凍融作用對(duì)原狀黃土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律

李雙好　李元?jiǎng)住「咝纴啞∈?/p>

摘 要：以西寧市某區(qū)域內(nèi)原狀黃土為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)封閉系統(tǒng)下的三向慢速凍結(jié)試驗(yàn)、恒溫恒濕的融化試驗(yàn)以及三軸剪切試驗(yàn)?；谕恋哪獱枎?kù)倫強(qiáng)度理論，利用抗剪強(qiáng)度包線求解黏聚力和內(nèi)摩擦角，研究不同凍融溫度梯度下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著溫度梯度增大，黏聚力衰減速度顯著，衰減為極小值時(shí)的最不利凍融溫度梯度為-15～15 ℃;凍融黃土的黏聚力與冷端溫度、融化溫度有關(guān);較低含水率和較小冷端溫度耦合作用或較高含水率和較大冷端溫度耦合作用時(shí)，與冷端溫度相比，融化溫度為主導(dǎo)影響因素。隨著冷端溫度的增大，不同含水率試樣的黏聚力降低幅度呈先減小、后增大的規(guī)律，最不利的含水率為18.34%。內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出不規(guī)律性波動(dòng)，變化幅度約為0～14°。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出黏聚力隨冷端溫度和含水率變化規(guī)律的計(jì)算式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算式能較好地描述其變化特性。

關(guān)鍵詞：凍融;原狀黃土;溫度梯度;含水率;抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）01-0048-08

Abstract：Taking the intact loess in a certain area in Xining as the research object， they were designed the three directions slow freezing test under the closed system， the constant temperature and humidity thawing test and the triaxial shear test. Based on the Mohr-Coulomb strength theory of soil， the cohesion and internal friction were solved by using the shear strength envelope， and the variation of shear strength indexes under different freezing thawing temperature gradients are studied.The results show that： with increase of temperature gradients， the cohesion decay rate is remarkable， and it is -15～15 ℃ for the most disadvantageous freeze-thaw temperature gradient when the cohesion is minimum;The cohesion of frozen-thawed loess is related to the cold end temperature and thawing temperature;Compared with cold end temperature， the thawing temperature is the dominant factor when the moisture content is lower and the temperature at the cold end is lower， or the temperature at the cold end is higher. With the increase of the cold end temperature， the cohesion of samples with different moisture contents decrease firstly and then increase， the most disadvantageous moisture content is 18.34%.The internal friction shows irregular fluctuations， and the extent of variation is about 0°～14°. The calculation formula of the cohesion with the cold end temperature and moisture content is fitted by the experimental data. The experimental formula can better describe the variation characteristics of cohesion.

Keywords：freeze-thaw; intact loess; temperature gradient; moisture content; shear strength

在高寒高海拔黃土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，不僅需要考慮冬季施工中較大的晝夜溫差（夜晚低溫，白天高溫），還要考慮惡劣天氣情況。如凍雨、積雪、霜凍，這些不確定因素將會(huì)導(dǎo)致黃土凍融效應(yīng)愈發(fā)強(qiáng)烈。因此，在冬季施工時(shí)，要確保工程的長(zhǎng)期性和穩(wěn)定性，如何準(zhǔn)確選用黃土的強(qiáng)度指標(biāo)將成為關(guān)鍵。

目前，凍融黃土強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律研究已經(jīng)取得了一些成果。其一是基于以含水率為影響因素的研究：有的結(jié)論為黏聚力減小、內(nèi)摩擦角增大[1-3]，有的結(jié)論為黏聚力減小、內(nèi)摩擦角基本不變[4-5]，有的結(jié)論為黏聚力、內(nèi)摩擦角均減小[6];其二是針對(duì)凍結(jié)溫度對(duì)土體凍融效應(yīng)的影響特性：Liu等[7]在不同的冷端溫度和單向融化溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)土體強(qiáng)度隨冷端溫度的降低而升高;王鐵行等[3]研究?jī)鋈谠瓲铧S土，發(fā)現(xiàn)黏聚力的降低值和內(nèi)摩擦角的增加值分別與凍結(jié)溫度成正比;宋春霞等[8]以蘭州黃土容重為試驗(yàn)變量，使其在不同凍結(jié)溫度下進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明凍結(jié)溫度增大，黏聚力降低幅度也增大，但內(nèi)摩擦角增加幅度卻比較小;許健等[9]基于抗剪強(qiáng)度劣化試驗(yàn)研究，得出黏聚力強(qiáng)度劣化模型。

