庆阳黄土冻融环境下的特性研究①

潘俊义， 王治军， 周　鹏， 吴光辉， 许元珺

(1.西安长庆科技工程有限责任公司,陕西 西安 710018；2.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069)

庆阳黄土冻融环境下的特性研究①

潘俊义1， 王治军1， 周鹏1， 吴光辉2， 许元珺2

(1.西安长庆科技工程有限责任公司,陕西 西安 710018；2.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069)

摘要：为了解冻融作用对黄土湿陷性的作用效果，以Q3黄土为研究对象，采用增(减)湿法配制不同含水量黄土试样，测试黄土在无补水条件下受温度影响的冻融变形、压缩变形和湿陷变形；对原状黄土进行颗粒分析及基本物理力学参数试验。分析表明：(1)黄土是否产生冻胀取决于其含水量是否超过“临界冻胀含水量”。(2)冻融黄土与原状黄土相比压缩变形量较大，把部分浸水湿陷变形转化为压缩变形，冻融作用使黄土的湿陷性弱化。(3)冷冻黄土在相同温度下，含水量越大，湿陷系数越小；在同一含水量下，冻结温度愈低湿陷系数愈小。

关键词：冻融变形； 湿陷变形； 临界冻胀含水量； 湿陷系数

0引言

黄土由于其特殊的成因及后期的堆积环境，造成了其不同于同时期其他沉积物的工程性质。它在干燥条件下强度高，一旦遇水浸湿将在短时间内产生明显的湿陷变形，因此在黄土地区进行工程建设时，经常会遇到楼房地基不均匀沉降、路基变形等一系列问题。工程中通常采用强夯法、挤密法、预浸水法等地基处理方法来消除或减轻黄土的湿陷性。但是在季节性冻土地区进行工程建设时，冻融作用会使得黄土结构受到冷生作用的影响，改变其原有的物理力学性质，对后期工程造成一定危害，包括造成黄土地基的不均匀沉降、塌陷等。黄土对水的特殊敏感性及其在变形、强度和本构关系等力学特性上所表现的影响规律一直是黄土工程性质研究的中心[1-3]。

当前冻胀理论主要包括毛细理论、水动力模型、次冻胀模型、吸力理论等。对冻土的融化下沉研究主要根据经验和理论相结合的方法，其中Foriero等[4]在一维大变形固结理论基础上建立了一维大变形融化固结理论。Sykes等[5]基于现时构型得到了三维条件下的大变形固结理论。齐吉琳等[6]研究冻融对超固结土强度的影响，得出冻融过程会改变土的结构性。李玉国等[7]研究发现冻融循环和增湿作用引起的压实黄土结构疏松和强度弱化是黄土地基和路基湿陷变形增加的主因。杨平等[8]研究证明土冻融后，密度、干密度及塑性指数略有降低，孔隙比、液性指数略有增大。周志军等[9]认识到冻土压缩模量及抗剪强度随含水率增大而降低，温度对黄土力学性能的影响与试样含水率有关。叶万军等[10]发现土样在初始冻融过程中，体积稍有增大，含水率变化较大，冻结过程中冰晶冻胀力破坏土体结构，结构不可恢复，反复冻融导致其强度弱化。宋春霞等[11]发现冻融循环对不同干容重的土具有强化和弱化的双重作用，导致其力学性质发生相应变化。董晓宏等[12]用经历不同冻融次数的试样进行了系列直剪试验，研究黄土的黏聚力和抗剪强度与冻融循环的关系[12]。王家鼎等[13]研究了黄土改良后的动力特性。

本文考虑到输油管线等线性工程施工的特殊性和运营的安全问题，提出季节性冻土区冻融作用引起黄土地基或路基再次产生湿陷的原因，针对一种冻胀敏感性土——庆阳黄土进行研究，制备不同水分的黄土样，在不同冻结温度下进行湿陷试验，分析黄土在不同温度和含水量下的湿陷性。

1试验概况

1.1试样取样及物理力学参数

基于庆阳地区最大冻深和本次试验目的，以埋深1m的土样作为研究对象。黄土呈褐黄色，稍湿，大孔隙，含有少量姜石、见蜗牛。黄土粒径级配曲线见图1，以黏粒和粉粒(<0.05mm)为主，约占总量86.37%，且以粉粒(0.005～0.05mm)为主，黏土颗粒(<0.005mm)含量在16.13%，平均粒径0.020mm，属典型的冻胀敏感性土，定名为粉质黏土。土样物理性质指标如表1所示。

