陳溯航，李曉麗，張強(qiáng)，李明玉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，010018，呼和浩特)

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鄂爾多斯紅色砒砂巖凍融循環(huán)變形特性

陳溯航，李曉麗?，張強(qiáng)，李明玉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，010018，呼和浩特)

砒砂巖區(qū)的產(chǎn)沙量是以非徑流的凍融風(fēng)化侵蝕為主形成的，凍融循環(huán)作為一種特殊的強(qiáng)風(fēng)化作用，其對(duì)砒砂巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的破壞。為揭示砒砂巖凍融破壞機(jī)制，使用LDMD-A三溫凍融循環(huán)試驗(yàn)儀，以內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗紅色砒砂巖為研究對(duì)象，模擬自然條件進(jìn)行單向凍融，研究分析凍融次數(shù)及含水率對(duì)原狀砒砂巖凍融循環(huán)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：凍融循環(huán)過程可以很清晰地反映砒砂巖在凍結(jié)和融化過程中，其固相、液相相互轉(zhuǎn)化時(shí)內(nèi)部熱量的變化，以及砒砂巖凍結(jié)、融化過程的體積變化；在凍結(jié)過程中，砒砂巖凍脹率與含水率、凍融次數(shù)密切相關(guān)，含水率對(duì)凍脹率影響更顯著。當(dāng)含水率為8.56%和10.27%時(shí)，凍脹率隨凍融次數(shù)增加而增大；但含水率為8.56%時(shí)，凍脹量很小，當(dāng)含水率>10.27%時(shí)，發(fā)生凍脹明顯，試樣凍脹量會(huì)隨凍融次數(shù)增加而增大；當(dāng)含水率≥11.53%時(shí)，凍融循環(huán)>6次，凍脹率趨于平緩。其結(jié)果揭示了不同因素下，砒砂巖凍融循環(huán)變形規(guī)律，為砒砂巖凍融侵蝕機(jī)理的深入研究提供參考。

砒砂巖； 凍脹； 融沉； 凍融循環(huán)； 結(jié)冰潛熱

砒砂巖大面積分布于鄂爾多斯地區(qū)，以紅色和白色色調(diào)為主，主要由砂巖、粉砂巖及泥巖組成的半固結(jié)碎屑巖組合而成[1]。該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，在冬春兩季，晝夜溫度變化大，砒砂巖土體脹縮交替，“水”“冰”相變頻繁[2-4]。砒砂巖在凍結(jié)的過程中，巖土體從冷源方向(地表)開始向下逐漸凍結(jié)，巖土體顆粒間的水由結(jié)合水變?yōu)楣虘B(tài)冰，體積膨脹加大了固體顆粒之間的間距。隨著溫度的回升，凍結(jié)巖土體在自然條件下，由地表豎直向下開始逐漸融化，巖土體內(nèi)部顆粒以不同下沉組合方式進(jìn)行重新組合，引起顆粒間的重新排列，使得巖土體的孔隙特征發(fā)生變化，導(dǎo)致巖土體骨架特征發(fā)生相應(yīng)變化，使傳力結(jié)構(gòu)的體系發(fā)生內(nèi)部位移，造成結(jié)構(gòu)性的變化，常伴隨裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展。在自重和外力的作用下，產(chǎn)生邊緣巖土體的剝落和坍塌[5-7]；同時(shí)，由于砒砂巖中相對(duì)不穩(wěn)定的化學(xué)成分在水的作用下，易發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用，加劇砒砂巖的強(qiáng)度損失[8-10]：因此，凍融循環(huán)作為一種溫度變化的具體形式，可以被理解為一種特殊的強(qiáng)風(fēng)化作用，對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)有著強(qiáng)烈的影響[11-20]。砒砂巖經(jīng)凍融循環(huán)作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，黏聚力降低，凍融-風(fēng)力侵蝕成為冬春、秋冬季節(jié)主要的侵蝕形式。為保持該地區(qū)生態(tài)環(huán)境和構(gòu)筑物的穩(wěn)定，極有必要開展砒砂巖土壤凍融變異機(jī)制研究。

