凍融循環(huán)對(duì)新疆黃土結(jié)構(gòu)的影響

陳敬知 張遠(yuǎn)芳 潘蕾 張運(yùn)海

摘要：為探究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)黃土結(jié)構(gòu)的影響，選取新疆天山北麓黃土，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對(duì)重塑黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)后的濕陷試驗(yàn)，結(jié)果表明：黃土濕陷凈變形隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多先增大后趨于穩(wěn)定;含水率低于塑限時(shí)黃土表現(xiàn)為凍縮，含水率高于塑限時(shí)黃土表現(xiàn)為凍脹;凍縮時(shí)凍融循環(huán)使黃土濕陷系數(shù)降低，凍脹時(shí)黃土濕陷系數(shù)增大，凍縮對(duì)黃土濕陷性起到弱化作用，凍脹使黃土濕陷性增強(qiáng)：含水率對(duì)黃土凍融循環(huán)后濕陷性的變化起主導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);凍脹;凍縮;濕陷系數(shù)

中圖分類號(hào)：P642.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.05.027

新疆地區(qū)黃土分布廣泛，在形成時(shí)間上比黃土高原更晚，因此具有強(qiáng)烈的濕陷特性。新疆大部分地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，在凍融循環(huán)作用下淺層濕陷性黃土反復(fù)遭受凍結(jié)、融化作用，導(dǎo)致土顆粒間水一冰相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而改變黃土的結(jié)構(gòu)，造成黃土地基的不均勻沉降、塌陷等。黃土濕陷性又稱為“水敏性”，探究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)黃土水敏性的影響具有一定意義。

黃土在天然狀態(tài)下一般是穩(wěn)定的，并具有一定濕陷結(jié)構(gòu)[1-2]，凍融循環(huán)能夠改變重塑黃土內(nèi)部的土體骨架。方麗莉等[3-5]研究了凍融循環(huán)作用對(duì)黃土結(jié)構(gòu)的影響：董曉宏等[6]研究了凍融循環(huán)對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的劣化作用，建立了強(qiáng)度劣化模型：張世民等[7-8]研究表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土干密度趨于某一特定值，土顆粒間自由水的分布規(guī)律在凍融循環(huán)條件下發(fā)生改變：宋春霞等[9]指出凍融循環(huán)對(duì)不同干容重的土具有強(qiáng)化和弱化的雙重作用：王治軍等[10]提出黃土凍脹臨界含水率與塑限接近：肖東輝等[11]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用將孔隙中大顆粒分解成小顆粒，導(dǎo)致黃土孔隙率發(fā)生改變，進(jìn)而影響黃土的濕陷性：王泉等[12]認(rèn)為在凍融循環(huán)下黃土具有二次濕陷性，重塑土的二次濕陷比原狀黃土更為強(qiáng)烈。地基和路基濕陷變形增加的主要原因是，在凍融循環(huán)和增濕條件下，壓實(shí)黃土結(jié)構(gòu)疏松和強(qiáng)度劣化，在實(shí)際工程中，黃土凍脹往往受力不均，對(duì)建筑物危害極大。李國(guó)玉等[13-14]認(rèn)為，壓實(shí)黃土反復(fù)凍脹和融沉，使黃土干密度減小，孔隙比增大，濕陷變形增加。本文通過(guò)對(duì)黃土凍融循環(huán)變形量變化規(guī)律的分析，以及新疆黃土凍融循環(huán)后濕陷系數(shù)變化規(guī)律的探討，得出新疆地區(qū)凍融循環(huán)對(duì)不同含水率下重塑黃土結(jié)構(gòu)的影響，以期為新疆地區(qū)黃土地基病害防治提供借鑒。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用土取自新疆天山北麓昌吉回族自治州昌吉市第二污水處理廠，昌吉地區(qū)年均最大凍土深度為1.42 m，故將取樣深度確定為1.40 m。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T 50123-1999）進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)，得到原狀黃土基本物理指標(biāo)，其中天然含水率為8%.干密度為1.49 g/cm3，相對(duì)體積質(zhì)量為2. 68，塑限為18.1%，液限為28.5%，塑性指數(shù)為10.4。將原狀黃土碾碎過(guò)2.0 mm圓孔篩后放人烘箱，烘至恒重，按照原狀黃土干密度pd= 1.49 g/cm³配置重塑黃土，含水率取8%、13%、18%和23%，采用擊樣法，在環(huán)刀內(nèi)制成土樣備用。

