冻融循环作用对黄土力学性质损伤的试验研究

庞旭卿，胡再强，刘寅，3

(1.西安理工大学 土建学院，陕西 西安 710048；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；3. 中国电建集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065)



冻融循环作用对黄土力学性质损伤的试验研究

庞旭卿1，2，胡再强1，刘寅1，3

(1.西安理工大学 土建学院，陕西 西安 710048；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；3. 中国电建集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065)

摘要:通过对陕西杨凌Q3黄土进行不同初始含水量、不同低温温度及不同冻融循环次数条件下的静三轴剪切试验，揭示不同初始含水率、不同低温温度及不同冻融循环次数对黄土力学性质影响的过程与机理，基于极限平衡法建立冻融循环作用下强度参数的损伤模型。研究结果表明：黄土强度参数随冻融循环产生劣化，黄土的黏聚力c开始时冻融循环劣化效应强烈，在经过5～7次冻融循环后，黏聚力达到一个稳定值，当含水量很高时黏聚力下降不明显，内摩擦角φ随冻融循环次数无明显变化；建立的强度参数值随冻融循环次数增加的损伤模型能够很好地反映冻融循环作用下黄土抗剪强度的折减劣化规律，该损伤模型对冻融损伤作用下黄土地区的工程设计与施工具有指导和借鉴意义。

关键词：黄土；力学性质；冻融循环；损伤模型

长期以来，冻胀和融沉一直是寒区工程冻害问题的主要问题，冻融灾害的存在与发展给冻土区环境与开发带来极大影响[1-7]。大量工程案例表明[8-12]，在寒区进行各种工程活动，如管道施工、路基压实、路堑开挖及边坡处理等，土体都会受到冻融作用的影响，冻融作用是导致季节性冻土区构筑物工程性质劣化的重要原因之一。因此，在计算地基及路基的沉降变形和边坡的稳定性分析时，都需要考虑冻融作用下土体物理力学性质的变化。国内20世纪90年代左右才开展关于冻融循环的研究，虽起步较晚，但也取得了丰硕的成果。唐益群等[13-14]分别进行了冻融作用下粉质黏土、软岩类材料的物理力学性质试验研究，韩春鹏等[15-16]分别研究了冻融作用下纤维土、水泥土强度变化规律。关于冻融作用对黄土力学性质的影响，研究发现经过冻融作用后的土体抗剪强度有所降低，有人却认为抗剪强度经过冻融作用之后有所增加，还有人研究发现冻融作用前后土的强度变化不大；土体在融化中，强度的衰减与土的类型有很大的关系[17-18]，宋春霞等[19]认为冻融循环对不同干容重的土具有强化和弱化的双重作用，倪万魁等[20-22]认为反复冻融下黄土抗剪强度有明显的劣化现象，张辉等[23]认为冻结温度对不同含水率原状土样冻融后黏聚力与内摩擦角的影响不显著。本文以陕西杨凌Q3黄土为研究对象，通过对不同含水量的重塑黄土进行不同冻融循环次数条件下的三轴试验，研究不同含水量的黄土在冻融循环条件下的力学特性，从而为黄土地区工程建设中的冻融灾害防治提供科学依据。

1试验方案设计

1.1样品的制备

试验样品取自陕西杨凌，属Q3黄土，土样制备根据 GB /T 50123-1999《土工试验方法标准》的

要求制样，经过击实试验及颗粒分析试验后获得土样物理性质指标，图1及表1分别为试验区原状黄土的级配曲线与基本物理性质指标。

将所取土样过2 mm筛用于制作试验土样，将过筛的土用蒸馏水配成含水率为17%(接近天然含水量)、21%和饱和样(用抽气饱和的方法制成)。采用干密度控制土样密实度，试样的干密度取1.3 g/cm3，试样的底面积为12.06 cm2，试样高8 cm。

1.2试验方案设计

试验分为两大部分，不同低温温度条件下的三轴试验和不同冻融循环次数条件下的三轴试验。

1)不同低温试验。将不同含水量试样组分别在恒温条件-10，-5，0和5 ℃的试验冰箱中静置48 h，静置后对试样进行不固结不排水剪；温度回弹试样组重复进行恒温条件-10，-5和0 ℃下48 h的静置，随后将温度调至5 ℃对试样消融 24 h 后同样进行不固结不排水剪。温度回弹组所得到的黄土强度回弹参数与之前静置在5 ℃的试验组进行比较。

