凍融循環(huán)作用下黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和微觀規(guī)律的試驗研究

劉樂青，張吾渝，張丙印，谷遇溪，解邦龍

（1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016；3.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084）

黃土是一種由風(fēng)化作用和沉積作用形成多孔且柱狀節(jié)理的特殊堆積物，廣泛分布于青海、寧夏、新疆和甘肅等地，其中青海地區(qū)的黃土面積約占我國黃土總面積的4%[1]。同時，青海屬于多年凍土地區(qū)，冬季氣溫較低，這種氣候造成的凍融循環(huán)會對黃土的物理力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，給實際工程建設(shè)帶來危害，因而在青海西寧地區(qū)建設(shè)工程時應(yīng)考慮凍融循環(huán)作用的影響。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于凍融循環(huán)作用對黃土結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性影響進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用是改變黃土強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要原因之一。李寶平等[2]分析了凍融循環(huán)周期對黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，得出凍融循環(huán)周期越多，黃土的損害越嚴(yán)重，且黏聚力以指數(shù)型趨勢減小；張遂等[3]對凍粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)含水率和溫度均會影響土體的抗剪強(qiáng)度；周有祿等[4]對青海省黃土進(jìn)行剪切試驗，分析了凍融循環(huán)次數(shù)對黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響；Li等[5]通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下原狀黃土和重塑黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)周期的增大而減?。豢骂５萚6]對固化淤泥質(zhì)土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，得出當(dāng)土樣經(jīng)過凍融循環(huán)后其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度減?。淮藓戥h(huán)等[7]通過非飽和直剪試驗，得出凍融循環(huán)次數(shù)和凍融溫度對土樣力學(xué)特性的影響較為顯著，凍融溫度越低，土樣的黏聚力呈現(xiàn)出先降低后穩(wěn)定的趨勢；楊更社等[8]、魏堯等[9]、葉萬軍等[10]利用三軸剪切試驗對凍融循環(huán)后的黃土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)凍融溫度和凍融循環(huán)次數(shù)均會改變黃土的力學(xué)特性，但凍融溫度影響較小。由此可見，凍融溫度和凍融循環(huán)次數(shù)均可以損害黃土的結(jié)構(gòu)，降低黃土的強(qiáng)度。

許多學(xué)者還從微觀角度分析了黃土經(jīng)過凍融循環(huán)后內(nèi)部顆粒的變化規(guī)律，葉萬軍等[11]、張澤等[12]對黃土進(jìn)行電鏡掃描試驗，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)黃土的微觀圖像，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)的增加使黃土內(nèi)部顆粒逐漸圓滑，且經(jīng)歷10次凍融循環(huán)時土樣內(nèi)部的顆粒和孔隙結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定；趙魯慶等[13]通過對陜西原狀黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗和電鏡掃描試驗，發(fā)現(xiàn)不同凍融循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的顆粒逐漸剝落，顆粒的微觀形態(tài)和排列方式重新形成新的結(jié)構(gòu)體系；肖東輝等[14?15]、倪萬魁等[16]通過對凍融循環(huán)后的原狀和重塑黃土進(jìn)行壓汞試驗，得到原狀黃土孔隙率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的凍融循環(huán)次數(shù)高于重塑黃土。由此發(fā)現(xiàn)，從微觀角度也能揭示凍融循環(huán)作用對黃土的影響。

綜上所述，凍融溫度和凍融循環(huán)次數(shù)對原狀黃土、重塑黃土抗剪強(qiáng)度影響的研究成果較多，而影響黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的研究成果較少。針對凍融循環(huán)對黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，本文將青海西寧地區(qū)的原狀黃土和重塑黃土作為研究對象，基于凍融循環(huán)條件，對土體進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和電鏡掃描試驗，研究凍融溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對黃土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，旨在為青海西寧地區(qū)的實際工程建設(shè)提供參考。

1 材料及試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用黃土取自青海省西寧市城北區(qū)某場地，取土深度為3 m，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties

1.1.1 制備原狀黃土

將試驗所用的原狀黃土土塊利用削土器削成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱試樣（直徑39.1 mm，高80 mm），用保鮮膜將其密封保存，保證試樣的水分一致。制備方法均符合《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）中規(guī)定的操作步驟。

1.1.2 制備重塑黃土

將碾碎黃土放進(jìn)烘箱中烘8 h，烘箱溫度為108 ℃，基于天然含水率配出試驗所需土樣并裝入試樣桶中密封，靜置12 h，保證土樣與水混合均勻。試樣制備按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行，制備時將配置好的土樣倒入三瓣膜內(nèi)，將土樣分層擊實并逐層刮毛，保證試樣不斷層，最后用保鮮膜將圓柱試樣密封保存。

