冻融循环作用下压实湿陷性黄土冻胀性能研究

关春先

(辽宁水利职业学院，辽宁 沈阳 110122)

湿陷性黄土是一种孔隙率高，渗透性、湿陷性和崩解性强的特殊土体，采用压实法处理后其湿陷性基本能够得以消除，然而在季节性冰冻区，运行几年后压实的湿陷性黄土地基仍大量出现不均匀沉降和崩塌等病害[1- 4]。为此大量专家学者对冻融循环作用下湿陷性黄土的冻胀性能以及力学特性开展了大量的研究。王泉等[5]先对湿陷性黄土进行一次湿陷试验，并在冻融循环后进行二次湿陷试验，试验结果表明重塑与原状湿陷性黄土二次湿陷系数超过了0.015，且随冻融循环次数增大逐渐趋于稳定，说明季节性冰冻区湿陷性黄土存在二次湿陷性。武丹等[6]通过对山西某工程所用黄土进行了一系列的室内试验，研究了冻融循环作用对压实黄土力学特性的影响，发现冻融循环作用能有明显降低黄土抗剪强度，其影响与含水率呈正相关关系，且相同压实度下湿陷性黄土对冻融循环作用更敏感。潘鹏等[7]针对宁夏气候环境特点对黄土冻融循环效应进行分析，研究了冻融循环次数、含水率以及干密度对湿陷系黄土的影响，指出含水率为22%时湿陷性黄土冻融效应最明显，湿陷性黄土地区工程建设时建议避开最不利含水率。李国玉等[8]通过对冻融循环前后压实黄土的温度、含水率等6个基本物理力学参数进行分析，研究了冻融作用对湿陷性黄土湿陷变形的影响，认为湿陷性黄土强度弱化以及融沉变形是由于，冻融作用使得水分逐步向上部聚集、压实度降低和孔隙率增大的结果。刘博诗等[9]采用石英粉、石膏和膨润土等材料模拟了具有结构性的湿陷性黄土，并对不同固结压力下人工制备湿陷性黄土进行电镜扫描试验，结果表明，土的湿陷系数与参数与面积比、等效直径、扁圆度等细观结构特征参数有关，固结压力对人工制备湿陷性黄土架空孔隙影响较大而对粒间孔隙影响不明显。李喜安等结合SEM和IPP等分析手段对黄土湿陷前后土体的结构和孔隙特征情况进行了分析，揭示了黄土湿陷对其渗透性的影响变化规律及微观响应机理。综上所述，冻融循环作用对湿陷性黄土力学特性的影响主要集中于宏观力学试验，针对冻融循环作用对湿陷性黄土细观结构的影响研究尚不够充分。本文通过对不同冻融次数下压实湿陷性黄土进行SEM、直接剪切和湿陷试验，分析了冻融循环对压实湿陷性黄土湿陷系数、强度参数和细观结构的影响。

1 试验概况

1.1 试验样品基本物理指标

根据SL237- 1999《土工试验规程》对取回湿陷性黄土土样基本物理特性指标进行测定，测得湿陷性黄土比重Gs=2.72，最大干密度为ρdmax=1.68g/cm3，最优含水率为ωo13.7%，液限ωL=48.8%，塑限ωP=18.5%。

1.2 试样制备和试验方法

将湿陷性黄土烘干、碾细后过2mm的圆孔筛，并按照最优含水率配制待用，配水过程应保证水喷洒均匀，配水后将土用塑料薄膜密封24h。试样采用压样器在环刀中压制成型，试样干密度控制为最大干密度的0.96，环刀尺寸为直径×高=61.8mm×2mm。试样制备好后分别进行0次、5次、15次、20次和25次冻融循环，冻融循环采用快冻法进行，冻结温度为-5℃，融化温度为10℃，冻结时间为1h，融化时间1h，将冻融循环后试样进行湿陷试验、SEM试验和直接剪切试验，SEM试验试样放大倍数为500倍，直接剪切试验固结压力为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率为0.368mm/min。

图1 SEM试验结果

2 试验结果与分析

2.1 细观结构

分别取冻融循环0次、10次和20次试样进行SEM试验，试验结果如图1所示，随冻融循环次数增大，压实湿陷性黄土孔隙逐渐增多，土颗粒间联结作用逐渐减弱，冻融循环后土颗粒排列逐渐趋于疏松多孔，这是主要是由于压实湿陷性黄土中水分结冰膨胀，破坏了压实湿陷性黄土原本的结构，当孔隙中的固态冰融化时，土颗粒坍塌，土体结构性越差，孔隙率逐渐增大。

