冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响_董琪.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-05-20 基金项目 国家自然科学基金项目（41172262）；教育部新世纪人才支持计划项目（NCET-12-1044）；陕西省科技统筹创新工程计划项目 （2015KTZDSF03-02，2015KTZDSF03-03-01） Foundation item National Natural Science Foundation of China（41172262）； Program for New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education of China（NCET-12-1044）；Shaanxi Science Technology Co-ordination Innovation Project （2015KTZDSF03-02，2015KTZD SF03-03-01） 作者简介 董琪（1984），男，乌鲁木齐人，博士研究生，工程师，从事土与结构物相互作用的研究. E-mail38641855 引用格式 董琪，陈强，叶万军. 冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）105-109. DONG Qi， CHEN Qiang， YE Wanjun. Influence of freezing temperature on the physical and mechanical properties of undisturbed loess［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（4）105-109. 文章编号 1001-1986（2016）04-0105-05 冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响 董 琪 1，2，陈 强3，叶万军3 （1. 长安大学，陕西 西安 710054；2. 信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710021； 3. 西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054） 摘要 在陕西省黄土地区典型地点取土样，开展不同含水率、不同干密度土样在不同温度下的冻 结试验，探讨冻结温度下黄土的冻胀规律。研究表明，在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻 胀量很小。黄土的冻胀性随含水率的增加而显著。随着冻结温度的降低，黄土冻胀量变化率逐渐 减小，最终冻胀趋于恒定。含水率较低时，冻结温度对土样的干密度影响不明显，随着含水率的 增大，在高含水率条件下，孔隙率越小，影响越显著。低含水率条件下，冻结黄土呈现收缩现象， 中等含水率略有增大，高含水率增大明显。在冻结过程中，冻胀力的作用使得土颗粒间的接触点 增多，大孔隙所占的比例下降，导致土体内摩擦角增大；冻结温度越低，土样含水率越高，黄土 内摩擦角的增加量也越大；冰晶的生长破坏了土颗粒间联结，引起结构弱化，黏聚力减小；含水 率越高，孔隙率越小，冻结作用对黄土黏聚力影响越明显。 关 键 词冻结温度；冻胀规律；黄土；含水率；强度 中图分类号TU44 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.020 Influence of freezing temperature on the physical and mechanical properties of undisturbed loess DONG Qi1，2， CHEN Qiang3， YE Wanjun3 （1. Chang′an University， Xi′an 710054， China； 2. Electronic Comprehensive Survey Research Institute， Ministry of Ination Industry， Xi′an 710021， China； 3.College of Architecture and Civil Engineering， Xi′an University of Science Technology， Xi′an 710054， China） Abstract Soil samples were taken from the typical sites in loess area of Shaanxi Province. Freezing test was con- ducted with the soil samples of different moisture content and dry density to explore the frost heave law of loess under freezing temperature. The results show that Shaanxi loess samples in dry state did not have or little frost heave. The frost