1.2 試驗方案

1.2.1 凍融循環(huán)試驗

試驗采用凍脹循環(huán)試驗箱（TMS9018—500）對原狀黃土和重塑黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，根據(jù)青海西寧地區(qū)的冬季氣溫變化（圖1），本試驗設(shè)定凍融溫度是±19.1 ℃、±14.1 ℃和±9.1 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定2，4，6，8，10次，凍結(jié)時間為12 h，融化時間為12 h。

圖1 青海西寧近幾年最低氣溫Fig.1 Change of the minimum temperature in Xining of Qinghai in recent years

1.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

試驗采用YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀，試驗操作及試樣制備均按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行。該試驗的加載速率為2.4 mm/min，當(dāng)黃土試樣出現(xiàn)斜向剪裂時，認(rèn)為試樣已被破壞，達(dá)到試驗終止條件，如圖2所示。

圖2 黃土的斜向剪裂破壞Fig.2 Oblique shear failure of loess

1.2.3 電鏡掃描試驗

將凍融循環(huán)后的土樣自然風(fēng)干后，用削土刀削成長為1 cm、寬為1 cm、高為2 cm的長方體土樣，通過電鏡掃描儀得到土樣經(jīng)過不同溫度和不同凍融循環(huán)次數(shù)后的SEM圖像，本試驗采用 500倍微觀圖像分析土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 原狀黃土的試驗結(jié)果

凍融循環(huán)后原狀黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖3（a）（b）可知，相同的凍融溫度下，原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，且原狀黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，而在凍融循環(huán)8次時原狀黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度緩慢增加至35 kPa，凍融循環(huán)10次時土樣強(qiáng)度又逐漸下降。原狀黃土未經(jīng)過凍融循環(huán)時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到65 kPa，經(jīng)過凍融循環(huán)后的原狀黃土峰值強(qiáng)度下降約31%，這表明凍融循環(huán)后黃土的原生結(jié)構(gòu)遭受破壞。

圖3（c）表現(xiàn)出原狀黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小的特點。

從圖3（d）中可知，凍融溫度改變會使原狀黃土強(qiáng)度產(chǎn)生相應(yīng)的宏觀變化。原狀黃土的強(qiáng)度隨凍融溫度降低而降低，在凍融循環(huán)2次時±19.1 ℃下原狀黃土的峰值強(qiáng)度比±9.1 ℃下的峰值強(qiáng)度下降約42%，但在8次凍融循環(huán)時±14.1 ℃和±19.1 ℃下土體的強(qiáng)度均增大，±9.1 ℃下土體強(qiáng)度減小，這說明凍融溫度對原狀黃土的原生結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重。

圖3 原狀黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of the undisturbed loess

圖4為凍融溫度為±9.1℃時不同凍融循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的微觀圖像，分析圖4可知，當(dāng)原狀黃土經(jīng)過凍融循環(huán)前6次時小顆粒數(shù)量增加，顆粒間的間距較小，連接緊密，而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加至8次時，土顆粒間的孔隙較大，結(jié)構(gòu)疏散，這也從微觀角度解釋了原狀黃土在±9.1℃下強(qiáng)度減小的原因。

圖4 凍融溫度為±9.1℃時不同凍融循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的微觀圖像（×500）Fig.4 Microscopic images of the undisturbed loess under different freezing-thawing cycles at ±9.1℃（×500）

對±19.1 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)下的原狀黃土進(jìn)行電鏡掃描，其結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）得出未經(jīng)過凍融循環(huán)的土顆粒以大顆粒為主，小顆粒少量分布，且顆粒棱角分明，大顆粒之間的接觸多以面-面接觸為主，顆粒之間的排列方式緊密。由圖5（b）（c）（d）可見，經(jīng)過8次凍融循環(huán)之前，原生結(jié)構(gòu)開始被破壞，大顆粒體積逐漸減小，小顆粒的數(shù)量逐漸增加，但顆粒間的間距大，連接弱，大顆粒由棱角分明向圓滑過渡，顆粒之間的接觸方式由面-面接觸過渡為點-面接觸。由圖5（e）（f）可見，當(dāng)經(jīng)歷8次凍融循環(huán)后，土體的原生結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，多數(shù)大顆粒被分解為小顆粒，并填充到顆粒之間形成次生結(jié)構(gòu)。

