壓實黃土單向凍融特性研究

閆壘　仇楠　占世源

摘 要：黃土是第四世紀堆積的以粉土顆粒為主、富含碳酸鹽、具有大孔隙、黃色的土狀堆積物。由于黃土分分布范圍廣，因此成為工程建設的主要承載土體。然而絕大部分位于季節(jié)性凍土區(qū)。所以，針對季凍區(qū)土的凍融造成的危害，深入了解黃土非充分補水條件下的凍脹率，融沉特性有很大的研究意義，對季凍區(qū)工程建設非常重要，在以往的研究基礎上，分析了季凍區(qū)凍融特性。

關鍵詞：凍融；凍脹率；融沉特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.211

0 引言

我國黃土主要分布在主要是山西、陜西、寧夏、甘肅東南部和河南西部，而這些地區(qū)廣泛存在著季節(jié)性凍土區(qū)，溫度在0℃或0℃以下含有冰的各種巖石和土壤稱為凍土，我國的西北高山東北北部存在著大片多年凍土，季節(jié)凍土區(qū)主要分布在秦嶺-淮河線以北，賀蘭山沿線地區(qū)。季凍區(qū)受溫度影響較大，冬季在地表層凍結(jié)，夏季融化，凍土的力學性質(zhì)比融土的力學性質(zhì)復雜得多，溫度，含水率，土的密度以及土的類型影響著凍土的力學性質(zhì)[1]，這對季凍區(qū)工程的建設加大了難度，再加上近年來事故的發(fā)生，給人們造成了巨大的威脅，國家倡導西部大開發(fā)建設。因此，研究壓實黃土的凍融特性，對工程的凍害防治具有重要意義。

1 研究進展

1.1 黃土的組成

黃土是指在地質(zhì)時代中的第四紀期間，以風力搬運的黃色粉土沉積物。它是原生的、成厚層連續(xù)分布，黃土狀土又叫次生黃土，是原生黃土地層再受風力以外的營力搬運，主要是洪積、坡積、沖積成因，堆積在洪積扇前沿，低階地與沖積平原上，有層理，很少夾古土壤，垂直節(jié)理不發(fā)育，不易形成陡壁。我國黃土的弧線分布除了受山脈地形控制外，與我國氣候的帶狀分布有關。黃土中有礦物的存在，使黃土具有吸附、膨脹、收縮等特性，影響到黃土的工程性質(zhì)。碳酸鹽類礦物往往起膠結(jié)作用，使黃土在天然結(jié)構(gòu)情況下，顆粒經(jīng)常呈團聚體存在。遇水后，由于可溶鹽膠結(jié)的團聚體被破壞，往往使黃土的濕陷性增強。故有人認為，黃土中碳酸鹽類的存在是黃土濕陷的原因之一。

黃土中垂直節(jié)理的產(chǎn)生，一方面由于在重力作用下黃土內(nèi)部在鉛直方向上受張應力的作用，另一方面黃土中又有著眾多的鉛直孔隙，削弱了水平方向的合力，因而沿鉛直方向易產(chǎn)生裂隙。在黃土區(qū)的邊坡部位，經(jīng)常沿節(jié)理面發(fā)生崩塌，形成峭壁，有時至產(chǎn)生大規(guī)模的滑坡。

1.2 黃土的性質(zhì)