綜上所述，學(xué)者們已對(duì)凍融黃土強(qiáng)度研究做了大量工作，發(fā)現(xiàn)含水率、凍結(jié)溫度等是影響黃土強(qiáng)度的重要因素。但大多研究影響黃土強(qiáng)度的溫度變量較為單一，缺少對(duì)凍融溫度梯度影響因素的研究，也缺少凍融溫度梯度與含水率耦合作用下對(duì)土體強(qiáng)度變化規(guī)律的影響研究。因此，有必要以溫度梯度、含水率為變量，研究?jī)鋈谠瓲铧S土強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律。筆者針對(duì)青海西寧地區(qū)特殊的地質(zhì)和氣象條件，開(kāi)展了凍融循環(huán)作用下的原狀黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原狀黃土取自青海西寧某區(qū)域，取土深度范圍為0.5～2.0 m，顏色為黃色。由地勘報(bào)告知，試驗(yàn)用土由第四系①1層植被土（Q3pd）、①1層素填土（Q4ml）

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn) 試樣凍結(jié)采用專業(yè)試驗(yàn)箱，溫度控制范圍為-50～50 ℃，精度為0.1 ℃，能夠滿足試驗(yàn)要求。為了模擬封閉系統(tǒng)下無(wú)外界水源補(bǔ)給的試驗(yàn)情況，首先，使用保鮮膜將原狀黃土三軸試樣密合地包裹，放置于密封袋中，防止水分散失。然后，將密封袋中裝有密切貼合的保鮮膜試樣，放置在墊有雙層氣泡膜的試驗(yàn)托盤上，防止試樣在凍融過(guò)程中出現(xiàn)破損現(xiàn)象等，以免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。接下來(lái)，在試驗(yàn)箱上分別設(shè)置冷端溫度-5、-10、-15 ℃，試樣在試驗(yàn)箱凍結(jié)12 h。最后是試樣融化，分別放在空調(diào)溫度設(shè)置為10、15 ℃的試驗(yàn)室，保證試樣在恒溫恒濕的環(huán)境下融化12 h。試樣經(jīng)歷一次凍融循環(huán)時(shí)間為24 h，溫度傳感器測(cè)量證明，試樣凍結(jié)12 h可以完全凍透，融化12 h能夠徹底融透。

首次凍融后強(qiáng)度指標(biāo)變化明顯，但與黃土初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，且能總體反映其大致變化趨勢(shì)。在青海高寒黃土地區(qū)的實(shí)際工程應(yīng)用中，基坑、邊坡開(kāi)挖后暴露，突遇雨雪等惡劣天氣情況等，不能得到有效的防護(hù)，導(dǎo)致坑壁至少經(jīng)歷一次凍融循環(huán)。資料表明，凍融循環(huán)初期對(duì)其影響劇烈，破壞性較強(qiáng)，會(huì)帶來(lái)不可估量的損失。且由于單次凍融試驗(yàn)次數(shù)較少，故試驗(yàn)周期較短，試驗(yàn)進(jìn)度較快。從工程建設(shè)角度考慮，有較好的參考價(jià)值，所以只進(jìn)行了單次凍融黃土試驗(yàn)。

1.2.2 三軸剪切試驗(yàn) 凍融循環(huán)試驗(yàn)完成后，進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，操作步驟嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）規(guī)定。根據(jù)原狀欠固結(jié)黃土被埋置的不同深度，先估算出相應(yīng)靜止土壓力，然后考慮儀器誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響（低圍壓影響大），在一定范圍內(nèi)，找到圍壓的一個(gè)平衡點(diǎn)，使得施加圍壓值大于先期固結(jié)壓力，得出的黏聚力才不會(huì)偏大，更符合實(shí)際情況。得到圍壓值分別為50、80、120 kPa。利用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)（UU），剪切速率為0.4 mm/min。

