不同冻融循环作用下分散土力学性质及微观结构

张亚伟，韩春鹏

摘要：通过探究不同冻融周期条件下分散土的微观孔隙结构及力学特性，分析冻融环境对土体强度的影响。利用三轴试验及扫描电镜分别研究冻融循环下分散土力学性质变化规律及微观结构，并通过图像处理软件IPP定量获取土样的微观孔隙参数，包括孔隙率、平均孔径及平均形状系数。研究结果表明，土体结构内部孔隙数量及孔径大小均为呈现增加趋势，土体颗粒间的黏结效果减弱；分散土的破坏强度主要受土体孔隙的数量、大小及孔隙形状的影响，且与平均孔径、孔隙率及平均形状系数均呈负相关。由此得出分散土在不同冻融循环次数条件下微观结构会不断变化，进而导致土体的力学特性发生变化。

关键词：分散土；力学特性；微观孔隙结构；冻融循环；三轴试验；季冻区；定量分析；应力-应变曲线

中图分类号：U414 文献标识码：A文章编号：1006-8023（2024）03-0204-08

Mechanical Properties and Microstructure of Dispersed Soils under Different Freeze-thaw Cycles

ZHANG Yawei， HAN Chunpeng*

（School of Civil Engineering and Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract：By exploring the microstructure and mechanical properties of dispersed soil under different freeze-thaw cycles， the influence of freeze-thaw environment on soil strength was analyzed. Triaxial test and scanning electron microscope were used to study the mechanical properties and microstructure of dispersed soil under freeze-thaw cycle， and the image processing software IPP was used to obtain the microscopic pore parameters of soil samples， including porosity， average pore diameter and average shape coefficient. Research results indicated that the number and pore size of pore parameter in the soil structure showed an increasing trend， and the bonding effect between soil particles weakened. The breaking strength of dispersed soil was mainly influenced by the number， size， and shape of soil pores， and was negatively correlated with the average pore diameter， porosity， and average shape coefficient. The results of this study indicated that the microstructure of dispersed soils was constantly changing under the conditions of different numbers of freeze-thaw cycles， which in turn lead to changes in the mechanical properties of the soils.

Keywords：Dispersed soil; mechanical properties; microstructure; freeze-thaw cycle; triaxial test; seasonal freezing zone; quantitative analysis; stress-strain curve

0引言

黑龙江省地处中国东北部，省内大部分面积属于季节性冻土区，该地区的工程建设必须考虑冻融作用对土力学性能的影响问题[1-2]。因此，人们越来越关注冻融循环对该地区道路基础设施稳定性的影响。土的力学性质是多个因素的综合体现，包括自身性质和环境因素，自身性质如土体矿物成分、含水量和干密度等，环境因素如围压、温度等[3]。同种土体在不同区域的力学特性也不尽相同，其主要决定因素便是环境条件[4-5]。

冻融作用会导致土壤颗粒的重新组合，导致土体由一个稳定状态变为另一新的稳定状态。有学者通过对冻融循环下盐渍土抗剪强度研究，发现黏聚力随着冻融循环次数的增加而降低，同时发现内摩擦角则相对不受影响[6]。Malizia等[7]通过对3种塑性黏土的无侧限抗压强度分析得到无侧限抗压强度随含水量的增加呈先升高后降低的趋势。还有学者则是通过对黏土-碎石土体应力应变行为、破坏强度及弹性模量的分析，发现冻融循环显著改变了黏土-碎石混合试件的力学特性[8-9]。这个过程受到多种因素的影响，包括土壤的含水率、融化程度（土壤中的冰含量和冰的强度）、土壤颗粒的大小和组成，以及周围环境等。这些因素会影响土体的抗剪强度[10-14]。

为了解土体物理力学行为的内在性质，相关学者对土体微结构的变化进行了研究 [15-21]，采用的研究方法主要有以下几种：光学显微镜、X射线衍射（XRD）、压汞法、气体吸附法、扫描电镜（SEM）和核磁共振（NMR）等。因此采用SEM图像分析不同环境下土体内部微观结构并以此为基础阐述环境作用对土体宏观力学性能的影响是合理有效的。

本研究以黑龙江地区的分散土为研究对象，探究不同冻融循环条件下土体力学性质的变化规律，通过SEM试验分析各因素对土体微观孔隙结构的影响，并定量将其宏观特性与微观结构联系起来，为季冻区公路工程分散土边坡稳定性的深入研究提供一定技术支持。