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段。第一階段為凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用可控式低溫試驗(yàn)箱，用固結(jié)儀容器盛放試驗(yàn)土樣。為保證試驗(yàn)過(guò)程中土樣含水率不變，且避免土樣上部受壓影響試驗(yàn)結(jié)果，在試樣底部鋪設(shè)保鮮膜，護(hù)環(huán)內(nèi)壁用凡士林密封，用8 mm厚亞克力板代替透水石與加壓上蓋。在冰箱底部鋪設(shè)氣泡膜，以減小冰箱震動(dòng)導(dǎo)致的誤差。經(jīng)反復(fù)測(cè)定，土樣在+25℃下，單周期24 h可完成凍結(jié)和解凍（凍結(jié)12 h、解凍12 h），凍融循環(huán)次數(shù)為1- 10次。由于百分表受低溫影響存在誤差，因此不同含水率黃土設(shè)置4組平行試驗(yàn)，取4組平行試驗(yàn)百分表讀數(shù)的平均值。由于試樣在有側(cè)限條件下只在豎向發(fā)生脹縮，因此黃土凈變形量乘以環(huán)刀面積（30 cm²）為黃土體積變化量。第二階段試驗(yàn)為不同含水率黃土在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的濕陷試驗(yàn)，在室溫25℃下進(jìn)行。由于5次凍融后，單周期凈變形量變化不大，因此濕陷試驗(yàn)選取0、1、3、5、10次凍融后的試樣進(jìn)行。試驗(yàn)儀器為WG型單杠固結(jié)儀，采用雙線法進(jìn)行，即一個(gè)試樣保持其含水率不變，另一個(gè)試樣在25 kPa壓力下，達(dá)到變形穩(wěn)定后，自試樣底面加水，待再度穩(wěn)定后，按照100、200、400、800、1 600 kPa逐級(jí)加壓，讀數(shù)后獲得原含水率土體與飽和含水率土體的壓縮位移，計(jì)算不同因素下黃土的濕陷系數(shù)δsp：

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融特性

各級(jí)含水率黃土變形量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖1。當(dāng)干密度為1.49 g/cm³時(shí)，含水率為8%、13%、18%的黃土受凍凈變形量小于0，出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象;含水率為23%的黃土凈變形量大于0，表現(xiàn)為凍脹。含水率為8%、13%、18%、23%的黃土，10次凍融循環(huán)后的凈變形量分別為-0.042、-0.029、-0.024、0.042 mm。從圖1可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的變形量達(dá)到最大值后不再增加而是趨于某一定值，含水率為8%、13%、18%、23%的黃土分別于第5、4、4、3周期凍脹率達(dá)到峰值，此時(shí)黃土結(jié)構(gòu)可視為已完成重組，即凍融循環(huán)作用下含水率較高的黃土先完成重組。凍脹率達(dá)到峰值后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單周期內(nèi)凍脹率與融沉系數(shù)值大致相等，黃土土體凍脹增量為0.即隨著凍融次數(shù)的增加，達(dá)到峰值后單周期內(nèi)土體受凍產(chǎn)生的變形量大致與融化產(chǎn)生的變形量相等，因此也可說(shuō)明黃土結(jié)構(gòu)重組完成。凍脹率、融沉系數(shù)與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2、圖3。