1.3 試樣制備

現(xiàn)場(chǎng)取原狀黃土?xí)r，先用箭頭標(biāo)示出土體沉積方向，然后，在垂直于箭頭方向切割成土條，制備成直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體三軸試樣。由土樣干密度計(jì)算出試樣需要增加或減濕質(zhì)量，使用蒸餾水滴定來(lái)配置目標(biāo)含水率，分別為18.34%、24.34%。或用烘箱烘干試樣至恒重，再使用蒸餾水滴定來(lái)配置目標(biāo)含水率8.34%，天然含水率為12.34%。使用密封袋密封養(yǎng)護(hù)試樣數(shù)天，使水分通過(guò)水膜壓力作用在各個(gè)方向上得到轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到水分在試樣內(nèi)分布均勻的目的。試樣含水率為8.34%、12.34%、18.34%、24.34%時(shí)，相應(yīng)的試樣飽和度分別為0.23、0.34、0.50、0.65。

1.4 凍融試樣變化特性

圖1為試樣在不同含水率下的密度變化曲線。由圖1可知，凍融后試樣密度均隨含水率增大呈增大趨勢(shì)。而凍融后試樣密度比未凍融試樣密度均降低，密度降低最大幅度為0.09 g/cm3，平均降低了0.04 g/cm3。試樣密度降低的主要原因在于土體中水分在冷端溫度下發(fā)生相變，水分變成冰，相對(duì)體積增大。同時(shí)增加了側(cè)向位移量，從而相應(yīng)的孔隙體積也會(huì)增大。含水率為8.34%、12.34%、18.34%的試樣，凍結(jié)時(shí)體積均增大。含水率越大，體積膨脹量越明顯，所以18.34%的試樣體積增大最為明顯，側(cè)向變形量達(dá)到1.3 mm。當(dāng)含水率為24.34%時(shí)，在凍結(jié)溫度梯度下密度和未凍結(jié)時(shí)變化量不明顯，說(shuō)明試樣體積變化不明顯。高含水率試樣體積出現(xiàn)脹縮趨勢(shì)，說(shuō)明凍融作用會(huì)對(duì)土體密度產(chǎn)生雙向性。

2 不同條件下的原狀黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律

為便于分析與理解，將8.34%～18.34%的含水率定義為較低含水率，相應(yīng)的較低飽和度為0.23～0.34;將18.34%～24.34%的含水率定義為較高含水率，相應(yīng)的較高飽和度為0.50～0.65。試驗(yàn)箱設(shè)定的凍結(jié)溫度傳遞到試樣表面為冷端溫度，凍融溫度梯度由冷端溫度和融化溫度組成。由于溫度梯度是矢量，所以定義的溫度梯度值（標(biāo)量）為冷端溫度絕對(duì)值和融化溫度之和，即冷端溫度的大小表示為其數(shù)值的絕對(duì)值，文中的溫度梯度、冷端溫度均為標(biāo)量。溫度梯度值小于等于20 ℃時(shí)定義為較小溫度梯度，則較小溫度梯度分別為-5～10 ℃、-10～10 ℃、-5～15 ℃，較大溫度梯度分別為-15～10 ℃、-10～15 ℃、-15～15 ℃。

2.1 不同溫度梯度條件下對(duì)原狀黃土黏聚力的影響

圖2為不同溫度梯度下的黏聚力變化曲線。圖2（a）中融化溫度為10 ℃時(shí)，隨著冷端溫度增大，不同含水率試樣的黏聚力總體均呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明冷端溫度是影響凍融黃土黏聚力變化的因素。與胡田飛等[10]的研究結(jié)果一致，由于相變特征，試樣內(nèi)未凍水含量越少。冷端溫度越大，轉(zhuǎn)化為冰晶的比例更大，從而冰晶擠壓土骨架，降低有效應(yīng)力，土顆粒之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，削弱顆粒間聯(lián)結(jié)性。宏觀表現(xiàn)為黏聚力下降。隨著溫度梯度由-5～10 ℃增加到-15～10 ℃，不同含水率（8.34%、12.34%、18.34%、24.34%）試樣的黏聚力降低幅度分別為36%、21%、17%、23%，

