冻融循环对黄土物理及微观性质影响研究进展

郭嘉琛，靳晓言，彭华聪

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610025)

黄土是一种由风力作用与成土作用形成的松散堆积物。其分布范围十分广泛，在我国，黄土主要分布于北方地区，总面积达63万km2，约占总国土面积的6.6%[1]。

黄土所分布区域大多位于寒区，与冻土的分布区域部分重合。冻土又可以分为多年冻土与季节性冻土两种。李宁等[2]指出寒区工程的冻害问题主要由冻土的冻胀与融沉作用造成。在该区域进行水利工程、交通工程等大型岩土工程建设，就必须充分理解和掌握冻融循环对黄土物理力学性质的影响。

近年来，在冻融循环对黄土性质影响领域已经取得了相关成果。本文对冻融作用下黄土相关物理力学性质变化规律分类描述，探讨不同试验材料和方法的冻融作用对土体性质改变差异性的影响，并着重强调了黄土微观结构变化与宏观物理力学性质变化的内在联系。

1 黄土冻融试验的材料与方法

1.1 试验材料

天然土体具有很强的自然变异型，不同地区黄土的物理力学性质往往存在一定的差异性，因而在研究冻融循环对黄土性质的影响时，须注意不同地区间黄土性质存在的区别[3]。其次，进行冻融循环的试样可以分为原状样与重塑样两种。鉴于取样的过程中的扰动情况，两种土样在经过冻融循环后性质上具有一定的差异性。

1.2 冻融系统

土体的冻结试验仪器根据冻结的方向可以分为单向冻结与三向冻结[4]。由于自然界土体的冻结方式大多是由地表向地层冻结，因而大多数单向冻结的方向是由土体上部向下部冻结，土体的其余方向则采用薄膜进行保温。按照冻结的快慢可以将冻结方式分为缓慢冻结与快速冻结。缓慢冻结中水凝固时间较长，在土体中的迁移较为明显。快速冻结中，由于温度降低较快，水分大多在原位置就变为固态，因而迁移性较差。根据试验过程中试样是否有水分的补给，可以将试验系统分为开放系统和封闭系统。其中开放系统中试样与外界有热量和水分的交换，封闭系统则不存在上述交换。

2 黄土冻融循环对土体物理性质的影响

2.1 密度

冻融作用对土的密度具有双向作用，可以使松散土的密度增大，孔隙比减小，又能使密实土的密度减小，孔隙比增大。毕贵权等[5]对陇西黄土进行温差为-6.7—27℃的单向冻结试验，将冻融后的土样快速用环刀取样并测量其干密度，发现土样底层的干密度由1.86g/cm3下降至1.55g/cm3，底层变为1.78g/cm3。周泓等[6]利用多向冻结法，对饱和陕西富平重塑黄土进行多次冻融循环，冻结与融化的环境温度分别设置为-20℃与20℃。试验发现，在循环次数为4次和8次时，干密度较初始状态变大，冻融循环10次以后，干密度缓慢减小，孔隙比增大，干密度的变化与孔隙比的变化相互对应。师华强等[4]发现，洛川黄土在经过2次、15次和50次冻融循环后，土样的密度都略小于未经冻融的土的密度。宋春霞等[7]对不同初始干容重的兰州黄土重塑试样经不补水条件下顶部为-10℃至20℃单向冻融循环后发现，当干容重较小时，土样的融沉量大于冻胀量，冻融后土样体积减小，干容重增大。而当干容重较大时，土样的冻胀量大于融沉量，冻融后土样体积增大，干容重增大。连江波[8]选取陕西杨凌地区Q3黄土在封闭系统下进行冻融试验。试验发现土体初次冻融时存在一个临界干密度，当初始干密度小于该值时，冻胀量随初始干密度的增大而增大。反之，当初始干密度大于该值时，冻胀量则随初始干密度的增大而减小。

2.2 含水率

黄土体含水率变化的试验主要可以封闭系统与开放系统两种。赵杰等[9]对山西永和黄土进行-20～20℃的周期24h的封闭系统冻融循环试验，试验中发现土体在冻融过程中内部水分有所蒸发，冻融后土样的含水率由原始13.13%降至11.07%。毕贵权等[5]等发现，在底端补水的开放系统下进行单向冻融后，土体的含水量的大小与位置有关。土样在多次冻融后含水量均增大，且从底层到顶层一次增加，其中最底层含水量最小。冻结速度对黄土经冻融循环后土体含水率变化也有较大的影响。影响冻融后黄土含水率因素还有很多，例如周志军等[10]深入探讨了冻结速度与黄土含水量的关系，试验中将土样分别在12、24、36、48h内温度从20℃线性降到-20℃，再进行12h融化，结果表明冻融后土样的含水率普遍较初始含水率大，且随着冻结速度的增大，含水率的增幅呈降低趋势。

2.3 孔隙率

肖东辉等[11]将兰州原状黄土和重塑黄土进行不同次数的冻融循环试验并用压汞法测量孔隙的变化，发现原状土和重塑土的孔隙率都存在先减小，后增大，最终趋于稳定的趋势。在变化过程中，土体中的大孔径先减小，后增多；而小孔径先增多，后减少，最后向5～10μm集中。近年来，孔隙分析维数分析方法开始被用来分析土体孔隙的变化。师华强[13]利用孔隙分形维数来定量描述孔隙特征的变化，孔隙分形维数值越大，表明孔隙的复杂程度越高。试验表明，经冻融循环(50～100次)后黄土的孔隙分形维数值明显增大且逐步稳定，表明形成了新的骨架结构。马骏骅等[12]等对孔隙分形维数的进一步研究发现，当以冻结低温为-5℃进行冻融时，孔隙分形维数增加幅度与数值最大，表明孔隙的复杂程度与破坏性最大，间接证明寒冻强度与土体机械破坏不存在线性相关性。孔隙率的变化与冻融次数呈正相关关系。师华强[13]发现，冻融循环可以促进黄土孔隙比的增大，即在相同外载荷下，随着冻融次数的增多，土的孔隙比增量不断增大。

