凍融作用對(duì)黃土物理性質(zhì)影響研究綜述

占世源 閆壘 仇楠

摘要：我國黃土總面積達(dá)63.1萬平方公里，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超其他國家，由此也帶來許多問題，特別是凍融作用對(duì)黃土工程性質(zhì)產(chǎn)生的不良影響，該作用會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生巨大影響，是黃土工程產(chǎn)生凍害的主要原因。凍融作用會(huì)影響黃土中水分的分布，改變黃土的飽和度，給土體帶來沉降和變形。從本質(zhì)上說，凍融作用會(huì)在一定程度上破壞黃土結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)黃土物理性質(zhì)發(fā)生改變。本文通過分析和整理凍融作用對(duì)黃土影響的相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)目前研究現(xiàn)狀、存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)，歸納其中共同點(diǎn)，總結(jié)其中存在規(guī)律，從而對(duì)凍融領(lǐng)域未來做出展望。

Abstract： The total area of loess in China is 631，000 square kilometers. This data far exceeds that of other countries. It also brings many problems， especially the adverse effects of freeze-thaw on the engineering properties of loess. This effect will have a huge impact on the project and is the main cause of frost damage in the loess project. Freeze-thaw effect will affect the distribution of water in loess， change the saturation of loess， and bring settlement and deformation to soil. In essence， freeze-thaw effect will destroy the structure of loess to a certain extent， which will lead to changes in the physical properties of loess. This article analyzes and collates the relevant literature on the influence of freeze-thaw effect on loess， summarizes the common points， summarizes the existing laws， and looks forward to the future of the field of freeze-thaw in view of current research status， existing problems， and development trends.

關(guān)鍵詞：凍融作用；黃土；飽和度；物理性質(zhì)

Key words： freeze-thaw；loess；saturation；physical properties

中圖分類號(hào)：U416.1+11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0259-02

0 引言

此前我國發(fā)生過很多起由黃土凍融引起的地質(zhì)災(zāi)害，在2010年3月19日，陽曲縣黃寨村水泉涯三巷發(fā)生黃土坍塌地質(zhì)災(zāi)害，該地質(zhì)坍塌對(duì)普通民眾造成了極大經(jīng)濟(jì)損失，損毀民眾房屋，改變地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)環(huán)境造成影響。該地區(qū)地表附近主要為黃土，下部為粉質(zhì)黏土，上部的黃土的透水性較好，同時(shí)下部的粉質(zhì)黏土可以形成隔水層，造成土體含水量極高。同時(shí)，土體通過凍融后強(qiáng)度、穩(wěn)定性急劇下降，最后導(dǎo)致此次事故的發(fā)生。諸如此類由黃土凍融而引發(fā)的工程事故還有很多，這些事故警醒人們應(yīng)該重視黃土工程凍害的防治和研究。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

此前世界上并沒有將凍土研究作為一門獨(dú)立的學(xué)術(shù)領(lǐng)域來看待，該現(xiàn)象在1927年得到徹底改觀，《蘇聯(lián)境內(nèi)永久凍結(jié)土壤》出版意味著全新領(lǐng)域已向人類展開，這本研究的問世從此為世界開啟了動(dòng)土研究新大門，也開啟了一門新學(xué)科。而黃土凍融作為凍土學(xué)科中的一個(gè)重要問題，吸引著許多研究者參與其中，并取得豐富成果?？茖W(xué)家們從不同角度對(duì)黃土凍融進(jìn)行研究，并由此獲取了一系列顯著成果，如呂擎峰等[1]透過微觀領(lǐng)域直接研究動(dòng)土的物理力學(xué)指標(biāo)和滲透性的變化，這些與普通研究不同的研究方法的運(yùn)用，為呂擎峰等設(shè)計(jì)如何改變黃土性質(zhì)的方案提供了技術(shù)支持；再有周志軍[2]等主要研究了外部條件對(duì)黃土物理性質(zhì)的影響，其發(fā)現(xiàn)溫度可以改變黃土中的含水率從而改變黃土的物理性質(zhì)，除此之外，這些研究者同時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度與黃土的壓縮模量息息相關(guān)，并與其呈現(xiàn)正比趨勢(shì)等等一系列研究成果。筆者借助國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)凍土的研究文獻(xiàn)，從客觀角度分析凍融循環(huán)如何改變黃土結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，并由此創(chuàng)作本文。