即黏聚力的破壞程度隨含水率的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。在含水率為18.34%時(shí)，凍融黃土試樣膨脹的側(cè)向位移量最大，凍融前后密度變化量相對(duì)較小，故18.34%是臨界含水率值。即存在一個(gè)最不利的含水率使得凍融黃土黏聚力衰減幅度最為明顯。

圖2（b）中融化溫度為15 ℃時(shí)，隨著冷端溫度增大，不同含水率試樣的黏聚力總體均呈降低趨勢(shì)。冷端溫度影響凍融試樣的黏聚力值。于琳琳等[11]指出，凍結(jié)溫度越低，且達(dá)到一定臨界值時(shí)，黏聚力變化趨勢(shì)會(huì)發(fā)生改變。隨著溫度梯度由-5～15 ℃增加到-15～15 ℃，不同含水率試樣的黏聚力相應(yīng)降低幅度分別為36%、29%、41%、52%。從試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著溫度梯度增加，較高含水率的黏聚力降低幅度較大?？梢?jiàn)，當(dāng)冷端溫度越大，隨飽和度（含水率）增大時(shí)黏聚力明顯減小。較高飽和度試樣融化后水分較多，即顆粒間的水膜厚度增大，使得試樣內(nèi)存在的膠結(jié)體消失，故較高含水率的黃土試樣在較大的冷端溫度下凍結(jié)，其黏聚力會(huì)明顯降低。當(dāng)含水率分別為18.34%、24.34%，融化溫度為15 ℃時(shí)，冷端溫度由-5 ℃變化到-10 ℃，黏聚力變化幅度分別為17%、12%;由-10 ℃變化到-15 ℃，黏聚力變化幅度分別為30%、46%。由此可見(jiàn)，-10～15 ℃是黏聚力衰減幅度顯著的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，黏聚力從此處下降速度加快。即存在一個(gè)最不利的凍融溫度梯度值-15～15 ℃。究其原因，由于試樣為慢速凍結(jié)，試驗(yàn)箱內(nèi)的試樣達(dá)到冷端溫度-15 ℃時(shí)，大部分水分將遷移到冷端處凍結(jié)，故凍結(jié)后的試樣表面上析出一部分小冰晶體，而后在較高溫度15 ℃融化時(shí)，試樣內(nèi)部和表面的固態(tài)冰晶完全轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，孔隙體積比例縮小，得到有效密合，這與試樣凍融后出現(xiàn)的凍縮趨勢(shì)相一致。同時(shí)，從物理性質(zhì)解釋，凍融前后密度變化量相對(duì)來(lái)說(shuō)最小，最后結(jié)果是黏聚力變小。

2.2 不同含水率條件對(duì)原狀黃土黏聚力的影響

圖3為不同含水率下的黏聚力變化曲線。圖3（a）中，當(dāng)含水率為24.34%、溫度梯度為-15～10 ℃時(shí)，黏聚力下降到極值9.8 kPa。究其原因，高含水率試樣在較大凍結(jié)溫度作用下，土顆粒被較厚的冰包裹，融化后的土顆粒之間進(jìn)行重組，且凍融后試樣密度比未凍融密度小0.03 g/cm3，密度對(duì)較高飽和度試樣的黏聚力變化規(guī)律有一定影響。表現(xiàn)為土體越密實(shí)，飽和度對(duì)土體黏聚力的影響越明顯。

