基于濕載—凍—融耦合作用的黃土靈敏度特性研究

田俊峰 楊更社 葉萬軍 余翔 魏堯 劉慧

摘要：黃土的靈敏度是黃土結(jié)構(gòu)特性的重要指標(biāo)。為了研究濕載-凍-融耦合作用對黃土靈敏度特性的影響，取山西陽曲、陜西洛川、陜西寶雞等地的黃土為研究時象，時經(jīng)歷不同濕載、凍結(jié)、融化過程的3種黃土的靈敏度變化規(guī)律進行研究。結(jié)果表明，濕載是黃土靈敏度變化的主要影響因素，凍融作用是黃土靈敏度的次要影響因素。塑限含水率時，黃土的靈敏度下降幅度最大；飽和含水率時，黃土的靈敏度達到最小值。3種黃土的靈敏度均與濕載-凍-融作用有著良好的函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：濕載-凍-融作用；輻合；靈敏度；黃土結(jié)構(gòu)

中圖分類號：P642.13+1 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.026

黃土受水和溫度影響效果明顯，在季節(jié)性凍土區(qū)，當(dāng)土中水發(fā)生凍結(jié)、融化時，黃土結(jié)構(gòu)特性的變化會引發(fā)基坑、邊坡等工程事故的發(fā)生。其原因為：當(dāng)含水率變化時，土中自由水含量變化，自由水會改變土顆粒的排列和聯(lián)接作用；當(dāng)受到凍結(jié)作用時，土顆粒之間的自由水會發(fā)生體積增大約9%的原位凍結(jié)和向凍結(jié)鋒面的遷移運動；當(dāng)受到融化作用時，土顆粒之間的自由水會發(fā)生融化和向凍結(jié)鋒面的遷移運動；凍結(jié)和融化過程中土顆粒的排列和聯(lián)接均會發(fā)生改變，從而黃土結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變。

黃土的靈敏度為其原狀與重塑后強度之比，濕載、凍、融作用均會對黃土的靈敏度產(chǎn)生影響。楊艷等川使用應(yīng)力和應(yīng)變靈敏度對西安黃土的結(jié)構(gòu)性進行了定量化研究，認為應(yīng)變靈敏度具有更大的優(yōu)越性。楊更社等[2-3]研究了凍融循環(huán)對黃土結(jié)構(gòu)性指標(biāo)和壓縮特性的影響，探討了其結(jié)構(gòu)性的變化。龐旭卿等[4]對不同初始含水率、不同低溫及不同凍融循環(huán)次數(shù)對黃土力學(xué)性質(zhì)影響的過程與機理進行了研究，基于極限平衡法建立了凍融循環(huán)作用下強度參數(shù)的損傷模型。胡再強等[5]進行了楊凌黃土在不同凍融環(huán)境下的靜三軸試驗，分析了凍融對黃土強度的影響。周泓[6]對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)黃土的組成、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及長期強度進行了測試研究、分析，認為黏粒含量是決定凍土長期強度的關(guān)鍵因素。肖東輝等[7]通過研究印證了黃土的孔隙率隨著凍融次數(shù)的增加先減小后增大最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。連江波等[8]對封閉系統(tǒng)下不同初始條件的楊凌Q3黃土進行了凍融循環(huán)后的孔隙比和滲透系數(shù)的變化規(guī)律研究。王麗琴等[9]對黃土的構(gòu)度指標(biāo)與含水量之間的定量關(guān)系進行了研究，得到了黃土干構(gòu)度與物理指標(biāo)定量關(guān)系的經(jīng)驗公式。叱干曉敏[10]對含水率變化與黃土邊坡安全系數(shù)的關(guān)系進行了研究，認為隨著含水率的增大，安全系數(shù)變化速率呈現(xiàn)減小的趨勢，降雨作用對初始含水率小的邊坡穩(wěn)定性影響顯著。王鐵行等[11]認為當(dāng)非飽和原狀黃土含水率過小時凍融作用對黃土的黏聚力值基本上無影響，當(dāng)含水率較大時，隨著凍結(jié)溫度降低和凍融循環(huán)次數(shù)增加，黏聚力值變化幅度較大。胡再強等[12]分析了不同類洛川黃土的結(jié)構(gòu)特性，認為洛川黃土的結(jié)構(gòu)特性隨取土深度的減小呈減弱的趨勢。田勘良等[13]通過對黃土結(jié)構(gòu)性、力學(xué)特性的研究，提出黃土壓密強度、摩擦結(jié)構(gòu)強度、聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)強度的概念。程小勇等[14]對河南安陽Q2黃土采用人工改變含水率、不同齡期的相關(guān)實驗，認為原狀和重塑狀態(tài)的黃土對水具有較強的敏感性。