图1　土体颗粒级配曲线Fig.1　Particle size distribution curve

密度ρ/(g·cm-3)含水量w/%孔隙比e干密度r/(g·cm-3)饱和度Sr/%塑限WP/%液限/%1.4617.91.181.2441.118.527.5

1.2试验方案

主要记录增、减湿土体冻结和融化的变形，以及冻融后土体的压缩系数、湿陷系数,分析含水量和温度对黄土湿陷的影响规律。

初始含水量：10%、15%、18%(天然)、20%、25%、饱和；

冻结温度：-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃。

试验方法：

(1) 增湿试验:使用面积50cm2、高2cm的环刀制样，计算目标含水量，然后利用水膜转移法，以24h为一周期的增湿进度分三次将土样增湿至目标含水量，再养护24h，使土样内水分分布均匀。减湿采用自然风干的方法。

(2) 将试样放置容器中，整体置于预先设定好目标温度的DW-FL362型超低温冷冻箱中冻结(图2)。观测低温无荷载黄土样的变形情况，5h累计变形小于0.01mm视为稳定；然后调制22 ℃进行融化，继续观测土样竖向变形。

(3) 将上述冻融后的试样再进行室内压缩试验，测试其压缩系数及湿陷系数。0～200kPa压力内，每级增量50kPa；大于200kPa，每级增量为100kPa。每小时变形量不大于0.01mm，进行下一级加载压力。

(4) 目标压力下土样变形稳定后浸水，用滴定管缓慢注满蒸馏水，记录土样湿陷变形。

图2　冻融黄土试样Fig.2　Loess sample under freeze-thaw cycle

2黄土的冻胀和融沉变形

黄土冻结试验主要测试不同初始含水量的原状黄土在无载条件下的冻结、融沉变形。

2.1试验结果

含水量为10%、15%、18%、20%、25%及饱和的6个土样在无水源补给的低温环境下冻结,变形稳定再进行室温下消融。试验中黄土的冻结和消融变形量随时间的变化如图3所示。

图3　土样冻结及融化变形曲线Fig.3　Deformation curves of samples under freeze-thaw cycle

图3(a)～(d)分别展示了不同含水量黄土在低温下冻结和室温消融的变形过程。含水量较高的土样在低温环境水相转化为冰时，其体积迅速产生冻胀，且冻胀量显著。含水量越高产生的变形越大，等变形稳定后将试样置于室温环境，试样在前一阶段冻胀的基础上逐渐产生融沉，残余膨胀变形量降到某一稳定值。含水量较低的土样在低温环境没产生冻胀变形，而是出现轻微的冻陷变形，沉陷稳定后继续将试样置于室温融化，监测沉陷量较大的试样发生相应融胀。冻胀变形试验中观测到黄土的冻胀临界含水量约为20%，与其塑限值较接近。本文将这一“界限含水量”称为黄土的“冻胀临界含水量”。

其中含水量高于25%的土样低温冻结时很快产生了膨胀，且最大膨胀量达到0.8mm，含水量越高产生的变形量越大。含水量15%和10%的土样冻结过程没有产生膨胀变形，而是出现轻微的冻陷现象，最大沉陷量达0.081mm。

上述现象分别在-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃低温下得到验证，随温度不同均出现一定差异，其中含水量高于20%的土样最大冻胀变量随着温度的降低逐渐变小。以25%含水量土样为例，从-10 ℃的0.918mm降到-25 ℃的0.439mm。含水量低于15%的土样，在-20 ℃下冻结时冻陷量最大。

2.2结果分析

当土水系统中土体温度降至水冻结起始温度点及以下时，土颗粒间和孔隙中部分水相变结晶，体积膨胀，使间隙体积变大而推动土颗粒移动产生所谓的冻胀现象。并非所有的土冻结都会产生冻胀，只有水-冰发生相变时才会发生，因负温下土温度愈低，冷缩颗粒和冰都遵循热胀冷缩的规律。如果土体中无足够的水分参与冻结，不但不会产生冻胀，相反还会出现冻陷现象。

表 2　典型土的临界胀陷含水量

试验证明，只有土中含水量超过其“临界冻胀含水量”时，才会出现冻胀变形。如表2所示，一般情况下粉质黏土的“临界冻胀含水量”相当于土体塑限含水量WP值。在此界限下，土体的结合水占绝对优势，冻结过程中弱结合水的冰结晶通常在土体内部产生冻结位移，由土颗粒的相对位移进行调节，而在宏观上不足以引起土体变形。一旦土体的含水量超过塑限含水量，孔隙中贮存较多的自由水冻结时就可能导致土颗粒错位产生冻胀。

