冻融循环条件下伊犁河谷典型黄土滑坡力学强度变化及微观作用机理研究

贾竣予　张紫昭　张天栋　吕倩俐　梁世川　朱海玉　张淑淇

摘   要：对新疆伊犁地区黄土滑坡灾害频繁发生问题，选取伊犁地区新源县某天然黄土斜坡为研究对象，结合伊犁地区为典型的季节性冻土区的特点，通过室内三轴压缩试验、扫描电子显微镜、现代图像处理及核磁共振方法探究不同冻融循环次数下伊犁地区黄土的宏微观特性变化。结果表明：①黄土粘聚力随冻融循环次数的增加，经历了先减小后增大的过程，最终趋于稳定；内摩擦角随冻融循环次数的增加，逐渐增加，然后开始减小，最终呈稳定趋势；②在冻融循环过程中黄土颗粒不断裂解团聚，形态复杂，微孔隙数量变少，小孔隙、中孔隙和大孔隙略增多，孔隙排列变得复杂后逐渐简单，总体上伊犁地区黄土的微观颗粒结构经历了一个稳定-不稳定-稳定的过程；③不同冻融循环次数下颗粒圆形度与粘聚力的关联性最强。微观上表现为冻结时土颗粒裂解，颗粒圆形度变小，融化时土颗粒凝聚，颗粒圆形度增大；反映到宏观上冻结时结构变得松散，粘聚力降低，融化时结构变得密实后粘聚力增大；④不同冻融循环次数下颗粒圆形度、颗粒定向分維与内摩擦角的关联性相同且最强。微观上表现为随冻融循环次数的增加颗粒圆形度降低，排列变得无序，颗粒定向分维值变大；宏观上表现为颗粒排列变得无序，接触面积变大，导致内摩擦角增大。研究结果可为伊犁地区黄土滑坡失稳机理的探究提供参考，为伊犁地区季节冻土分布区域土质滑坡地质灾害的稳定性评价及工程防治提供相关的力学参数计算依据。

关键词：冻融循环；黄土；力学强度；微观结构；关联性分析；伊犁河谷

伊犁地区黄土呈条带状广泛分布且厚度从数米到近百米不等[1]，为滑坡的发生提供了物质基础[2]。该地区山区占全区面积的70%以上[3]，多山的地形地貌为黄土滑坡的发生提供了力学条件[4]。伊犁地区土壤每年11月份开始冻结，次年4月份基本完全消融，为典型的季节性冻土区，反复的冻融作用是诱发中国西北地区滑坡灾害频发的重要因素之一[5-6]。近年来伊犁地区地质灾害频发，据伊犁州地质环境监测站统计，2005—2021年该地区共发生地质灾害342起，其中68%均为滑坡灾害[7]，黄土滑坡占70%以上[8]。地质灾害的发生严重地威胁当地人民生命安全，带来巨大财产损失[13]。

冻融循环作用属冻土力学研究范畴，广义的冻土力学分为冻融作用（冻胀、融沉和冻融对土体物理力学性质的影响）和已冻土的力学性质（已冻土强度、应力-应变关系和动力特性）[14]。我国在这方面研究相对起步较晚，但发展快速[15]。目前研究成果主要为：冻融后土体抗剪强度有的降低、有的增强而有的却几乎不变，造成试验结果差异较大的原因与土的类型、初始状态及试验条件差异等均有关系[16-18]。关于冻融循环对土体强度影响的机制方面，目前一方面常被归因于冻融过程中土结构形态的改变，包括颗粒和孔隙的结构和其排列方式，另一方面与土颗粒之间联结方式的改变有关[19]。

“在评价粘土类土和岩石的工程地质性质时，应当注意考虑其微观结构的必要性”的思想已逐渐深入人心[20]。胡瑞林提出结构要素由9类（11项）结构参数描述[21]：颗粒大小（粒径和粒度）、颗粒形状（扁圆度）、颗粒表面起伏、颗粒定向性、颗粒分布、孔隙大小（孔径和孔隙相对大小）、孔隙分布、接触带形态（分布）、粒间连结状态（连通率）等，该研究成果为微观结构定量分析奠定了基础。