筆者以鄂爾多斯地區(qū)準(zhǔn)格爾旗紅色的砒砂巖為研究對(duì)象，模擬外界自然環(huán)境的凍融過程，進(jìn)行單向凍融循環(huán)試驗(yàn)。選取不同的含水率、不同凍融次數(shù)，分析凍融循環(huán)對(duì)砒砂巖變形特性的影響，為今后砒砂巖復(fù)合侵蝕破壞機(jī)制的深入研究，提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古南部鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗(E 111°12′00″～111°14′40″，N 40°18′40″～40°23′00″)。年平均氣溫7.4 ℃ ，≥10 ℃積溫3 400 ℃，太陽(yáng)總輻射量599 kJ/(cm2·a)，年蒸發(fā)量2 100～3 700 mm，年降水量251.1～522.2 mm，且多以暴雨形式出現(xiàn)，主要集中在7—8月份，平均風(fēng)速12.3 m/s，春季干旱，冬季寒冷。該區(qū)域主要以紫紅色砒砂巖分布為主，地形切割強(qiáng)烈，溝壑縱橫交錯(cuò)。地表部分薄層風(fēng)積沙與裸露砒砂巖交錯(cuò)排列，植被覆蓋稀疏，表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，土表侵蝕嚴(yán)重。

2　研究方法

2.1試樣的制備

樣品采于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的圪坨店溝試驗(yàn)區(qū)，試樣是由野外試驗(yàn)場(chǎng)選取未擾動(dòng)坡面，將砒砂巖挖深至40～50 cm處，制取塊狀原狀土試樣，并及時(shí)蠟封密存，帶回實(shí)驗(yàn)室后，將保存完好的土樣切削，并打磨試樣表面，將原狀土樣削成直徑100 mm、高100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣。為測(cè)定溫度沿試件內(nèi)部高度的變化規(guī)律，在試件的中心部位打孔，上下2個(gè)鉆孔距離頂、底板分別為2 cm，中間孔間距為1.5 cm(圖1)。

圖1　三溫循環(huán)試驗(yàn)儀構(gòu)造模型Fig.1　Structure model of three temperature cycle experiment instrument

2.2試驗(yàn)方法

由前期工作[21]得知，砒砂巖含水率<8%時(shí)，凍融作用不明顯，而原狀砒砂巖飽和含水率為15.01%，所以試驗(yàn)含水率設(shè)計(jì)在8%～15%之間。為測(cè)定不同含水率使其對(duì)凍融循環(huán)產(chǎn)生影響，在取值時(shí)，使含水率之間的間隔在1.5%左右。而本次試驗(yàn)所用的土樣是原狀砒砂巖，含水率的具體數(shù)值并不能精準(zhǔn)的控制，將試樣放入真空飽和裝置進(jìn)行飽和，然后分別放入烘箱，在105 ℃下烘不同時(shí)間，靜置48 h后稱量，得到試樣含水率分別為 8.56%、10.27%、11.53%和13.7%，選擇這4個(gè)不同含水率的原狀砒砂巖進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

