慶陽(yáng)黃土凍融環(huán)境下的特性研究①

潘俊義， 王治軍， 周　鵬， 吳光輝， 許元珺

(1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018；2.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)

慶陽(yáng)黃土凍融環(huán)境下的特性研究①

潘俊義1， 王治軍1， 周鵬1， 吳光輝2， 許元珺2

(1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710018；2.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)

摘要：為了解凍融作用對(duì)黃土濕陷性的作用效果，以Q3黃土為研究對(duì)象，采用增(減)濕法配制不同含水量黃土試樣，測(cè)試黃土在無(wú)補(bǔ)水條件下受溫度影響的凍融變形、壓縮變形和濕陷變形；對(duì)原狀黃土進(jìn)行顆粒分析及基本物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)。分析表明：(1)黃土是否產(chǎn)生凍脹取決于其含水量是否超過“臨界凍脹含水量”。(2)凍融黃土與原狀黃土相比壓縮變形量較大，把部分浸水濕陷變形轉(zhuǎn)化為壓縮變形，凍融作用使黃土的濕陷性弱化。(3)冷凍黃土在相同溫度下，含水量越大，濕陷系數(shù)越小；在同一含水量下，凍結(jié)溫度愈低濕陷系數(shù)愈小。

關(guān)鍵詞：凍融變形； 濕陷變形； 臨界凍脹含水量； 濕陷系數(shù)

0引言

黃土由于其特殊的成因及后期的堆積環(huán)境，造成了其不同于同時(shí)期其他沉積物的工程性質(zhì)。它在干燥條件下強(qiáng)度高，一旦遇水浸濕將在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生明顯的濕陷變形，因此在黃土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到樓房地基不均勻沉降、路基變形等一系列問題。工程中通常采用強(qiáng)夯法、擠密法、預(yù)浸水法等地基處理方法來消除或減輕黃土的濕陷性。但是在季節(jié)性凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，凍融作用會(huì)使得黃土結(jié)構(gòu)受到冷生作用的影響，改變其原有的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)后期工程造成一定危害，包括造成黃土地基的不均勻沉降、塌陷等。黃土對(duì)水的特殊敏感性及其在變形、強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系等力學(xué)特性上所表現(xiàn)的影響規(guī)律一直是黃土工程性質(zhì)研究的中心[1-3]。

當(dāng)前凍脹理論主要包括毛細(xì)理論、水動(dòng)力模型、次凍脹模型、吸力理論等。對(duì)凍土的融化下沉研究主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法，其中Foriero等[4]在一維大變形固結(jié)理論基礎(chǔ)上建立了一維大變形融化固結(jié)理論。Sykes等[5]基于現(xiàn)時(shí)構(gòu)型得到了三維條件下的大變形固結(jié)理論。齊吉琳等[6]研究?jī)鋈趯?duì)超固結(jié)土強(qiáng)度的影響，得出凍融過程會(huì)改變土的結(jié)構(gòu)性。李玉國(guó)等[7]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)和增濕作用引起的壓實(shí)黃土結(jié)構(gòu)疏松和強(qiáng)度弱化是黃土地基和路基濕陷變形增加的主因。楊平等[8]研究證明土凍融后，密度、干密度及塑性指數(shù)略有降低，孔隙比、液性指數(shù)略有增大。周志軍等[9]認(rèn)識(shí)到凍土壓縮模量及抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而降低，溫度對(duì)黃土力學(xué)性能的影響與試樣含水率有關(guān)。葉萬(wàn)軍等[10]發(fā)現(xiàn)土樣在初始凍融過程中，體積稍有增大，含水率變化較大，凍結(jié)過程中冰晶凍脹力破壞土體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)，反復(fù)凍融導(dǎo)致其強(qiáng)度弱化。宋春霞等[11]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)不同干容重的土具有強(qiáng)化和弱化的雙重作用，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化。董曉宏等[12]用經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的試樣進(jìn)行了系列直剪試驗(yàn)，研究黃土的黏聚力和抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系[12]。王家鼎等[13]研究了黃土改良后的動(dòng)力特性。