国内外诸多学者对土体物理、力学和微观参数之间的相关关系进行深入地分析研究，本行业内关于两变量之间的关联性或相关性分析方法主要有聚类分析、主成分分析、因子分析、回归分析和灰色关联分析等[22]。各分析方法有各自的优点和局限性，且适用条件不同，需结合研究对象和研究目选择适用的分析方法。灰色关联分析法对样本量和样本有无规律均适用，应用方便，适用性广泛，近年来在冻土研究中的应用越来越多，如赵安平、钱程、焦航等均取得一定的研究成果[23-25]。

中国关于黄土的研究主要集中在黄土高原地区，伊犁地区黄土的物质来源、力学性质和工程地质特征与黄土高原黄土不同，由于地理位置偏远、研究资源有限，伊犁地区黄土研究相对较少。目前关于伊犁地区黄土滑坡的形成机制，研究学者多认为降雨为主导因素，忽视了冻融循环对滑坡的作用。冻融循环使土体结构发生变化，强度随之改变，冻融循环作用如何影响伊犁地区黄土的力学强度目前尚未明晰。

本文以伊犁地区新源县黄土为研究对象，探究不同冻融循环次数下伊犁地区黄土的宏微观变化特征，探究宏微观关联性。本次研究的目的在于探究当地黄土滑坡失稳的宏微观机制，为伊犁地区黄土滑坡失稳机理的探究提供参考，为伊犁地区季节冻土分布区域土质滑坡地质灾害的稳定性评价和工程防治提供相关的力学参数计算依据。

1  研究区概况

研究区位于新疆伊犁地区新源县，该地区黄土滑坡较发育。新源县加朗普特特大型滑坡为2002年5月10日发生的推移式特大型滑坡（图1-a），横向宽500 m，长800～900 m，体积约2 275×104 m3，由3个不同后壁坡向的次级滑坡组成，滑坡体从南北两侧滑入则克台沟内，堵塞则克台沟形成堰塞湖[26-27]。新源县阿勒玛勒镇阿勒玛勒村哈茵德萨依滑坡-泥石流灾害链上游的群体性黄土滑坡堆积物为下游泥石流的发生提供了丰富的物源（图1-b）。形成区发育8处滑坡，均为牵引式滑坡，8处滑坡在降雨、冻融和地震等作用下仍有发生滑动可能。新源县阿热勒托别镇喀拉海依苏村滑坡属大型深层黄土滑坡（图1-c），滑体为粉土，在干燥状态下力学强度较高；当遇水饱和及在水的软化作用下，土体的抗剪强度骤降，粉土极容易崩解和溃散。

2  研究方法

2.1  试样制备

此次采样地点选取新源县阿勒玛勒镇阿勒玛勒村哈茵德萨依沟，为新源县典型黄土区，取样点位于斜坡坡体，取样深度2.0 m，取样尺寸为15 cm×20 cm×15 cm的立方体。此次制样根据土工试验方法标准[28]，将黄土平铺在阴凉区风干；风干完后将土用木碾碾碎，过2 mm筛；采用喷雾法和击实法显示最优含水率（17.40%）和最大干密度（1.86 g/cm3）制备重塑样（图2）。三轴试样尺寸Φ39.1 mm×80.0 mm，共制备63个，微观试样尺寸为Φ50.0 mm×25.0 mm，共计14个样。

将制备好的黄土试样放入恒温恒湿试验箱内进行冻融循环试验。据2009—2018年新源县气象统计数据（表1），在冻融循环过程中，正冻期冻结温度选取-20 ℃，冻结时间15 h，正融期融化温度选取15 ℃，融化时间9 h，单个冻融循环持续时间24 h，冻融循环次数设置为0～60次。

2.2  室内三轴压缩试验

本文宏观试验为室内三轴压缩试验，采用TFB-1型非饱和土应力应变式控制三轴仪。由固结不排水试验确定有效应力强度参数，可用于分析地基长期稳定性，故选择固结不排水（CU）试验，围压设置为100 kPa、200 kPa、300 kPa，研究区土体为粘性土，按照土工试验方法标准，剪切应变速率设置为每分钟0.1%[28]。