根據(jù)準(zhǔn)格爾旗近30年的氣象資料及地表實(shí)測(cè)溫度，頂板溫度變化，選取秋冬和冬春季節(jié)中日溫度較低值-17 ℃為凍結(jié)控制溫度，日溫度較高值+20 ℃為融化控制溫度，凍融過程中底板溫度、箱體環(huán)境溫度均控制在+1 ℃，采用恒溫凍結(jié)及融化，土樣側(cè)面隔熱保溫，不進(jìn)行熱傳導(dǎo)。每隔10 min記錄1次數(shù)據(jù)，凍結(jié)和融解結(jié)束的時(shí)間均以其位移傳感器顯示的讀數(shù)趨于穩(wěn)定為止，根據(jù)劉李杰[21]的研究，確定每個(gè)試件凍融循環(huán)次數(shù)為8次。試驗(yàn)裝置采用LDMD-A三溫凍融循環(huán)試驗(yàn)儀(圖1)，它由試樣盒、恒溫箱、溫控系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變形量測(cè)系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)組成。試樣桶由外徑120 mm、內(nèi)徑100 mm、高200 mm、壁厚10 mm的有機(jī)玻璃構(gòu)成，并將其作為側(cè)壁，沿高度每隔10 mm設(shè)熱敏電阻溫度計(jì)插孔，底板和頂板能提供恒溫液循環(huán)通道。在有機(jī)玻璃試樣桶內(nèi)壁涂上一薄層凡士林，放在底板，桶內(nèi)放上一張薄型濾紙，把試件平放推入桶內(nèi)。然后在試樣頂面再加上一張薄型濾紙，放上頂板，稍稍加力，使得試樣和頂、底板接觸緊密。將試樣桶放入箱體，在試樣的頂板、底板插上熱敏電阻溫度計(jì)；同時(shí)，在試樣上等距打好的5個(gè)孔內(nèi)也插上熱敏電阻溫度計(jì)，試樣周側(cè)包裹5 cm厚的泡沫塑料保溫。在箱體頂部安裝位移傳感器。試驗(yàn)開始每隔10 min，記錄各個(gè)孔以及頂、底板和箱體的溫度，以及位移變化。凍結(jié)到位移不再發(fā)生變化時(shí)開始融化，凍結(jié)穩(wěn)定時(shí)間一般出現(xiàn)在4 h左右；同樣融化到位移量不發(fā)生變化時(shí)停止試驗(yàn)，融化完成時(shí)間一般在6 h左右，然后進(jìn)入下一個(gè)凍融循環(huán)。

3　結(jié)果與分析

3.1各測(cè)點(diǎn)溫度變化時(shí)程曲線

由于所測(cè)試樣溫度變化時(shí)程曲線的趨勢(shì)相同，故選取含水率為11.53%的第1次凍融為例(圖2)，頂板CH14、底板CH13、環(huán)境溫度CH12溫度變化最快，短時(shí)間就能夠達(dá)到試驗(yàn)溫度設(shè)計(jì)值，達(dá)到設(shè)計(jì)溫度后，溫度可以保持恒定，能夠充分保障試樣產(chǎn)生單向凍結(jié)和融化。從降溫開始，隨頂板溫度的降低，從上至下各深度測(cè)點(diǎn)的溫度依次降低，在整個(gè)凍結(jié)的過程中，降低幅度較均勻。

圖2　各測(cè)點(diǎn)溫度變化的時(shí)程曲線Fig.2　Time history curves of each measuring point

3.2凍融過程的溫度改變及物態(tài)轉(zhuǎn)化

由圖3可知：在A階段，是正溫向負(fù)溫過渡階段，隨負(fù)溫差增大，累計(jì)位移不斷增加，變形量逐漸加大。經(jīng)過50 min(圖中第6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，負(fù)溫差突然減小，出現(xiàn)拐點(diǎn)，測(cè)得此時(shí)第1測(cè)點(diǎn)CH1的溫度恰好接近0 ℃時(shí)，表明在此處對(duì)應(yīng)的土體內(nèi)部孔隙水開始凍結(jié)，孔隙水由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)，析出結(jié)冰潛熱，土溫急劇升高，到此CH1高度處開始進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)。隨著冷端溫度的降低，CH2、CH3分別在60和70 min相繼出現(xiàn)突變點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)高度處的溫度均接近0 ℃，表明結(jié)冰潛熱析出，由上至下各高度相繼進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)，也表明溫度是從上往下均勻傳遞的；但CH4和CH5 2個(gè)測(cè)點(diǎn)的突變點(diǎn)發(fā)生在50 min時(shí)，凍結(jié)時(shí)間比CH3提前。這是由于底板溫度始終保持在1 ℃，而CH4和CH5距離底板距離較近，影響了CH4和CH5從最初的溫度下降的速度。

