張 輝，王鐵行，羅 揚

(1 西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054;2 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

非飽和原狀黃土凍融強度研究

張 輝1，王鐵行2，羅 揚2

(1 西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054;2 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

【目的】 對非飽和原狀黃土經歷凍融循環(huán)后強度的變化規(guī)律進行研究，為分析黃土地區(qū)凍融病害機理提供參考?！痉椒ā?制備含水率分別為16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%的非飽和原狀黃土，采用可設定溫度的冰柜凍結及室外融化的方法進行凍融循環(huán)處理，凍結溫度分別為-8，-13，-21 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)分別為1，3，5，7次，然后對凍融循環(huán)后的土樣進行直剪試驗，得到受凍融循環(huán)影響的土體抗剪強度參數(shù)，分析凍融循環(huán)次數(shù)、含水率、凍結溫度對黏聚力和內摩擦角的影響規(guī)律。基于-21 ℃下黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的數(shù)據(jù)，擬合得到黏聚力劣化模型表達式?！窘Y果】 在16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%含水率下，-21 ℃凍融循環(huán)7次之后土樣黏聚力分別由24.50，18.52，12.69，9.56和7.56 kPa降低到21.04，13.52，7.45，2.60和0.23 kPa，含水率32.5%的原狀土樣黏聚力減小量最大。同一含水率下黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)減小，隨著凍結溫度的降低，黏聚力變化并不明顯。內摩擦角在凍融循環(huán)后增加量為1°～2°。擬合得到了非飽和原狀黃土黏聚力劣化模型表達式，其擬合結果與實測結果的相關系數(shù)均在0.937以上，計算值與實測值基本吻合，擬合度較高?！窘Y論】 同一含水率下原狀黃土黏聚力隨凍融次數(shù)的增加呈指數(shù)減小。凍結溫度對不同含水率原狀土樣凍融后黏聚力與內摩擦角的影響不顯著。

黃土；凍融循環(huán)；抗剪強度；黃土劣化

我國黃土分布面積很廣，大部分黃土分布在季節(jié)凍土區(qū)。由于黃土水敏性強，降雨、管道漏水入滲和凍結等情況均會引起非飽和黃土含水率增加，進而導致地基發(fā)生不均勻沉降、塌陷，邊坡發(fā)生滑塌、溜方、剝落等工程病害[1-7]。引起這些病害的原因之一是凍融循環(huán)，前人對其進行了大量的研究。如李國玉等[8]根據(jù)壓實黃土在補水條件下的凍融試驗，探求了凍融工程的地質特性；董曉宏等[9]研究了凍融作用對楊凌Q3非飽和重塑黃土蠕變特征的影響；齊吉琳等[10]研究了天津粉質黏土和蘭州黃土的重塑超固結土在凍融作用后強度參數(shù)的變化；畢貴權等[11]研究了凍融循環(huán)作用對黃土物理力學性質的影響；王鐵行等[12]對不同含水率原狀黃土的凍融強度進行了初步的定性分析；董曉宏等[13]研究了長期凍融循環(huán)后楊凌Q3非飽和重塑黃土的強度變化規(guī)律；葉萬軍等[14]在開放不補水條件下，研究了洛川和銅川黃土凍融循環(huán)后物理力學性質的變化情況；宋春霞等[15]研究了蘭州黃土在封閉系統(tǒng)下經歷1次凍融循環(huán)后土的前期固結壓力、黏聚力和內摩擦角的變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究大多針對重塑黃土，研究結果對探討路基、壩基等黃土填料在凍融環(huán)境下的物理力學性狀具有重要意義，但對原狀黃土研究較少，且未能進行深入分析。鑒于此，本研究通過室內試驗，深入研究了凍融作用對非飽和原狀黃土抗剪強度的影響，以期為黃土地區(qū)窯洞和隧道洞口凍害、水渠凍害、路基路面和邊坡滑塌、溜方、剝落等工程病害的系統(tǒng)分析奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的原狀土樣取自西安北郊某工程基坑內，土樣的基本物理參數(shù)為：干密度1.3 g/cm3，液限30.9%，塑限18.1%，塑性指數(shù)12.8。