本文考慮到輸油管線等線性工程施工的特殊性和運(yùn)營(yíng)的安全問題，提出季節(jié)性凍土區(qū)凍融作用引起黃土地基或路基再次產(chǎn)生濕陷的原因，針對(duì)一種凍脹敏感性土——慶陽(yáng)黃土進(jìn)行研究，制備不同水分的黃土樣，在不同凍結(jié)溫度下進(jìn)行濕陷試驗(yàn)，分析黃土在不同溫度和含水量下的濕陷性。

1試驗(yàn)概況

1.1試樣取樣及物理力學(xué)參數(shù)

基于慶陽(yáng)地區(qū)最大凍深和本次試驗(yàn)?zāi)康?，以埋?m的土樣作為研究對(duì)象。黃土呈褐黃色，稍濕，大孔隙，含有少量姜石、見蝸牛。黃土粒徑級(jí)配曲線見圖1，以黏粒和粉粒(<0.05mm)為主，約占總量86.37%，且以粉粒(0.005～0.05mm)為主，黏土顆粒(<0.005mm)含量在16.13%，平均粒徑0.020mm，屬典型的凍脹敏感性土，定名為粉質(zhì)黏土。土樣物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

圖1　土體顆粒級(jí)配曲線Fig.1　Particle size distribution curve

密度ρ/(g·cm-3)含水量w/%孔隙比e干密度r/(g·cm-3)飽和度Sr/%塑限WP/%液限/%1.4617.91.181.2441.118.527.5

1.2試驗(yàn)方案

主要記錄增、減濕土體凍結(jié)和融化的變形，以及凍融后土體的壓縮系數(shù)、濕陷系數(shù),分析含水量和溫度對(duì)黃土濕陷的影響規(guī)律。

初始含水量：10%、15%、18%(天然)、20%、25%、飽和；

凍結(jié)溫度：-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃。

試驗(yàn)方法：

(1) 增濕試驗(yàn):使用面積50cm2、高2cm的環(huán)刀制樣，計(jì)算目標(biāo)含水量，然后利用水膜轉(zhuǎn)移法，以24h為一周期的增濕進(jìn)度分三次將土樣增濕至目標(biāo)含水量，再養(yǎng)護(hù)24h，使土樣內(nèi)水分分布均勻。減濕采用自然風(fēng)干的方法。

(2) 將試樣放置容器中，整體置于預(yù)先設(shè)定好目標(biāo)溫度的DW-FL362型超低溫冷凍箱中凍結(jié)(圖2)。觀測(cè)低溫?zé)o荷載黃土樣的變形情況，5h累計(jì)變形小于0.01mm視為穩(wěn)定；然后調(diào)制22 ℃進(jìn)行融化，繼續(xù)觀測(cè)土樣豎向變形。

(3) 將上述凍融后的試樣再進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，測(cè)試其壓縮系數(shù)及濕陷系數(shù)。0～200kPa壓力內(nèi)，每級(jí)增量50kPa；大于200kPa，每級(jí)增量為100kPa。每小時(shí)變形量不大于0.01mm，進(jìn)行下一級(jí)加載壓力。

(4) 目標(biāo)壓力下土樣變形穩(wěn)定后浸水，用滴定管緩慢注滿蒸餾水，記錄土樣濕陷變形。

圖2　凍融黃土試樣Fig.2　Loess sample under freeze-thaw cycle

2黃土的凍脹和融沉變形

黃土凍結(jié)試驗(yàn)主要測(cè)試不同初始含水量的原狀黃土在無(wú)載條件下的凍結(jié)、融沉變形。

2.1試驗(yàn)結(jié)果

含水量為10%、15%、18%、20%、25%及飽和的6個(gè)土樣在無(wú)水源補(bǔ)給的低溫環(huán)境下凍結(jié),變形穩(wěn)定再進(jìn)行室溫下消融。試驗(yàn)中黃土的凍結(jié)和消融變形量隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3　土樣凍結(jié)及融化變形曲線Fig.3　Deformation curves of samples under freeze-thaw cycle