(1) 土体在冻结过程中，蒙脱石、伊利石等矿物自身要发生冷缩，而土中水冻结则要发生冻胀，决定土体产生冻胀或冻陷的是土中含水量。多数情况下含水土体冻结都要产生冻胀，而冻胀量的大小主要取决于含水状况和水分迁移的多少。水分迁移改变了冻土原来的结构构造和水冰比例。这种在空间位置上不等量的冰-水-土骨架的重分配，改变了冻土物理力学性质。

(2) 细颗粒土水分迁移方向：冻结区内含水量增大，未冻区向冻结区运移，含水量较小的土体(低于天然含水量)所含水量不足以产生体积的增大。蒙脱石晶胞由三层组成，上下层为Si-O四面体，中间层为Al-O-OH的八面体，特点为晶胞间以O-连接，结构不紧密，可吸收无定量的水分子，所以其内部结构构架灵活、亲水性强。蒙脱石具有很强的吸水能力和体积膨胀收缩性，在水分迁移作用下含水量微弱降低，失水收缩，宏观上表现为冻陷现象。并且其他条件相同时，初始含水量本身对水分迁移无影响，而是含水的相变作用延缓冻结锋面推进的能力。含水量越高，冻结锋面推进相对延缓，冻结速率降低，水分迁移提供的有效时间增大，迁移水分的积累量增大。所以含水量较高的土体水分迁移量大，水分进行重分布，土体局部区含水量较高，冻结变形效果也就更明显。

动态系统理论的语言发展观认为，语言系统是复杂的非线性系统，是具有自相似嵌套的分形结构，语言演化的原动力来自语言系统内部，上下层级结构分形的关系是推动语言结构生成演化的原动力。

(3) 土密度、冻结温度相同条件下，初始含水量愈大，冻结速率愈小，水分迁移量大。土颗粒粒径为0.05～0.005mm的粉质黏土水分迁移作用最大，其孔隙连通性好，毛细作用强，持水性好，属水分聚集、聚冰的最敏感性土类。庆阳黄土以黏粒和粉粒(<0.05mm)为主，约占总量的86.37%，且以粉粒(0.05～0.005mm)占优势。

3冻结土体压缩性分析

3.1试验结果

经过冻融的试样置于固结仪上进行压缩试验。压缩系数与湿陷系数的变化关系见图4，湿陷系数随压缩系数增大而减小，近似呈线性变化。冻土的压缩模量与其含水量关系见图5。由于黄土属非均质各相同性材料，基本随着含水量的增大压缩模量变小。在前期随着含水量增大压缩模量大幅度减小，等含水量超过20%以后，随着含水量的继续增加压缩模量不再降低，保持稳定值。

图4　压缩系数与湿陷系数的关系Fig.4　Relation between the compressibility and collapsiblity coefficient

图5　压缩模量与含水量的关系Fig.5　Relation between the compressive modulus and water content

3.2结果分析

研究表明，经过冻结和融化的土体，其抗剪强度会大幅度降低。在任何情况下，冻土融化时黏聚力将急剧降低，甚至成许多倍降低，而内摩擦角则可能无明显变化。根据大量试验资料统计，土体经过反复冻融作用后，其孔隙度增加者占大多数，结果造成已融土压缩系数比未冻的同一类土压缩系数明显增大。

根据试验资料，饱和土冻结融化后孔隙度大于冻前，这是因为土体冻结时孔隙水变成冰，并在土体中形成各种结构，土颗粒位移，土体发生冻胀所致。冰融化后，留下的大孔隙又不能恢复到冻前的细小孔隙，致使土体变得疏松，孔隙度增加，直接影响固结过程中超孔隙水压力的产生和消散，加速已冻土的变形进程。

一定孔隙度和干密度的黄土，其变形量是固定的，即湿陷变形和压缩变形是一个稳定值，冻结黄土在融化后具有较高的压缩性，所以就相对减弱了其湿陷性，这是一种此消彼长的对立性关系。