影響黃土性能的因素很多，也很復雜，但是對黃土壓實起控制性影響的因素概括來說主要有內(nèi)部因素和外部因素。、許建[2]等采用電子顯微鏡技術、壓汞法來研究黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對黃土工程性質(zhì)的影響，取得了重大進展。張英[3]使用相似的方法發(fā)現(xiàn)小孔隙受凍融的作用較小，小孔隙的直徑凍融后基本保持不變。大孔隙受凍融的作用較大，大孔隙的直徑凍融后變大。這是由于土中孔隙水在土顆粒表面附著，溫度低于0℃時，經(jīng)歷一個凍結(jié)期，到達臨界值時，土開始凍結(jié)，土中水體積變大從而土體膨脹。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，季凍區(qū)建設工程的病害主要原因是反復的凍脹，融沉。凍土的性質(zhì)比融土的性質(zhì)復雜的多，凍土是四相體系，在凍結(jié)過程中未凍區(qū)的水分向凍結(jié)區(qū)聚集，并伴有膨脹現(xiàn)象，當土融化時，孔隙水排出使土體下沉，造成建筑物地基不均勻沉降從而引起破壞。經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，密實的土孔隙比增大，強度減小[4]，潘鵬等[5]對壓實黃土分別采用補水和非補水條件，發(fā)現(xiàn)有外界補水時，初始干密度與凍融循環(huán)次數(shù)存在關聯(lián)，另有研究發(fā)現(xiàn)，初始干密度大的經(jīng)過凍融后干密度變小，而初始干密度曉得相反，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定值。周泓等[6]研究了凍融對土體物理性質(zhì)的作用，發(fā)現(xiàn)土樣的孔隙比隨凍融次數(shù)增加表現(xiàn)為先增大后趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。

2 研究展望

到目前為止，我國關于凍融作用對土的影響研究已經(jīng)進行的比較深入，歸結(jié)起來可以看到，目前凍融作用對不同土質(zhì)、各種混合土都有研究，研究早期主要集中針對水分、成冰作用和土體凍脹的機理等方面，并且致力于建立凍脹-融沉模型的研究，理論上取得了不錯的成果，但與實際工程結(jié)合的程度有限。后來逐漸開始對凍融作用下的各種土的物理性質(zhì)開始研究，得到的結(jié)論大致相同，如今這方面的研究比較充分，但是由于土質(zhì)、試驗方法等方面的不同，得到的結(jié)論難免有出入。目前，對于凍脹的研究較為深入，對融沉的研究多停留在經(jīng)驗方法上。

凍融作用對土力學性質(zhì)的影響，尤其是強度、模量等方面的研究還不是很充分，而且分歧比較大。凍融對土工程性質(zhì)的影響研究不多，而且已有的研究基本上都是一次或者幾次的凍融。由于多次凍融循環(huán)涉及的歷時久，試驗量大，目前多數(shù)研究只涉及一種或者兩種凍結(jié)方式下的幾個凍融循環(huán)，研究并不全面。至今針對黃土的長期凍融循環(huán)的物理力學性質(zhì)方面研究還很有限，有待進一步去探索，由于試驗試樣的類型、試樣的初始條件、凍融條件及循環(huán)次數(shù)等方面的不同，導致許多研究者的結(jié)論經(jīng)常得出不一致的結(jié)論。另外凍土試樣很難采集，有很多難以控制的因素，對于該問題需進一步研究，對季凍區(qū)工程建設具有重大意義。

參考文獻：

[1]齊吉琳，馬巍.凍土的力學性質(zhì)及研究現(xiàn)狀[J].巖土力學，2010， 31（01）：133-143.

[2]許健，王掌權，任建威等.原裝黃土與重塑黃土凍融過程滲透特性對比試驗研究[J].工程地質(zhì)學報，2017，25（02）：292-299.

[3]張英，邴慧.基于壓汞法的凍融循環(huán)對土體孔隙特征影響的試驗研究[J].冰川凍土，2015，37（01）：169-174.

[4]嚴晗，王天亮，劉建坤.粉砂土反復凍脹融沉特性試驗研究[J].巖土力學，2013，34（11）：3159-3165.

[5]潘鵬，李劍，郝佳興等.寧夏飽和黃土的凍脹融沉特性[J].科學技術與工程，2016，16（18）：230-233.

[6]周泓，張澤，秦琦等.凍融循環(huán)作用下黃土基本物理性質(zhì)變異性研究[J].冰川凍土，2015，37（01）：162-168.

作者簡介：閆壘（1995-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士在讀，研究方向：地基基礎。