圖3(a)～(d)分別展示了不同含水量黃土在低溫下凍結(jié)和室溫消融的變形過程。含水量較高的土樣在低溫環(huán)境水相轉(zhuǎn)化為冰時(shí)，其體積迅速產(chǎn)生凍脹，且凍脹量顯著。含水量越高產(chǎn)生的變形越大，等變形穩(wěn)定后將試樣置于室溫環(huán)境，試樣在前一階段凍脹的基礎(chǔ)上逐漸產(chǎn)生融沉，殘余膨脹變形量降到某一穩(wěn)定值。含水量較低的土樣在低溫環(huán)境沒產(chǎn)生凍脹變形，而是出現(xiàn)輕微的凍陷變形，沉陷穩(wěn)定后繼續(xù)將試樣置于室溫融化，監(jiān)測(cè)沉陷量較大的試樣發(fā)生相應(yīng)融脹。凍脹變形試驗(yàn)中觀測(cè)到黃土的凍脹臨界含水量約為20%，與其塑限值較接近。本文將這一“界限含水量”稱為黃土的“凍脹臨界含水量”。

其中含水量高于25%的土樣低溫凍結(jié)時(shí)很快產(chǎn)生了膨脹，且最大膨脹量達(dá)到0.8mm，含水量越高產(chǎn)生的變形量越大。含水量15%和10%的土樣凍結(jié)過程沒有產(chǎn)生膨脹變形，而是出現(xiàn)輕微的凍陷現(xiàn)象，最大沉陷量達(dá)0.081mm。

上述現(xiàn)象分別在-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃低溫下得到驗(yàn)證，隨溫度不同均出現(xiàn)一定差異，其中含水量高于20%的土樣最大凍脹變量隨著溫度的降低逐漸變小。以25%含水量土樣為例，從-10 ℃的0.918mm降到-25 ℃的0.439mm。含水量低于15%的土樣，在-20 ℃下凍結(jié)時(shí)凍陷量最大。

2.2結(jié)果分析

當(dāng)土水系統(tǒng)中土體溫度降至水凍結(jié)起始溫度點(diǎn)及以下時(shí)，土顆粒間和孔隙中部分水相變結(jié)晶，體積膨脹，使間隙體積變大而推動(dòng)土顆粒移動(dòng)產(chǎn)生所謂的凍脹現(xiàn)象。并非所有的土凍結(jié)都會(huì)產(chǎn)生凍脹，只有水-冰發(fā)生相變時(shí)才會(huì)發(fā)生，因負(fù)溫下土溫度愈低，冷縮顆粒和冰都遵循熱脹冷縮的規(guī)律。如果土體中無(wú)足夠的水分參與凍結(jié)，不但不會(huì)產(chǎn)生凍脹，相反還會(huì)出現(xiàn)凍陷現(xiàn)象。

表 2　典型土的臨界脹陷含水量

試驗(yàn)證明，只有土中含水量超過其“臨界凍脹含水量”時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)凍脹變形。如表2所示，一般情況下粉質(zhì)黏土的“臨界凍脹含水量”相當(dāng)于土體塑限含水量WP值。在此界限下，土體的結(jié)合水占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，凍結(jié)過程中弱結(jié)合水的冰結(jié)晶通常在土體內(nèi)部產(chǎn)生凍結(jié)位移，由土顆粒的相對(duì)位移進(jìn)行調(diào)節(jié)，而在宏觀上不足以引起土體變形。一旦土體的含水量超過塑限含水量，孔隙中貯存較多的自由水凍結(jié)時(shí)就可能導(dǎo)致土顆粒錯(cuò)位產(chǎn)生凍脹。

(1) 土體在凍結(jié)過程中，蒙脫石、伊利石等礦物自身要發(fā)生冷縮，而土中水凍結(jié)則要發(fā)生凍脹，決定土體產(chǎn)生凍脹或凍陷的是土中含水量。多數(shù)情況下含水土體凍結(jié)都要產(chǎn)生凍脹，而凍脹量的大小主要取決于含水狀況和水分遷移的多少。水分遷移改變了凍土原來的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和水冰比例。這種在空間位置上不等量的冰-水-土骨架的重分配，改變了凍土物理力學(xué)性質(zhì)。

