凍融作用下土體無側限抗壓強度變化研究

張亞英

(中國建筑材料工業地質勘查中心甘肅總隊)

在寒冷氣候條件下，土壤在反復的凍融作用下會發生物理和力學性質的變化[1-2]。黃土是一種特殊的土壤類型，其廣泛分布于我國中西部地區，由于其具有較高的孔隙度和敏感性，故其在凍融作用下的力學性質和滲透性變化較為顯著[3-4]。土體無側限抗壓強度是描述土壤在無側向壓力條件下所能承受的垂直壓力，是評價土壤力學性質的重要指標，在路基、基礎設計和施工中十分關鍵。在凍融過程中，隨著溫度的變化，土壤中的水分遷移、相變、化學物質組成和微觀結構等都會發生變化，這些變化進一步影響土壤的無側限抗壓強度和滲透性[5]。除此之外，對于在寒冷地區開展的工程項目，如建筑、道路和橋梁建設等，凍融作用可能會引起土壤力學性質的變化，從而導致工程的安全性和穩定性受到潛在風險。周有祿等[6]以青海東部黃土為研究對象，開展了不同干密度和含水率下黃土凍融循環后的直剪試驗，發現凍融循環會使土體的強度指標被劣化，削弱土體的抗剪強度，并構建了土體抗剪強度和凍融循環次數間的關系式，體現了凍融循環下黃土的抗剪強度劣化趨勢。楊更社等[7]通過開展凍融循環下黃土的核磁共振試驗和直剪試驗，分析了原狀黃土力學性質和土體孔隙分布的關系，發現凍融循環會增加土中細顆粒的數量，且大孔隙和中孔隙隨著凍融次數的增加而減少，小孔隙數量逐漸增多，土體的抗剪強度也呈現出逐漸降低的趨勢。另外，凍融作用也會對黃土滲透系數造成較大的影響，因此，通過研究凍融作用下黃土無側限抗壓強度和滲透系數的變化，可以為寒冷地區工程項目的規劃和設計提供科學依據，以保障工程的安全性和穩定性。

為了掌握凍融對土體的強度的破壞機理，通過設置不同凍融循環溫度和循環次數，開展了凍融循環下原狀黃土和重塑黃土的無側限抗壓強度試驗，為類似工程提供了指導與借鑒。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料

此次所用土體為取自某場地2m 深處的黃土，對其物理性質進行測試，具體結果見表1所示。

表1 試驗用土基本物理性質

對于無側限試樣，在試驗開始前，分別制備原狀黃土、重塑黃土試樣。在制作原狀黃土試樣時，借助削土器把挖取的原狀黃土土塊削成標準圓柱試樣，其大小為直徑39.1mm、高80mm，同時用保鮮膜密封包裹試樣，靜置24h，確保試樣中水分均勻。對于重塑黃土試樣，將大塊黃土進行碾碎，之后放入烘箱中烘干，設置烘箱溫度為108°C，持續烘8h，按照黃土的天然含水率配置其含水率，再放入桶中進行密封，在陰涼處靜置24h，確保水分和土樣混合均勻。靜置完畢后把土樣放進三瓣膜中，分層擊實土樣并作刮毛處理，確保每層土樣有較好的連接性，土樣不出現斷層現象，最后在用保鮮膜密封土樣進行保存，等待試驗時使用。對于滲透試驗，此次僅分析原狀黃土在凍融循環作用下的滲透系數變化情況，借助削土器把挖取的原狀黃土土塊削成高40mm、直徑61.8mm 的圓柱試樣，同樣用保鮮膜對試樣進行包裹密封和靜置。

1.2 試驗方案

對于凍融循環試驗方案，試驗儀器為凍脹循環試驗箱，TMS9018-500 為其具體型號，通過此凍脹儀進行原狀、重塑黃土的凍融循環試驗，參考當地冬季溫度將凍融溫度設置為±19.2°C、±14.2°C 和±9.2°C，設置凍融循環次數為8、6、4、2、0 次，凍結、融化時間均設置成12h。對于無側限抗壓強度試驗方案，所用試驗儀器為應變控制式無側限壓力儀，型號為YYW-2型，2mm/min為試驗加載速率，判斷試樣破壞的標準為黃土試樣在試驗過程中是否產生斜向剪裂，如果產生，即可停止試驗。對于滲透試驗方案，試驗儀器為變水頭滲透儀，每次凍融循環后即開展滲透試驗。

2 試驗結果分析

2.1 分析原狀黃土試驗結果

如表2 所示僅為原狀黃土在±14.2°C 循環溫度下不同凍融循環次數后的無側限抗壓強度變化趨勢（在此僅展示±14.2°C循環溫度、±19.2°C和±9.2°C循環溫度未展示）。從試驗結果能夠得到，在不同凍融溫度下，隨著提高凍融循環次數，原狀黃土無側限抗壓強度均呈現為持續降低趨勢，具體表現為±19.2°C、±14.2°C和±9.2°C 凍融溫度下，原狀黃土無側限抗壓強度在第2 次凍融循環時分別降低至34kPa、36kPa、46kPa，而隨著凍融次數增加至8 次時，其無側限抗壓強度再次降低至25kPa、28kPa、40kPa。原狀黃土在沒有經過凍融循環時的無側限抗壓強度為65kPa，不同凍融循環溫度時原狀黃土的無側限峰值強度與其相比分別降低了近38.5%（±9.2°C）、59.6%（±14.2°C）、61%（±19.2°C），上下波動范圍廣，這表示凍融循環后黃土原本土體結構受到嚴重破壞，降低了土體的抗壓強度。如表3 所示，通過對比不同凍融循環溫度、凍融次數下原狀黃土的無側限抗壓強度變化趨勢，能看出隨著凍融循環溫度的降低，黃土抗壓強度的損失程度也越來越大。這是因為土體在未經過凍融循環時，土中顆粒大部分為大顆粒，僅有小部分為小顆粒，同時顆粒棱角明顯，大顆粒之間大部分為面-面接觸并形成骨架，小顆粒進行填充，形成骨架-密實結構，在經過凍融循環后，大顆粒被破壞形成小顆粒，大顆粒數量降低且小顆粒數量增大，土體骨架被破壞，增大了顆粒間的距離，弱化了顆粒間的連接，原來大顆粒的面-面接觸轉變為點-面接觸形式，原狀土體結構被破壞，形成次生結構，降低了土顆粒間的粘結性能，使結構變得較為疏松。