圖3　各測(cè)點(diǎn)溫差與累計(jì)位移變化量關(guān)系Fig.3　Relationship between the temperature difference of each measuring point and the cumulative displacement variation

進(jìn)入B階段，溫差變化幅度逐漸減小，凍結(jié)深入，最后溫差接近于0 ℃后基本保持不變，位移繼續(xù)上升，即凍脹量一直增加；當(dāng)累計(jì)位移達(dá)到1.846 mm時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)堆積重合，累計(jì)位移保持不變，此時(shí)土體進(jìn)入“恒溫凍結(jié)”階段。

進(jìn)入C階段，是負(fù)溫差向正溫差過渡階段，由負(fù)溫差轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎夭?，溫度升高，正溫差急劇變大；但由于位移一直恒定不變，此時(shí)試樣雖進(jìn)入“迅速升溫”階段，但融化并沒有開始，仍處于凍結(jié)狀態(tài)。

進(jìn)入D 階段后，正溫差減小，溫度升高速度變緩，位移開始顯著下降，有融沉發(fā)生，表明土體內(nèi)冰晶已經(jīng)開始融化，由固相向液相緩慢轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致試樣發(fā)生了沉降。進(jìn)入D階段末端，隨時(shí)間增加，溫度差接近0 ℃，數(shù)據(jù)點(diǎn)堆積重合，表明此時(shí)溫度不變，位移基本不變，土體處于“恒溫融化”狀態(tài)。經(jīng)過D階段，又出現(xiàn)第3次溫差突變，位移不變，正溫差突然增加。表明土體溫度突然升高，圖中圓圈所標(biāo)為凍融時(shí)溫度差突變點(diǎn)。對(duì)應(yīng)圖2，測(cè)得在350 min溫度基本保持在0 ℃左右，突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)高度處的溫度仍然出現(xiàn)在0 ℃附近。表明此時(shí)土體固相向液相的相變轉(zhuǎn)化已經(jīng)完成，析出土體原來(lái)融化所需熱量，使得溫度迅速增加。

突變完成，進(jìn)入E階段，溫差穩(wěn)定在0.8 ℃基本保持不變，此時(shí)升溫均勻，位移繼續(xù)減小，即融沉進(jìn)一步發(fā)展，土體處于“繼續(xù)升溫”狀態(tài)。E階段末端，溫差緩慢減小，表明溫度升高非常緩慢；但位移保持不變，表明土體內(nèi)部融沉變形已經(jīng)徹底完成，溫度的升高已不再改變土體的變形。

至此一個(gè)完整的凍融過程完成，可以很清晰地反應(yīng)土體在凍結(jié)和融化過程中，其固相、液相相互轉(zhuǎn)變時(shí)內(nèi)部熱量的變化；同時(shí)，也很清晰地反映隨溫度的變化，土體凍結(jié)、融化的體積變化過程，而體積的變化必然導(dǎo)致土體骨架特征發(fā)生相應(yīng)改變，這是造成土體結(jié)構(gòu)性的變化的主要原因。