(2) 細(xì)顆粒土水分遷移方向：凍結(jié)區(qū)內(nèi)含水量增大，未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)運(yùn)移，含水量較小的土體(低于天然含水量)所含水量不足以產(chǎn)生體積的增大。蒙脫石晶胞由三層組成，上下層為Si-O四面體，中間層為Al-O-OH的八面體，特點(diǎn)為晶胞間以O(shè)-連接，結(jié)構(gòu)不緊密，可吸收無(wú)定量的水分子，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)架靈活、親水性強(qiáng)。蒙脫石具有很強(qiáng)的吸水能力和體積膨脹收縮性，在水分遷移作用下含水量微弱降低，失水收縮，宏觀上表現(xiàn)為凍陷現(xiàn)象。并且其他條件相同時(shí)，初始含水量本身對(duì)水分遷移無(wú)影響，而是含水的相變作用延緩凍結(jié)鋒面推進(jìn)的能力。含水量越高，凍結(jié)鋒面推進(jìn)相對(duì)延緩，凍結(jié)速率降低，水分遷移提供的有效時(shí)間增大，遷移水分的積累量增大。所以含水量較高的土體水分遷移量大，水分進(jìn)行重分布，土體局部區(qū)含水量較高，凍結(jié)變形效果也就更明顯。

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的語(yǔ)言發(fā)展觀認(rèn)為，語(yǔ)言系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，是具有自相似嵌套的分形結(jié)構(gòu)，語(yǔ)言演化的原動(dòng)力來自語(yǔ)言系統(tǒng)內(nèi)部，上下層級(jí)結(jié)構(gòu)分形的關(guān)系是推動(dòng)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)生成演化的原動(dòng)力。

(3) 土密度、凍結(jié)溫度相同條件下，初始含水量愈大，凍結(jié)速率愈小，水分遷移量大。土顆粒粒徑為0.05～0.005mm的粉質(zhì)黏土水分遷移作用最大，其孔隙連通性好，毛細(xì)作用強(qiáng)，持水性好，屬水分聚集、聚冰的最敏感性土類。慶陽(yáng)黃土以黏粒和粉粒(<0.05mm)為主，約占總量的86.37%，且以粉粒(0.05～0.005mm)占優(yōu)勢(shì)。

3凍結(jié)土體壓縮性分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過凍融的試樣置于固結(jié)儀上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。壓縮系數(shù)與濕陷系數(shù)的變化關(guān)系見圖4，濕陷系數(shù)隨壓縮系數(shù)增大而減小，近似呈線性變化。凍土的壓縮模量與其含水量關(guān)系見圖5。由于黃土屬非均質(zhì)各相同性材料，基本隨著含水量的增大壓縮模量變小。在前期隨著含水量增大壓縮模量大幅度減小，等含水量超過20%以后，隨著含水量的繼續(xù)增加壓縮模量不再降低，保持穩(wěn)定值。

圖4　壓縮系數(shù)與濕陷系數(shù)的關(guān)系Fig.4　Relation between the compressibility and collapsiblity coefficient

圖5　壓縮模量與含水量的關(guān)系Fig.5　Relation between the compressive modulus and water content

3.2結(jié)果分析

研究表明，經(jīng)過凍結(jié)和融化的土體，其抗剪強(qiáng)度會(huì)大幅度降低。在任何情況下，凍土融化時(shí)黏聚力將急劇降低，甚至成許多倍降低，而內(nèi)摩擦角則可能無(wú)明顯變化。根據(jù)大量試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，土體經(jīng)過反復(fù)凍融作用后，其孔隙度增加者占大多數(shù)，結(jié)果造成已融土壓縮系數(shù)比未凍的同一類土壓縮系數(shù)明顯增大。

根據(jù)試驗(yàn)資料，飽和土凍結(jié)融化后孔隙度大于凍前，這是因?yàn)橥馏w凍結(jié)時(shí)孔隙水變成冰，并在土體中形成各種結(jié)構(gòu)，土顆粒位移，土體發(fā)生凍脹所致。冰融化后，留下的大孔隙又不能恢復(fù)到凍前的細(xì)小孔隙，致使土體變得疏松，孔隙度增加，直接影響固結(jié)過程中超孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散，加速已凍土的變形進(jìn)程。