1.1 凍融對(duì)黃土孔隙率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，凍融才是影響季凍區(qū)黃土地區(qū)工程的主要原因。凍融作用通過增大黃土孔隙率，使建設(shè)在黃土基礎(chǔ)上的工程出現(xiàn)不同程度安全問題，包括裂縫、滲漏等，從而影響相關(guān)黃土工程的安全性。李玉國等[3]的研究表明，凍融作用可以導(dǎo)致黃土的孔隙率發(fā)生變化，從而影響黃土的濕陷性。借助李國玉等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清晰看出黃土濕陷性和孔隙率之間呈現(xiàn)正比關(guān)系，濕陷性越大的黃土，孔隙率一般不會(huì)有較小數(shù)值，根據(jù)以往研究結(jié)果，這一比率多在40%～50%左右，孔隙比為0.85～1.24。從微觀角度來看，凍融循環(huán)作用通過作用于黃土顆粒，進(jìn)而直接改變自身物理性質(zhì)，這種性質(zhì)包含孔徑，排列等。長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)增加，土壤會(huì)向越來越密的方向沉降，密實(shí)土體孔隙率與疏松土體孔隙率呈現(xiàn)出完全相反的變化方向。

對(duì)比李國玉等人的研究方法，馬駿驊等[4]采用一種截然不同的研究手法進(jìn)行黃土凍融的相關(guān)研究。在馬駿驊等的研究成果中，其通過控制黃土的凍融次數(shù)，從而得出黃土孔隙率的變化孔隙率呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)，中間點(diǎn)在第十次達(dá)到最低谷。這些研究數(shù)據(jù)可以看出，凍融作用影響孔隙率與很多因素有關(guān)，包括土質(zhì)、凍融次數(shù)等。

1.2 凍融對(duì)黃土含水率的影響

除了前文提及的影響因素外，凍融對(duì)黃土的影響也反應(yīng)在含水率方面。從以往研究來看，含水率與濕陷性呈現(xiàn)出負(fù)比關(guān)系，較高的含水率意味著較低濕陷性[5]。趙剛等人[6]研究含水率的影響機(jī)理發(fā)現(xiàn)，含水率的高低對(duì)水分遷移率的影響以正比例形式展現(xiàn)，遷移率隨其升高而加大。這一發(fā)現(xiàn)充分證明，含水率的高低對(duì)決定了凍融作用影響程度。

在趙剛等人的研究中，他們通過水分遷移來觀察含水率的變化，這是目前研究含水率變化最常用的方式。該觀察模型從模式差異角度可以分為三種類型，第一類研究方式——即毛細(xì)管理論模型的正確性存在爭(zhēng)議，這一模型通過將土壤類比為毛細(xì)管，將土壤中顆粒以規(guī)則排列的形式儲(chǔ)存于其中。但這一理論不能解釋冰透鏡現(xiàn)象，因而為研究者所詬病；第二種模型是分凝勢(shì)模型，該模型的優(yōu)勢(shì)在于可以準(zhǔn)確度量水分遷移量，但也存在不可避免的缺點(diǎn)，即受到多種因素限制，所以該模型依舊不是大眾選擇；最后一種模型是由諸多研究者共同推出的模型，動(dòng)力學(xué)模型。該模型具有較多前兩者不具備的優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛接受。該模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以描述較多凍融現(xiàn)象，包括孔隙水凍結(jié)、熱質(zhì)遷移等。值得注意的是，該模型在物理學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立多項(xiàng)介質(zhì)本構(gòu)方程并確定多項(xiàng)介質(zhì)自由能和耗散能表達(dá)式[7]。

除了上述理論研究外，還可以用實(shí)驗(yàn)方法來分析含水率變化。趙剛等[6]研究本身性質(zhì)不同的粉質(zhì)黏土在-40～60℃凍融作用下黏土自身發(fā)生的水分遷移，發(fā)現(xiàn)在溫度不同時(shí)，水分遷移率存在不同表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，水分遷移量在深度不同時(shí)表現(xiàn)不同，試樣2～8cm層處含水率增大，8～12 cm層含水率減小。根據(jù)上文數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)除了深度對(duì)水分遷移有影響外，溫度影響也不可忽視。溫度通常正向影響水分遷移，并使其以正比例于溫度的趨勢(shì)變化。凍結(jié)時(shí)溫度越低，試樣5cm處水分聚集量越大，溫度梯度越大，凍結(jié)速率越快，水分聚集層離暖端越近，借助上述研究結(jié)果，可以將影響凍融作用對(duì)黃土含水率的影響歸結(jié)于兩個(gè)方面即溫度梯度和土體初始含水率。

