仪器为变水头渗透仪，每次冻融循环后即开展渗透试验。

2 试验结果分析

2.1 分析原状黄土试验结果

如表2 所示仅为原状黄土在±14.2°C 循环温度下不同冻融循环次数后的无侧限抗压强度变化趋势（在此仅展示±14.2°C循环温度、±19.2°C和±9.2°C循环温度未展示）。从试验结果能够得到，在不同冻融温度下，随着提高冻融循环次数，原状黄土无侧限抗压强度均呈现为持续降低趋势，具体表现为±19.2°C、±14.2°C和±9.2°C 冻融温度下，原状黄土无侧限抗压强度在第2 次冻融循环时分别降低至34kPa、36kPa、46kPa，而随着冻融次数增加至8 次时，其无侧限抗压强度再次降低至25kPa、28kPa、40kPa。原状黄土在没有经过冻融循环时的无侧限抗压强度为65kPa，不同冻融循环温度时原状黄土的无侧限峰值强度与其相比分别降低了近38.5%（±9.2°C）、59.6%（±14.2°C）、61%（±19.2°C），上下波动范围广，这表示冻融循环后黄土原本土体结构受到严重破坏，降低了土体的抗压强度。如表3 所示，通过对比不同冻融循环温度、冻融次数下原状黄土的无侧限抗压强度变化趋势，能看出随着冻融循环温度的降低，黄土抗压强度的损失程度也越来越大。这是因为土体在未经过冻融循环时，土中颗粒大部分为大颗粒，仅有小部分为小颗粒，同时颗粒棱角明显，大颗粒之间大部分为面-面接触并形成骨架，小颗粒进行填充，形成骨架-密实结构，在经过冻融循环后，大颗粒被破坏形成小颗粒，大颗粒数量降低且小颗粒数量增大，土体骨架被破坏，增大了颗粒间的距离，弱化了颗粒间的连接，原来大颗粒的面-面接触转变为点-面接触形式，原状土体结构被破坏，形成次生结构，降低了土颗粒间的粘结性能，使结构变得较为疏松。

表2 循环温度为±14.2°C时原状黄土无侧限应力应变变化趋势

表3 各循环温度下原状黄土无侧限抗压强度

2.2 分析重塑黄土试验结果

重塑黄土在±14.2°C 循环温度下不同冻融循环次数后的无侧限抗压强度变化趋势。从试验结果能够看出，当冻融温度相同时，随着持续增加冻融循环次数，重塑土的无侧限抗压强度与原状黄土的变化趋势相似，都呈现出不断减小的规律，在第2 次冻融循环时重塑黄土的无侧限抗压强度依次为17.1kPa（±19.2°C）、17.2kPa（±14.2°C）、16.9kPa（±14.2°C），与未经过冻融循环的重塑黄土抗压强度（17.5kPa）相差不大，而随着冻融次数增加至8 次时，其无侧限抗压强度降低至13.8kPa、13kPa、15kPa。与未经过冻融时的原状黄土无侧限抗压强度相比（17.5kPa），在各冻融循环温度下其峰值强度分别减小了近21%（±19.2°C）、25.7%（±14.2°C）、14.7%（±9.2°C）。通过对比不同冻融循环温度下、冻融次数原状黄土的无侧限抗压强度变化趋势，能看出随着冻融循环温度的降低，黄土抗压强度的损失程度同样越来越大。这与原状黄土在不同冻融循环温度下、冻融次数下抗压强度发生变化的原因相同，均是由土体骨架被破坏导致的。但与原状黄土不同，重塑黄土0 次冻融循环时的无侧限抗压强度与各次冻融循环后的强度差距较小，每次循环后的强度波动范围在2～8kPa 内，这是由于重塑黄土在重塑过程中已经破坏了原状黄土的骨架结构，使其结构形式发生了变化，故未经过冻融循环的重塑黄土与2～8 次冻融循环下重塑黄土的无侧限抗压强度相差较小。

2.3 原状黄土渗透性受冻融循环的影响

结合渗透试验结果能够看出，原状黄土随着冻融循环次数的提高，其渗透系数逐渐增大，且在经过4 次冻融循环后提高幅度较大，在4 次后渗透系数提高幅度逐渐减小，最终保持稳定。在冻融次数为0 时，3.23×10-5cm·s-1为黄土的渗透系数，在经过2次冻融循环后其渗透系数提高到7.23×10-5cm·s-1，增大幅度为3.97×10-5cm·s-1；在经过4 次冻融循环后其渗透系数提高到1.3×10-4cm·s-1，提高了近5.73×10-6cm·s-1；其渗透系数在经过6次冻融循环后仅仅提高了2.81×10-6cm·s-1，这说明黄土的渗透系数在经历4 次冻融循环后不会有大幅度的增大，基本不会受到冻融循环的影响。这是由于在前几次冻融循环过程中，冻胀作用使黄土内部形成大部分细小裂缝，提高了土体孔隙率，扩大了水分迁移通道，大大增加了土体的渗透系数，而随着冻融循环次数的提高，土体结构渐渐保持稳定，孔隙数量不再增加，故渗透系数逐渐保持稳定。

3 结论

为了掌握冻融对土体的强度的破坏机理，通过设置不同冻融循环温度和循环次数，开展了冻融循环下原状黄土和重塑黄土的无侧限抗压强度试验，主要得到以下结论：

⑴原状黄土在没有经过冻融循环时的无侧限抗压强度为65kPa，不同冻融循环温度时原状黄土的无侧限峰值强度与其相比分别降低了近38.5%（±9.2°C）、59.6%（±14.2°C）、61%（±19.2°C），上下波动范围广，这表示冻融循环后黄土原本土体结构受到严重破坏，降低了土体的抗压强度，且随着冻融循环温度的降低，黄土抗压强度的损失程度也越来越大。

⑵重塑土的无侧限抗压强度变化趋势和原状黄土大致相同，均表现出先持续降低的趋势，随着冻融次数增加至8 次时，与未经过冻融时的原状黄土无侧限抗压强度相比（17.5kPa），其峰值强度分别减小了近21%（±19.2°C）、25.7%（±14.2°C）、14.7%（±9.2°C），但与原状黄土不同，重塑黄土0 次冻融循环时的无侧限抗压强度与各次冻融循环后的强度差距较小，每次循环后的强度波动范围在2～8kPa内。

⑶冻融作用下，黄土渗透系数呈现出先增大后趋于稳定的规律，对其渗透系数影响较大的主要在前4 次冻融循环。