趙 茜，楊金熹，趙晉萍

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.山西四建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

陜北黃土高原地區(qū)是受季節(jié)性氣候變化影響的典型區(qū)域，由于季節(jié)的更迭，氣溫、降水的周期性變化，土體經(jīng)歷著反復(fù)的凍結(jié)、融化和吸水、失水過程，內(nèi)部水分相變與重分布強(qiáng)烈改變了土體的結(jié)構(gòu)性特征，必然導(dǎo)致黃土工程力學(xué)性質(zhì)損傷劣化，最終引發(fā)嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。滲透系數(shù)不僅可以作為反映土體滲流能力的直接指標(biāo)，也可間接說明土體組構(gòu)特征的變化。對(duì)于凍融循環(huán)與干濕交替作用下土體受損機(jī)理的研究，目前已取得非常豐碩的成果。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，凍融作為一種強(qiáng)風(fēng)化作用，可以強(qiáng)烈破壞黃土體特殊的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使得大中團(tuán)粒不斷破碎分解，小微孔隙含量逐漸增加，內(nèi)在結(jié)構(gòu)調(diào)整的同時(shí)影響著土體外在滲透性能的表現(xiàn)[4-7]。凍融條件下不同性質(zhì)土體(包括原狀土[7-8]、重塑土[8-9]、改性土[10]及污染土[11]等)的滲透性能表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，土體滲透系數(shù)隨其干密度的減小與孔隙率的增大而逐漸增大，同時(shí)與含水率、循環(huán)次數(shù)、摻料摻量以及溶液濃度等因素密切相關(guān)。

干濕交替條件下黃土體內(nèi)部與表面極易產(chǎn)生張拉裂隙，裂隙的存在使土體整體性與結(jié)構(gòu)性明顯減弱、強(qiáng)度顯著降低，同時(shí)增加了水分入滲及蒸發(fā)的臨空面，在大氣營(yíng)力(主要為降水、蒸發(fā)、溫度等)的繼續(xù)作用下加劇了土體結(jié)構(gòu)的破壞[12]。膨脹土作為一種具有濕脹干縮特性的特殊土，常被用于研究干濕條件下裂隙的發(fā)育特征[13-14]、導(dǎo)電特性[14]、演化規(guī)律[15]等。裂隙的定量研究由早期的現(xiàn)場(chǎng)手工測(cè)量[16-17]，到目前廣泛應(yīng)用的電子化試驗(yàn)手段及計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)[12-15]，為后人深入準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)裂隙發(fā)育規(guī)律提供了重要方法，其中由曹玲等[18]基于MATLAB軟件開發(fā)的裂隙網(wǎng)絡(luò)圖像分析系統(tǒng)，以及由劉春等[19]自主研發(fā)的土體裂隙圖像形態(tài)參數(shù)分析系統(tǒng)(CIAS)已是成熟可靠的研究手段。具有浸水濕陷、脫濕硬化特點(diǎn)的黃土在干濕作用下也極易產(chǎn)生裂隙，葉萬軍等[12]通過CT成像技術(shù)研究了延安黃土節(jié)理裂隙的發(fā)育擴(kuò)張機(jī)制，盧中全等[20]系統(tǒng)總結(jié)了黃土裂隙的基本特征及發(fā)育規(guī)律。

已有研究結(jié)果集中于探討凍融、干濕單因素條件下黃土體或膨脹土損傷劣化的發(fā)展機(jī)制，以及對(duì)黃土單向滲流性能的影響?；诖?，本文將凍融循環(huán)、干濕交替及凍融干濕耦合作用作為外界誘因，以延安Q3黃土作為研究對(duì)象，分析不同條件下黃土的表觀結(jié)構(gòu)特征變化以及循環(huán)次數(shù)、初始含水率與圍壓對(duì)其縱橫向滲透系數(shù)的影響，通過回歸分析論證耦合作用中各因素對(duì)黃土滲透性能的影響能效。研究邊坡土體在季節(jié)性凍融與干濕循環(huán)條件下的滲透變化規(guī)律，可為進(jìn)一步探究季凍區(qū)土體凍脹融沉機(jī)理、分析邊坡表層土體剝落原因、防治由降水引發(fā)的滑坡與土泥(石)流災(zāi)害等提供理論參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)黃土物理性質(zhì)及試樣制備