圖3（b）中，不同含水率和不同溫度梯度-5～15 ℃、-10～15 ℃、-15～15 ℃耦合作用。隨飽和度增大，相應(yīng)黏聚力降低范圍分別為9%～22%、5%～19%、12%～46%。表明試樣飽和度由0.23增加到0.65時(shí)，黏聚力降低幅度有先減小后增大的趨勢(shì)。原因在于，較低飽和度試樣內(nèi)部空氣水壓力與孔隙氣壓力差值較大，較高飽和度試樣差值卻較小。當(dāng)空氣水壓力和孔隙氣壓力達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡時(shí)，土體內(nèi)的基質(zhì)吸力對(duì)黏聚力的作用最大。王天亮等[12]研究?jī)鋈谘h(huán)后土體的破壞強(qiáng)度，在冷卻溫度大于-20 ℃范圍內(nèi)時(shí)，強(qiáng)度近似線性減小。本文試樣在溫度梯度為-15～15 ℃時(shí)，黏聚力呈線性下降，即轉(zhuǎn)入線性減小階段。原因在于，前者未凍水含量達(dá)到極限狀態(tài)的溫度值相對(duì)較低，在較高融化溫度（15 ℃）時(shí)，試樣中的冰融化成水后，體積縮小，較之前凍脹時(shí)產(chǎn)生一定的融陷現(xiàn)象，這與圖1分析的試樣凍縮現(xiàn)象一致，也是密度變化量和未凍結(jié)時(shí)很接近的原因所在。根據(jù)熱能平衡原理，加快融化水分在孔隙中的流動(dòng)速度，導(dǎo)致裂縫寬度進(jìn)一步變大，顆粒與顆粒之間的接觸面積變小，黏聚力降低，劣化接近極限。含水率為15%左右、溫度梯度為-10～15 ℃和-15～15 ℃時(shí)，黏聚力增大幅度達(dá)到46%。當(dāng)含水率為24.34%時(shí)、溫度梯度為-15～15 ℃時(shí)，黏聚力下降到極值5.1 kPa。原因同溫度梯度為-15～10 ℃時(shí)，黏聚力下降到極值9.8 kPa相同。不同之處在于，融化溫度為15 ℃時(shí)，凍融后密度比未凍融密度減小0.01 g/cm3。

2.3 不同溫度梯度、不同含水率耦合條件下黏聚力變化規(guī)律

由圖2、圖3可知：1）冷端溫度影響?zhàn)ぞ哿λp顯著，因此，冷端溫度是影響凍融黃土黏聚力衰減的主要因素。從試驗(yàn)結(jié)果的大致趨勢(shì)可以看出：隨含水率不斷增大，當(dāng)為較大溫度梯度時(shí)（-15～10 ℃），黏聚力變化幾乎呈線性;而在較大溫度梯度（-10～15 ℃）時(shí)，黏聚力變化呈非線性衰減?？梢?jiàn)，在較大溫度梯度范圍內(nèi)，融化溫度是影響凍融黃土聚力值衰減的因素之一。2）圖2（a）中，融化溫度為10 ℃時(shí)，冷端溫度由-5 ℃變化到-15 ℃，不同含水率試樣的黏聚力降低幅度分別為36%、21%、17%、23%;圖2（b）較圖2（a），僅融化溫度不同。溫度為15 ℃，相同的冷端溫度，其降低幅度分別為36%、29%、41%、52%。對(duì)比圖2（a）、（b）可知，融化溫度15 ℃比10 ℃的降低幅度偏大，且不同含水率試樣的黏聚力降低幅度差分別為0%、8%、24%、29%。可見(jiàn)，試樣含水率越大，幅度差越明顯，融化溫度影響越大。同時(shí)，也間接說(shuō)明較大凍融溫度梯度和較高含水率耦合作用時(shí)，溫度梯度和含水率共同影響?zhàn)ぞ哿χ底兓?。由圖3可知，當(dāng)含水率為24.34%、冷端溫度為-15 ℃時(shí)，圖3（a）中融化溫度為10 ℃時(shí)，黏聚力下降到極值9.8 kPa;圖3（b）中融化溫度為15 ℃，黏聚力下降到極值5.1 kPa。對(duì)比圖3（a）、（b）可知，融化溫度10 ℃與15 ℃的黏聚力差值是4.7 kPa，密度變化差值0.02 g/cm3。冷端溫度（-15 ℃）相同時(shí)，融化溫度越大，黏聚力越小。

圖4為融化溫度由10 ℃升高到15 ℃時(shí)的黏聚力變化量。較高含水率試樣作用在大于冷端溫度-10 ℃時(shí)，融化溫度對(duì)黏聚力的變化量比冷端溫度影響明顯。原因在于，當(dāng)較低含水率和較小的冷端溫度耦合作用下;或較高含水率和較大的冷端溫度耦合作用下。說(shuō)明原狀欠固結(jié)黃土融化后體積增大，試樣相應(yīng)的體應(yīng)變?cè)龃?且密度比未凍融前變小，土體變疏松，相應(yīng)的剪應(yīng)變變小。此時(shí)，融化溫度相較于冷端溫度占主要因素，影響凍融黃土黏聚力值。

