冻融作用下高填方黄土抗剪强度劣化特性分析

孙杰龙 王弘起 李盛斌 李大卫 邱明明

（1.延安大学建筑工程学院，陕西延安 716000；2.陕西建工第十三建设集团有限公司，陕西延安 716000）

0 引言

在黄土丘陵沟壑区采用平山、填沟等方法治理水土流失时，会因土丘陵沟壑区特殊的工程环境和地质条件形成高填方边坡。而黄土丘陵沟壑区是半湿润半干旱区的过渡带，气温年较差和日较差大，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。在这种季节性冻融作用下高填方边坡黄土抗剪强度会发生劣化，导致高填方黄土边坡失稳，对人民生命财产安全造成威胁。

冻融作用下黄土力学特性的研究成果较为丰硕[1-4]。倪万魁等[5]采用镜扫描观测、单轴压缩试验和三轴剪切试验手段，研究了冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响。肖东辉等[6]对冻融循环作用下黄土孔隙率变化规律进了研究。董晓宏等[7]对长期冻融循环下黄土强度劣化特性规律进行了研究。周 泓等[8]以陕西富平重塑黄土为研究对象，分析了不同次数的冻融循环作用下土体黏聚力的变化规律。张 泽等[9]以重塑黄土为研究对象，分析了冻融循环作用下黄土的孔隙特征。李国玉等[10]分析了冻融循环作用对压实黄土的水分分布、变形以及干密度等工程地质特性的影响。宋春霞等[11]以兰州黄土为研究对象，分析了土的强度参数和前期固结压力在冻融循环作用下的变化规律。庞旭卿等[12]在分析不同初始含水率、低温温度和冻融循环对黄土力学性质影响的基础上，建立了冻融作用下黄土强度参数损伤模型。Viklander[13]基于冻融作用提出了残余孔隙比的概念。雷胜友等[14]基于CT 扫描分析了原状黄土三轴剪切、浸水湿陷试验过程中的微结构变化规律。王朝阳等[15]采用三轴CT 实时试验，对原状黄土三轴剪切过程中的应力-应变规律进行了分析。赵淑萍等[16]基于CT 单向压缩试验研究了冻结重塑黄土损伤耗散势，得到了试样的屈服应变、损伤应变临界值和破坏应变临界值。王铁行等[17]对考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度进行了试验研究。王掌权等[18]对冻融作用下西安Q3原状黄土强度变化规律进行了分析。折海成等[19]对增湿-冻融劣化原状黄土结构强度进行了研究，得到了黄土在增湿和冻融情况下的压缩变形特征。赵鲁庆等[20]对冻融黄土微观结构变化规律及分形特性进行了研究。周春梅等[21]分析了干湿和冻融循环对压实黄土路用性能的影响。

国内外学者在黄土冻融力学特性方面取得了丰硕的研究成果，但冻融作用下高填方黄土抗剪强度劣化特性的研究还不多见。在前人研究的基础上，本文以延安新区高填方黄土为研究对象，开展冻融作用下高填方黄土抗剪强度试验研究，分析冻融作用下高填方黄土抗剪强度劣化特性，为黄土沟壑区高填方黄土边坡稳定性评价提供依据。

1 试验方案

在延安新区B4-06、B4-25 高填方场地取样，取样后按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）制成含水率分别为14%、12%、9%和7%的试样，在制样过程中控制试样干密度为1.61 g/cm3，制备好的试样如图1 所示。

图1 制备好的试样

试样制备完成后，开展冻融循环试验，将试样放入低温试验箱内冻结48 h，然后在常温下融化48 h，温度变幅为-20～25 ℃；待试样解冻后，采用DSJ-3型应变控制式直剪仪（见图2）开展剪切试验，剪切速率为2.4 mm/min，法向应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。