上述文獻對黃土靈敏度的分析主要集中在含水率變化對靈敏度特征指標(biāo)的影響研究，以及凍融特性對黃土強度特征指標(biāo)的影響研究，基于濕載-凍-融耦合作用的黃土靈敏度的研究尚處于起步階段。本文對山西陽曲、陜西洛川、陜西寶雞3個地區(qū)黃土進行不同工況下的無側(cè)限抗壓強度試驗，分析濕載-凍-融耦合作用對3個地區(qū)黃土靈敏度的影響。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣選取及配備

試樣取自3個地區(qū)，分別為山西陽曲1號隧道掌子面Q3黃土、陜西洛川黑木溝Q3黃土、陜西寶雞渭濱區(qū)馬營鎮(zhèn)涼泉村Q3黃土。由試驗可知，取樣陽曲黃土的液限為33.5%、塑限為18.0%、飽和含水率為35.3%，取樣洛川黃土的液限為33.3%、塑限為22.1%、飽和含水率為35.8%，取樣寶雞黃土的液限為34.7%、塑限為20.1%、飽和含水率為35.7%。

根據(jù)3種黃土的物理特性，分別配備含水率為8%、14%、18%、20%、22%、26%和35%的原狀和重塑土樣進行試驗。

1.2 試驗設(shè)備

凍融循環(huán)試驗采用西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院的RTP-175BU可程序控制高低溫實驗箱，生產(chǎn)廠家為東莞市環(huán)瑞環(huán)境測試設(shè)備廠。無側(cè)限抗壓強度試驗采用西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院的YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀，生產(chǎn)廠家為南京土壤儀器廠有限公司。

1.3 試驗步驟

試驗凍結(jié)溫度選擇-15℃，凍結(jié)時間取12h，融化溫度選擇15℃，融化時間取12h，每24h為一次凍融循環(huán)，利用高低溫實驗箱對不同含水狀態(tài)的原狀和重塑黃土分別進行1、3、5、10、20、30次凍融循環(huán)試驗，對不同凍融狀態(tài)的土樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，對其靈敏度變化規(guī)律進行分析計算。

2 濕載作用下強度與靈敏度規(guī)律研究

對不同濕載狀態(tài)的陽曲、洛川、寶雞黃土的原狀土樣強度、重塑土樣強度和靈敏度變化情況進行分析統(tǒng)計（見圖1、圖2）。

由圖1、圖2可知：

（1）3種黃土中，洛川黃土的原狀和重塑土樣的強度最高，其次為寶雞黃土，最低的為陽曲黃土。同一種黃土，原狀黃土的強度均高于重塑黃土的。

（2）隨著含水率的增大，即隨著濕載強度的增大，3種黃土的原狀土樣強度和重塑土樣強度均呈降低的趨勢，但同一黃土原狀土樣強度始終大于重塑土樣強度。

（3）3種黃土中，在濕載增加的情況下，靈敏度由高到低分別為陽曲黃土、洛川黃土和寶雞黃土。隨著濕載的增加，3種黃土的靈敏度均呈降低的趨勢，但3種黃土靈敏度值之間大小關(guān)系未發(fā)生變化，且其靈敏度值均高于1。

（4）陽曲黃土含水率為8%時的靈敏度值為3.45，屬于中靈敏度黃土，表明陽曲黃土在含水率為8%時有著較強的結(jié)構(gòu)性。隨著含水率的增大直至飽和，其靈敏度值逐漸減小為3.15、2.90、2.30、2.25、2.18、1.71，表明隨著濕載的增加，陽曲黃土的靈敏度降低，當(dāng)黃土飽和時，黃土轉(zhuǎn)換為低靈敏度黃土，結(jié)構(gòu)性減弱。

（5）洛川黃土含水率為8%時的靈敏度值為1.42，屬于低靈敏度黃土，隨著含水率的增大直至飽和，其靈敏度值逐漸減小為1.38、1.32、1.23、1.21、1.17、1.16，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性的減弱。

（6）寶雞黃土含水率為8%時的靈敏度值為1.30，屬于低靈敏度黃土，隨著含水率增大至飽和，其靈敏度逐漸減小為1.25、1.24、1.22、1.17、1.14，與陽曲、洛川黃土規(guī)律一致。