2.4 不同溫度梯度條件下對(duì)原狀黃土內(nèi)摩擦角的影響

圖5為不同溫度梯度下的內(nèi)摩擦角變化曲線。由圖5可知：含水率為8.34%、12.34%時(shí)，隨著溫度梯度的增加，內(nèi)摩擦角呈增大趨勢(shì)。且溫度梯度由-5～10 ℃增加到-15～10 ℃，內(nèi)摩擦角增大幅度分別為25%、17%;溫度梯度由-5～15 ℃增加到-15～15 ℃，黏聚力增大幅度分別為41%、35%。由此可見(jiàn)，內(nèi)摩擦角隨凍融溫度梯度增加幅度較大。當(dāng)融化溫度較高時(shí)，試樣內(nèi)冰融化成水分子速度增快，增加了土顆粒之間的距離，同時(shí)改變土顆粒形狀和排列方式。即土顆粒間接觸點(diǎn)增多，內(nèi)摩擦角增大。當(dāng)含水率為18.34%時(shí)，溫度梯度由-5～10 ℃增加到-15～10 ℃和由-10～15 ℃增加到-15～15 ℃時(shí)，內(nèi)摩擦角均呈減小變化趨勢(shì)。凍融后密度比未凍融密度減小，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小?？梢?jiàn)，試樣較未凍融前變疏松，水分對(duì)土體顆粒有一定潤(rùn)滑作用。潤(rùn)滑作用在較高飽和度試樣上表現(xiàn)顯著，所以，內(nèi)摩擦角隨溫度梯度的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。當(dāng)含水率為24.34%時(shí)，溫度梯度由-10～10 ℃增加到-15～10 ℃時(shí)和由-10～15 ℃增加到-15～15 ℃區(qū)域段時(shí)，摩擦角的變化趨勢(shì)剛好相反。究其原因，當(dāng)融化溫度為10 ℃時(shí)，含水率增加，凍融黃土使孔隙比例增大，相應(yīng)的密度減小，導(dǎo)致土顆粒接觸面積減小;同時(shí)，水分在土壤顆粒表面形成潤(rùn)滑劑，使土顆粒間嵌合作用越小，顆粒松散化，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角下降。

2.5 不同含水率條件下對(duì)原狀黃土內(nèi)摩擦角的影響

圖6為不同含水率下內(nèi)摩擦角的變化曲線。由圖6可知：內(nèi)摩擦角隨著含水率（飽和度）增加呈減小趨勢(shì)。因?yàn)轱柡投容^小時(shí)，試樣內(nèi)部趨于干燥狀態(tài)，隨著飽和度增加，土顆粒之間水分增多，水膜加厚，土顆粒之間摩擦系數(shù)降低，且原狀欠固結(jié)黃土的結(jié)構(gòu)性對(duì)強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在內(nèi)摩擦角的降低。當(dāng)溫度梯度為-10～10 ℃、-15～15 ℃時(shí)，含水率在18.34%～24.34%范圍內(nèi)時(shí)，內(nèi)摩擦角呈漸增趨勢(shì)。不同溫度梯度的凍融黃土隨著含水率增大，內(nèi)摩擦角呈減小趨勢(shì)，減小的最大幅度高達(dá)65%。從內(nèi)摩擦角總體變化趨勢(shì)來(lái)看，

先增大后減小，顯然并沒(méi)得出明確相關(guān)變化規(guī)律，所以，將內(nèi)摩擦角參數(shù)反應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)問(wèn)題放在次要因素考慮。

3 不同冷端溫度條件下對(duì)原狀黃土黏聚力的變化規(guī)律

3.1 黏聚力計(jì)算公式

基于圖3（a）中凍融溫度梯度、含水率、黏聚力之間的變化曲線，通過(guò)數(shù)學(xué)方法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同含水率條件下凍融黃土的黏聚力變化值。

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在不同的冷端溫度下，黏聚力與試樣含水率較好地符合指數(shù)衰減相關(guān)關(guān)系，對(duì)黏聚力進(jìn)行變量擬合，得到其函數(shù)表達(dá)式為