一定孔隙度和干密度的黃土，其變形量是固定的，即濕陷變形和壓縮變形是一個(gè)穩(wěn)定值，凍結(jié)黃土在融化后具有較高的壓縮性，所以就相對(duì)減弱了其濕陷性，這是一種此消彼長(zhǎng)的對(duì)立性關(guān)系。

4慶陽(yáng)黃土原位凍融規(guī)律分析

在試坑內(nèi)布置13個(gè)凍融變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1個(gè)位于試坑中心，另外12個(gè)分別布置在半徑為1m和2m的圓上。圓的內(nèi)圈為A，外圈為B，A1埋深0.2m，A2埋深0.4m，依此類推，最深的B6埋深2.4m。本次布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)已經(jīng)完全覆蓋了可能出現(xiàn)凍融變形的全部深度范圍。注水4天，共計(jì)117m3，從開始注水前的測(cè)讀初值，到注水過程中的沉降觀測(cè)，凍結(jié)過程中的凍脹觀測(cè)，至融化后的融陷監(jiān)測(cè)，共歷時(shí)99天。每天觀測(cè)一次，共觀測(cè)99次。

根據(jù)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)繪制了O～B6 ，13個(gè)標(biāo)點(diǎn)累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化的曲線，從O～B6埋深以0.2m為增量逐漸增加。1.0m以上的6條曲線見圖6(a)，1.0m以下的8條曲線見圖6(b)。

從圖6(a)可以看出，浸水3天后，隨著水分向下運(yùn)移至上覆壓力達(dá)到濕陷起始?jí)毫Φ耐翆雍?，開始產(chǎn)生濕陷變形，試坑中心O點(diǎn)最早產(chǎn)生濕陷變形，并且變形量最大，隨著深度的增加濕陷開始時(shí)間變晚，濕陷量也逐漸減小。浸水后第13天，即1月4日濕陷不再發(fā)展，反而出現(xiàn)了土層回彈現(xiàn)象，在力學(xué)條件與水分條件均改變的情況下，回彈是由水分凍結(jié)引起的。監(jiān)測(cè)標(biāo)點(diǎn)所觀測(cè)到的變形量反映了其下覆土層的變形量，從圖6(a)和(b)可以看出，0、0.2、0.4及0.6m的沉降標(biāo)均觀測(cè)到了膨脹變形，膨脹量由淺至深逐漸減小，0.8m及以下標(biāo)點(diǎn)未觀測(cè)到膨脹變形，因此可以推論凍結(jié)下限深度在0.6～0.8m之間。經(jīng)歷了5天的回彈變形以后，變形基本穩(wěn)定，一直持續(xù)到第154天，即3月1日氣溫恢復(fù)后土層出現(xiàn)二次沉降，表明土層中凍結(jié)的水分開始融化并引起了土層的二次下沉。

圖6　監(jiān)測(cè)標(biāo)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間發(fā)展曲線Fig.6　Settlement curves of monitoring points with time

為了更加直觀地探討飽和黃土層凍脹融陷過程，繪制了小試坑中心O點(diǎn)的累計(jì)沉降量及單天沉降量隨時(shí)間發(fā)展曲線(圖7)。從圖中可以看出，浸水后第4天開始產(chǎn)生濕陷沉降，單天沉降量達(dá)0.95cm，隨后的6天沉降量逐漸減小，第11天未發(fā)生沉降，第12天至16天發(fā)生了明顯的凍脹變形，最大單天凍脹量為0.15cm，總凍脹量為0.3cm。從凍脹曲線來看，凍脹過程經(jīng)歷一個(gè)波峰之后即基本結(jié)束，這表明凍脹過程完成得較為迅速，這主要由于凍深有限，在該場(chǎng)地所處的溫度環(huán)境下，可凍結(jié)的土層在3天之內(nèi)即可完成凍結(jié)過程。3月1日之后，溫度回升到0℃左右，凍土層在地溫和氣溫的影響下開始融化，土層在融化過程中發(fā)生了二次沉降，土層總沉降量在4天之內(nèi)即快速恢復(fù)到了凍結(jié)前的總沉降量，在隨后的時(shí)間里繼續(xù)緩慢下沉，至試驗(yàn)結(jié)束。最終的總沉降量為2.60cm，二次沉降量為0.6cm，占總沉降量的23%。