表2 循環溫度為±14.2°C時原狀黃土無側限應力應變變化趨勢

表3 各循環溫度下原狀黃土無側限抗壓強度

2.2 分析重塑黃土試驗結果

重塑黃土在±14.2°C 循環溫度下不同凍融循環次數后的無側限抗壓強度變化趨勢。從試驗結果能夠看出，當凍融溫度相同時，隨著持續增加凍融循環次數，重塑土的無側限抗壓強度與原狀黃土的變化趨勢相似，都呈現出不斷減小的規律，在第2 次凍融循環時重塑黃土的無側限抗壓強度依次為17.1kPa（±19.2°C）、17.2kPa（±14.2°C）、16.9kPa（±14.2°C），與未經過凍融循環的重塑黃土抗壓強度（17.5kPa）相差不大，而隨著凍融次數增加至8 次時，其無側限抗壓強度降低至13.8kPa、13kPa、15kPa。與未經過凍融時的原狀黃土無側限抗壓強度相比（17.5kPa），在各凍融循環溫度下其峰值強度分別減小了近21%（±19.2°C）、25.7%（±14.2°C）、14.7%（±9.2°C）。通過對比不同凍融循環溫度下、凍融次數原狀黃土的無側限抗壓強度變化趨勢，能看出隨著凍融循環溫度的降低，黃土抗壓強度的損失程度同樣越來越大。這與原狀黃土在不同凍融循環溫度下、凍融次數下抗壓強度發生變化的原因相同，均是由土體骨架被破壞導致的。但與原狀黃土不同，重塑黃土0 次凍融循環時的無側限抗壓強度與各次凍融循環后的強度差距較小，每次循環后的強度波動范圍在2～8kPa 內，這是由于重塑黃土在重塑過程中已經破壞了原狀黃土的骨架結構，使其結構形式發生了變化，故未經過凍融循環的重塑黃土與2～8 次凍融循環下重塑黃土的無側限抗壓強度相差較小。

2.3 原狀黃土滲透性受凍融循環的影響

結合滲透試驗結果能夠看出，原狀黃土隨著凍融循環次數的提高，其滲透系數逐漸增大，且在經過4 次凍融循環后提高幅度較大，在4 次后滲透系數提高幅度逐漸減小，最終保持穩定。在凍融次數為0 時，3.23×10-5cm·s-1為黃土的滲透系數，在經過2次凍融循環后其滲透系數提高到7.23×10-5cm·s-1，增大幅度為3.97×10-5cm·s-1；在經過4 次凍融循環后其滲透系數提高到1.3×10-4cm·s-1，提高了近5.73×10-6cm·s-1；其滲透系數在經過6次凍融循環后僅僅提高了2.81×10-6cm·s-1，這說明黃土的滲透系數在經歷4 次凍融循環后不會有大幅度的增大，基本不會受到凍融循環的影響。這是由于在前幾次凍融循環過程中，凍脹作用使黃土內部形成大部分細小裂縫，提高了土體孔隙率，擴大了水分遷移通道，大大增加了土體的滲透系數，而隨著凍融循環次數的提高，土體結構漸漸保持穩定，孔隙數量不再增加，故滲透系數逐漸保持穩定。

3 結論

為了掌握凍融對土體的強度的破壞機理，通過設置不同凍融循環溫度和循環次數，開展了凍融循環下原狀黃土和重塑黃土的無側限抗壓強度試驗，主要得到以下結論：

⑴原狀黃土在沒有經過凍融循環時的無側限抗壓強度為65kPa，不同凍融循環溫度時原狀黃土的無側限峰值強度與其相比分別降低了近38.5%（±9.2°C）、59.6%（±14.2°C）、61%（±19.2°C），上下波動范圍廣，這表示凍融循環后黃土原本土體結構受到嚴重破壞，降低了土體的抗壓強度，且隨著凍融循環溫度的降低，黃土抗壓強度的損失程度也越來越大。

⑵重塑土的無側限抗壓強度變化趨勢和原狀黃土大致相同，均表現出先持續降低的趨勢，隨著凍融次數增加至8 次時，與未經過凍融時的原狀黃土無側限抗壓強度相比（17.5kPa），其峰值強度分別減小了近21%（±19.2°C）、25.7%（±14.2°C）、14.7%（±9.2°C），但與原狀黃土不同，重塑黃土0 次凍融循環時的無側限抗壓強度與各次凍融循環后的強度差距較小，每次循環后的強度波動范圍在2～8kPa內。

⑶凍融作用下，黃土滲透系數呈現出先增大后趨于穩定的規律，對其滲透系數影響較大的主要在前4 次凍融循環。