2.3  掃描电子显微镜试验

扫描电子显微镜试验使用仪器为布鲁克X射线能谱仪，利用二次电子信号成像来观察样品表面形态[29]。在选取微观试样的典型研究面后进行扫描，将得到SEM图像通过Matlab软件进行预处理和二值化处理，再导入Image-Pro Plus软件中对本文研究的微观颗粒结构参数进行定量分析。

2.4  核磁共振试验

核磁共振试验采用MesoMR23-60H-I中尺寸核磁共振成像分析仪，核磁共振试验可得到试样孔径分布。使用真空饱和器将试样饱和12 h后，进行孔径分布测量。在多孔介质如黄土中，孔径越大，孔中水的弛豫时间越长；孔径越小，孔中水受到的束缚程度越大，弛豫时间越短。T2曲线峰值的位置与孔径大小有关，峰的面积大小与对应孔径的多少有关[30]。

3  结果与分析

3.1  黄土宏观力学性质变化

通过室内三轴压缩试验得出不同冻融循环次数下土样应力-应变曲线后，运用摩尔-库伦法计算土样摩擦角与粘聚力（表2）。当黄土遭多次冻融循环后，其粘聚力逐渐减小，随循环次数的增加最终达到最小值，之后开始增大并逐渐趋于稳定。与内摩擦角变化趋势相比有些不同，内摩擦角随循环次数的增加而增大，后逐渐减小，最终趋于稳定。

当冻融循环次数小于10次时，土样粘聚力明显降低，内摩擦角却总体呈增大趋势。冻融循环破坏了黄土颗粒间固有的强胶结作用。土体中水由于冻结和迁移产生冻胀力和迁移力，不断削弱土体颗粒之间的粘结力，导致粘聚力降低。在土体颗粒重排过程中，颗粒之间的接触点增加，导致内摩擦角增大。

经过10次冻融循环后，土样粘聚力缓慢增加，内摩擦角缓慢减小，最终趋于稳定。随冻融循环次数的增加，土壤颗粒间的接触点和接触方式的改变，形成新的稳定结构，使冻融循环对胶结力和内摩擦角的影响逐渐减弱。因此，在冻融循环次数较小时，冻融循环对粘聚力和内摩擦角的影响更明显。随冻融循环次数进一步增加，其作用逐渐减弱，土体形成新的结构特征，土颗粒之间的粘结得到稳定。

3.2  黄土微观结构参数变化

3.2.1  基于SEM的黄土微观结构参数变化

进行扫描电子显微镜试验时，放大倍数应视研究目的和对象而定，对结构松散、颗粒平均粒径大的土体，宜选取相对较小的放大倍数，协调好放大倍数与图像质量之间的比例[30]。通过扫描电子显微镜试验得出50倍、200倍、400倍、800倍的黄土试验电子扫描图（图3）。考虑到图片的质量和研究对象，放大倍数为800倍的SEM图像效果较显著，既能反映研究对象图像又具代表性，统一选择放大800倍的SEM图像进行处理和分析。

将得到的放大800倍的SEM图像通过Matlab软件预处理及二值化后，根据1966年胡瑞林提出的11种微观结构要素[31]，本文选择最大粒径、粒度分维、颗粒圆形度、颗粒定向分维、最大孔径、孔径分维、孔隙面积比和孔隙定向分维进行定量计算与分析。

3.2.2  基于核磁共振的黄土微观结构参数变化

据雷祥义对黄土微观孔隙的分类，将黄土孔隙分为4类：小于1 μm的为微孔隙；1～4 μm的为小孔隙[32]；4～16 μm的为中孔隙；孔隙半径大于16 μm的为大孔隙。将核磁共振T2波谱转换为的孔隙半径进行分类，从图4可看出，随着冻融循环次数的增加，黄土试样微孔隙逐渐减少，小孔隙、中孔隙略微增多，大孔隙先减小后增大然后逐渐趋于稳定。