由圖3（a）中曲線可知，當(dāng)凍融黃土隨冷端溫度增大時(shí)，黏聚力呈階梯下降趨勢(shì)，但下降幅度不同;在不同冷端溫度下，試樣黏聚力與含水率變化曲線呈非線性關(guān)系;在-15 ℃的冷端溫度時(shí)，黏聚力呈現(xiàn)快速衰減趨勢(shì)。原因在于冷端溫度越大，試樣內(nèi)沒(méi)有未凍水分，冰晶的膨脹作用降低了土顆粒之間的膠結(jié)力。同時(shí)，試樣融化后，土顆粒之間被水分包圍，凍結(jié)時(shí)增大的孔隙在水分子的作用下土顆粒出現(xiàn)一定的融陷作用，所以，黏聚力呈衰減趨勢(shì)。對(duì)較低含水率試樣進(jìn)行首次凍融，與黏聚力降低幅度顯著的研究結(jié)果相互吻合[13]。不同含水率、黏聚力變量下得出的擬合參數(shù)見(jiàn)表2。

把表2中的擬合參數(shù)a、b、c作為已知值，進(jìn)一步考慮溫度因素影響，進(jìn)行模型擬合分析。由于冷端溫度影響?zhàn)ぞ哿λp明顯，對(duì)凍融效應(yīng)影響較大，所以，將冷端溫度t作為自變量進(jìn)行擬合。擬合發(fā)現(xiàn)，at符合線性關(guān)系，bt和ct符合二次多項(xiàng)式關(guān)系。圖7為擬合出的結(jié)果，均有較高精度。對(duì)模型參數(shù)a、b、c進(jìn)行線性擬合能取得較好結(jié)果。擬合公式見(jiàn)式（2）～式（4）。不同冷端溫度的擬合參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2 計(jì)算值與試驗(yàn)值驗(yàn)證

基于不同含水率（8.34%、12.34%、18.34%、24.34%）建立黏聚力計(jì)算公式，并用獨(dú)立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其正確性。應(yīng)用w=22%時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示。在溫度梯度分別為-5～10 ℃、-10～10 ℃、-15～10 ℃時(shí)，根據(jù)表3、表4擬合參數(shù)，得出黏聚力計(jì)算值C，其值分別為13.3、11.1、10.2 kPa。黏聚力的試驗(yàn)值分別為13.5、11.6、10.3 kPa，其差值分別為0.2、0.5、0.1 kPa，誤差比例變化范圍0.97%～4.31%。通過(guò)對(duì)黏聚力C的計(jì)算值和試驗(yàn)值比較發(fā)現(xiàn)，二者吻合較好。由此證明式（5）能夠較好地模擬西寧地區(qū)黃土在冷端溫度和含水率共同作用下的黏聚力變化特性。

4 結(jié)論

1）當(dāng)融化溫度為15 ℃時(shí)，隨冷端溫度增大，含水率為18.34%、24.34%的黏聚力呈折線下降趨勢(shì)，出現(xiàn)斜率突減的拐點(diǎn)。由此可知，較高含水率和較大溫度梯度耦合作用時(shí)，黏聚力值變化幅值顯著。凍融溫度梯度對(duì)黃土強(qiáng)度影響效應(yīng)大，15℃（融化溫度）比10℃的黏聚力衰減幅值大，融化溫度是影響?zhàn)ぞ哿p小的原因，-15～15 ℃和18.34%為最不利凍融溫度梯度值和含水率。

2）溫度梯度為-15～15 ℃時(shí)的黏聚力呈線性規(guī)律變化。較低含水率和較小的冷端溫度耦合作用下時(shí)，或較高含水率和較大的冷端溫度耦合作用下，融化溫度均占主導(dǎo)影響因素，影響凍融黃土黏聚力變化。此時(shí)融化溫度越大，黏聚力越小。

3）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了含有含水率和冷端溫度變量的凍融黃土黏聚力表達(dá)式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，表達(dá)式能較好地描述土體黏聚力變化特性。

4）凍融黃土內(nèi)摩擦角變化呈現(xiàn)出不規(guī)律性，變化幅度約為0～14°。

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（編輯 胡玲）