圖7　O點(diǎn)累計(jì)沉降量及單天沉降量隨時(shí)間發(fā)展曲線Fig.7　Curvs of cumulative settlement and settlement of singe day at point O

5凍融黃土濕陷規(guī)律分析

(1) 經(jīng)歷凍融的試樣濕陷試驗(yàn)。試驗(yàn)中首先以未經(jīng)歷凍融的試樣作為基礎(chǔ)試樣，對(duì)比凍結(jié)溫度作用對(duì)土體濕陷的影響程度。以200kPa壓力下的濕陷系數(shù)為分析對(duì)象，給出試樣經(jīng)歷不同凍結(jié)溫度的濕陷系數(shù)與初始含水量的關(guān)系曲線(圖8)。試樣在各級(jí)溫度下隨含水量的增加其濕陷系數(shù)依次降低。同含水量的土樣隨著凍結(jié)溫度的降低其濕陷系數(shù)相應(yīng)減小。其中室溫條件下黃土的濕陷系數(shù)普遍大于凍結(jié)黃土所對(duì)應(yīng)的濕陷系數(shù)。

圖8　含水量與濕陷系的關(guān)系Fig.8　Relation between water content and collapsibility coefficient

(2) 通過水分來實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)凍黃土濕陷系數(shù)的影響。凍結(jié)溫度與濕陷系數(shù)的關(guān)系曲線見圖9。凍黃土的含水量、密度、孔隙比等其他條件相同時(shí)，濕陷系數(shù)隨凍結(jié)溫度的降低而相應(yīng)降低。本次試驗(yàn)土樣干密度小、孔隙度大，所以具有顯著的濕陷性，濕陷系數(shù)值較大。

圖9　濕陷系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.4　Relation between the collapsibility coefficient and temperature

結(jié)果解釋：

土樣保持著其地質(zhì)歷史過程中形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而經(jīng)歷過低溫凍結(jié)作用的凍黃土在溫度和水分作用下，產(chǎn)生凍脹力并使土體內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生影響。凍結(jié)過程中，含水量高的土體產(chǎn)生較大的凍脹變形，在無(wú)荷載約束的條件下，土顆粒在水-冰相轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生內(nèi)壓力或拉力。這一狀態(tài)一直持續(xù)到凍土消融并且內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到最大值。凍土消融后，土樣的內(nèi)部原始結(jié)構(gòu)在溫度和水分、鹽分的綜合作用下產(chǎn)生新的變化。凍結(jié)過程中冰晶凍脹力破壞土體結(jié)構(gòu)，融化時(shí)結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)，凍融導(dǎo)致土體強(qiáng)度弱化。其他外界環(huán)境條件相同時(shí)，對(duì)其施加一定的載荷，未凍土體壓縮性相比凍結(jié)土體壓縮性小，目標(biāo)壓力下變形穩(wěn)定，繼續(xù)浸水后將產(chǎn)生較大的濕陷變形。

隨著黃土凍結(jié)溫度的降低，土體內(nèi)部產(chǎn)生的凍脹力將迅速增加，土體凍結(jié)時(shí)承受比融土條件下高數(shù)倍的應(yīng)力。在后期壓力作用下產(chǎn)生較大的壓縮變形，把部分浸水濕陷變形轉(zhuǎn)化為壓縮變形，所以凍結(jié)溫度愈低其濕陷系數(shù)愈小。

6結(jié)論

(1) 慶陽(yáng)黃土以粉粒(0.005～0.05mm)為主，顆粒粒徑水分遷移作用最大，孔隙連通性好，毛細(xì)作用強(qiáng)，持水性好，屬水分聚集、聚冰的最敏感性土類，是黃土凍脹及融陷變形的主要因素。

(2) 黃土在冷凍條件下存在 “界限含水量”，當(dāng)土的含水量大于“界限含水量”時(shí)，會(huì)出現(xiàn)凍脹變形，反之則出現(xiàn)輕微凍陷變形。慶陽(yáng)地區(qū)黃土“界限含水量”在20%左右。