heave of loess increased with the moisture content， With the decrease of the freezing temperature， the frost heave decreased gradually and eventually became constant. When the moisture content is low， freezing temperature effect on the dry density of loess sample was not obvious. With the increase of moisture content， the smaller the porosity， the more significant effect on the loess samples under the high moisture content. When the moisture content is low， frozen loess showed shrinkage， under moderate moisture content，the frost heave increased slightly， and under high moisture content the frost heave increased obviously. In the process of freezing ，the frost heave force made the intergranular contacting points increase and the proportion of large pores in loess decrease， resulting in increases of the internal friction angle in loess， the lower the freezing temperature， the greater the moisture content， the greater the internal friction angle. The growth of ice crystals destroyed the connection and weakened loess structure， decreased cohesion force. The greater the moister content， the smaller the porosity， the greater impact on the loess cohesion. Key words freezing temperature； frost heaving law； loess； moisture content； strength ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 44 卷 我国黄土地区位于季节性冻土区，黄土冻融灾 害是黄土地区常见的一种灾害，是黄土体在遭受冻 融循环次数、冻结温度及冻结速率三者综合作用产 生的结果。在土的冻融过程中，冻结温度对土体冻 胀和融沉行为以及冻融后土结构变化的影响至关重 要。不同冻结温度条件下，即使是相同初始状态（干 容重、 含水率相同）的土样， 其冻融过程的成冰方式、 水分迁移量、未冻水含量、以及冻融特性等也可能 不同；相应地，冻结作用对土样结构的影响程度也 大小各异，冻结后土样的物理力学性质的变化规律 亦不同。研究冻结过程中冻结温度对黄土变形和强 度的影响，对黄土地区由冻融作用引发的灾害的研 究有重要的意义。 近年来， 岩土工程冻融灾害问题得到了广泛关注［1-5］。 李国玉等［6］通过对压实黄土进行补水条件下的冻融 循环试验， 探讨了冻融对压实黄土工程地质特性的影 响规律；董晓宏等［7］以陕西关中地区 Q3黄土为实验 研究对象， 研究了冻融作用下非饱和重塑黄土的固结 蠕变特征；毕贵权等［8］通过补水条件下的冻融循环试 验， 研究了冻融循环对压实黄土的物理力学性质的影 响，宋春霞等［9］将兰州重塑黄土在封闭系统下进行了 冻融试验，探讨冻融作用对兰州黄土力学性质的影 响；王铁行等［10］研究了不同含水率条件下非饱和原状 黄土的冻融强度；上述研究多以重塑黄土或压实黄土 为对象开展冻融试验，揭示了黏性土的基本物理力学 性质、冻胀或者水热迁移规律，研究结果对探讨黄土 地区隧道洞口、公路路面等冻害，路基、坝基等黄土 填料在冻融环境下的物理力学性状具有重要意义，但 对处于自然状态下的原状黄土并不适用，目前关于冻 结温度对黄土性状影响的相关研究报道少见。 本文在陕北典型地区取样，在室内开展实验， 模拟处于自然状态下原状黄土冻胀过程，开展不同 干密度、不同含水率条件下的冻结试验，分析在冻 结温度作用下土样干密度、含水率、土样表面形变、 黏聚力及内摩擦角的变化规律，研究影响黄土冻胀 特性的因素，探讨冻结温度下黄土的冻胀规律，以 期为研究黄土冻融灾害机制及预测预报奠定基础。 1 试验概况 1.1 取样地点及样品制备 选取 3 种不同地区取样 ①陕西榆林某黄土边 坡，取土深度为 3.5～4 m，属 Q3黄土；②黄延高速 公路 K170930 处路基左侧黄土边坡，土性为黄褐 色粉质黏土， 稍湿， 固态； ③西铜高速公路 K69732 处自然边坡，该处边坡类似正常固结土。 原状土样的制备按照土工试验方法步骤进行。 