試驗(yàn)所用Q3黃土取自延安新區(qū)Ⅱ期挖山填溝工程中高約7 m的新開挖山體剖面，土體呈中黃色，土質(zhì)較均勻，孔隙較發(fā)育，可見明顯豎向節(jié)理裂隙，含白色蝸牛殼，基本物理指標(biāo)平均值列于表1。由圖1可知，延安黃土細(xì)粒含量較少，粗粒含量較多，粒度分布曲線呈典型“單峰”特征。依據(jù)GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]，將原狀黃土分別削制成水平、豎直向的標(biāo)準(zhǔn)三軸圓柱試樣，其直徑為39.1 mm、高為80 mm。通過水膜轉(zhuǎn)移法將試樣含水率分別調(diào)整至10%、15%和20%，確保試樣含水率與目標(biāo)含水率之差小于0.1%。

表1 試驗(yàn)用黃土的物理指標(biāo)平均值

圖1 試驗(yàn)用黃土的粒度分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of Yan’an loess

1.2 凍融干濕交替循環(huán)試驗(yàn)

用保鮮膜將試樣包裹嚴(yán)密后放入封閉凍融循環(huán)箱內(nèi)，采取三向凍結(jié)-融化的方式對(duì)試樣分別進(jìn)行12 h的負(fù)溫凍結(jié)(-20 ℃)和12 h的正溫融化(20 ℃)，即為完成一次凍融循環(huán)過程。

將制備好的試樣用四周密閉、上下透氣透水的三瓣膜具緊箍，通過真空抽氣飽和法對(duì)試樣進(jìn)行增濕處理，當(dāng)試樣飽和度Sr≥95%時(shí)可認(rèn)為已達(dá)到飽和。將飽和試樣緩慢從三瓣膜中脫出，豎直放入恒溫干燥箱內(nèi)(溫度控制在45 ℃)持續(xù)烘干24 h，當(dāng)Sr≤2%時(shí)可認(rèn)為試樣已達(dá)到干燥程度。

對(duì)試樣先后進(jìn)行一次凍融循環(huán)與干濕交替，即為完成一次凍融干濕交替循環(huán)，凍融、干濕及其耦合作用下的循環(huán)次數(shù)(N)均為1、2、5、10。如需進(jìn)行下一次耦合試驗(yàn)，需將試樣含水率重新調(diào)整與初始值一致，增濕水量的計(jì)算公式(1)如下所示。

(1)

式中：mω——增濕水量/g；

m0——干燥質(zhì)量/g；

ω0——干燥后含水率/%；

ω1——目標(biāo)含水率/%。

1.3 三軸滲透試驗(yàn)

將完成上述前期試驗(yàn)的黃土試樣進(jìn)行飽和處理后，放入GDS三軸滲透儀中測(cè)定其飽和滲透系數(shù)，本文中的滲透系數(shù)均指飽和滲透系數(shù)。本試驗(yàn)條件為固結(jié)滲透，圍壓梯度設(shè)置為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，在固結(jié)滲透試驗(yàn)中延安黃土處于正常固結(jié)狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土試樣表觀特征

圖2～圖4分別為凍融、干濕及凍融干濕耦合過程中延安原狀黃土試樣表觀結(jié)構(gòu)特征變化。由圖2可知，初始原狀黃土試樣表面具有肉眼可見的孔隙，凍融循環(huán)4次后表面出現(xiàn)細(xì)小碎屑，凍融7次后碎屑明顯增多，凍融10次后表面布滿碎屑、土質(zhì)變得疏松。凍融過程中土體內(nèi)水分在空間上處于動(dòng)態(tài)變化之中，低溫環(huán)境下表層土體首先發(fā)生凍結(jié)，隨著凍結(jié)鋒面的向內(nèi)推進(jìn)逐漸向中心發(fā)展，融化過程亦是從首先接觸外部高溫環(huán)境的表層土體開始逐漸向內(nèi)融化，因此土體表層結(jié)構(gòu)的破壞程度最為嚴(yán)重[22]。

圖2 凍融循環(huán)條件下延安黃土試樣表觀特征Fig.2 Specimen surface characteristics of Yan’an loess after different freezing-thawing times