(3) 黃土的基本物性指標(biāo)一致時(shí)，相同壓力下其變形總量(濕陷變形和壓縮變形)固定。凍結(jié)過程中冰晶凍脹力破壞土體結(jié)構(gòu)，融化時(shí)結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)，凍融導(dǎo)致土體強(qiáng)度弱化，導(dǎo)致凍融黃土比原狀黃土壓縮變形量大，把部分浸水濕陷變形轉(zhuǎn)化為壓縮變形，所以凍融作用使黃土的濕陷性弱化。

(4) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，慶陽(yáng)地區(qū)實(shí)測(cè)凍深下限深度在0.6～0.8m。

(5) 凍結(jié)黃土在同一溫度下，含水量越大，濕陷系數(shù)越?。辉谕缓肯?，凍結(jié)溫度愈低濕陷系數(shù)愈小。

(6) 溫度對(duì)黃土濕陷影響機(jī)理：高飽和土樣凍結(jié)時(shí)，一方面產(chǎn)生凍脹，造成土體內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)上的位錯(cuò)滑移等運(yùn)動(dòng)，內(nèi)應(yīng)力相繼出現(xiàn)并增大，凍土消融后，原先產(chǎn)生的應(yīng)力消散。經(jīng)過凍融這一過程土體內(nèi)的膠結(jié)作用遭到損傷，原有的結(jié)構(gòu)喪失。另一方面孔隙水變成冰，并在土體中形成各種結(jié)構(gòu)，土顆粒位移，土體發(fā)生凍脹。冰晶融化后，大孔隙又不能恢復(fù)到凍前的細(xì)小孔隙，土樣變得疏松，孔隙度增加。在相同外力作用下，其壓縮性相應(yīng)增大，而濕陷性相應(yīng)降低。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]謝定義.黃土力學(xué)特性與應(yīng)用研究的過去、現(xiàn)在和未來[J].地下空間，1999，19(4)：273-285.

XIEDing-yi.ThePast,PresentandFutureoftheResearchonMechanicalCharacteristicsandApplicationofLoess[J].ChineseJournalofUndergroundSpace，1999，19(4)：273-285.(inChinese)

[2]齊吉琳,謝定義,石玉成.土結(jié)構(gòu)性的研究方法及現(xiàn)狀[J].西北地震學(xué)報(bào),2001，23(1):99-103.

QIJi-lin,XIEDing-yi,SHIYu-cheng.StatusQuoandMethodofQuantitutiveStudyonSoilStructure[J].NorthwesternSeismologicalJournal,2001,23(1):99-103.(inChinese)

[3]陳昌祿，邵生俊，方娟，等.不同結(jié)構(gòu)性黃土的強(qiáng)度規(guī)律及傳統(tǒng)強(qiáng)度準(zhǔn)則適應(yīng)性分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2013，35(4):851-857.

CHENChang-lu,SHAOSheng-jun,FANGJuan,etal.AnalysisofStrengthVariationofDifferentKindsofStructuralLoessandAdaptabilityofTraditionalStrengthCriterion[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(4):851-857.(inChinese)

[4]ForieroA，LadanyiB.FEMAssessmentofLargeStrainThawConsolidation[J].JournalofGeotechnicalEngineering，1995，121(2)：126-138.

[5]SykesJF，LennoxWC，CharlwoodRG.FiniteElementPermafrostThawSettlementModel[J].JournalofGeotechnicalEngineeringDivision，2014，100(11)：1185-1201.

[6]齊吉琳，馬巍.凍融作用對(duì)超固結(jié)土強(qiáng)度的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(12)：2082-2086.

QIJi-lin，MAWei.InfluenceofFreezing-thawingonStrengthofOverconsolidatedSoils[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2006，28 (12)：2082-2086．(inChinese)

[7]李國(guó)玉，馬巍，穆彥虎，等.季節(jié)凍土區(qū)壓實(shí)黃土濕陷特性研究進(jìn)展與展望[J].冰川凍土，2014，36 (4)：934-943．

LIGuo-yu，MAWei，MUYan-hu，etal.ProgressandProspectsoftheResearchonCollapsibilityofCompactedLoessinSeasonallyFrozenGroundRegions[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2014，36 (4)：934-943.(inChinese)

[8]楊平，張婷.人工凍融土物理力學(xué)性能研究[J].冰川凍土，2002，24 (5)：665-667．

YANGPing，ZHANGTing．ThePhysicalandtheMechanicalPropertiesofOriginalandFrozen-thawedSoil[J].JournalofGlaciologyandGeocryology，2002，24(5)：665-667.(inChinese)

[9]周志軍，呂大偉，宋偉.基于含水率和溫度變化的凍融黃土性能試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2013，26(3)：44-49.