制备土样直径 61.8 mm，高度 20 mm。 3 种土样的基本物理参数见表 1。 榆林黄土样孔 隙率最大，洛川黄土次之，铜川黄土最小。 表 1 原状黄土样物理性质指标 Table 1 Index of physical properties of original loess samples 地点 含水率 w/％ 天然密度 ρ/（gcm-） 干密度 ρd/（gcm-） 相对密 度 Gs 孔隙率 /％ 液限 wL/％ 塑限 wP/％ 2.371.49 1.46 2.71 46.12 15.98.70 榆林 2.251.47 1.44 2.71 46.03 15.98.70 11.601.75 1.57 2.70 43.64 31.2 17.43 洛川 11.791.72 1.54 2.70 43.60 31.2 17.43 3.031.66 1.59 2.71 41.31 24.9 15.50 铜川 3.091.68 1.60 2.71 41.38 24.9 15.50 1.2 试验方法及方案 1.2.1 试验设备 采用天津市港源试验仪器厂生产的 DWX-150-30 型低温试验箱进行冻结试验。仪器控温范围-30～0℃， 控温精度1 ℃。 采用 ZJY-3 型等应变直剪仪进行快速 剪切试验。 1.2.2 试验方案 试验冻结温度为 20℃、 0℃、 -5℃、 -10℃、 -20℃、 -30℃ 6 个温度等级。 a. 将原状黄土制取土样， 按取样地点不同分成 3 组。采用水膜迁移法制备目标含水率分别为 9％， 15％，21％和 26％土样。作为对照另制作不同地点 干燥土样各 1 个，将其放入烘箱内，在 105～110℃ 的恒温下烘至恒量。 b. 对试样进行编号，在土体顶面固定位移计。 c. 设定低温控温箱至指定温度，将试样连同环 刀一起放入后进行冻结，冻结速率设置为 1/h℃。 d. 冻结至指定温度后，取出试样，根据位移计 测定试样高度变化。为防止其取出时水分流失，快 速给经过低温处理的试样套上乳胶膜。 e. 每次冻结完毕，取下乳胶膜，将土样在室温 （20℃左右）条件下静置密封干燥器（防止水分向土 样迁移）中，土样完全融化后采用直剪仪测定其黏聚 力、内摩擦角。 f. 采用微波炉法测定土样的含水率和干密度。 g. 重复以上各步骤至整个试验过程结束。 2 试验结果及分析 2.1 冻结温度对黄土干密度的影响 土样含水率为9％时， 冻结温度对土样的干密度影响 ChaoXing 第 4 期 董琪等 冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响 107 不明显；当含水率大于 15％时，冻结温度对土样干密度 影响较大， 当含水率超过20％时， 3 种土样干密度随冻结 温度的降低而减小，最终趋于稳定（图 1）。同种土样在不 同初始干密度情况下，冻结温度对其影响趋势大致相同。 含水率越高，孔隙率越小，冻结温度对黄土土样干密度 影响也越大。不同温度阶段的变化幅度又有所区别。 图 1 黄土干密度随冻结温度的变化曲线 Fig.1 Variation of dry density with freezing temperature of loess samples 对于低含水率土样，当温度在 0℃以上时，土样 内的水分处于液态或气态， 对土样干密度几乎无影响。 当温度低于 0℃时，土样内部水分向土样表面迁移， 在基质吸力的作用下，原来被水占据的空间被土固体 颗粒填充，使土样干密度增大，且随着温度的降低， 土颗粒收缩，干密度增大。当温度低于-20℃时，大部 分孔隙水迁移或者冻结过程基本完成，温度的降低对 土样干密度影响程度减小，此时主要是土颗粒进一步 收缩，造成干密度缓慢增大，但颗粒不能无限收缩， 当温度继续降低时，土样干密度的变化趋于稳定。 当含水率大于 20％，随着含水率的增大，榆林黄 土干密度随着冻结温度的降低变化不明显，洛川和铜 川黄土干密度随着冻结温度的降低变化减小（图 1）。分 析现象成因，铜川黄土干密度大，结构性较强，压缩 性小，土颗粒之间联结力强，当含水率较高时，在冻 结过程中将产生较大的冻胀力破坏了土样结构，冻胀 前后土样的抗压强度差值较大，因而土颗粒间的联结 力减弱，致使孔隙率变大，随着体积增大使得土体干 密度减小。冻结温度下降至-20℃后，土样孔隙率变大， 含水率降低，冻结过程的冻胀力减小，冻胀量和融沉 量相互抵消，致使土体结构变化甚微，土样干密度趋 于稳定。榆林黄土干密度小，孔隙率大，土颗粒之间 联结力弱，当含水率大于 20％，冻胀力对土样结构有 所破坏但冻胀前后土样的抗压强度差值较小，冻胀量 与融沉量相当，且土样体积增大不明显（图 2），干密度 变化不明显； 冻结温度下降至-20℃以下，土颗粒间联 结力到达某一定值，土样冻结过程的冻胀力和融沉过 程的融沉力达到平衡，土样干密度趋于稳定。 2.2 冻结温度对黄土变形的影响规律 图 2 为土样变形随冻结温度的变化曲线。含水率小 于 10％时，三种土样皆收缩。含水率为 15％时，榆 林土样收缩，洛川土样略有增大，铜川土样增大明 显。含水率大于 20％时，榆林土样变形稍有增大， 洛川土样变形较大，铜川土样变形明显。其中土样 在 0～20℃范围内变形基本稳定、-20～0℃范围变形 急剧增长、低于-20℃变形趋于稳定。 