2)冻融循环试验。对不同含水量试样组进行冻融循环试验 (冻融循环冻结温度为-10 ℃，融化温度为10 ℃)，选取冻融周期为48 h (冷冻24 h，融化24 h)，分别进行0，1，3，5，7，9和12次的冻融循环，随后进行固结排水剪。三轴试验获得黄土的强度参数，从而比较不同冻融循环次数对强度的影响。

图1　土样的粒度组成Fig.1 Soil sample size composition

相对密度液限/%塑限/%最优含水率/%最大干密度/(g·cm-3)颗粒组成/mm>0.0750.075～0.005<0.0052.6828.717.5201.6216.562.820.7

2试验结果及分析

2.1不同低温条件下黄土的强度参数变化

在不同低温温度条件下试验结果的基础上，进行温度回弹对照组试验，试验强度参数黏聚力c和内摩擦角φ的变化趋势见图2～3。

图2　黏聚力c劣化趋势Fig.2 Deterioration trend graph of cohesion

由图2可见，不同含水量黄土试样在不同低温冻结并溶解后试验所得黏聚力c都明显降低，以17%含水量试样的试验结果为例，由0 ℃回弹至5 ℃的试样黏聚力43 kPa降至20 kPa，比5 ℃标准组的24 kPa劣化了4 kPa；由-5 ℃回弹至5 ℃的试样黏聚力52 kPa降至18 kPa，比标准组劣化了6 kPa；由-10 ℃回弹至5 ℃的试样黏聚力57 kPa降至17 kPa，比标准组劣化了7 kPa。试验结果表明，黄土的强度参数黏聚力c在冻融过程中产生明显的劣化效应。

图3　内摩擦角φ变化及劣化趋势Fig.3 Deterioration trend graph of inner friction angel

由图3可见，经过冻结溶解过程后黄土试样的内摩擦角φ变化幅度较小，可视为在较小范围内波动，并无明显规律性变化。波动幅度在1°～2°范围，在21%和饱和含水量试样试验结果中内摩擦角有略微降低的趋势。

2.2冻融循环条件下黄土的强度参数变化

从3组不同含水量的重塑黄土试样经过冻融循环在三轴试验条件下的总应力摩尔圆，根据摩尔圆确定各冻融循环次数的c和φ绘出冻融循环试验中黏聚力c随冻融循环次数的变化曲线见图4。

图4　不同冻融循环次数黏聚力c变化趋势Fig.4 Cohesion change curves of remolded loess under different freezing-thawing cycles

由图4可见，初始含水量为17%和21%的试样在1～5次冻融循环过程中黏聚力下降的幅度较大，含水量为17%的试样c从48 kPa经过5次冻融循环后降至30 kPa，含水量为21%试样c从40 kPa经过5次冻融循环后降至24 kPa。在到达5～7次冻融循环时趋于稳定，含水量为17%试样c值稳定在25 kPa左右，含水量为21%的试样c值稳定在21 kPa左右。这是由于冻融循环对土结构的破坏越来越强烈，黏聚力降到最低值也比较快，但在高含水率时由于未冻融时的水膜很厚，以至于其对土颗粒的润滑作用大于冻融作用引起的黏聚力下降量，这时未冻融土的黏聚力比较低。

(a) 含水量为17%和21%试样；(b) 饱和样图5　不同冻融循环次数内摩擦角φ变化趋势Fig.5 Inner friction angel change curves of remolded loess under different freezing-thawing cycles

由图5可见，冻融循环对内摩擦角φ的影响呈无规律的波浪型，浮动范围在 1°～2°左右，总体有略微变小的趋势，可以认为内摩擦角随冻融循环次数在长期范围内无明显变化。

2.3低温条件下黄土的应力应变特性

在三轴试验条件下以w=17%，w=21%重塑黄土试样进行不同低温温度的比较试验，应力应变曲线见图6～7。绘出5次和12次冻融循环2个有代表性阶段中体积应变随围压及含水量的变化曲线见图8～9。

图6　-10 ℃冻结温度下重塑黄土应力—应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of remolded loess under -10 ℃

图7　-5 ℃冻结温度下重塑黄土应力—应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of remolded loess under -5 ℃

由图6～7可见，由于重塑土样土体结构性已经破坏并在冻融过程中生成次生结构，重塑黄土的应力应变曲线基本上为硬化型曲线；由于粒间的胶质含水量越高越易溶解，不论在任何围压下，初始含水量越大，黄土的强度越低，温度越低，冰晶的产生使土体内部颗粒胶结力增大，而含水率越大，胶结力增量越大，黄土的强度越大。

