冻融循环对阳曲隧道黄土细观损伤演化规律影响研究*

杨更社，田俊峰，叶万军

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安710054)

0 引 言

黄土是中国广泛分布的特殊土，是一种第四纪的沉积物，多分布于干旱、半干旱地区，常态为非饱和状态，含水率和温度对其强度特性有着重要的作用，寒冷地区黄土工程近些年得到了较大的发展，黄土的冻融强度劣化是冻土力学与工程重要研究课题之一。

随着CT(Computed tomography)扫描技术在岩土工程中的广泛应用，因其可对材料在受力过程中的动态、定量和无损量测，可根据物体不同薄层的图像资料三维成像、超大检测面积和高分辨率等优点，近些年在土的微观研究中得到了较为广泛的 使 用 和 发 展。吴 紫 汪(1996)［1］、马 巍(1997)［2］等对冻土单轴蠕变过程中结构的变化进行了CT 动态监测;赖远明(2000)［3］等对大版山隧道围岩的冻融损伤进行了CT 分析;雷胜友(2004)［4］等对黄土进行了三轴剪切、浸水湿陷过程的CT 扫描，根据数据和损伤理论，对原状黄土进行了微结构的分析;刘增利(2005)［5］等基于CT对冻土单轴压缩所造成的损伤进行了本构分析;王朝阳(2006，2010)［6-7］等采用三轴CT 实时试验对原状黄土在三轴剪切试验过程中的应力-应变进行了研究，提出了用CT 数所定义的损伤变量关系，拟合得出损伤变量与轴向应变及偏应力的关系式。赵淑萍(2010，2012)［8-9］等基于CT 单向压缩试验对冻结重塑兰州黄土进行了损伤耗散势研究;方详位(2011)［10］利用CT 多功能土工三轴仪对非饱和原状Q2黄土进行三轴浸水变形特性的研究。叶万军(2007)［11］根据影响黄土路錾边坡断面设计的5 个指标，建立边坡断面设计的模糊判断矩阵，将定性指标转换为模糊值。郭利平(2010)［12］结合黄土的抗拉特性，探讨并建立了基于开挖扰动引起黄土边坡剥落破坏的分析模型。冯晓光(2012)［13］通过peck 公式的两个重要参数对其进行修正，使其适用于黄土地区，并为今后黄土地区地铁的盾构施工提供参考依据。任建喜(2009)［14］完成了单一预制裂纹的裂隙砂岩三轴压缩条件下的细观破坏特征CT 实时扫描试验。卢全中(2006)［15］总结了黄土高原地区第四纪断层与构造地裂缝等结构面的特征及灾害效应，得出了其特性影响因素。谢星(2006，2009)［16-17］建立了Q2黄土的统计损伤本构模型。郑志勇(2008)［18］深入探讨了铜川黄土滑坡的地质和非地质因素、形成机理及发育过程，提出了具有一定操作性的防治对策。李加贵利用定义的非饱和Q3黄土的结构参数，建立了侧向卸荷过程的细观结构演化方程。郑剑锋通过在1 MPa 围压下不同温度条件下冻结兰州黄土三轴压缩试验过程的CT动态扫描，获得了由CT 数表示的土体损伤量表达式。朱元青进行了一系列控制吸力的CT-三轴湿陷试验，得到了加载过程和湿陷过程中的宏观反应曲线和相适应的CT 扫描图像。

山西阳曲1 号黄土公路隧道位于山西省中部阳曲县与盂县交界处。隧道围岩含水率为23%左右，由于含水率高及冻融作用的影响，导致隧道病害的发生。阳曲1 号隧道在2010 年4 月1 日掌子面未进行施工情况下左线发生冒顶。分析原因认为阳曲地区12 月至来年3 月为冬季，早晚温差大而产生日冻融循环。该线路在稳定高含水率黄土隧道围岩的费用共计达到数亿元。仅从保证该条公路建设质量和效益来讲，文中就都具有巨大的经济和社会效益。

可以看出，对于温度对黄土的细观损伤研究方面，许多人做了大量的工作。本文主要针对山西阳曲特殊的黄土特征，对其进行冻融循环后的细观损伤的CT 扫描特征分析，从而得到山西阳曲黄土在不同冻融循环次数下的劣化特性，为同类型的隧道施工提供参考。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样选取