4庆阳黄土原位冻融规律分析

在试坑内布置13个冻融变形监测点，1个位于试坑中心，另外12个分别布置在半径为1m和2m的圆上。圆的内圈为A，外圈为B，A1埋深0.2m，A2埋深0.4m，依此类推，最深的B6埋深2.4m。本次布置的监测点已经完全覆盖了可能出现冻融变形的全部深度范围。注水4天，共计117m3，从开始注水前的测读初值，到注水过程中的沉降观测，冻结过程中的冻胀观测，至融化后的融陷监测，共历时99天。每天观测一次，共观测99次。

根据实测沉降数据绘制了O～B6 ，13个标点累计沉降量随时间变化的曲线，从O～B6埋深以0.2m为增量逐渐增加。1.0m以上的6条曲线见图6(a)，1.0m以下的8条曲线见图6(b)。

从图6(a)可以看出，浸水3天后，随着水分向下运移至上覆压力达到湿陷起始压力的土层后，开始产生湿陷变形，试坑中心O点最早产生湿陷变形，并且变形量最大，随着深度的增加湿陷开始时间变晚，湿陷量也逐渐减小。浸水后第13天，即1月4日湿陷不再发展，反而出现了土层回弹现象，在力学条件与水分条件均改变的情况下，回弹是由水分冻结引起的。监测标点所观测到的变形量反映了其下覆土层的变形量，从图6(a)和(b)可以看出，0、0.2、0.4及0.6m的沉降标均观测到了膨胀变形，膨胀量由浅至深逐渐减小，0.8m及以下标点未观测到膨胀变形，因此可以推论冻结下限深度在0.6～0.8m之间。经历了5天的回弹变形以后，变形基本稳定，一直持续到第154天，即3月1日气温恢复后土层出现二次沉降，表明土层中冻结的水分开始融化并引起了土层的二次下沉。

图6　监测标点沉降量随时间发展曲线Fig.6　Settlement curves of monitoring points with time

为了更加直观地探讨饱和黄土层冻胀融陷过程，绘制了小试坑中心O点的累计沉降量及单天沉降量随时间发展曲线(图7)。从图中可以看出，浸水后第4天开始产生湿陷沉降，单天沉降量达0.95cm，随后的6天沉降量逐渐减小，第11天未发生沉降，第12天至16天发生了明显的冻胀变形，最大单天冻胀量为0.15cm，总冻胀量为0.3cm。从冻胀曲线来看，冻胀过程经历一个波峰之后即基本结束，这表明冻胀过程完成得较为迅速，这主要由于冻深有限，在该场地所处的温度环境下，可冻结的土层在3天之内即可完成冻结过程。3月1日之后，温度回升到0℃左右，冻土层在地温和气温的影响下开始融化，土层在融化过程中发生了二次沉降，土层总沉降量在4天之内即快速恢复到了冻结前的总沉降量，在随后的时间里继续缓慢下沉，至试验结束。最终的总沉降量为2.60cm，二次沉降量为0.6cm，占总沉降量的23%。

图7　O点累计沉降量及单天沉降量随时间发展曲线Fig.7　Curvs of cumulative settlement and settlement of singe day at point O

5冻融黄土湿陷规律分析

(1) 经历冻融的试样湿陷试验。试验中首先以未经历冻融的试样作为基础试样，对比冻结温度作用对土体湿陷的影响程度。以200kPa压力下的湿陷系数为分析对象，给出试样经历不同冻结温度的湿陷系数与初始含水量的关系曲线(图8)。试样在各级温度下随含水量的增加其湿陷系数依次降低。同含水量的土样随着冻结温度的降低其湿陷系数相应减小。其中室温条件下黄土的湿陷系数普遍大于冻结黄土所对应的湿陷系数。

图8　含水量与湿陷系的关系Fig.8　Relation between water content and collapsibility coefficient

(2) 通过水分来实现温度对冻黄土湿陷系数的影响。冻结温度与湿陷系数的关系曲线见图9。冻黄土的含水量、密度、孔隙比等其他条件相同时，湿陷系数随冻结温度的降低而相应降低。本次试验土样干密度小、孔隙度大，所以具有显著的湿陷性，湿陷系数值较大。

图9　湿陷系数与温度的关系Fig.4　Relation between the collapsibility coefficient and temperature

结果解释：

土样保持着其地质历史过程中形成的结构强度，而经历过低温冻结作用的冻黄土在温度和水分作用下，产生冻胀力并使土体内应力产生影响。冻结过程中，含水量高的土体产生较大的冻胀变形，在无荷载约束的条件下，土颗粒在水-冰相转化过程中产生内压力或拉力。这一状态一直持续到冻土消融并且内部应力达到最大值。冻土消融后，土样的内部原始结构在温度和水分、盐分的综合作用下产生新的变化。冻结过程中冰晶冻胀力破坏土体结构，融化时结构不可恢复，冻融导致土体强度弱化。其他外界环境条件相同时，对其施加一定的载荷，未冻土体压缩性相比冻结土体压缩性小，目标压力下变形稳定，继续浸水后将产生较大的湿陷变形。