分析认为，黄土颗粒疏松、多孔，土体中有足够 的孔隙空间，使得土中水分缓慢冻结膨胀而不会强烈 图 2 黄土高度变化量随冻结温度的变化曲线 Fig.2 Relation curves between height of loess samples and freezing temperature ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 44 卷 破坏土体结构。在冻结过程中，一方面，土颗粒具有 热胀冷缩效应，同时冻结过程中土粒在冰的凝聚力下 相互靠拢，及土中有效应力的增大对土体产生挤密超 固结作用。另一方面，土中水具有热缩冷胀的现象， 当土中空隙空间小于水分冻结后形成的体积，土中水 会对土颗粒产生冻胀力。在冻结温度作用下，对于含 水率较低的土样，土颗粒收缩量远大于孔隙水的冻胀 量，表现为土样体积缩小。当含水率增大到某一含水 率时，土颗粒收缩能力与孔隙间释放水分冻胀量能力 相当， 表现为土样体积变化不明显。 含水率继续增大， 土颗粒收缩量逐渐小于孔隙水的冻胀量。由于孔隙率 越大收缩能力越强，榆林大孔隙土样土粒收缩大于孔 隙间水分冻胀，仍表现为收缩。洛川、铜川土样变化 增大。当含水率较高时，土颗粒收缩量逐渐小于水分 冻胀力导致土样体积的增大。 2.3 冻结温度对黄土抗剪强度指标的影响规律 图 3图 5 为冻结温度和土样黏聚力、内摩擦 角关系曲线。 图 3 榆林黄土黏聚力和内摩擦角随冻结温度的变化曲线 Fig.3 Relation among cohesion， internal friction angle of and freezing temperature of Yulin loess samples 图 4 洛川黄土黏聚力和内摩擦角随冻结温度的变化曲线 Fig.4 Relation among cohesion，internal friction angle and freezing temperature of Luochuan loess samples 图 5 铜川黄土黏聚力和内摩擦角随冻结温度的变化曲线 Fig.5 Relation among cohesion， internal friction angle and freezing temperature of Tongchuan loess samples 结果表明，当温度在 0℃以上变化时，土样的 黏聚力、内摩擦角几乎无变化。当温度小于 0℃时， 土样的黏聚力及内摩擦角有所变化，其变化规律和 土样的含水率、孔隙率、冻结温度关系密切。当含 水率小于 10％时，土样的黏聚力及内摩擦角随着冻 结温度的变化不明显， 当含水率大于 10％、 小于 20％ 时，随着冻结温度的降低，土样黏聚力降低，内摩 擦角增大；冻结温度越低，含水率越高，这种变化 越明显。 土样内摩擦角随着冻结温度的降低而增加。 随着含水率的增加，土样黏聚力明显降低，但内摩 擦角值变化不明显。当含水率较低时，冻结温度对 黄土的黏聚力值基本没有影响。黄土内摩擦角较冻 结前有小幅增加，冻结温度越低，增加值越大。当 土样含水率越高时，3 种土样黏聚力随孔隙率的减 小而降低越显著。 土颗粒的接触面积及颗粒间的排列方式是影响 土体内摩擦角的主要因素。 当含水率较低时， 黄土的 大孔隙提供了空间使孔隙水自由冻胀， 此时内摩擦角 受冻结温度的影响较小。 当冻结冰的体积大于黄土体 内自由膨胀空间后， 某些土颗粒之间的较小孔隙被挤 ChaoXing 第 4 期 董琪等 冻结温度对原状黄土物理力学性质的影响 109 压， 土样冻结后大孔隙所占的比例下降， 土颗粒间接 触点增多， 导致土样内摩擦角的增大； 而黏聚力降低 则是由于冰晶的生长破坏了土颗粒间联结导致结构 弱化。 当含水率较低时， 黄土的大孔隙为孔隙水冻结 成冰后提供了自由膨胀的空间而不至于影响土颗粒 间的黏结力，因而冻结温度对黄土黏聚力影响不明 显。 随着含水率的升高， 提供给孔隙水冻结成冰后自 由膨胀的空间逐渐减小， 最终冻结冰的体积大于黄土 体内自由膨胀空间的体积后， 冻结作用对黄土黏聚力 影响明显； 由于孔隙率越大保证了孔隙水冻结成冰后 有自由膨胀的空间， 孔隙率越小， 冻结作用对黄土黏 聚力影响越大。 3 结 论 a. 冻结温度对黄土的变形和抗剪强度指标的影 响规律和黄土的冻融特性和其含水率及孔隙率密切 相关。 在干燥状态下陕西黄土样不发生冻胀或冻胀量 很小。 不同孔隙率的土样在相同含水率下冻胀变形大 致相同。 相同冻融特性、 孔隙率黄土在不同含水率下 变形明显， 且随着含水率的增大变形增大。 在冻结温 度降低过程中黄土由起初冻胀明显到最终冻胀趋于 恒定。 b. 低含水率条件下冻结温度对土样的干密度 影响不明显，随着含水率的增大，土样的干密度均 随着温度的降低而增大，且随着冻结温度的降低， 土样干密度的变化趋于稳定。在高含水率条件下， 随着含水率的增大，3 种土样干密度随冻结温度的 降低而减小，孔隙率越小，降低幅度越显著，最终 趋于稳定。 c. 低含水率条件下，冻结黄土呈现收缩现象， 中等含水率略有增大，高含水率增大明显。 d. 在冻结过程中，由于受到冻胀力的作用，某 些土颗粒之间的孔隙减小，使得土颗粒间的接触点 增多，导致土体内摩擦角增大；冻结温度越低，含 水率越高，土体内摩擦角的增加量也越大；而黏聚 力降低则是由于冰晶的生长破坏了土颗粒间联结导 致结构弱化；含水率越高，孔隙率越小，冻结作用 对黄土黏聚力影响越大。 参考文献 ［1］ 董瑞琨， 许兆义， 杨成永. 青藏高原冻融侵蚀动力特征研究［J］. 水土保持学报，2000，14（4）12-16. 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