基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

龙建辉，张玲玲，邢鲜丽，郭晓娟

基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

龙建辉，张玲玲，邢鲜丽，郭晓娟

(太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

在季节性冻土区，冻融作用诱发黄土滑坡的本质是冻融循环作用下黄土物理力学性质的劣化，探明冻融作用下温度以及水分迁移对黄土强度的影响及其机制是必要的。以山西省柳林县某黄土边坡为例，采用一种新的冻融循环方式即按照土体每年历经的温度路径进行冻融循环，研究在温度动态变化的冻融循环作用下土体的抗剪强度变化规律以及反复冻融循环作用对土体黏聚力、内摩擦角和微观结构的影响。结果表明：在一轮冻融循环过程中，土体强度与温度呈负相关关系，低温对土体强度影响较大。随着冻融次数的增加，土体黏聚力呈指数函数下降，内摩擦角几乎没有明显变化。微观试验表明，随着冻融次数的增加，土体内大颗粒破碎化，孔隙增多，表现为颗粒趋于均一化，中等大小(5～10 μm)孔隙占比最大。本次研究模拟了土体经历的温度变化过程，为该地区季节性冻融型黄土滑坡防治提供了借鉴作用。

温度路径；冻融循环；强度；微观结构；山西省

黄土由于其特殊的结构性和水敏性，当其处于天然含水率以及未经冻融循环作用影响时，能长期保持较高的强度[1]，随着含水率增加或者经历冻融循环作用后，其强度将大幅降低[2-6]，山西省作为典型的季节性冻土区，每年春季由于冻融作用引发的滑坡灾害也愈发严重[7]。在土体冻融过程中，其物理力学性质劣化是引起黄土边坡失稳的主要原因，许多学者对冻融作用下土体力学性质的劣化做过一定研究。叶万军等[8]通过对黄土开展单向冻结–双向融化的冻融循环试验，表明冻融过程中冻结区水分显著增加是造成土体强度衰减、孔隙增多的主要原因；许健等[9]在–20～20℃冻融条件下，研究得出原状与重塑黄土黏聚力均表现出指数衰减特征，内摩擦角无明显变化；胡田飞等[10]通过控制冻结负温和循环次数，得出冷却温度越低，达到新的稳定状态所需的冻融次数越少；魏尧等[11]研究了不同冻结温度对黄土力学特性的影响，得到冻结温度越低无侧限抗压强度和黏聚力下降值越快，内摩擦角随冻融次数增加先减小随后增大；庞旭卿等[12]研究了–10℃下冻结和10℃下融化对土体力学性质的影响；倪万魁等[13]研究了在冻结温度为–31～29℃时对黄土力学性质的影响。实际上，影响土体冻融作用的因素有很多：冻融循环温度、冻融循环次数、土体的初始状态以及冻融循环方式等[14-19]，导致试验结果千差万别。

综上所述，目前针对冻融作用对黄土性质的试验研究，只关注单一冻结和融化温度的试验研究相对比较简单，而在一个实际冻融循环周期中，由于冬春季节和昼夜温差的影响，温度处在一个动态变化的周期范围内，而温度场的改变能引起土体内水分场和热参数的变化[20]，这是影响水分迁移以及结构变化的主要原因。故笔者以山西省柳林县某黄土边坡为例，对实际温度路径冻融循环方式下黄土强度随温度的变化规律以及微观结构特性进行研究，是冻融型灾害研究的一种新思路，为研究该地区冻融型滑坡的机理提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试样基本性质

试验所用土样取自山西省柳林县庄上镇辉大峁村一个未经冻融作用的黄土边坡，柳林县最大冻土深度为1 m，取土深度为4～5 m，土样为Q3新鲜黄土，土样的基本物理性质见表1。

表1 土的基本物理性质指标

1.2 试验制备

本次试样采用原状土样，根据《土工试验方法标准》进行制样。

①直剪样的制备 将大块土样制备尺寸为ø61.8×20 mm的环刀试样。根据试验需要，共制备144个直剪样品，如图1所示。

图1 制备的直剪试样

②微观样的制备 用砂纸对原状土样进行打磨，制备成大小为10 mm×10 mm×20 mm的长条状试样。

③含水率的配制 含水量的多少对于冻融作用影响很大，过低有可能土体性质变化不明显，过高不具有代表性，因此，采用水膜转移法[21]配制土样，含水率取12%、16%、20%和24%，并用保鲜膜包裹放置于保湿缸内静待一周，保证水分均匀分布。