1.3 凍融對(duì)黃土滲透性的影響

滲透性也是對(duì)黃土工程影響較重要的因素，只有了解黃土地區(qū)滲透規(guī)律，才能避免凍融作用對(duì)黃土建設(shè)的毀壞，才能將黃土設(shè)計(jì)真正意義上從設(shè)計(jì)投射至現(xiàn)實(shí)情況。而凍融對(duì)于黃土滲透性的影響則已經(jīng)較為準(zhǔn)確地得出結(jié)論，在學(xué)術(shù)領(lǐng)域上，對(duì)于該影響方式存在一致觀點(diǎn)，凍融作用對(duì)土的密度存在雙向作用，這一雙向作用將松散土和密實(shí)土壤向兩個(gè)完全不同的密度趨勢(shì)延伸，凍融作用會(huì)導(dǎo)致松散黃土密度變高，密實(shí)黃土密度變低，雖然密度會(huì)朝著兩個(gè)方向發(fā)展，但凍融最終都會(huì)使得黃土滲透性增大。

研究者發(fā)現(xiàn)凍融前后黃土滲透性發(fā)生變化的主要原因在于黃土孔隙和粒徑的變化，同時(shí)相關(guān)研究表明，粒徑對(duì)黃土滲透性的影響更大。宋春霞對(duì)蘭州Q3原狀黃土進(jìn)行反復(fù)凍融后，利用現(xiàn)代技術(shù)掃描發(fā)現(xiàn)，樣本表面產(chǎn)生裂縫是滲透性發(fā)生改變的主要原因，Q3黃土滲透性在不同情況下呈現(xiàn)不同變化，但影響黃土滲透性的主要原因?yàn)辄S土粒徑的變化[8]。對(duì)于凍融作用而言，其通過改變黃土顆粒粒徑，使黃土結(jié)構(gòu)由緊致變?yōu)槭杷桑罱K使黃土滲透系數(shù)增大。

2 存在的問題

對(duì)于上述研究，筆者認(rèn)為其中仍然存在問題，從研究方式角度而言，可以分為以下幾點(diǎn)。

第一，凍融作用主要改變黃土結(jié)構(gòu)性，而目前的研究主要集中于黃土的大孔隙性和濕陷性上，借助現(xiàn)代較高級(jí)的設(shè)備對(duì)黃土結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀領(lǐng)域的分析。但鮮有研究者著眼于黃土的結(jié)構(gòu)性，對(duì)其進(jìn)行微觀定量分析定量。

第二，在黃土凍融實(shí)驗(yàn)中，以下關(guān)鍵問題上還存在分歧。例如：選擇不同的凍融方式會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同影響，時(shí)間段的確立也會(huì)影響凍融結(jié)果，所以需要針對(duì)實(shí)際來選擇不同方式。

第三，由于研究設(shè)備缺乏，現(xiàn)階段研究成果還未得到驗(yàn)證。由于現(xiàn)實(shí)情況的限制，諸多研究結(jié)果無法直接作用于實(shí)際工程建設(shè)。

3 結(jié)論及展望

①在已研究成果中，凍融影響黃土的方式以密度和滲透性為主，無論黃土密度如何變化，凍融均會(huì)增加土的滲透性，這些研究成果已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)識(shí)。而對(duì)于凍融是否會(huì)影響黃土的其他方面，仍然處于分歧狀態(tài)，這種分歧將會(huì)引領(lǐng)未來學(xué)術(shù)發(fā)展方向。

②黃土凍融的相關(guān)研究中仍然存在一個(gè)問題沒有攻克，即凍融作用對(duì)黃土濕陷性的影響，該方面的相關(guān)研究結(jié)論較少。同時(shí)，由于沒有現(xiàn)實(shí)成果作為支持，這一研究沒能從現(xiàn)實(shí)角度解決問題。對(duì)于該問題未來將仍需要進(jìn)行研究，研究成果出現(xiàn)后才能解決困擾諸多專業(yè)學(xué)者的季節(jié)性凍土地區(qū)黃土路基災(zāi)害問題。

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