根据扫描电子显微镜和核磁共振试验得到9种黄土微观结构参数及数值（表3）。结果显示，在不同冻融循环条件下，颗粒最大粒径增大（小颗粒通过凝结作用形成大颗粒），平均粒度分维增大（颗粒形态变得复杂），平均颗粒圆形度减小（接近等轴的颗粒在减少），颗粒定向分维增大（排列变的无序），平均最大孔径不断波动（黄土颗粒不断裂解充填孔隙，凝聚扩大孔隙），平均孔径分维减小（孔隙形态趋近于简单），孔隙面积比增大（孔隙总数增加），平均孔隙定向分维先增大后减小（孔隙排列变得复杂后逐渐简单）。总体上伊犁地区黄土的微观颗粒结构经历了一个稳定-不稳定-稳定的过程。冻融引起大颗粒和小颗粒之间互相转换呈周期性变化，大颗粒与小颗粒的转换造成大孔隙和小孔隙之间的转换。

3.3  黄土宏微观关联性分析

本次宏微观关联性分析采用灰色关联分析法，主要分为确定分析数列、变量的无量纲化、计算关联系数和计算关联度4个步骤。本文参考序列为黄土的抗剪强度参数，参考系数列为微观结构参数。

经计算，不同冻融循环次数下黄土抗剪强度参数和微观结构参数的关联度见表4，不同冻融循环次数下，伊犁地区黄土微观结构参数与粘聚力之间的关联性由大到小的排序为：颗粒圆形度>粒度分维>颗粒定向分维>孔隙面积比>平均最大孔径>平均最大粒径>孔径分维>孔隙定向分维>T2谱面积，其中平均最大粒径、粒度分维、颗粒圆形度、颗粒定向分维和平均最大孔径与粘聚力的关联性均大于0.6，关联性较强，为影响土样粘聚力的主要因素。

不同冻融循环次数下，微观结构参数与黄土内摩擦角之间的关联性由大到小的排序为：颗粒圆形度>颗粒定向分维>平均最大粒径>孔隙定向分维>平均最大孔径>孔径分维>孔隙面积比>粒度分维>T2谱面积，其中颗粒圆形度、颗粒定向分维、平均最大粒径和孔隙定向分维与黄土内摩擦角之间的关联度均大于0.6，关联性较强。

4  结论

（1） 黄土的粘聚力随冻融循环次数的增加，经历了先减小后增大的过程，最终趋于稳定。内摩擦角随冻融循环次数的增加，逐渐增加，然后开始减小，最终呈稳定趋势。

（2） 在冻融循环过程中，小颗粒凝结形成大颗粒，颗粒形态变得复杂，黄土颗粒不断裂解团聚，孔隙形态趋近于简单，孔隙总数增加，孔隙排列变得复杂后逐渐简单，微孔隙随冻融循环次数先减少后增多，小孔隙、中孔隙和大孔隙略微增多。总体上随冻融循环次数的增加，伊犁地区黄土微观颗粒结构经历了了稳定-不稳定-稳定的过程。

（3） 不同冻融循环次数下颗粒圆形度与粘聚力之间的关联性最强，因此冻融的实质是通过土颗粒在水（主要是自由水和弱结合水）的冻胀作用下发生裂解，进而颗粒圆形度变小，反映到宏观上结构变得松散，粘聚力降低。反之融化时水具凝聚作用，将离散的土颗粒凝聚在一起后圆形度增大，试样结构变得密实后粘聚力增大。

（4） 不同冻融循环次数下颗粒圆形度、颗粒定向分维与内摩擦角的关联性相同且最强。微观上随着冻融循环次数的增加颗粒圆形度降低，排列变得无序，颗粒定向分维值变大；宏观上颗粒排列变得无序，接触面积变大，导致内摩擦角增大。