與凍融條件下黃土試樣的破壞形式不同(圖3)，干濕交替4次后，試樣表面出現(xiàn)明顯裂隙，隨著干濕次數(shù)增加，主裂隙逐漸伸長(zhǎng)、加寬，相互連通成網(wǎng)狀，周圍新生眾多細(xì)小裂隙，試樣表面土體被明顯分割成若干區(qū)域，試樣完整性和結(jié)構(gòu)性喪失。黃土裂隙極易在干濕交替過程中的脫濕階段產(chǎn)生并發(fā)育，高溫環(huán)境中試樣內(nèi)外層之間逐漸形成的外低內(nèi)高的含水率梯度，是影響其開裂發(fā)育的關(guān)鍵因素，張拉裂隙的生長(zhǎng)擴(kuò)張過程可以理解為土體拉應(yīng)力勢(shì)能釋放的過程[12]。干燥試樣重新吸水飽和后，裂隙會(huì)有所愈合，但其并沒有消失，再次進(jìn)入脫濕階段后，原有裂隙更易張開、深入，旁生新的細(xì)小裂隙。

圖3 干濕交替條件下延安黃土試樣表觀特征Fig.3 Specimen surface characteristics of Yan’an loess after different drying-wetting times

對(duì)比凍融、干濕及其耦合條件下黃土試樣的表觀特征可知(圖4)，耦合循環(huán)4次后試樣表面可見明顯碎屑，邊緣有所缺失。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，表面逐漸出現(xiàn)縱橫向裂隙，綜合體現(xiàn)了凍融、干濕單一條件下土體典型的破壞形式。雖然裂隙的發(fā)育程度不甚干濕條件下明顯，但其仍是影響土體滲透性能的主要原因。

圖4 凍融干濕耦合條件下延安黃土試樣表觀特征Fig.4 Specimen surface characteristics of Yan’an loess after different couplingactiontimes

2.2 黃土滲透系數(shù)分析

2.2.1交替循環(huán)次數(shù)對(duì)黃土滲透系數(shù)的影響

如圖5所示，凍融條件下延安黃土的滲透系數(shù)最大，隨著凍融次數(shù)的增加呈先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，滲透系數(shù)變化范圍為60×10-6～180×10-6cm/s；而耦合作用與干濕作用下土體的滲透系數(shù)較為相近，其變化范圍為20×10-6～80×10-6cm/s，且兩者滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)十分相似，均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化趨勢(shì)，衰減幅度逐漸降低并趨于平穩(wěn)。

土體的凍融過程，實(shí)質(zhì)上是土中水固-液相變的過程，伴隨著水分遷移和重分布，影響著顆粒排列和孔隙狀態(tài)。延安黃土黏粒含量較少，由骨架粗顆粒直接接觸或由黏粒聯(lián)結(jié)形成孔徑遠(yuǎn)大于粒徑的架空孔隙，構(gòu)成其支架大孔微膠結(jié)結(jié)構(gòu)[23]。負(fù)溫環(huán)境下土體內(nèi)凍結(jié)范圍由表及里逐漸擴(kuò)大，大孔隙冰的凍脹量遠(yuǎn)大于周圍土顆粒遇冷的收縮量，土體表現(xiàn)為凍脹狀態(tài)，造成土體骨架變形、孔隙結(jié)構(gòu)破壞等不可逆損傷。隨著初始含水率及凍融次數(shù)的增加，內(nèi)部冰晶的發(fā)育劈裂作用增強(qiáng)，嚴(yán)重削弱了顆粒間的膠結(jié)作用，孔隙冰融化后土顆粒在重力作用下逐漸下沉并填充原有孔隙，孔隙尺度明顯壓縮，滲透性能表現(xiàn)出與其結(jié)構(gòu)改變對(duì)應(yīng)的銳減態(tài)勢(shì)。

土體裂隙極易在干濕交替過程中的脫濕階段產(chǎn)生并發(fā)育，適當(dāng)?shù)牧严犊稍黾油馏w的孔隙含量，并成為新的滲流通道，從而提高土體的滲透性能。隨著裂隙逐漸深入加寬、相互連接貫通，密布的網(wǎng)狀裂隙使表層土體支離破碎，內(nèi)部反而更加密實(shí)。多次干濕交替后，土體表面開度較大的裂隙斷裂帶會(huì)在圍壓作用下有所閉合，加之內(nèi)部土體壓密破壞了原有孔隙通道，因此滲透性能相應(yīng)減弱。由此可見，干濕交替對(duì)土體的破壞相比于凍融循環(huán)更為強(qiáng)烈，耦合條件中的干濕階段會(huì)促進(jìn)裂隙發(fā)展，使其成為影響土體滲透性質(zhì)的主要原因，因此滲透系數(shù)表現(xiàn)出與干濕單因素條件下相似的變化趨勢(shì)。