随着黄土冻结温度的降低，土体内部产生的冻胀力将迅速增加，土体冻结时承受比融土条件下高数倍的应力。在后期压力作用下产生较大的压缩变形，把部分浸水湿陷变形转化为压缩变形，所以冻结温度愈低其湿陷系数愈小。

6结论

(1) 庆阳黄土以粉粒(0.005～0.05mm)为主，颗粒粒径水分迁移作用最大，孔隙连通性好，毛细作用强，持水性好，属水分聚集、聚冰的最敏感性土类，是黄土冻胀及融陷变形的主要因素。

(2) 黄土在冷冻条件下存在 “界限含水量”，当土的含水量大于“界限含水量”时，会出现冻胀变形，反之则出现轻微冻陷变形。庆阳地区黄土“界限含水量”在20%左右。

(3) 黄土的基本物性指标一致时，相同压力下其变形总量(湿陷变形和压缩变形)固定。冻结过程中冰晶冻胀力破坏土体结构，融化时结构不可恢复，冻融导致土体强度弱化，导致冻融黄土比原状黄土压缩变形量大，把部分浸水湿陷变形转化为压缩变形，所以冻融作用使黄土的湿陷性弱化。

(4) 经现场原位测试，庆阳地区实测冻深下限深度在0.6～0.8m。

(5) 冻结黄土在同一温度下，含水量越大，湿陷系数越小；在同一含水量下，冻结温度愈低湿陷系数愈小。

(6) 温度对黄土湿陷影响机理：高饱和土样冻结时，一方面产生冻胀，造成土体内微观结构上的位错滑移等运动，内应力相继出现并增大，冻土消融后，原先产生的应力消散。经过冻融这一过程土体内的胶结作用遭到损伤，原有的结构丧失。另一方面孔隙水变成冰，并在土体中形成各种结构，土颗粒位移，土体发生冻胀。冰晶融化后，大孔隙又不能恢复到冻前的细小孔隙，土样变得疏松，孔隙度增加。在相同外力作用下，其压缩性相应增大，而湿陷性相应降低。

参考文献(References)

[1]谢定义.黄土力学特性与应用研究的过去、现在和未来[J].地下空间，1999，19(4)：273-285.

XIEDing-yi.ThePast,PresentandFutureoftheResearchonMechanicalCharacteristicsandApplicationofLoess[J].ChineseJournalofUndergroundSpace，1999，19(4)：273-285.(inChinese)

[2]齐吉琳,谢定义,石玉成.土结构性的研究方法及现状[J].西北地震学报,2001，23(1):99-103.

QIJi-lin,XIEDing-yi,SHIYu-cheng.StatusQuoandMethodofQuantitutiveStudyonSoilStructure[J].NorthwesternSeismologicalJournal,2001,23(1):99-103.(inChinese)

[3]陈昌禄，邵生俊，方娟，等.不同结构性黄土的强度规律及传统强度准则适应性分析[J].地震工程学报，2013，35(4):851-857.

CHENChang-lu,SHAOSheng-jun,FANGJuan,etal.AnalysisofStrengthVariationofDifferentKindsofStructuralLoessandAdaptabilityofTraditionalStrengthCriterion[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(4):851-857.(inChinese)

[4]ForieroA，LadanyiB.FEMAssessmentofLargeStrainThawConsolidation[J].JournalofGeotechnicalEngineering，1995，121(2)：126-138.

[5]SykesJF，LennoxWC，CharlwoodRG.FiniteElementPermafrostThawSettlementModel[J].JournalofGeotechnicalEngineeringDivision，2014，100(11)：1185-1201.

[6]齐吉琳，马巍.冻融作用对超固结土强度的影响[J].岩土工程学报，2006，28(12)：2082-2086.