由于取樣地含鹽量低，因此鹽脹對(duì)黃土的影響可忽略不計(jì)。當(dāng)溫度降低至凍結(jié)溫度及其以下時(shí)，土顆粒遵循熱脹冷縮這一物理規(guī)律發(fā)生凍縮，土中的水逐漸向冰轉(zhuǎn)化，發(fā)生體積膨脹。土水系統(tǒng)中，溫度降至凍結(jié)溫度及其以下，當(dāng)含水率小于塑限含水率時(shí)，水吸附于土顆粒表面，土顆粒中伊利石、蒙脫石等礦物發(fā)生受凍收縮，粒間無(wú)自由水結(jié)晶膨脹，升溫時(shí)土體體積發(fā)生膨脹。在10次凍融循環(huán)后，含水率越低，黃土融化后收縮越明顯，見(jiàn)圖2、圖3。當(dāng)含水率大于塑限18%時(shí)，黃土內(nèi)部有足夠的自由水參與凍融循環(huán)，自由水受凍結(jié)晶，冰晶的凍脹力破壞黃土結(jié)構(gòu)，融化時(shí)結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)，導(dǎo)致土體體積發(fā)生膨脹，表現(xiàn)為凍脹，在溫度上升時(shí)出現(xiàn)融沉。凍融循環(huán)凈變形量是累加的過(guò)程，凈變形量達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明黃土在冷凍、融化的交替作用下結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生累加變化，當(dāng)凈變形量達(dá)到峰值時(shí)黃土結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全重組，黃土結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凈變形量不再發(fā)生明顯變化，脹縮量基本相等。

2.2 凍融循環(huán)對(duì)黃土濕陷性的影響

將不同次數(shù)凍融循環(huán)后的濕陷系數(shù)與未凍黃土濕陷系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可知凍融循環(huán)對(duì)含水率為8%和13%黃土濕陷性影響不大，雖然經(jīng)歷了由1次到10次的凍融循環(huán)，低含水率條件下，黃土在不同壓力段與未凍黃土一樣有較大的濕陷性，濕陷系數(shù)在800 kPa壓力時(shí)達(dá)到最大，濕陷系數(shù)峰值大于0.07.屬于強(qiáng)烈濕陷性黃土，見(jiàn)圖4。因此含水率遠(yuǎn)小于黃土塑限含水率時(shí)，凍融循環(huán)作用對(duì)黃土濕陷性影響不大，這與低含水率條件下新疆黃土降溫時(shí)凍縮、升溫時(shí)熱脹有很大關(guān)系。當(dāng)含水率靠近塑限含水率時(shí)，濕陷系數(shù)在400 kPa壓力下達(dá)到最大，壓力小于200 kPa時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)黃土濕陷性無(wú)明顯影響，當(dāng)壓力大于200 kPa時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加黃土濕陷性有所降低。當(dāng)含水率超過(guò)塑限時(shí)，黃土在降溫時(shí)表現(xiàn)為凍脹，升溫時(shí)表現(xiàn)為融沉。隨著融沉不斷累加，黃土中孔隙比減小，濕陷系數(shù)明顯減小，此時(shí)低壓力段因凍脹和融沉值相對(duì)較小，濕陷系數(shù)變化不大，在200。400 kPa壓力段濕陷系數(shù)降低最顯著，此時(shí)融沉相對(duì)較大，使黃土濕陷性相對(duì)降低，當(dāng)壓力大于800 kPa時(shí)，濕陷系數(shù)變化不大，且趨于平緩，見(jiàn)圖4（d）。