（7）陽曲黃土、洛川黃土、寶雞黃土靈敏度下降的最大幅度均出現(xiàn)在塑限含水率處，分別為30.0%、9.6%、7.0%。分析其原因：黃土的靈敏度由原狀土和重塑土的無側(cè)限抗壓強度值決定，濕載作用對3種黃土的無側(cè)限抗壓強度均有著較大的影響，但經(jīng)過重塑過程的影響，濕載對原狀黃土的損傷大于對重塑黃土的損傷，表現(xiàn)為濕載對原狀黃土的無側(cè)限抗壓強度值降低幅度較大，原狀土和重塑土的無側(cè)限抗壓強度比值呈現(xiàn)減小的趨勢，即隨著含水率的增大、濕載作用的增強，黃土的靈敏度減小。

3濕載一凍一融耦合作用下靈敏度變化規(guī)律

當(dāng)凍融作用發(fā)生時，土顆粒之間的聯(lián)接和排列會因為土中自由水的媒介作用發(fā)生破壞，且其原狀和重塑土樣抵抗凍融作用損傷破壞的能力不同，表現(xiàn)為其靈敏度的變化。對3種黃土進行凍融后測定其靈敏度，分析凍融循環(huán)對黃土靈敏度的影響規(guī)律，見圖3～圖5。

考慮塑限對黃土靈敏度的影響，引入含水率差的概念。定義實際含水率與塑限含水率的差值為含水率差，用Δw表示。即

△w=w-wp（1）式中：w為實際黃土含水率；wp為塑限含水率。

由圖3～圖5可知：

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同含水率狀態(tài)下，3種黃土靈敏度均呈現(xiàn)降低的趨勢，凍融循環(huán)前10次靈敏度降低幅度較大，凍融20次后，靈敏度降低的幅度減小。

（2）陽曲黃土在含水率為8%時，凍融30次后，靈敏度從3.45降低至3.12，降低總幅度為9.5%。當(dāng)含水率為14%時，凍融作用下靈敏度降低的幅度為16.5%。當(dāng)含水率為18%、20%、22%、26%、35%時，凍融作用下靈敏度降低的幅度分別為19.7%、21.7%、22.8%、37.9%。當(dāng)含水率為20%時，凍融30次后，黃土由中靈敏度轉(zhuǎn)換為低靈敏度。當(dāng)含水率為22%時，黃土凍融20次后即由中靈敏度轉(zhuǎn)換為低靈敏度。當(dāng)含水率為26%時，黃土凍融5次后即由中靈敏度轉(zhuǎn)換為低靈敏度。因此隨著含水率的增大，凍融作用對靈敏度的影響作用增強。

（3）對于洛川黃土，當(dāng)含水率為8%、14%、18%、20%、22%、26%、35%時，其經(jīng)歷凍融30次后的靈敏度降低幅度分別為15.1%、15.8%、14.1%、9.0%、11.7%、8.9%、12.9%。對于寶雞黃土，當(dāng)含水率為8%、14%、18%、20%、22%、26%、35%時，其經(jīng)歷凍融30次后的靈敏度降低幅度分別為7.8%、8.9%、9.5%、14.3%、13.7%、14.3%、13.5%。因此，3種黃土在不同含水率狀態(tài)下，經(jīng)歷凍融循環(huán)后，靈敏度均有較大幅度的降低。

（4）3種黃土在塑限含水率時，即含水率差為0時，其靈敏度降低值均達到最大。陽曲黃土經(jīng)歷1、3、5、10、20、30次凍融循環(huán)時，其塑限含水率靈敏度值降低幅度分別為32.6%、34.9%、36.3%、35.8%、33.8%、36.5%，其余含水率時靈敏度降低幅度平均值為13.6%。洛川黃土經(jīng)歷1、3、5、10、20，30次凍融循環(huán)時，其塑限含水率靈敏度值降低幅度分別為7.9%、8.0%、10.0%，8.7%、2.6%、4.2%，其余含水率時靈敏度降低幅度平均值為2.5%。寶雞黃土經(jīng)歷1、3、5、10、20、30次凍融循環(huán)時，其塑限含水率靈敏度值降低幅度分別為6.1%、7.8%、11.4%、12.5%、11.2%、11.8%，其余含水率時靈敏度降低幅度平均值為1.3%。因此，當(dāng)處于塑限含水率時，3種黃土的靈敏度降低幅度均遠大于其余含水率時靈敏度的降低值。