2.2 湿陷性

压实湿陷性黄土湿陷系数与冻融循环次数关系曲线如图2所示，随冻融循环次数增大，压实湿陷性黄土湿陷系数增大，冻融循环次数为0次时，压实湿陷性黄土湿陷系数小于0.015，说明压实作用能有效的消除黄土的湿陷性，冻融循环次数为5次时，压实湿陷性黄土湿陷系数大于0.015，说明冻融循环作用能使压实湿陷性黄土具有二次湿陷性。压实湿陷性黄土湿陷系数与冻融循环次数具有明显的对数关系，当冻融循环次数大于20次时，压实湿陷性黄土湿陷系数基本稳定。这是由于冻融循环作用破坏了压实湿陷性黄土的结构性，使得压实湿陷性黄土的湿陷系数逐渐增大，而随着冻融次数逐渐增多，压实湿陷性黄土结构性逐渐被破坏，当冻融循环次数达到20次时，压实湿陷性黄土结构性基本被破坏，随冻融循环次数进一步增大，压实湿陷性黄土湿陷系数逐渐趋于稳定。

在季节性冰冻区域应考虑冻融循环作用对压实湿陷性黄土的影响，建议采用添加固化剂的方式消除湿陷性黄土的湿陷性，不建议采用压实的方式对湿陷性黄土进行处理，对建筑等级低，变形控制要求不高的建筑物，应以冻融循环20次后的湿陷系数再乘以一个放大系数作为压实湿陷性黄土的参考湿陷系数。

图2 湿陷系数与冻融循环周次关系曲线

2.3 抗剪强度参数

不同冻融循环次数下压实湿陷性黄土抗剪强度参数根据摩尔-库伦强度破坏准则确定，摩尔库伦强度准则如下。

τf=σtanφ+c

(1)

式中，τf—土体抗剪强度；σ—土体法向压力；c—粘聚力；φ—土体内摩擦角。

压实湿陷性黄土内摩擦角、粘聚力与冻融循环次数关系曲线分别如图3、4所示，由图可以看出，随冻融循环次数增大，压实湿陷性黄土内摩擦角与粘聚力均逐渐减小，且冻融循环作用对压实湿陷性黄土粘聚力降低明显，内摩擦角降低不明显。这主要是由于冻融循环作用主要降低了湿陷性黄土的结构性，对颗粒间的摩擦作用降低并不明显。

图3 内摩擦角与冻融循环周次关系线

图4 粘聚力与冻融循环周次关系曲线

3 结论

(1)冻融循环后土颗粒排列逐渐趋于疏松多孔，随冻融循环次数增大，压实湿陷性黄土孔隙逐渐增多，土颗粒间联结作用逐渐减弱。

(2)随冻融循环次数增大，压实湿陷性黄土湿陷系数增大，冻融循环作用能使压实湿陷性黄土具有二次湿陷性，压实湿陷性黄土湿陷系数与冻融循环次数具有明显的对数关系，当冻融循环次数大于20次时，压实湿陷性黄土湿陷系数基本稳定。

(3)随冻融循环次数增大，压实湿陷性黄土内摩擦角与粘聚力均逐渐减小，且冻融循环作用对压实湿陷性黄土粘聚力降低明显，内摩擦角降低不明显。

[1] 余侃柱. 调蓄水池湿陷性黄土地基特性及处理措施[J]. 水利规划与设计, 2013(06): 58- 61.

[2] 贾淑敏, 梁素伟. 强夯法在南水北调中线工程中消除黄土湿陷性的应用[J]. 水利规划与设计, 2013(02): 60- 62.

[3] 胡海涛. 湿陷性黄土基础施工技术研究与应用[J]. 水利技术监督, 2013(05): 68- 70.

[4] 谷琪, 王家鼎, 司冬冬, 等. 不同含水率下黄土冻融循环对湿陷性影响探讨[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(07): 1187- 1192.

[5] 王泉, 马巍, 张泽, 等. 冻融循环对黄土二次湿陷特性的影响研究[J]. 冰川冻土, 2013, 35(02): 376- 382.

[6] 武丹, 巨玉文. 冻融循环对黄土路基填料抗剪强度影响的实验研究[J]. 中国科技论文, 2017, 12(01): 118- 120.

[7] 潘鹏, 李剑, 郝佳兴, 等. 冬灌区黄土湿陷性的反复冻融效应[J]. 科学技术与工程, 2017, 17(04): 273- 276.

[8] 李国玉, 马巍, 穆彦虎, 等. 冻融循环对压实黄土湿陷变形影响的过程和机制[J]. 中国公路学报, 2011, 24(05): 1- 5.

[9] 刘博诗, 张延杰, 王旭, 等. 人工制备湿陷性黄土微观结构分析[J]. 工程地质学报, 2016, 24(06): 1240- 1246.

[10] 李喜安, 洪勃, 李林翠, 等. 黄土湿陷对渗透系数影响的试验研究[J]. 中国公路学报, 2017, 30(06): 198- 208.