1.2 試驗方法

本試驗目的是研究不同凍結溫度、不同含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)對非飽和原狀黃土抗剪強度參數(shù)的影響。凍融循環(huán)均在封閉系統(tǒng)中完成，為了在凍融循環(huán)后能直接進行直剪試驗，選用直剪環(huán)刀進行試樣制備，用滴水法配制成含水率(w)為16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%的土樣，并用塑料薄膜包裹以保持含水率不變。將制備好的土樣放入冰柜凍結12 h，凍結之后在室外融化并靜置24 h，此為凍融循環(huán)1次，重復以上試驗過程可進行1,3,5,7次凍融循環(huán)。冰柜凍結溫度可任意設定，本次試驗方案考慮3種凍結溫度，分別為-8，-13和-21 ℃。不同凍融循環(huán)后進行直接剪切試驗得到不同凍結溫度、不同含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗剪強度參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 凍融循環(huán)后原狀土表面的變化

圖1為含水率32.5%的原狀黃土經歷凍融循環(huán)后土樣表面的變化特征。從圖1可以看出，含水率較高的土樣經過7次凍融循環(huán)后，與未經歷凍融循環(huán)的土樣相比，多次凍融土樣表面出現(xiàn)麻面，大孔隙明顯增多，表面更為松散，且出現(xiàn)微小裂紋，與環(huán)刀接觸處也有細小裂紋。其他含水率較小的土樣凍融處理后肉眼可見的表面變化現(xiàn)象不明顯，故在此未給出圖片。

圖1 凍融循環(huán)后供試原狀黃土的表面變化Fig.1 Surface changes of the undisturbed soil samples after freezing-thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)后原狀土樣黏聚力的變化

凍融循環(huán)后直剪試驗得到的土樣黏聚力試驗結果如圖2所示。從圖2可看出，凍融循環(huán)次數(shù)對黏聚力影響顯著，在16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%含水率下，-21 ℃凍融循環(huán)7次后黏聚力分別由24.50，18.52，12.69，9.56和7.56 kPa降低為21.04，13.52，7.45，2.60和0.23 kPa，其中含水率32.5%的原狀土樣黏聚力減小量最大，說明含水率越大的土樣凍融循環(huán)后黏聚力減小量越大；同一含水率下，土樣黏聚力隨凍融次數(shù)的增加呈指數(shù)減??；隨著凍結溫度的降低，變化不明顯，說明凍結溫度對黏聚力影響不大。

土樣黏聚力主要受土顆粒之間黏結力的影響，凍融循環(huán)之后黏聚力的降低是因為黏結力受凍結時冰晶生長而導致結構弱化所致。含水率越大，土體自由水就越多，凍結時冰晶發(fā)育的體積膨脹量就越大，越容易破壞土顆粒之間的黏結力。在較低凍結溫度下，土中弱結合水已凍結，未凍水含量很低，凍結溫度對冰晶發(fā)育影響不顯著，因此凍結溫度對黏聚力影響不大。

圖2 不同含水率(w)及不同凍結溫度下原狀黃土黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關系
Fig.2 Relationships between cohesion and number of freeze-thaw cycles at different freezing temperatures and different water contents (w)

2.3 內摩擦角的變化分析

圖3為含水率(w)16.5%，20.5%，24.0%，29.0%及32.5%土樣在不同凍結溫度下內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線。由圖3可知，內摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而略微增大，增加量 1°～2°，產生這種現(xiàn)象的原因主要是因為土樣凍融循環(huán)之后大孔隙所占的比例下降，土顆粒間的接觸點增多而引起內摩擦角略有增大。

3 原狀非飽和黃土凍融循環(huán)后的強度劣化模型

根據(jù)上述試驗結果將-21 ℃下黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的數(shù)據(jù)進行整理，結果如表1所示。從圖2和表1可看出，對于一定的凍結溫度，同一含水率下黃土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)減小，采用如下函數(shù)擬合可具有較高的相關系數(shù)：

c=a+be-dN。

(1)

式中：c為黏聚力，N為凍融循環(huán)次數(shù)，a、b、d均為參數(shù)。

首先對-21 ℃下不同含水率時的黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)進行擬合，擬合參數(shù)見表2。從表2中的相關系數(shù)可以看出，式(1)擬合黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的效果較好。

圖3 不同含水率(w)及不同凍結溫度下原狀黃土內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.3 Relationships between internal friction angle and number of freeze-thaw cycles at different freezing temperatures and different water contents (w)

表1 -21 ℃下不同含水率原狀黃土土樣凍融循環(huán)后黏聚力的變化Table 1 Changes in cohesion of undisturbed loess at different water contents after freezing-thawing cycles at -21 ℃ kPa

表2 -21 ℃下不同含水率原狀黃土黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)擬合函數(shù)參數(shù)的確定Table 2 Fitting parameters of cohesion and freezing-thawing cycles for undisturbed loess with different water contents at -21 ℃