2.4 渗透性

影响冻融黄土的渗透率的因素有很多，国内多位学者研究了冻融次数及孔隙率与黄土渗透系数的关系。杨涛[14]通过变水头试验法研究了冻融次数对原状及重塑黄土渗透性的影响，结果表明对于原状及重塑黄土，土样的渗透性都随冻融次数的增大呈先增强后稳定的态势，且对原状黄土而言，冻融对竖直向渗透系数的影响要大于其对水平向渗透系数的影响。冻融初始含水率也对重塑黄土渗透性有重要的影响。在相同冻融条件情况下，重塑黄土冻融后渗透系数呈先增大后减小的趋势。肖东辉[15]等研究发现，黄土冻融循环中渗透系数与孔隙率有密切的联系。在冻融30次内，原状黄土与重塑黄土的渗透系数与孔隙率都是随着冻融次数的增加先减小、后增大，间接说明黄土孔隙率的变化是渗透性变化的内因。连江波[16]则发现，在经历相同次数冻融循环作用后，渗透系数变化率是随干密度的增大而升高，而异于孔隙比先增大后减小的变化趋势，并认为相同含水率情况下密实土由于孔隙较小，而更易于由于冻胀作用形成细微裂隙，从而导致渗透性增大。

3 黄土冻融对土体微结构的影响

3.1 研究黄土微结构的意义

谢定义在《黄土力学特性与应用研究的过去、现在与未来》一问中指出[17]，黄土研究中细观、宏观相结合是黄土力学研究的一个新进展。土体的微结构是指显微镜下土颗粒的大小、形状、表面特征、孔隙特征、各土颗粒之间在空间上的排列及其相互作用形式的总和。黄土在受力过程中，工程性质将发生相应的变化，这种变化是通过其微细结构状态的改变来实现。所以，黄土任何复杂的物理力学性状都是其微细结构特性和变化的综合体现。揭示黄土力学行为的本质规律，就必须掌握黄土在受力过程中微细结构相应的变化情况。通过研究黄土微结构在冻融前后的变化，并同时考虑土体在宏观下物理力学性质的变化，可以建立土体微结构与宏观性质上的联系，合理解释土体宏观性质上的一系列改变。

3.2 土体SEM试验进展

土体微观试验中通常采用扫描电镜(SEM)的方法对土体的微观结构进行观察与分析。扫描电镜的样品必须满足三个要求。①为了使SEM拍摄的微结构图像能够准确反映土体原始排列与胶结状态，制样过程中尽量不能扰动原始土体结构；②样品必须处于干燥真空状态，这就要求对对土体进行烘干。但在烘干的过程中应当考虑尽量减少对原始土样结构的影；③由于SEM要求被观察的试样具有良好的导电性，因而需要对试样表面进行喷金、喷破和使用导电胶进行处理。

可以看出，尽管SEM目前为观察土体微结构而采取的主要方法，但是为了符合其观察样品标准，必须对土样采取多种措施进行处理，而处理过程势必会对土体原始微结构带来部分影响。而倪万魁等[3]采用环境扫描电镜设备观察土体微结构。与传统SEM设备相比，该设备可以在低真空环境下直接观察，不需要对样品表面进行喷金处理，从而在一定程度上避免了对土样的扰动过程，因而适合含有一定水分且不能导电的天然土样。

3.3 图像处理技术进展

在处理土样拍摄后的微结构图像方面，目前大多数学者采用定性分析的方法，即通过电镜照片中土颗粒以及孔隙特征的变化特征来分析土体宏观物理力学性质的变化。如倪万魁[3]等通过放大500倍的电镜照片对黄土土颗粒的排列密实情况及孔隙的大小进行宏观的分析。谢定义[17]指出，黄土微观上的定性分析以及不能满足黄土力学特性定量分析的需求。近年来，许多学者在定性研究的基础上采用部分软件对黄土的微结构变化展开定量的分析研究。薛婷[18]利用SEM电镜对冻融前后的黄土样进行观察，并综合使用IPP6.0及MATLAB软件对图像进行定量分析。穆彦虎等[19]采用ArcMap软件对扫描电镜拍摄的图像中的孔隙进行分析，进而定量化的利用面孔隙度及孔隙分布曲线来描述孔隙的性质。

3.4 冻融对微结构的影响

通过对冻融后的黄土进行以上SEM电镜试验，可以分析出冻融循环对其微观性质上带来的影响。倪万魁等[3]发现，随着冻融次数的增加，黄土土体颗粒的排列呈现疏松化趋势，亦即：土体孔隙随冻融次数的增加而增大。这主要是由于土体中水分的冻胀作用破坏了土体原有的胶结状态，而当土体融化时，颗粒间的冰变为液态水从而形成大的孔隙。薛婷[18]等通过定量分析黄土孔隙进一步发现，土体的平均孔隙呈现先增大后减小的趋势，而不同大小的骨架颗粒则随冻融循环次数增加展现出不同的变化规律：<2μm的骨架颗粒呈减少趋势，2～5μm的颗粒则在波动中增加，>20μm的颗粒数目则略有增加。