由图8～9可见,体积应变εv同时受到固结围压和含水量的影响，固结围压越大，体积应变εv越大，含水量越大，体积应变εv也越大；固结围压对体积应变εv的影响作用大于含水量对体积应变εv的影响作用。

图8　5次冻融循环重塑黄土体变曲线Fig.8 Volume change curves of remolded loess under 5 times of freezing-thawing cycles

图9　12次冻融循环重塑黄土体变曲线Fig.9 Volume change curves of remolded loess under 12 times of freezing-thawing cycles

2.4冻融循环作用下强度参数的损伤模型

针对强度参数c和φ的变化趋势，建立强度参数值随冻融循环次数增加的损伤模型，拟合抗剪强度参数c和φ随冻融次数而损伤的函数。

分别定义黏聚力c和内摩擦角φ损伤系数如下：

(1)

(2)

其中：c0和φ0为未冻融样的强度参数值；cn和φn为冻融循环n次试样的参赌参数值。冻融循环试验的抗剪强度参数c和φ损伤系数见表2和表3。

表2　冻融循环试验c强度损伤系数

表3　冻融循环试验φ强度损伤系数

根据表2和表3中的c和φ冻融循环损伤系数的平均值对冻融界面黄土的抗剪强度参数随冻融循环损伤系数进行拟合，见图10。

图10　强度参数损伤系数随冻融循环次数变化曲线Fig.10 Damage coefficient change curves of strength parameters under different freezing-thawing cycles

基于广义最小二乘法得到抗剪强度损伤系数的拟合曲线方程分别为：

Kc=0.865 1e-0.041 4n

(3)

Kφ=0.999 4e-0.003 1n

(4)

以上2个方程的确定，能够很好地反映冻融循环作用下黄土抗剪强度的折减劣化规律，可以为相关的研究提供参考。

3结论

1)初始含水量越大，黄土颗粒间的胶质越容易溶解，进而导致强度降低；低温条件下，温度越低，冰晶的产生使土体内部颗粒胶结力增大，含水率越大，胶结力增量越大，从而导致强度的增大。

2)在温度回弹试验中，与不同低温条件下黄土强度参数进行对比，发现经过冻结溶解过程的试样强度有明显的劣化效应。

3)在冻融循环条件下黄土的黏聚力c在前几次冻融循环劣化比较强烈，降低的幅度随着含水量的增大而减小，当含水量很高时，黏聚力下降不明显。在经过5～7次冻融循环后，黏聚力达到一个稳定值。内摩擦角随冻融循环次数无明显变化。

4)通过试验数据建立了强度参数值随冻融循环次数增加的损伤模型，该损伤模型能较好反映黄土在冻融循环作用下的损伤劣化规律。

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Experimental study on mechanics properties damage to the loess under the freeze-thaw cyclePANG Xuqing1，2，HU Zaiqiang1，LIU Yin1，3

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.Shanxi Railway Institute，Weinan 714000，China；3.China Power Xibei Engineering Corporation Limited，Xi’an 710065，China)

Abstract:Based on freeze-thaw cycle test, the low temperature rebound test and the tri-axial shear test were conducted on Shaanxi Yangling Q3 loess under the replenishment conditions. Besides, the process and the mechanism of effects on mechanical properties of loess by initial water content and difference low temperature and freeze-thaw cycle was revealed, and the damage model of strength parameters is established under the effect of freeze-thaw cycle. The research shows that strength parameters of loess show signs of deterioration with the freeze-thaw cycle. The cohesion of loess has significant degradation effect at the beginning of the freeze-thaw cycle, and cohesive force reached a steady value after 5～7 times freeze-thaw cycle. Besides, cohesion of decline is not obvious when the moisture content is very high, and the change of angle of internal friction is not obvious with the freeze-thaw cycle. The values of strength parameter of the damage model can be well reflected by the increase of the number of freeze-thaw cycles and the shear strength of shear strength of loess under the action of freezing and thawing cycles, which can provide data for engineering design and construction in loess area from freeze-thaw damage.

Key words：loess; mechanical properties; freeze-thaw cycle; damage model

中图分类号：TU43

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0669-06

通讯作者：庞旭卿(1976-)，男，陕西华阴人，副教授，博士研究生，从事岩土工程及地质灾害防治方面的教学与研究；E-mail：pangxuqing@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778152)；陕西省渭南市科研发展计划项目(2015KYJ-3-2)；陕铁院科研基金资助项目(2015-09)

收稿日期：2015-07-24