阳曲1 号隧道隧址区地表表层为第四纪全新统冲洪坡积层Q4al+pl+dl，为了尽可能保持试样的原始状态，严格原状土样的制备按照《土工试验方法标准》的有关土工试验的规定要求制作试样，减少人为扰动影响，制备好的土样保证重量误差在1%之内。

试样天然含水率为22.65%，计算可得天然状态下的塑性指数IP为0.30，具有中塑性，其天然状态处于可塑状态。

1.2 试验设备

冻融循环试验采用天津市港源试验仪器厂生产的DWX-150 -30 型低温试验箱。由进口压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发器、恒温槽、数显仪器、数码控温系统等组成。各项技术参数为:仪器容积150 L，控温范围0 ～-30 ℃，控温精度±1℃，电源AC220 V，50 Hz，如图1 所示。

表1 颗粒分析试验结果Tab.1 Particle size analysis test results

表2 含水率试验结果描述统计分析表Tab.2 Moisture content test results of descriptive statistics analysis table

表3 试验样品初始条件Tab.3 Initial conditions of test samples

图1 DWX-150 -30 型低温试验箱Fig.1 DWX-150 -30 type low temperature test box

本次CT 试验使用的是中科院寒旱所的SIEMENS SOMATOM plus 型X 射线螺旋CT 机，空间分辨率为0.35 mm×0.35 mm.

2 试验数据分析

对山西阳曲隧道取样开展冻融循环条件下黄土结构的细观损伤规律试验。样品共进行了25 次冻融循环。试样样品初始条件见表3，试验数据见表4 ～6.

表4 试样初始扫描值Tab.4 Initial specimen scanning value

图5 ～7 为试验结果分析曲线。图2 ～4 为每次扫描时上部、中间层面和下部的图像，其中(a ～f)分别表示样品初始状态、冻融循环5，10，15，20，25 次状态下扫描的照片。由图可以看出，未烘干前天然土样是有微孔洞和微裂纹的初始损伤介质，且初始损伤有不均匀性。在冻融循环作用下，烘干后土样中的微裂纹开始扩展，随冻融循环次数增加，微裂纹出现伸长、分叉、贯通、损伤扩展过程。试件冻融后破坏多发生在其初始空隙分布较密集处，可见初始空隙多、水容易进入的部位是易发生破坏的薄弱部位，冻融作用对黄土试件的破坏作用与其空隙分布结构密切相关。

表5 冻融循环对不同区ME 值影响表Tab.5 Effect of freeze thaw cycles on different ME value

图2 黄土样品上部层面各状态CT 扫描图像Fig.2 Each state CT scanning image of upper level loess samples

图3 黄土样品中间层面各状态CT 扫描图像Fig.3 Each state CT scanning image of middle level loess samples

表6 冻融循环对不同区SD 值影响表Tab.6 Effect of freeze thaw cycles on different SD value

图4 黄土样品下部层面各状态CT 扫描图像Fig.4 Each state CT scanning image of lower level loess samples

图5 冻融循环次数与密度的关系曲线Fig.5 Relationship between freezing and thawing cycles and density

图6 冻融循环次数与ME 值的关系曲线Fig.6 Relationship between freezing and thawing cycles and ME value

图7 冻融循环次数与SD 值的关系曲线Fig.7 Relationship between freezing and thawing cycles and SD value

由试验结果可见，样品在0 ℃，-10 ℃冻16 h，-20 ℃冻8 h 的冻结温度下扫描，体积稍增，密度稍减，变化不大;10 ℃经历16 h 保温扫描，CT 数中心减小，边缘增大，标差增大，说明冻结过程发生水分向低温端(由内向外)迁移。冻结过程体积-密度发生变化，土样发生明显的冻胀密减现象;冻融循环后在整数周期(20 ℃)时扫描，样品内外残存含水率差异(外大内小)，土体保持而水分有所丧失，各区域含水率几乎同步减小。