1.3 试验方案

本次试验主要分为三大部分，基于温度路径的冻融循环试验、直剪试验以及微观结构实验(SEM)。

温度路径即考虑土体每年历经的温度变化进行冻融循环试验，统计柳林县当地近50 a的年平均最低温和最高温并以5年为一个节点计算得到表2，作为本次冻融循环作用的最低和最高温控制点，中间设置18、0、–10℃这3个温控点作为中间控制点，模拟冻融过程中不同的温度变化，每个温控点设置8 h，保证试样充分反应。由于土体每年冬季冻结，春季融化，故每次循环均以18℃开始和结束，1次冻融循环演示如图2所示。冻融循环次数为0、1、3、7、12，根据采取的冻融循环次数，4个含水率4个围压共需80个样品。

为探究冻融过程中温度变化对土体强度的影响，分别对4个含水率试样在1次冻融循环作用过程中所历经的不同温度段进行研究，划分阶段如下：①未冻融；② 18—34.2℃；③ 18—34.2—18—0℃；④ 18—34.2—18—0—–10—–22.4℃；⑤ 18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0℃；⑥ 18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0—18℃。由于增加了4个阶段强度研究且样品不可重复利用，这个过程共需样品64个。

对冻融后的每个试样进行快速剪切试验，施加垂直压力为100、200、300、400 kPa。

表2 柳林县近50 a平均年最低温和最高温

图2 冻融循环1次温控点

微观试验时，将长条状样品经自然风干后掰断，暴露新鲜结构面，用薄锋利刀片制取约10 mm×10 mm×5 mm的小薄片作为扫描电镜试样，选取有代表性的位置进行观察。

2 冻融循环过程不同阶段黄土强度的变化

根据试验方案中划分的不同温度段，限于篇幅设置，以4个含水率土样在100 kPa和300 kPa围压时冻融1次过程中每个阶段土体抗剪强度变化为例进行分析(图3)。

从图3可以看出，4种含水率下，整个过程土体强度与温度呈负相关关系，对图3a中12%含水率的不同阶段变化进行分析，未经冻融时土体强度为80.6 kPa，当温度由18℃升至34.2℃时，土体强度增加了1.2 kPa，但其他含水率条件均呈下降趋势，这是因为水的黏度会随温度的升高而下降，水分运动的阻力就会减小[21]，土体渗透系数增大，同时温度升高使得土体内部黏土颗粒膨胀变大，原来由黏土颗粒构成的孔隙变大，孔隙比增大[22]，土体密度变小，从而引起土体强度的降低；温度处于18—34.2—18—0℃降温过程中，土体强度相比上一阶段增加了4.4 kPa，为85.6 kPa，这个阶段由于温度的降低，土体内部水分子运动减缓，密度升高，土体内部颗粒收缩，体积变小，孔隙比减小[23]，土体强度有所增加；温度继续由0℃降温至–22.4℃时，土体强度持续升高，此时土体强度最大为92.9 kPa，这个过程中，土体内的水分开始冻结成冰，冰的导热系数是水的4倍，使土体导热系数迅速增加[24]，相应的孔隙比就会减小，土体骨架内充满冰夹层，这增加了土颗粒之间的胶结力[25]，致使土体强度一直升高直至稳定；当温度开始回升，即18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0℃时，土体强度急剧降低为73.8 kPa，由于温度的回升，冰晶体开始缓慢融化，土颗粒间的胶结能力减弱，原先因冰晶冻结产生的大团粒土颗粒破碎化，此时土体内的冰全部缓慢融化为水，体积发生大幅降低，强度也随之迅速降低，没有之前稳定；温度继续升高至18℃时，此时强度下降幅度不大，土体内水分的冻结、融化和迁移破坏了原生土体结构，土颗粒之间将发生重新排列，颗粒间的分子作用力、胶结力和咬合力均不如之前稳定，强度进一步降低。

图3中，土体的强度随温度的升高而降低，但降低幅度比较小，当温度降至0℃以下时，土体强度随温度的降低增幅较大，由此可见低温对土体强度影响较大。随着含水率的增加，土体强度变化幅度也随之增加，这是因为土体内部水分越多，升温时导致水分充分软化土颗粒，故强度随着含水率的升高而降低，当温度为负温时，含水率越高，形成的冰晶体越大，强度也随之更高，表现为在此阶段随着含水率的增加斜率越来越大，同时温度回升至0℃时下降幅度也最大，这是因为含水率越大由于冰晶生长增大的孔隙体积越大，当冰晶融化时，有些增加的孔隙无法恢复到原始状态，土体结构更加疏松，联结力也就更弱，表现为斜率越大。随着围压的增大，土体的强度随之增加，但强度衰减规律大致相同。整个过程中土体强度变化逐步稳定，土体有足够的时间来反映每个过程并直至稳定，这是与传统单一冷热源冻融循环方式相区别的地方。