圖5 凍融溫度為±19.1℃時不同凍融循環(huán)次數(shù)下原狀黃土的微觀圖像（×500）Fig.5 Microscopic images of the undisturbed loess under different freezing-thawing cycles at ±19.1℃（×500）

凍融溫度對原狀黃土影響結(jié)果如圖6所示，從圖6中可知，凍融溫度的變化會使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，尤其是土顆粒的變化。圖6（a）顯示，凍融溫度為±9.1 ℃下，土顆粒逐漸被分解，但顆粒間的連接能力較強(qiáng)，排列緊密，這說明土體結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，且破壞程度較弱。圖6（c）顯示，當(dāng)凍融溫度為±19.1 ℃時，大顆粒分解為小顆粒且數(shù)量明顯增多，顆粒之間的大孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)樾】紫?，與圖6（a）相比，其顆粒排列松散，粘結(jié)能力較弱，結(jié)構(gòu)疏松，表明凍融溫度降低，土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，這也說明凍融溫度越低，原狀黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越嚴(yán)重。

圖6 不同凍融溫度下原狀黃土的微觀圖像Fig.6 Microscopic images of the undisturbed loess under different freezing-thawing temperatures

2.2 重塑黃土的試驗結(jié)果

對重塑黃土進(jìn)行不同溫度、不同凍融循環(huán)次數(shù)的試驗，得到重塑黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（圖7）。由圖7可知，在相同凍融溫度下，重塑黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系趨勢與原狀黃土基本一致，均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化型。重塑黃土經(jīng)歷0～6次凍融循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到8～10次時，土樣的強(qiáng)度均提高至17 kPa。

如圖7（d）所示，重塑黃土的曲線圖較原狀黃土而言波動變化較大，經(jīng)過2次凍融循環(huán)時凍融溫度越低，重塑黃土的強(qiáng)度逐漸增加，比±9.1 ℃時的強(qiáng)度增大約9%，這說明2次凍融循環(huán)作用破壞了重塑黃土顆粒骨架，固體顆粒之間的大孔隙被小顆粒填充，重塑黃土的整體連接有所提高，且凍融溫度越低，對重塑黃土顆粒在2次循環(huán)下的破壞作用越顯著。

對于經(jīng)過4次和6次凍融循環(huán)的重塑黃土而言，凍融溫度對強(qiáng)度影響的結(jié)果與原狀黃土一致，均隨凍融溫度的降低而降低。經(jīng)過8次凍融循環(huán)后，其強(qiáng)度增大至17 kPa并逐漸穩(wěn)定。由此可見，凍融溫度對原狀黃土和重塑黃土的影響有所差異，原狀黃土的強(qiáng)度隨凍融溫度降低而降低且變化幅度較均勻，而重塑黃土的強(qiáng)度值波動幅度隨凍融溫度的變化較明顯。

圖8為重塑黃土在±19.1 ℃下經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的微觀圖像，由圖8（a）—（d）可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，重塑黃土小顆粒的數(shù)量逐漸增加，大孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)樾】紫?，顆粒排列松散，顆粒間的膠結(jié)能力減小。由圖8（e）（f）可見，經(jīng)過8次凍融循環(huán)后，小顆粒的數(shù)量顯著增多，使顆粒間的連接緊密，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體性增強(qiáng)，這也解釋了重塑黃土經(jīng)歷8次循環(huán)后其強(qiáng)度逐漸增大的原因。

圖8 凍融溫度為±19.1 ℃時不同凍融循環(huán)次數(shù)下重塑黃土的微觀圖像（×500）Fig.8 Microscopic images of the reshaped loess under different freezing-thawing cycles at ±19.1℃（×500）

3 結(jié)論

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，原狀黃土和重塑黃土的強(qiáng)度均逐漸下降，但經(jīng)歷8次循環(huán)后2種黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加后基本趨于穩(wěn)定。

（2）隨著凍融溫度的降低，原狀黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也降低，但重塑黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化不均勻，說明溫度對重塑黃土的強(qiáng)度影響嚴(yán)重。

（3）凍融溫度的降低和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，會使原狀黃土和重塑黃土內(nèi)部的大顆粒逐漸變?yōu)樾☆w粒，小孔隙含量逐漸增大，顆粒排列方式發(fā)生變化，黃土結(jié)構(gòu)變得疏松，當(dāng)經(jīng)歷8次循環(huán)后小顆粒含量增多并填充孔隙，使顆粒間排列緊密，連接能力增強(qiáng)。