ZHOUZhi-jun，LUDa-wei，SONGWei.ExperimentonLoessCharacteristicsafterFreeze-thawCircleBasedonChangesofMoistureContentandTemperature[J].ChinaJournalofHighwayandTransport，2013，26(3)：44-49.(inChinese)

[10]葉萬(wàn)軍，楊更社，彭建兵，等.凍融循環(huán)導(dǎo)致洛川黃土邊坡剝落病害產(chǎn)生機(jī)制的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(1)：199-205.

YEWan-jun，YANGGeng-she，PENGJian-bing，etal．TestResearchonMechanismofFreezingandThawingCycleResultinginLoessSlopeSpallingHazardsinLuochuan[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2012，31(1)：199-205．(inChinese)

[11]宋春霞，齊吉琳，劉奉銀.凍融作用對(duì)蘭州黃土力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖土力學(xué)，2008，29(4)：1077-1081．

SONGChun-xia，QIJi-lin，LIUFeng-yin.InfluenceofFreeze-thawonMechanicalPropertiesofLanzhouLoess[J].RockandSoilMechanics，2008，29(4)：1077-1081．(inChinese)

[12]董曉宏，張愛軍，連江波，等.長(zhǎng)期凍融循環(huán)引起黃土抗剪強(qiáng)度劣化的試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(4)：887-893.

DONGXiao-hong，ZHANGAi-jun，LIANJiang-bo，etal.LaboratoryStudyonShearStrengthDeteriorationofLoesswithLong-termFreezing-ThawingCycles[J].JournalofEngineeringGeology，2010，18(4)：887-893.(inChinese)

[13]王家鼎，彭淑君，馬閆，等.高速列車振動(dòng)荷載下水泥改良黃土動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)[J].地震工程學(xué)報(bào)，2013，35(1)：35-41.

WANGJia-ding,PENGShu-jun,MAYan,etal.DynamicTestsontheCement-improvedLoessundertheVibratoryLoad[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(1):35-41.(inChinese)

CharacteristicsofQingyangLoessunderFreeze-thawCycle

PANJun-yi1,WANGZhi-jun1,ZHOUPeng1,WUGuang-hui2,XUYuan-jun2

(1.Xi’an Changqing Science & Technology Engineering Co., Ltd, Xi’an 710018, Shaanxi, China;2.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China)

Abstract:With the development of One Belt and One Road, a number of key national construction projects are proposed in regions with seasonally frozen ground and collapsible loess in western China. Researchers have determined engineering problems associated with freeze-thaw and the collapse of loess, and based on previous studies this study aims to determine the rules of change pertaining to loess collapsibility after the effects of freeze-thaw. Therefore, Q3 loess samples with different moisture contents are prepared using a moistening or demoistening method. After freezing-thawing at different test temperatures, and with no water supply, tests are conducted on frost-heave and thawing deformation, compression deformation, and the collapsible deformation of loess. Particle and physo-mechanical parameters of natural loess are also analyzed. Results indicate the following: firstly, when the moisture content is greater than the critical value, frost heave deformation is generated in loess in a freezing environment. Secondly, compared to pre-freezing samples, there is a greater compression deformation of post-thaw loess samples. However, there is a reduced coefficient of collapsibility; the freeze-thaw action weakens loess collapsibility. Thirdly, when using the same test temperature, the coefficient of collapsibility of frozen loess decreases with an increase in the moisture content, and also decreases when the test temperature is decreased but moisture content remains unchanged.

Key words：frost-heave and thawing deformation; collapsible deformation; critical water content of frost heave; coefficient of collapsibility

收稿日期：①2015-05-18

作者簡(jiǎn)介：潘俊義(1981-)，男，工程師，注冊(cè)巖土工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作。E-mail：wuguanghui.10@163.com。

中圖分類號(hào):TU435

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)03-0445-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0445