圖5 不同條件下延安黃土滲透系數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of permeability coefficient of Yan’an loess under different conditions

2.2.2初始含水率對(duì)黃土滲透系數(shù)的影響

由圖5可知，凍融條件下延安黃土的滲透系數(shù)呈數(shù)量級(jí)減小的劇烈變化趨勢(shì)，且隨著初始含水率的提高，滲透系數(shù)衰減幅度逐漸增大；而在耦合作用與干濕作用下，不同初始含水率黃土的滲透系數(shù)相差較小，說明初始含水率對(duì)土體的影響主要體現(xiàn)在凍融過程中，反而在劇烈的飽和-干燥變化過程中，初始含水率對(duì)其滲透性能的影響十分微弱。雖然在耦合試驗(yàn)中的凍融階段考慮了初始含水率這一因素，但后續(xù)干濕階段產(chǎn)生發(fā)育的拉裂隙才是影響其滲透性能的主要原因。

2.2.3圍壓對(duì)黃土滲透系數(shù)的影響

限于篇幅，圖6僅展現(xiàn)N=2、10的延安黃土滲透系數(shù)與圍壓的變化規(guī)律曲線。由圖6可知，隨著圍壓增大，凍融條件下黃土的滲透系數(shù)呈數(shù)量級(jí)減小的趨勢(shì)，變化曲線符合典型的指數(shù)衰減特征；且隨著凍融次數(shù)的增加滲透系數(shù)變化幅度逐漸減小，由凍融2次時(shí)衰減幅度最大的126×10-6cm/s降至凍融10次時(shí)的25×10-6cm/s。而在耦合作用與干濕作用下，黃土滲透系數(shù)與圍壓的變化曲線斜率較小，滲透系數(shù)變化幅度均在15×10-6～30×10-6cm/s。

土體滲透系數(shù)與其孔隙含量呈明顯正相關(guān)性，且滲透系數(shù)隨圍壓的變化速率與其孔隙塑性壓縮變形速率基本一致。凍融條件下由水分相變引起的組構(gòu)變化、骨架位移等不可逆損傷，均會(huì)改變土體的孔隙形態(tài)與含量。以支架大孔隙為主的延安黃土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，部分大顆粒分解成比表面積較大的細(xì)小顆粒，由大顆粒搭接形成的大孔隙也會(huì)有所減少[7]。受壓狀態(tài)下中小孔隙的變形量遠(yuǎn)小于大孔隙，因此滲透系數(shù)隨圍壓的變化曲線也呈現(xiàn)出較低的變化速率。

耦合條件與干濕單因素作用下，土體主要受脫濕速率分布不均的影響，呈現(xiàn)出表層土體破碎、內(nèi)部土體密實(shí)的特點(diǎn)。受制于裂隙兩側(cè)土體的拉應(yīng)力，以及裂隙開度的有限性，圍壓作用下張開裂隙的閉合度較小，與土體滲透系數(shù)隨圍壓變化的曲線速率具有一致性。

2.3 凍融干濕耦合作用中各因素影響權(quán)重分析

2.3.1多元線性回歸分析

多元線性回歸分析是用來分析多個(gè)自變量與因變量之間相關(guān)性的一種常用方法，同時(shí)還可得到不同自變量對(duì)因變量的影響能效[24]，多元線性回歸分析數(shù)學(xué)模型如下：

設(shè)變量y與變量x1，x2，…，xk之間存在著線性回歸關(guān)系，它的第i次觀測(cè)數(shù)據(jù)為

(yi，xi1，xi2，…，xik)，i=1,2,…,n

于是有

其中β0，β1，β2，…，β2是k+1個(gè)未知參數(shù)，x1，x2，…，xk是k個(gè)可以測(cè)得或可控的變量，ε1，ε2，…，εk是n個(gè)相互獨(dú)立且服從同一分布N(0,σ2)的隨機(jī)變量。上式還可以寫成矩陣與向量相乘的形式