图3 1次冻融循环过程不同含水率土样各阶段强度变化曲线

3 抗剪强度指标的变化

冻融循环对土体强度的影响主要表现在黏聚力和内摩擦角上。图4为冻融循环次数对土体抗剪强度指标的影响。

分析图4可知，土体黏聚力劣化曲线具有快速劣化阶段和缓慢劣化阶段，当处于低含水率时即12%含水率时，试样黏聚力在冻融次数为1、3、7、12时分别下降了6.20、2.25、1.50、0.35 kPa，16%含水率试样黏聚力下降了4.35、2.60、0.45、0.40 kPa，整个过程劣化程度比较强烈。当处于高含水率时，即试样含水率为20%时，黏聚力随冻融次数(1，3，7，12)的增加分别降低了3.0、1.7、0.4、0.2 kPa，而24%含水率的土样降低了2.75、0.90、0.95、0.25 kPa。首次冻融对土体强度影响较大，在7次冻融前，土体强度降幅较大，之后变化很小。在相同冻融循环次数下，低含水率试样的黏聚力要高于含水率较高的试样，并且黏聚力的下降幅度也是强于高含水率试样。含水率较低时，土颗粒间的水膜比较薄，冻融作用增厚了土颗粒外的水膜，冻结产生的冰晶使得土体的体积变大，充填了土体间的孔隙，随着冻融循环次数增加，冰晶体积增加，土体孔隙也变大，导致土颗粒间的联结被破坏，黏聚力也随之降低，但是冻融作用对土体结构的破坏有限，每次经过冻融后土颗粒又会重新排列至“短时”稳定状态，黏聚力也随之稳定；含水率较高时，土颗粒间水膜较厚，此时土颗粒间的水分主要是其润滑作用，也就导致其黏聚力本身就低，故冻融作用对高含水率试样的黏聚力劣化程度并不大。整体上，黏聚力随冻融次数增加呈指数型减小，采用指数函数对其拟合，具体的关系如下：

图4 不同含水率土样冻融循环次数与抗剪强度指标的关系

式中：c为黏聚力；N为冻融循环次数；a、b、n为模型参数。根据试验数据拟合结果，a–w符合线性拟合关系a=Aw+B，b–w符合抛物线拟合关系b=Cw2+Dw+E，w为含水率；拟合结果如图5所示。拟合参数n在一定范围内上下波动，取平均值1.29。

拟合参数结果为=–0.52，=27.61，=0.03，=–1.41，=23.22，将拟合结果代入式(1)得到：

拟合度2=0.99。

从图4b可以看出，虽然土体内摩擦角在开始冻融的前几次有所降低，但整体变化幅度不大。这是因为内摩擦角主要是由土颗粒之间的接触面积和土颗粒形状决定，在前几次冻融后，土颗粒的接触基本稳定，颗粒之间的粒径都会保持在一定范围内，土颗粒大小逐渐稳定，水分的冻融和迁移也只在小部分范围内发生，故内摩擦角变化不大。

4 土体微观结构变化

沈珠江[26]指出，21世纪土力学的核心问题是土结构性问题，而土体微观结构主要是指颗粒大小、形状、排列方式以及孔隙特征等的分布，为了探究冻融循环次数对土体结构的影响，由于样品之间本身存在差异，对比同一位置并不具有代表性，故寻找土颗粒和孔隙分布较均匀的地方进行扫描分析，避开边缘以及个别大颗粒、大孔隙的部位，对每个试样选取5个扫描点进行拍摄，选取其中最好的图像对比其结构变化。图6为含水率为20%(倍率200)的土样经过不同冻融循环次数的微观结构图。

在图6中，随着冻融循环次数的增加，土体中原先的大颗粒破碎为小颗粒，小颗粒集合体越来越多，颗粒大小慢慢趋于统一，棱角逐渐磨圆，表面起伏减小，同时土体中微裂缝、裂隙不断增加，颗粒集合体间的孔隙不断增大，土体扰动越来越明显。黏聚力主要是自由分子力、土颗粒间胶结力和咬合力共同作用的结果，冻融作用破坏了原有颗粒间的胶结力和咬合力，颗粒产生分裂和重聚合，孔隙增多，随之密度下降，导致黏聚力的降低。同时颗粒间的接触由附着型、角砾型转变为附着型和基底型，颗粒排列成孔方式由架空–镶嵌成孔变为架空成孔，颗粒间的接触方式由面面接触及胶结的方式变为点–面以及点点接触为主要方式[27]。