含水率低于塑限的黃土由于凍縮作用，因此前5個(gè)周期內(nèi)，濕陷系數(shù)峰值隨凍融次數(shù)的增加有所減小，第5周期與第10周期黃土濕陷系數(shù)曲線基本一致，說(shuō)明黃土結(jié)構(gòu)于第5周期前完成重組：含水率高于塑限的黃土受凍脹影響，前5周期內(nèi)，濕陷系數(shù)峰值逐漸增大，第5周期與第10周期黃土濕陷系數(shù)曲線相吻合，即第5周期后黃土結(jié)構(gòu)無(wú)明顯改變，新的結(jié)構(gòu)于第5周期已經(jīng)成型，見(jiàn)圖4、表1。各含水率黃土經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)后，濕陷系數(shù)峰值均大于0.015，說(shuō)明在凍融循環(huán)作用下黃土形成的新結(jié)構(gòu)仍然具有濕陷性，且含水率越大，在逐級(jí)加荷過(guò)程中濕陷系數(shù)峰值出現(xiàn)的越早，即黃土抵抗?jié)裣葑冃蔚哪芰υ饺?。黃土的濕陷系數(shù)與結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)。凍融循環(huán)使得黃土大顆粒崩解，大孔隙減少，小孔隙增加。凍縮黃土在重力作用下土顆粒逐漸密實(shí)，導(dǎo)致孔隙率降低形成新的結(jié)構(gòu)，相較未凍融土樣而言，凍縮對(duì)于黃土結(jié)構(gòu)起到了強(qiáng)化作用，從而降低了濕陷性。凍脹的往復(fù)循環(huán)導(dǎo)致黃土孔隙率增大，黃土骨架變得疏松，濕陷性增強(qiáng)。由圖1、圖4可以得出，黃土濕陷系數(shù)峰值的變化規(guī)律與凍融循環(huán)凈變形量的變化規(guī)律相似：黃土達(dá)到最大凈變形量時(shí)，其濕陷系數(shù)峰值達(dá)到最大，且在之后的凍融循環(huán)過(guò)程中無(wú)明顯變化，說(shuō)明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，濕陷系數(shù)峰值趨于穩(wěn)定時(shí)，黃土濕陷結(jié)構(gòu)完成重組。

3 結(jié)論

不同含水率黃土的凍融循環(huán)試驗(yàn)以及凍融循環(huán)后濕陷試驗(yàn)研究表明：新疆黃土由于其特殊的結(jié)構(gòu)與礦物組成，因此當(dāng)黃土含水率低于塑限時(shí)出現(xiàn)凍縮，當(dāng)含水率高于塑限時(shí)表現(xiàn)為凍脹：黃土的凍脹率曲線在達(dá)到峰值后趨于某一個(gè)定值，此時(shí)可認(rèn)為凍融循環(huán)條件下黃土新的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成：黃土因凍融循環(huán)而出現(xiàn)脹縮現(xiàn)象，脹縮使黃土孔隙率發(fā)生變化，黃土結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而影響黃土的濕陷系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]高國(guó)瑞，黃土顯微結(jié)構(gòu)分類與濕陷性[J].中國(guó)科學(xué)，1980，10（ 12）：1203-1208.

[2]高國(guó)瑞，黃土濕陷變形的結(jié)構(gòu)理論[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1990，12（4）：1-10.

[3]方麗莉，齊吉琳，馬巍，凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)性的影響及其導(dǎo)致的強(qiáng)度變化[J].冰川凍土，2012，34（2）：435-440.

[4]齊吉琳，張建明，朱元林，凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)性影響的土力學(xué)意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（增刊2）：2690-2694.

[5]

EDWIN J C，ANTHONY J G.Effect of Freezing and Thawingon the Permeability and Structure of Soils[J].Engineering Ce-ology， 1979（ 13）： 73-92.

[6] 董曉宏，張愛(ài)軍，連江波，等，反復(fù)凍融下黃土抗剪強(qiáng)度劣化的試驗(yàn)研究[J].冰川凍土，2010，32（4）：767-772.

[7] 張世民，李雙洋，青藏粉質(zhì)黏土凍融循環(huán)試驗(yàn)研究[J].冰川凍土，2012，34（3）：625-631.

[8] 楊成松，何平，程國(guó)棟，等，凍融作用對(duì)黃土干容重和含水量影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（增刊2）：2695-2699.

[9]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）：1077-1080，1086.

[10] 王治軍，潘俊義，周鵬，等，凍融作用對(duì)黃土濕陷性的影 響[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2016，12（6）：1710-1716.

[11] 肖東輝，馮文杰，張澤，凍融循環(huán)作用下黃土孔隙率變化規(guī)律[J].冰川凍土，2014，36（4）：907-912.

[12] 王泉，馬巍，張澤，等，凍融循環(huán)對(duì)黃土二次濕陷特性的影響研究[J].冰川凍土，2013，35（2）：376-382.

[13] 李國(guó)玉，馬巍，穆彥虎，等，凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土濕陷變形影響的過(guò)程和機(jī)制[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2011，24（5）：1-5，10.

[14] 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.

【責(zé)任編輯呂艷梅】