1试验材料及试验设计

1.1试验材料

试验用土取自黑龙江省地区绥大高速边坡，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）进行试验，得到土体基本物理性质，见表1，颗粒级配曲线如图1所示。同时根据现场勘测情况，土体表现出明显的易水蚀的特征，因此对试验土样进行了分散特性研究，发现土样中交换性钠离子含量为63.97%，超过60%，见表2。根据《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007），该土可归类为分散土（特殊土）。

1.2试样制备

试样的制备程序按照《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）进行：对原始土样进行风干、研磨和过2 mm标准筛，加水焖料使其达到设计含水率（本研究中仅选取最佳含水率14%为目标含水率）;采用静压法制备标准三轴试件（Ф39.1 mm×80 mm）;制备完成后以保鲜膜包裹试件并将其置于冻融环境中。

1.3试验方案

为研究试样力学性质在冻融循环作用下的变化规律，选择冻融周期为试验变量，进行单因素试验。

1）冻融循环试验

由于气象数据得出绥化市在早春期间地下0～2 m处温度为-10 ℃，因此选定冻结温度为-10 ℃，融化温度为20 ℃，冻融循环周期选定为0、1、3、5、7、10、15次。冻结时间12 h，融化时间12 h。将达到设计冻融次数的试件进行三轴剪切试验及微观测试。

2） 三轴剪切试验

三轴试验选择不固结不排水剪切试验。根据公路路基的水平应力范围，围压取为100、200、300 kPa。轴向剪切应变速率设置为0.8 mm/min，控制应变为15%。作为对比试件变形达轴向应变的15%时，试验结束，或当试验过程中出现剪切峰值时，超过剪切峰值5%轴向应变时停止试验，试验方案见表3。

3） 扫描电镜试验

微观结构特征通过扫描电子显微镜（JSM-7500F）得到，土样冻融循环次数设置同三轴试验。试验土样，喷金后置于扫描电镜下观察其微观结构。

4）微观数据的获取

本研究使用IPP软件由SEM图像中提取微观孔隙参数。采用放大1 000倍的显微照片进行分析，发现阈值为65时土体的平均孔隙率非常接近理论孔隙率，因此所有样本均采用相同的标准阈值65进行分析。在本研究中，选择以下参数来表征土体中孔隙的大小和形态。各参数的具体含义及计算方法如下。

①孔隙率（N）

孔隙率能在一定程度上反映土体孔隙含量，表示二值化SEM图像中孔隙面积与显微照片总面积的比值。即

N=S0S×100% 。（1）

式中：S为选用图片总面积；S0为孔隙面积。

②平均孔径（D）

利用软件可以直接计算微观图像中每个孔的平均直径。该方法通过测量对象轮廓上质心的线段平均长度来确定孔隙的直径，从而反映了样品中孔隙的平均大小。在每张SEM图像中，取所有孔隙的直径来计算土壤样品的平均孔径。

③平均形状系数（K）

土体中孔隙的形状可以通过其平均形状系数来反映，计算方法为

K=1n∑ni=12πAi/πPi 。（2）

式中：Ai为得到的各孔隙的实际测量面积；Pi为每个孔的测量周长；n为每张SEM图像中的所有孔隙数。K在0到1之间，K越大，孔隙的形状越规则，越接近圆形。

对于每个土样，选择4张显微图像进行定量分析，得到各个微观孔隙参数值。本研究采用其平均值进行分析。图2为二值化处理前后SEM图像。

2分析与讨论

2.1土样微观结构特征

图3为不同冻融周期下土体的扫描电镜图像。土体的孔隙数量及孔径的大小随着冻融循环次数的增加有明显的增加。在初次冻融循环后试件内部孔隙变大且趋势变化最为明显，在经历7次冻融循环后的土体微观状态变化与一次冻融相比并不明显。SEM图像结果显示，经过初次冻融循环后由于土中水发生了相变，凝固成冰时体积变大，扩充土体内部孔隙，在后续冻融循环过程中，土中水虽仍凝固体积变大，但不再能充满整个孔隙，因此试件内部的孔隙不再发生明显变化。

2.2冻融循环次数对土体强度的影响

图4为不同冻融次数下试样的应力-应变曲线。结果表明，不同冻融循环、不同围压条件下土体的应力-应变曲线变化趋势相似。由图4可知，试样的应力-应变曲线均呈应变软化型，且应变软化程度会因为冻融循环次数的增加而逐渐降低，且随着冻融次数的增加，峰值强度逐渐减小。以围压200 kPa为例，从未冻融到15次冻融循环峰值强度依次为1 014.55、907.87、843.00、838.01、820.85、807.78、806.87 kPa。第一次冻融循环对应力-应变曲线的影响最为显著，土体峰值强度降低10%左右，随冻融循环次数增加，土体峰值强度降低幅度趋于平缓，且在5～7次冻融后逐渐趋于稳定。