图6 不同冻融循环次数下20%含水率土体微观结构

将SEM图像采用PCAS软件进行二值化处理，该软件通过种子算法并分割得到孔隙，且能自动对孔隙区域进行彩色处理[8]，如图7所示。在经过二值化处理后，采用Image-pro Plus软件进行孔径的分析，得到图8。

图7 3次冻融循环处理后的孔隙分布(200倍)

从图8可知，孔隙平均直径大小主要集中在5～10 μm，呈现先升高随后降低的趋势，表明在前几次冻融作用时，由于水结成冰导致微小孔隙本身体积增大或者相互贯通，导致平均直径小于5 μm

的孔隙百分含量降低，从而5～10 μm和10～20 μm数量增加，呈升高趋势，随着冻融次数的增加，颗粒骨架坍塌，颗粒发生移动，使得大孔隙变为多个中等小孔隙，导致大于20 μm孔隙百分占比减少，微小孔隙小于5 μm数量增加，5～10 μm略有降低，这说明冻融作用下大孔隙变成多个中等大小孔隙，微小孔隙之间的合并作用比较明显。黄土强度的大小与微观孔隙之间关系密切，在未经冻融时土样结构较好(图6a)，冻融循环作用使得水分迁移，溶蚀冲刷土体矿物组分，造成颗粒骨架间胶结力破坏，此外，由于土颗粒形状以及运移，造成土体内大中孔隙数量增多，颗粒间接触面积减少，引起摩擦阻力发生改变，强度降低。

图8 不同冻融循环次数的孔隙不同平均直径占比

5 结论

a. 在一轮冻融循环过程，高温对土体强度变化幅度影响不大，低温对土体强度影响较大，且二者呈现明显的负相关关系。

b.宏观上，基于温度路径的冻融条件下，土体黏聚力发生改变，引起其力学强度的变化。试验得到不同含水率土体的黏聚力随着冻融循环次数的增加均呈指数型函数下降，并且建立了黏聚力的拟合公式，4个含水率下的土样内摩擦角值变化不明显。

c. 微观实验结果显示，随着冻融循环次数的增加，土体内颗粒破碎严重，颗粒间胶结力破坏，土体内裂缝发育演化，中等大小孔隙占比最大，大孔隙数量减少，孔隙比增大，这也是导致土体黏聚力劣化的主要内在原因。

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Study on the strength and microstructure of loess under freeze-thaw based on temperature path

LONG Jianhui, ZHANG Lingling, XING Xianli, GUO Xiaojuan

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, China)

In seasonal frozen soil regions, the essence of loess landslides induced by freeze-thaw cycles is the deterioration of the physical and mechanical properties of loess. It is necessary to find out the influence of temperature and water migration on the strength of loess under freeze-thaw cycles and its mechanism. Therefore, a new freeze-thaw cycle method is adopted, which is carried out based on the temperature path that the soil goes through each year, to study the law of the shear strength of the soil under the action of the freeze-thaw cycle with dynamic temperature changes and the influence of repeated freeze-thaw cycles on soil cohesion, internal friction angle and microstructure. The test results show that during a freeze-thaw cycle, the soil strength is negatively correlated with temperature, and low temperature has a greater impact on the soil strength. As the freeze-thaw cycles increase, the cohesion of the soil decreases exponentially, and the internal friction angle has little change. The microscopic test shows that with the increase of freeze-thaw cycles, the large particles in the soil are broken and the pores increase, indicating that the particles tend to be uniform, and the medium-sized(5-10mm) pores account for the largest proportion. This study simulates the temperature change process of soil, providing a reference for the prevention and control of seasonal freeze-thaw loess landslides in this area.

temperature path; freeze-thaw cycle; strength; micro structure; Shanxi Province

P642

A

1001-1986(2021)04-0242-08

2021-02-23；

2021-06-22

山西省青年基金面上项目(201801D221051)；山西省自然基金面上项目(201801D21033)

龙建辉，1972年生，男，博士，副教授，从事地质灾害方面的研究. E-mail：longjianhei@163.com

张玲玲，1997年生，女，山西临汾人，硕士，研究方向为工程地质. E-mail：1448928034@qq.com

龙建辉，张玲玲，邢鲜丽，等. 基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：242–249. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.029

LONG Jianhui，ZHANG Lingling，XING Xianli，et al. Study on the strength and microstructure of loess under freeze- thaw based on temperature path[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：242–249. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.04.029

(责任编辑 周建军)