3.3砒砂巖凍融時(shí)溫度場(chǎng)變化

為研究不同階段試樣溫度場(chǎng)的變化，分別選取凍融過程中各階段、各深度層的溫度變化情況，見圖4。在單向凍結(jié)溫度場(chǎng)中，各階段底板處溫度變化最小；從B階段(恒溫凍結(jié))開始到D階段(恒溫融化)，由于持續(xù)低溫凍結(jié)，大部分土體處于低于0 ℃溫度區(qū)，各深度層溫度逐漸降低。在B階段和C階段，土體在底板處最大溫度變化僅為1.5 ℃，而在頂板處溫度變化接近10 ℃；當(dāng)處于迅速升溫狀態(tài)，即C階段，頂板溫度受人為調(diào)控，溫度上升快，但各測(cè)點(diǎn)溫度比凍結(jié)時(shí)低，此時(shí)內(nèi)部各深度層的冰晶還未融化，還處于晶體狀態(tài)。深度的改變，同時(shí)也影響溫度的變化，隨深度層的降低，溫度差也在不斷增大。融化時(shí)測(cè)點(diǎn)距頂板距離愈近，溫度梯度愈大，D階段(恒溫融化)和E階段(繼續(xù)升溫)的最大溫度跨度在15 ℃左右，隨著深度層的不斷增加，溫度差值逐漸減小，說(shuō)明E階段時(shí)，土樣內(nèi)冰晶融化過程基本完成。

3.4凍結(jié)過程中砒砂巖凍脹量的變化

砒砂巖在進(jìn)行凍結(jié)過程中凍脹量的發(fā)生、發(fā)展如圖5所示。當(dāng)含水率為8.56%時(shí)，凍脹變化很小，位移值分布在-0.055～0.462 mm之間，可見反復(fù)凍融對(duì)其影響不明顯；而當(dāng)含水率≥10.27%時(shí)，隨著凍融次數(shù)的逐漸增加，凍脹量呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)含水率>10.27%時(shí)，凍脹量會(huì)隨凍融次數(shù)增加而增大。試驗(yàn)所測(cè)的砒砂巖試樣基本均在降溫0.5 h時(shí)，凍脹量開始出現(xiàn)增長(zhǎng)，并逐漸增長(zhǎng)加快；但含水率為8.56%時(shí)，試樣基本在2.5 h時(shí)凍脹穩(wěn)定，然后趨于平穩(wěn)。當(dāng)含水率>10.27%時(shí)，凍脹時(shí)間延長(zhǎng)到3.5 h左右，凍脹增加才有所減緩。可見，含水率的大小，影響砒砂巖凍脹量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。

3.5相同含水率下凍融次數(shù)對(duì)凍脹率的影響

由上述分析知：一次溫度的變化，可以導(dǎo)致砒砂巖土體的凍脹和融沉，那么多次凍、融的循環(huán)如何影響砒砂巖結(jié)構(gòu)的變化。為研究砒砂巖在不同凍融次數(shù)下的凍脹最大變形，引入凍脹率。凍脹率是一次凍結(jié)完成后，凍脹量穩(wěn)定值或者是最大值與試樣初始高度的比值，即凍脹率指單位高度的凍脹量。計(jì)算公式為

(1)

式中：h0為試樣初始高度，mm；h為試樣凍結(jié)穩(wěn)定后的高度，mm；ηf為凍脹率，%，計(jì)算至0.01。

經(jīng)過對(duì)試樣進(jìn)行8次凍融循環(huán)后，分別研究在第2、4、6、8次凍融循環(huán)次數(shù)的不同含水率下，砒砂巖的凍脹率變化情況，如圖6所示。當(dāng)含水率為8.56%和10.27%時(shí)，凍脹率隨凍融次數(shù)增加而增大。表明在反復(fù)凍融的過程中，隨著固相、液相的轉(zhuǎn)化和水分遷移，土顆粒經(jīng)過重新排列，并且所用試樣干密度經(jīng)測(cè)得在2.08～2.11 g/cm3之間。砒砂巖屬于高密實(shí)度土體，所以凍融使得土體體積在不斷變大。含水率為11.53%和13.7%，凍融大于6次時(shí)，凍融次數(shù)增多，使得凍脹率趨于平緩，可以看出，含水率>11.53%時(shí)，并非凍融次數(shù)越多凍脹率越大。對(duì)于凍脹率，含水率不是單一的影響因素；凍融增大到一定次數(shù)，增加土粒之間的潤(rùn)滑作用，影響土粒的重新排列和密實(shí)，并且第1次凍融時(shí)的凍脹率明顯小于其他凍融次數(shù)的凍脹率，含水率不斷增大，凍脹率也逐漸趨于平穩(wěn)。即反復(fù)凍融改變了土體的性狀，導(dǎo)致土體間顆粒的定向化，所以隨著凍融次數(shù)的增加，不同含水率的凍脹率都趨向于穩(wěn)定值。