分析其原因：

（1）當(dāng)凍融循環(huán)作用發(fā)生時，凍融作用以土顆粒之間的自由水為媒介，凍結(jié)時土中水約9%的體積膨脹，膨脹作用使得土中水和土顆粒之間產(chǎn)生作用力，即凍脹力。當(dāng)土顆粒之間的聯(lián)接鍵不足以抵抗凍脹力而發(fā)生破壞時，即發(fā)生了凍脹破壞。當(dāng)溫度升高時，土中水融化，土顆粒由于聯(lián)接鍵發(fā)生破壞而發(fā)生相對位移，宏觀上表現(xiàn)為沉降，我們稱其為融沉。當(dāng)融沉發(fā)生時，土中自由水體積恢復(fù)，但土顆粒之間的聯(lián)接鍵無法恢復(fù)，從而使得經(jīng)歷凍融循環(huán)后，黃土的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)降低的趨勢。

（2）當(dāng)黃土的含水率增大時，意味著參加凍融作用的自由水在增加，即凍結(jié)發(fā)生時，體積膨脹作用更加劇烈，對土顆粒聯(lián)接作用的破壞更加明顯，即對黃土無側(cè)限抗壓強度值的降低作用更加明顯。

（3）重塑黃土相對于原狀黃土，經(jīng)歷過顆粒間聯(lián)接和排列的重組過程，對于其固有的強度有先期損傷作用，即重塑土的無側(cè)限抗壓強度均低于原狀土的無側(cè)限抗壓強度，表現(xiàn)為3種黃土的靈敏度始終大于1。

（4）因重塑黃土在重塑過程中土顆粒的聯(lián)接已部分受損，故對于含水率相同的原狀和重塑黃土，凍融作用對原狀黃土的損傷作用大于對重塑黃土的損傷作用，表現(xiàn)為經(jīng)過凍融循環(huán)作用后黃土的靈敏度降低。

（5）當(dāng)含水率增大和凍融循環(huán)次數(shù)增加共同發(fā)生時，原狀和重塑黃土的無側(cè)限抗壓強度降低比單一因素作用時更為強烈，表明濕載-凍-融耦合作用對黃土的強度和靈敏度均有較大影響。

（6）塑限是黃土可塑和不可塑狀態(tài)的臨界含水率，達到塑限含水率時，土體的結(jié)構(gòu)特性有著較為明顯的變化，表現(xiàn)為土體原狀強度降低幅度遠遠大于重塑土體強度降低幅度。

4 濕載-凍-融耦合作用關(guān)系研究

對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的陽曲、洛川、寶雞黃土靈敏度與含水率差的關(guān)系進行研究，得知經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的3種黃土的靈敏度均與含水率差有著較好的冪指數(shù)關(guān)系，令

St=aebΔw（2）式中：St為黃土的靈敏度；a為不均勻系數(shù)；b為不均勻校正系數(shù)。

（1）對陽曲黃土的分析。對a、b與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系進行擬合，可得a與凍融循環(huán)次數(shù)N呈良好的冪指數(shù)關(guān)系，b可以取常數(shù)，其值為平均值。其關(guān)系為

a=2.5162e-0.008N（R2=0.9317）（3）

b=-0.034（4）

整理可知，陽曲黃土靈敏度與含水率差、凍融次數(shù)的關(guān)系式為

St=2.5162e-0.008N·e·（-0.034）△w（5）

（2）對洛川黃土的分析。對a、b與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系進行擬合，可得a與凍融循環(huán)次數(shù)N呈良好的冪指數(shù)關(guān)系，b可以取常數(shù)，其值為平均值。其關(guān)系為

a=1.2288e-0.004N（R2=0.9333）（6）

b=-0.008（7）

整理可知，洛川黃土靈敏度與含水率差、凍融次數(shù)的關(guān)系式為

St=1.2288e-0.004N·e·（-0.008）Δw（8）

（3）對寶雞黃土的分析。對a、b與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系進行擬合，可得a與凍融循環(huán)次數(shù)N呈良好的冪指數(shù)關(guān)系，b可以取常數(shù)，其值為平均值。其關(guān)系為

a=1.1949e-0.003N（R2=0.9135）（9）

b=-0.007（10）

整理可知，寶雞黃土靈敏度與含水率差、凍融次數(shù)的關(guān)系式為

St=1.949e-0.003·e·（-0.007）Δw（11）

5 結(jié)語

黃土的靈敏度是黃土結(jié)構(gòu)特性的重要指標(biāo)，對原狀和重塑土體強度變化及其相互關(guān)系有著直觀的反映。對濕載-凍-融耦合作用下陽曲、洛川、寶雞黃土的強度、靈敏度變化規(guī)律進行了計算研究，3種黃土的靈敏度與其含水率差、凍融循環(huán)次數(shù)有著較好的函數(shù)關(guān)系。

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