QIJi-lin，MAWei.InfluenceofFreezing-thawingonStrengthofOverconsolidatedSoils[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2006，28 (12)：2082-2086．(inChinese)

[7]李国玉，马巍，穆彦虎，等.季节冻土区压实黄土湿陷特性研究进展与展望[J].冰川冻土，2014，36 (4)：934-943．

LIGuo-yu，MAWei，MUYan-hu，etal.ProgressandProspectsoftheResearchonCollapsibilityofCompactedLoessinSeasonallyFrozenGroundRegions[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2014，36 (4)：934-943.(inChinese)

[8]杨平，张婷.人工冻融土物理力学性能研究[J].冰川冻土，2002，24 (5)：665-667．

YANGPing，ZHANGTing．ThePhysicalandtheMechanicalPropertiesofOriginalandFrozen-thawedSoil[J].JournalofGlaciologyandGeocryology，2002，24(5)：665-667.(inChinese)

[9]周志军，吕大伟，宋伟.基于含水率和温度变化的冻融黄土性能试验[J].中国公路学报，2013，26(3)：44-49.

ZHOUZhi-jun，LUDa-wei，SONGWei.ExperimentonLoessCharacteristicsafterFreeze-thawCircleBasedonChangesofMoistureContentandTemperature[J].ChinaJournalofHighwayandTransport，2013，26(3)：44-49.(inChinese)

[10]叶万军，杨更社，彭建兵，等.冻融循环导致洛川黄土边坡剥落病害产生机制的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(1)：199-205.

YEWan-jun，YANGGeng-she，PENGJian-bing，etal．TestResearchonMechanismofFreezingandThawingCycleResultinginLoessSlopeSpallingHazardsinLuochuan[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2012，31(1)：199-205．(inChinese)

[11]宋春霞，齐吉琳，刘奉银.冻融作用对兰州黄土力学性质的影响[J].岩土力学，2008，29(4)：1077-1081．

SONGChun-xia，QIJi-lin，LIUFeng-yin.InfluenceofFreeze-thawonMechanicalPropertiesofLanzhouLoess[J].RockandSoilMechanics，2008，29(4)：1077-1081．(inChinese)

[12]董晓宏，张爱军，连江波，等.长期冻融循环引起黄土抗剪强度劣化的试验研究[J].工程地质学报，2010，18(4)：887-893.

DONGXiao-hong，ZHANGAi-jun，LIANJiang-bo，etal.LaboratoryStudyonShearStrengthDeteriorationofLoesswithLong-termFreezing-ThawingCycles[J].JournalofEngineeringGeology，2010，18(4)：887-893.(inChinese)

[13]王家鼎，彭淑君，马闫，等.高速列车振动荷载下水泥改良黄土动力学试验[J].地震工程学报，2013，35(1)：35-41.

WANGJia-ding,PENGShu-jun,MAYan,etal.DynamicTestsontheCement-improvedLoessundertheVibratoryLoad[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(1):35-41.(inChinese)

CharacteristicsofQingyangLoessunderFreeze-thawCycle

PANJun-yi1,WANGZhi-jun1,ZHOUPeng1,WUGuang-hui2,XUYuan-jun2

(1.Xi’an Changqing Science & Technology Engineering Co., Ltd, Xi’an 710018, Shaanxi, China;2.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China)

Abstract:With the development of One Belt and One Road, a number of key national construction projects are proposed in regions with seasonally frozen ground and collapsible loess in western China. Researchers have determined engineering problems associated with freeze-thaw and the collapse of loess, and based on previous studies this study aims to determine the rules of change pertaining to loess collapsibility after the effects of freeze-thaw. Therefore, Q3 loess samples with different moisture contents are prepared using a moistening or demoistening method. After freezing-thawing at different test temperatures, and with no water supply, tests are conducted on frost-heave and thawing deformation, compression deformation, and the collapsible deformation of loess. Particle and physo-mechanical parameters of natural loess are also analyzed. Results indicate the following: firstly, when the moisture content is greater than the critical value, frost heave deformation is generated in loess in a freezing environment. Secondly, compared to pre-freezing samples, there is a greater compression deformation of post-thaw loess samples. However, there is a reduced coefficient of collapsibility; the freeze-thaw action weakens loess collapsibility. Thirdly, when using the same test temperature, the coefficient of collapsibility of frozen loess decreases with an increase in the moisture content, and also decreases when the test temperature is decreased but moisture content remains unchanged.

Key words：frost-heave and thawing deformation; collapsible deformation; critical water content of frost heave; coefficient of collapsibility

收稿日期：①2015-05-18

作者简介：潘俊义(1981-)，男，工程师，注册岩土工程师，现从事岩土工程勘察设计工作。E-mail：wuguanghui.10@163.com。

中图分类号:TU435

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)03-0445-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0445