图2 低温试验箱与直剪仪

2 试验结果分析

2.1 冻融循环对高填方黄土黏聚力影响

不同冻融循环次数下高填方黄土黏聚力变化如图3 所示。

图3 黏聚力与冻融循环次数关系曲线

由图3 可知，黏聚力随冻融循环次数增加而逐渐减小，主要是由于冻结过程中土颗粒周围的结合水膜结晶引起的体积膨胀对土颗粒产生挤压作用，导致土颗粒间的联结遭到破坏，进而引发黄土结构和强度劣化，黏聚力逐渐减小。干密度相同时，含水率越小黏聚力越大，这是因为含水率增大会使黄土颗粒间的结合水膜增厚，导致黄土黏聚力减小；第4 次冻融后黄土结构强度损伤增量达到最大，之后随着冻融继续进行，黄土结构强度损伤增量逐渐减小。冻融作用下含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，主要是因为干密度相同时，黄土的含水率越小时其结构强度越高，因而在冻融作用下黏聚力的劣化幅值就越大。

2.2 冻融循环对高填方黄土内摩擦角影响

不同冻融循环次数下高填方黄土内摩擦角变化如图4 所示。由图4 可知，高填方黄土内摩擦角随冻融次数呈波浪形变化趋势，波动范围基本处于6°以内，无明显的规律性，主要是因为内摩擦角反映的是土体颗粒间的联结方式，而冻融作用对其影响相对较小。

图4 内摩擦角与冻融次数关系曲线

3 冻融作用下高填方黄土黏聚力损伤劣化模型

由前述试验结果可知，冻融后高填方黄土黏聚力衰减规律比较明显，为了探求高填方黄土在冻融作用下的损伤劣化规律，定义冻融损伤系数kc为：

式中：c0为未冻融时黏聚力，kPa；cn为n次冻融后黏聚力，kPa。

高填方黄土黏聚力损伤系数与冻融次数的变化规律如图5 所示。

图5 黏聚力损伤系数与冻融次数关系曲线

由图5 可知，高填方黄土冻融损伤系数随冻融循环次数增加而增大，但在第4 次冻融后增大幅值减小，冻融损伤系数随冻融循环次数呈三次多项式变化规律；且随含水率增大，高填方黄土冻融损伤系数增大，这是由于在干密度相同的情况下，在冻结作用下含水率越大，产生的冻胀作用就越强，对土体结构的破坏作用就越大，冻融损伤随之增强。

由图3 可知，黏聚力和冻融次数符合三次多项式衰减关系，可用式（2）所示的三次多项式拟合分析。

式中：c为黏聚力，kPa；n为冻融次数；a、b、d、f为拟合参数，如表1 所示。

表1 拟合参数1

考虑含水率的影响，以表1 中的a、b、d、f为已知参数进行拟合分析，如图6 所示。

图6 含水率与拟合参数关系曲线

由图6 可知，参数a、b、d、f与含水率的关系可用式（3）-式（6）表示，拟合结果见表2。

表2 拟合参数2

将式（3）-式（6）代入式（2）可得高填方黄土黏聚力与含水率、冻融循环次数的关系表达式，如式（7）所示。

利用独立试验数据（含水率15%）对计算模型进行验证（见图7）。由图7 可知，由计算模型得到的数值与试验得到的数值误差较小，说明计算模型式（7）能较好地描述冻融作用下高填方黄土黏聚力劣化特性。

图7 计算模型验证

4 结论

（1）冻融作用下高填方黄土黏聚力随冻融循环次数增加而逐渐减小；冻融作用下高填方黄土含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，内摩擦角没有明显规律性变化。

（2）干密度相同时，高填方黄土含水率越小黏聚力越大；第4 次冻融后高填方黄土黏聚力损伤增量达到最大，之后随着冻融继续进行，高填方黄土黏聚力损伤增量逐渐减小。

（3）基于试验数据，分析了高填方黄土劣化特征，给出了高填方黄土黏聚力劣化模型表达式，并利用独立试验数据进行了验证，结果表明该模型能较好地描述冻融作用下高填方黄土黏聚力劣化特征。