（5） 冻融循环在斜坡上形成冻融界面，削弱了表面强度，产生冻胀变形。循环过程中，不饱和土壤中的水在基质势梯度和温度梯度的驱动下向冻土界面迁移，导致地表含水量增加。水分输送行为和水冰相变促进了土壤重构。初始干密度较高的压实黄土在冻融循环后将具较高的孔隙率和较低的强度。在势能的作用下，斜坡的上部逐渐融化并沉降到下部，在冻变带附近出现不可逆的裂缝。由于压实黄土的湿陷性增强，重力引起了明显的变形和更多裂纹。雨水会直接进入多孔的黄土，威胁边坡的稳定性。

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Study on the Mechanical Strength Variation and Microscopic Mechanism of

Loess in the Ili River Valley Under Freeze-Thaw Cycling Conditions

Jia Junyu1， Zhang Zizhao1，2， Zhang Tiandong1， Lv Qianli1，3， Liang Shichuan1，4， Zhu Haiyu5， Zhang Shuqi1

（1.College of Geological and Mining Engineering，Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang，830046，China;2.Research Base of Xinjiang University，State Key Laboratory of Deep Geotechnical Mechanics and Underground Engineering，Urumqi，Xinjiang，830046，China;3.College of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu，221116，China;4.Xinjiang Uygur Autonomous Region Geological Environment Monitoring Institute，Urumqi，Xinjiang，830099，China;5.Xinjiang Dian Yun Technology Information Technology Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract： Addressing the recurring issue of loess landslides in the Ili region of Xinjiang， this study focuses on loess from a natural slope in Xinyuan County， Ili， and leverages the typical seasonal frozen soil characteristics of the region. The research employs indoor triaxial compression tests， scanning electron microscopy， modern image processing， and nuclear magnetic resonance to investigate changes in macroscopic and microscopic properties of Ili loess under varying freeze-thaw cycles and their correlations. The findings are as follows： ①With an increase in the number of freeze-thaw cycles， cohesion in the loess initially decreases， then increases， and eventually stabilizes. The angle of internal friction， on the other hand， generally increases at the outset， decreases subsequently， and gradually stabilizes. ②Over the course of freeze-thaw cycles， loess particles continually undergo fragmentation and reaggregation， resulting in complex morphological changes. The number of micropores decreases， while small， medium， and large pores experience slight increases. The arrangement of pores becomes initially complex and eventually simplifies. In summary， the microstructure of Ili loess undergoes a sequence of stabilization， destabilization， and re-stabilization. ③The correlation between particle roundness and cohesion is most pronounced across different freeze-thaw cycle numbers. At the microscale， particle fractures and cohesions occur during freezing and thawing， leading to decreased and increased particle roundness， respectively. At the macroscale， this translates into structural loosening during freezing， reduced cohesion， and structural densification during thawing， resulting in increased cohesion. ④Particle roundness， particle orientation fractal dimension， and internal friction angle exhibit consistent and robust correlations under varying freeze-thaw cycle numbers. On a microscopic level， increasing freeze-thaw cycles lead to a decrease in particle roundness， greater disorder in particle arrangement， and higher particle orientation fractal dimensions. On a macroscopic level， this translates to a disordered particle arrangement， an expanded contact area， and consequently， an increased internal friction angle. The results of the study can provide a reference for the investigation of the destabilization mechanism of loess landslides in Yili region and a basis for the calculation of mechanical parameters for the evaluation of the stability of geologic hazards of soil landslides in the seasonal permafrost distribution area of Yili region and the prevention and control of engineering.

Key words： Freeze-thaw cycles; Loess; mechanical strength; Microstructure; Correlation analysis; Ili valley

项目资助：国家自然科学基金项目（42367021）、新疆维吾尔自治区重点研发项目（2021B030041）联合资助

收稿日期：2024-01-09；修订日期：2024-01-23

第一作者简介：贾竣予（1998-），男，克拉玛依人，新疆大学地质与矿业工程学院地质资源与地质工程专业硕士在读，现从事地质灾害研究工作；E-mail： J1416625222@163.com

通讯作者：张紫昭（1981-），男，博士，教授，博士生导师，从事地质灾害与矿山地质环境方面的科研与教学工作；

E-mail： zhangzizhao@xju.edu.cn