記

則多元線性回歸模型可寫成

X是一個(gè)純量矩陣，稱為設(shè)計(jì)矩陣或結(jié)構(gòu)矩陣，在回歸分析中一般假設(shè)X為列滿秩，即rank=(X)=k+1；Eε是n維零向量，In是n階單位矩陣。

2.3.2考慮各變量在耦合作用中的影響權(quán)重

由表2可知，根據(jù)顯著性概率p=0.000<α=0.01判斷，“凍融循環(huán)”與“干濕交替”對(duì)“凍融干濕耦合作用下土體滲透系數(shù)”的影響極其顯著，而“循環(huán)次數(shù)”與“圍壓”對(duì)因變量的影響不顯著(p>α=0.05)，應(yīng)剔除兩變量后繼續(xù)進(jìn)行回歸分析。

通過對(duì)比自變量標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Beta，可得到自變量對(duì)因變量的影響權(quán)重，即絕對(duì)值越大，自變量對(duì)因變量的影響權(quán)重的越大。依據(jù)表3中顯著性概率及自變量標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Beta判斷，“干濕交替”對(duì)“凍融干濕耦合作用下土體的滲透系數(shù)”的影響權(quán)重最大，“凍融循環(huán)”的影響權(quán)重較小。

耦合作用下土體滲透系數(shù)的變化并不是單一因素條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單疊加，而是各變量之間相互影響共同導(dǎo)致的結(jié)果。由上述分析可知，試驗(yàn)變量(循環(huán)次數(shù)與圍壓)對(duì)耦合作用下土體滲透系數(shù)的影響很小，凍融、干濕這兩個(gè)外界誘因?qū)ν馏w結(jié)構(gòu)及其滲透性質(zhì)的影響最為明顯，其中干濕交替在耦合作用中起到主導(dǎo)作用，凍融循環(huán)起到促進(jìn)作用。結(jié)合圖5、圖6的滲透系數(shù)變化曲線可知，耦合作用與干濕作用下滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)及其數(shù)值都十分相近，而與凍融條件下的滲透系數(shù)相差較遠(yuǎn)，由此可見試驗(yàn)結(jié)果與理論分析具有高度的一致性。

表2 四因素回歸模型系數(shù)表

表3 兩因素回歸模型系數(shù)表

3 結(jié)論

本文將凍融循環(huán)、干濕交替及凍融干濕耦合作用作為外界誘因，對(duì)比分析不同條件下延安Q3黃土的表觀結(jié)構(gòu)特征及循環(huán)次數(shù)、初始含水率與圍壓對(duì)其縱橫向滲透系數(shù)的影響，通過回歸分析得到各因素在耦合作用中的影響權(quán)重。

(1)土體的凍融過程是水分在空間內(nèi)固-液相變的動(dòng)態(tài)變化過程，外在表現(xiàn)為凍脹狀態(tài)，內(nèi)部引起土體骨架、孔隙結(jié)構(gòu)的不可逆損傷。土體水分含量在飽和與干燥之間的劇烈變換，易使土體表面出現(xiàn)網(wǎng)狀張拉裂隙，嚴(yán)重破壞了土體的結(jié)構(gòu)性與完整性，凍融、干濕單一條件下土體典型的破壞形式均在凍融干濕耦合作用下有所體現(xiàn)。

(2) 耦合作用下延安黃土縱橫向滲透系數(shù)的變化規(guī)律與干濕條件下的最為相似，其數(shù)值均小于凍融條件下黃土的滲透系數(shù)。隨著循環(huán)次數(shù)與圍壓的增大，不同條件下黃土的滲透系數(shù)均明顯減小，而初始含水率對(duì)土體滲透性質(zhì)的影響僅體現(xiàn)在凍融過程中。

(3) 凍融干濕耦合作用下土體滲透性質(zhì)的變化并不是單一因素條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單疊加，而是各變量之間相互影響共同導(dǎo)致的結(jié)果，其中干濕交替對(duì)土體的影響最為顯著，起到主導(dǎo)作用，凍融循環(huán)起到促進(jìn)作用，回歸分析結(jié)果與試驗(yàn)所得規(guī)律相一致。