凍融作用下黃土的壓縮特性研究

占世源 楊瑞雪 仇楠 胡月

寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021

引言

黃土在我國(guó)具有廣泛的分布，其主要集中在西北、華北地區(qū)，該地區(qū)大部分均處于季節(jié)性凍土區(qū)。當(dāng)在季凍區(qū)進(jìn)行黃土工程活動(dòng)時(shí)，必須考慮凍融循環(huán)對(duì)黃土壓縮性的影響。有研究表明，凍融作用會(huì)破壞黃土顆粒間的膠結(jié)作用，使土顆粒間發(fā)生相對(duì)位移。從宏觀上看，土體就發(fā)生了壓縮變形。

目前，對(duì)于季凍區(qū)黃土壓縮特性的研究方面也取得了一些進(jìn)展。周志軍等通過(guò)試驗(yàn)可得，凍融循環(huán)后黃土壓縮性較未凍結(jié)土樣強(qiáng)，且隨著凍結(jié)速度的增大，土樣的壓縮模量增大。凍結(jié)溫度越低，凍融后壓縮性越大，融化溫度對(duì)壓縮性基本無(wú)影響[1]。鄭林春對(duì)黃土的地質(zhì)時(shí)代、成因、微結(jié)構(gòu)、成分及其他影響因素進(jìn)行剖析，得出了不同黃土具有不同壓縮變形特性的結(jié)論[2]。本文主要針對(duì)季凍區(qū)黃土施工建設(shè)中遇到的黃土工程問(wèn)題，通過(guò)研究?jī)鋈谶^(guò)程中凍結(jié)溫度、土樣含水率、凍融循環(huán)次數(shù)等因素對(duì)黃土壓縮性的影響，為凍融導(dǎo)致的季凍區(qū)黃土岸坡工程的凍害問(wèn)題提出可行性的建議。

1 凍融黃土壓縮特性主要影響因素及其研究進(jìn)展

1.1 凍結(jié)溫度

為了研究?jī)鋈谧饔孟曼S土的壓縮變形參數(shù)，現(xiàn)有研究均主要考慮壓縮系數(shù)與凍結(jié)溫度的關(guān)系。例如王瀚[3]對(duì)不同溫度下原狀黃土的固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)控制土樣含水率為25%，凍結(jié)溫度分別控制為-5℃、-10℃、-10℃，不同凍結(jié)溫度下的壓縮系數(shù)分別0.35MPa-1、0.39MPa-1、0.42MPa-1，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們不難看出，不同含水率的試件其壓縮系數(shù)隨著凍融溫度降低均存在增大的趨勢(shì)。

根據(jù)王瀚等人的研究我們可以得到黃土的凍結(jié)溫度降低會(huì)導(dǎo)致其壓縮系數(shù)增長(zhǎng)，且壓縮系數(shù)的增長(zhǎng)速率與試件初始含水率存在正相關(guān)。韓雪[4]等人也得到類似結(jié)論，即黃土試樣的壓縮系數(shù)會(huì)隨著凍融溫度的降低而增大。與王瀚等人不同的是，韓雪等人從凍融前后黃土的孔隙變化角度來(lái)闡明凍結(jié)溫度對(duì)黃土壓縮性的影響，其研究表明隨著凍結(jié)溫度的降低，凍融后黃土的壓縮系數(shù)大幅度增長(zhǎng)的同時(shí)，孔隙比也快速的增長(zhǎng)，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)導(dǎo)致黃土內(nèi)水分的體積膨脹，孔隙比增大最終導(dǎo)致黃土的滲透系數(shù)增大。

1.2 含水率

含水率對(duì)凍融后黃土的滲透性有著至關(guān)重要的影響，王瀚[3]等人的研究也發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)溫度、體密度相同的情況下，隨著含水率的升高，黃土的壓縮系數(shù)也會(huì)增大。潘鵬[5]等人利用取自寧夏同心的黃土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，也得出了類似規(guī)律。其實(shí)驗(yàn)得到的壓縮系數(shù)增量與土樣含水率的關(guān)系曲線如圖2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，試樣的含水率越大，壓縮性越高。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因?yàn)閮鋈谑雇馏w中的水因融化被擠出，土體孔隙度減小，土體被壓密，同時(shí)凍融也會(huì)導(dǎo)致土體中的礦物顆粒集合體膨脹孔隙度增加，而黃土凍融后孔隙度增加者占大多數(shù)，證明凍融過(guò)程中土體中礦物顆粒集合體的膨脹作用大于土體的壓密作用，從另一方面來(lái)講，即土體中的孔隙水對(duì)膨脹作用導(dǎo)致黃土孔隙度增加，最終導(dǎo)致黃土的壓縮系數(shù)明顯增大。

圖2 壓縮系數(shù)增量與土樣含水率的關(guān)系曲線

1.3 凍融循環(huán)次數(shù)

師華強(qiáng)[6]等為研究?jī)鋈诖螖?shù)與黃土壓縮性的相關(guān)關(guān)系，對(duì)土樣進(jìn)行10次凍融循環(huán)，測(cè)定每次凍融循環(huán)前后黃土的壓縮特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，總體上壓縮系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，曲線在凍融循環(huán)5次前斜率最大,隨后斜率減小，壓縮系數(shù)與含水量和凍融循環(huán)次數(shù)均正相關(guān)，且此時(shí)壓縮系數(shù)的增長(zhǎng)速率較快，證明該階段凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)黃土的壓縮性影響較大。5次凍融循環(huán)后，壓縮系數(shù)增長(zhǎng)速率較慢，這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體中顆粒的孔隙和尺寸達(dá)到相對(duì)平衡的原因。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可知，凍融循環(huán)次數(shù)會(huì)對(duì)黃土顆粒的孔隙比等性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，最終導(dǎo)致黃土凍融前后的壓縮性產(chǎn)生較大的差異。

2 結(jié)論及展望

（1）凍融后的黃土其壓縮特性與土樣的含水率、凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)相關(guān)，且凍融循環(huán)次數(shù)和含水率在一定范圍內(nèi)與土樣的壓縮系數(shù)正相關(guān)，壓縮系數(shù)隨著凍融溫度降低具有增大的趨勢(shì)。

（2）通過(guò)以上研究可以發(fā)現(xiàn)，不同的含水率、凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)下，壓縮系數(shù)的變化速率存在差異，究其根本原因?yàn)辄S土孔隙變化水平存在差異，探究黃土凍融前后孔隙變化與黃土滲透性的相關(guān)研究結(jié)論較少，應(yīng)作為今后的重點(diǎn)研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 周志軍,楊海峰,耿楠,等.凍結(jié)速度對(duì)凍融黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2013,13 (4):16-21.

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