为明确冻融循环对分散土土体剪切强度的影响，选取试验得到的黏聚力以及内摩擦角指标进行分析。内摩擦角以及黏聚力是分析土体抗剪强度的主要指标，通过对三轴试验数据的处理可以得到图5的变化曲线。由图5可以明显地看出，在冻融循环的影响下黏聚力呈下降的趋势，且在经历初次冻融循环时下降趋势最为明显，而内摩擦角的变化趋势则不明显。冻融的过程会导致土体结构的破坏，土孔隙中的水会因为温度的降低冻结成冰，使孔隙水体积增大，在这一过程中孔隙体积因此变大，造成土颗粒间距增大、颗粒间的连结力减弱，导致会使孔隙比增加、土的密实度降低，因此土中的黏聚力也随之降低。对于内摩擦角，其变化主要由土体内部颗粒间的接触面积及土颗粒形状决定，由于土颗粒形状变化趋势不明显，因此内摩擦角的变化则不明显。

为明确冻融循环对土体力学性能的影响，选取应力-应变曲线的上峰值强度为破坏强度，分析土体破坏强度的变化趋势，讨论土体力学性能的变化规律。在1次冻融循环作用下14%含水率对应降低幅度为10.51%，当冻融循环达到5次时降低幅度为0.59%，当冻融循环达到15次时降低幅度为0.11%。可见冻融循环使土体破坏强度降低，且在第1次下降幅度最大，在5～15次冻融循环范围内降低幅度趋于一定值。未冻融时破坏强度为1 014.55 kPa，当冻融循环进行15次后破坏强度为806.87 kPa。

不同围压及冻融循环次数的土样破坏强度变化规律相似。不同围压下破坏强度如图6所示，其下降幅度如图7所示。在1次冻融循环作用下100、200、300 kPa围压对应降低幅度分别为10.86%、10.51%、8.81%，当冻融循环达到5次时降低幅度分别为2.78%、0.59%、2.14%，当冻融循环达到15次时降低幅度分别为2.07%、0.11%、1.99%。可见冻融循环使土体破坏强度降低，且在第1次下降幅度最大，在5～15次冻融循环范围内降低幅度趋于一定值。未冻融时各围压下破坏强度分别为740.70、1 014.55、1 089.74 kPa，当冻融循环进行15次后各围压下破坏强度分别为520.30、806.87、895.63 kPa。可以发现随着围压变化，土体的破坏强度变化规律相似。

2.3冻融循环对土体微观孔隙结构的影响

图8为冻融循环条件下的土体孔隙率的变化。由图8不难发现，土体的孔隙率随着冻融循环次数的增加呈增加趋势，其中初次冻融循环中孔隙率增加幅度最大，增幅为9.81%。当经过7次冻融循环后孔隙率增幅减小到4%，这是因为在冻融循环过程中，土体中的水在温度梯度的作用下发生迁移，土体中的孔隙水在冻结过程中会凝固成冰发生膨胀，导致土体孔隙体积增大。但土体并非弹性结构，无法在解冻过程中恢复至初始状态，从而导致孔隙率显著增加。土体孔隙结构并不会一直受冻融循环的影响，随着冻融循环次数的不断增加，土体孔隙率的变化趋于缓慢。

图9为不同冻融循环条件下的土体平均孔径变化。由图9不难看出，土体平均孔径随冻融循环的变化趋势与孔隙率的变化趋势大致相似。平均孔径增大的幅度随着冻融循环次数的增加在逐渐减小。在冻融循环进行1次以后，平均孔径的增幅最大，为8%。而当冻融循环进行了7次之后，平均孔径的增幅降低到3% 。这是因为在反复的冻融循环过程中，孔隙水冻结引起的体积膨胀会导致土体中直径较小的孔隙连结为较大的孔隙，较大孔隙的比例增加，导致土壤平均孔径增大。这与上一节孔隙率的变化规律相似，再次验证了水的团聚效应改变了土体的粒径分布，导致孔隙分布的变化。