從表2可以看出，式(1)中的a、b隨土樣含水率的變化而變化。因此，以表2數(shù)值a、b作為已知值，進一步對其隨含水率的變化進行擬合，分析發(fā)現(xiàn)a-w符合拋物線關系，b-w符合線性關系，擬合結果見式(2)、(3)。參數(shù)d雖在一定范圍內波動，但在該范圍內，d值的波動對黏聚力的變化影響不大，因此建議取平均值1.39。

a=557w2-403w+72.5，r2=0.999 1。

(2)

b=24.1w-0.3，r2=0.964 7。

(3)

將擬合結果式(2)、(3)帶入式(1)，可得-21 ℃非飽和原狀黃土黏聚力劣化模型的表達式為：

c=557w2-403w+72.5+(24.1w-0.3)e-1.39N。

(4)

采用式(4)對不同凍融循環(huán)次數(shù)下5種含水率土樣的黏聚力進行計算，對比實測結果和計算結果，分析其相關性，結果如表3所示。從表3可以看出，不同含水率土樣的黏聚力劣化模型表達式(4)擬合結果與實測結果的相關系數(shù)均在0.937以上，擬合效果較好。

表3 -21 ℃下原狀黃土黏聚力劣化模型計算值和試驗值的相關性分析Table 3 Correlation analysis on experimental and predicted values of cohesion degradation model for undisturbed loess at -21 ℃

由于較低的凍結溫度對黏聚力影響不大，因此在較低凍結溫度下非飽和原狀黃土劣化模型均可采用式(4)表示。凍融循環(huán)次數(shù)對非飽和原狀黃土內摩擦角基本無影響，因此未對內摩擦角進行擬合分析。

4 結 論

通過對非飽和原狀黃土經歷凍融循環(huán)后強度的變化規(guī)律研究，得到以下結論：

(1)同一含水率下黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)減小。不同含水率土壤，含水率越大凍融循環(huán)后的黏聚力減小量越大。凍結溫度對含水率為16.5%，20.5%，24.0%，29.0%和32.5%的原狀土樣凍融后黏聚力影響不顯著。

(2)內摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而略微增大，總體增加量1°～2°。

(3)基于試驗數(shù)據(jù)，進一步得到了較低凍結溫度下非飽和原狀黃土黏聚力的劣化模型表達式。

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Freezing-thawing strength of unsaturated undisturbed loess

ZHANG Hui1,WANG Tie-hang2,LUO Yang2

(1SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shannxi710054,China; 2SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shannxi710055,China)

【Objective】 Variations in strength of unsaturated undisturbed loess during freezing-thawing cycles were investigated to analyze the freezing-thawing damage mechanism in loess area. 【Method】 Unsaturated undisturbed loess samples with water contents of 16.5%,20.5%,24.0%,29.0% and 32.5% were prepared,respectively.Freezing-thawing cycle was simulated using freezer with temperatures of -8,-13,and -21 ℃ and outdoor melting.The numbers of freezing-thawing cycles were 1,3,5,and 7,respectively.Then the soil shear strength parameters influenced by freezing-thawing cycles were observed through the direct shear test of unsaturated undisturbed loess.The influence of freezing-thawing cycle,water content,and freezing temperature on strength parameters was analyzed and the degradation model of cohesion was obtained by fitting data at -21 ℃.【Result】 After seven freezing-thawing cycles at -21 ℃,cohesion values of soil samples with water contents of 16.5%,20.5%,24.0%,29.0% and 32.5% decreased from 24.50,18.52,12.69,9.56,and 7.56 kPa to 21.04,13.52,7.45,2.60,and 0.23 kPa,respectively.Cohesion of undisturbed soil sample with water content of 32.5% reduced the most.Cohesion exponentially decreased with the increase of the number of freezing-thawing cycles at the same water content,while it did not change significantly with the decrease of freezing temperature.Angle of internal friction was increased by 1°-2° after freezing-thawing cycles.The cohesive deterioration model of unsaturated undisturbed loess was obtained with the coefficients of >0.937.The calculated values were consistent with the measured values.【Conclusion】 Cohesion exponentially decreased with the increase of number of freezing-thawing cycles at the same water content.The freezing temperature had no significant impact on cohesion and internal friction angle of the undisturbed soil samples.

loess;freezing-thawing cycles;shear strength;loess deterioration

2013-11-18

國家自然科學基金項目(51078309；51208409)；陜西省教育廳專項科研計劃項目(12JK0914)

張 輝(1986-)，男，博士，講師，主要從事黃土及凍土工程理論與實踐研究。E-mail：0107zhanghui@163.com

時間:2015-03-12 14:17

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.04.021

TU42

A

1671-9387(2015)04-0210-05

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150312.1417.021.html