从CT 数与冻融循环关系曲线上来看，随着冻融循环次数的增加，黄土CT 数均值减少，方差增大，这是由于土样外表面在冻结时被封闭，土样内部孔隙水很难迁移到土样外表面，只能在外表面凝结成冰，水冰相变体积膨胀，对孔壁产生冻胀力，冻胀力的产生使得土样原来的损伤微裂隙、微孔洞以及微裂纹产生新的损伤，土样密度减少，从而CT 数均值也减少。当15 次冻融循环后，CT 数均值趋于平缓，这是由于经过前面冻融循环后，产生了大量的微裂隙、空洞;同时，水分在不断的流失，空隙内很难饱水，冻结时候，产生了水分迁移，冻胀时产生的冻胀力小，损伤的扩展也小。总体上来看，土样ME 随冻融循环次数的增加而降低，SD 随冻融循环次数的增加而增加。

由试验发现:冻融循环25 次后，体积缩小0.42%，密度减少4.5%;这是由于在冻融循环过程中有土质损失，水分也不断的损失。

利用冻融循环次数定义损伤变量

式中 Ddr为在冻融循环条件下的损伤变量;当Ddr=1 时，说明土样开始破坏;ni为在i 次循环次数;Nf为在试样到达破坏时的循环次数;K 为修正系数，与土性、地域等因素有关。

图8 为循环次数与损伤变量的关系曲线，由图可见，在初始冻结过程中，损伤变量出现了负值，说明在初期由于土样闭合空隙占大多数，含水率较小，水的渗入造成了土样密度增大，CT 数均值增大，损伤变量减少。达到了一定的冻融次数后(9次冻融循环后)，土样原来闭合的空隙开始贯通饱水，冻胀力开始发挥主导作用，裂隙扩展、密度减少，CT 数均值降低，损伤变量增大。

图8 损伤变量随冻融循环次数变化规律Fig.8 Damage variable with freeze-thaw cycle number variation

采用CT 数定义冻融损伤变量，以研究CT 数影响损伤变量的规律。设未循环土样初始ME 定义为M1，完全破坏时土样ME 值为M2，则某一黄土样在冻融循环过程中的损伤变量Ddr为

试样在从1 次冻融循环到9 次冻融循环之间，损伤变量小于1，土样损伤变化不大。超过9 次循环后，损伤变量为大于1，即土样开始损伤破坏，随着循环次数的增加，细观损伤演化并稳定发展阶段，即在初始损伤的基础上产生了新的损伤，裂纹继续张开，密度减少，从而CT 均值减小。

3 结 论

冻融循环是黄土强度劣化的重要因素之一，经过CT 扫描，可知冻融循环对黄土强度有着如下影响。

1)天然土样是有着微孔洞与裂纹的初始损伤介质，随冻融循环作用，裂纹开始扩展、伸长、分叉、贯通。且破坏处均为初始孔隙分布密集处，可知初始孔隙处为试样的薄弱环节，冻融循环对试件的破坏作用与初始孔隙分布密切相关;

2)冻结过程发生水分向低温端(由内向外)迁移。冻结过程体积-密度发生变化，土样发生明显的冻胀密减现象;冻融循环后在整数周期(20℃)时扫描，样品内外残存含水率差异(外大内小)，土体保持而水分有所丧失，各区域含水率几乎同步减小;

3)随着冻融循环次数的增加，黄土CT 数均值减少，方差增大，这是由于土样外表面在冻结时被封闭，土样内部孔隙水很难迁移到土样外表面，只能在外表面凝结成冰，水冰相变体积膨胀，对孔壁产生冻胀力，冻胀力的产生使得土样原来的损伤微裂隙、微孔洞以及微裂纹产生新的损伤，土样密度减少，从而CT 数均值也减少;

4)当15 次冻融循环后，CT 数均值趋于平缓，这是由于经过前面冻融循环后，产生了大量的微裂隙、孔洞;同时，水分在不断的流失，孔隙内很难饱水，冻结时候，产生了水分迁移，冻胀时产生的冻胀力小，损伤的扩展也小。总体上来看，土样ME 随冻融循环次数的增加而降低，SD 随冻融循环次数的增加而增加。

References

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