图10为不同冻融循环的土体孔隙的平均形状系数变化曲线。由图10不难看出，随冻融循环次数增加，孔隙平均形状系数的变化不明显，变化幅度不显著。孔隙平均形状系数在冻融循环次数为0、1、7时的平均形状系数分别为0.48、0.49、0.50，孔隙平均形状系数呈缓慢上升趋势，这就表明随着冻融循环次数的增加，孔隙的形状逐渐趋于圆形。这可能是因为在多次冻融循环，土壤颗粒团的不规则边界会逐渐趋于圆润，从而导致土壤颗粒之间孔隙的形态发生相应的变化。

2.4宏观力学特性与微观结构的相关性分析

为了研究宏观土体破坏强度与微观孔隙相关系数的关系，利用数据分析软件SPSS对不同围压下不同冻融循环次数的土体破坏强度与微观孔隙参数的相关性进行分析，见表4。由表4结果显示，土样破坏强度与土样孔隙率（N）、平均孔径（D）及平均形状系数（K）的相关系数均在0.9以上，均呈显著线性相关。因此，选取D、N、K作为自变量，并选取3种围压下破坏强度作为因变量，对宏观与微观的相关性进行拟合分析。

在进行多元线性回归分析时，自变量之间可能存在近似线性关系，称为共线性。当存在严重的共线性问题时，回归方程的稳定性会变差，同时回归系数的显著性检验会受到影响，这使得模型变得无意义。为了考察N、D、K之间是否存在共线性关系，对3个变量进行共线性诊断，Pearson相关矩阵如图11所示。

由图11不难看出，孔隙率与平均孔径基本上属于共线，因此取孔隙率、平均形状系数做回归分析。为了消除维数的影响，在主成分回归前，需要标准化处理原始数据。然后利用SPSS软件的因子分析模块提取主成分，将标准化后的孔隙破坏强度（τ）、孔隙率及平均形状系数分别记为Zτ、ZN及ZK。通过主成分提取得到一个主成分F1，其表达式如下

F1=0.503ZN-0.503ZK 。（3）

接下来，对τ和F1进行线性回归分析。根据标准化数据与原始数据的关系对回归模型进行恢复，最终拟合结果见表5。由表5结果显示，回归方程调整后的拟合优度（R2）均在0.9以上，说明回归方程拟合良好。根据拟合曲线得到拟合值与试验值相比较发现，试验值均在拟合值附近，说明拟合值与试验值相关性较高，主成分回归得到的拟合方程相对可靠，如图12所示。

根据分析结果，可以得出以下结论：在不同试验条件下，土样破坏强度主要受到土体孔隙大小和数量的影响。回归方程中的回归系数表明，土体破坏强度与平均孔径、孔隙率和平均形状系数呈负相关。

这就表明了土壤的破坏强度受土体内部的孔隙结构的影响。当经历冻融循环后，土样中的孔隙平均孔径、平均形状系数变大，土颗粒之间的距离增大，结合力变小，土颗粒之间越容易形成剪切面，导致土样越容易被破坏，因此破坏强度会随着冻融循环次数的增加变小。未经历冻融时，土体密实度较大，孔隙的平均形状系数较小，土颗粒之间的摩擦力较大，不容易被破坏，土样的破坏强度就会很大。因此，土体破坏强度的变化源于其微观结构的变化，这种变化又是由冻融循环引发的土体内部水分相变所导致，最终导致了土体破坏强度的变化。

3结论

1）不同冻融循环的土样的应力-应变特征均属于应变软化型。在不同的试验条件下，土样破坏强度随围压的增大而增大。随着冻融循环次数的增加，土样的黏聚力与破坏强度呈下降趋势，内摩擦角趋势不明显。在初次冻融循环后下降幅度最大为10%，在5～7次后冻融循环范围内下降幅度趋于平缓并逐渐趋于1%。

2）SEM试验表明，未经历冻融循环的土样表面较为平整密实，而经历冻融循环后，土样中孔隙比例增加，结构变松，且土样微观结构发生变化在首次冻融循环中最为明显。定量分析结果表明，随着冻融循环次数的增加，孔隙率和平均孔径均呈现增大的趋势，孔隙平均形状系数变化相对较小。

3）基于主成分回归分析，建立合理的土样微观孔隙参数与破坏强度之间的回归模型。结果表明，土的破坏强度主要受土体中孔隙大小、方向和孔隙形态的影响，且土体破坏强度与孔隙大小、孔隙率及平均形状系数均呈负相关。冻融循环在一定程度上通过影响土体内部水分的相变影响土体的微观结构，进而导致土体破坏强度的变化。

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