圖6　凍脹率隨凍融次數(shù)變化關(guān)系Fig.6　Relationship between the frost heaving ratio with the change in the number of freezing-thawing

3.6相同凍融次數(shù)下含水率對(duì)凍脹率的影響

在凍脹的影響因素中，含水率是影響較大的因素，而影響凍脹的水分主要是土體中未凍水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；所以土體的凍脹變化特征是和土體中未凍水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化是緊密聯(lián)系的，并且含水率對(duì)土體微結(jié)構(gòu)剛度起控制作用。從圖7可見，含水率>10.27%時(shí)，凍脹率明顯大于含水率為8.56%的凍脹率。說(shuō)明砒砂巖的含水率在8.56%～10.27%之間，存在一個(gè)閾值。當(dāng)含水率大于閾值時(shí)，砒砂巖試樣的凍脹率在1%以上，凍脹明顯；而當(dāng)試樣的含水率較小，在閾值以下時(shí)，凍結(jié)過程中試樣內(nèi)只有孔隙冰，而沒有結(jié)構(gòu)冰，水變成冰對(duì)試樣體積影響較弱，凍脹率在1%以下。2個(gè)較小含水率的凍脹率是隨凍融次數(shù)的增加在逐步增大，這一點(diǎn)從圖6中體現(xiàn)出來(lái)。而另外2個(gè)含水率在第2次凍融循環(huán)時(shí)，凍脹率增加，然后逐漸趨于平緩。這是土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，凍融次數(shù)增加，土粒之間膠結(jié)力變強(qiáng)，起到骨架作用，使得凍脹率增加；然而，凍融作用進(jìn)一步影響，臨時(shí)作用消失，土粒向穩(wěn)定狀態(tài)過渡[18]，即在自重的影響下，原狀土的凍脹率隨著凍融次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小，最終趨于平緩的趨勢(shì)，并且隨著含水率的增加，原狀土的凍脹率也在增大。

圖7　凍脹率隨含水率變化關(guān)系Fig.7　Relationship between the frost heaving ratio with the change in moisture content

由此表明：含水率上升，引起微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形增大，水分由液相轉(zhuǎn)變成固相，凍結(jié)成冰，土樣體積增加而膨脹。為更好地分析凍脹率與凍融次數(shù)的關(guān)系，將凍結(jié)過程中凍脹率與凍融次數(shù)關(guān)系進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，得出表1。可以看出相關(guān)系數(shù)都在0.8以上，最大可達(dá)0.98。說(shuō)明二次項(xiàng)擬合對(duì)本次試驗(yàn)凍脹率和凍融次數(shù)的關(guān)系比較準(zhǔn)確，求得不同含水率下凍脹率與凍融次數(shù)的關(guān)系式。

表1　凍結(jié)過程中凍脹率與凍融次數(shù)關(guān)系

4　結(jié)論

本文通過對(duì)不同含水率的原狀砒砂巖，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，研究在凍脹和融沉過程中變形特性，得出下列結(jié)論：

1)凍融循環(huán)過程可以很清晰地反映砒砂巖在凍結(jié)和融化中，其固相、液相相互轉(zhuǎn)化時(shí)內(nèi)部熱量的變化；同時(shí)，也反映隨溫度的變化，砒砂巖凍結(jié)、融化的體積變化過程，而體積的變化必然導(dǎo)致土體骨架特征發(fā)生相應(yīng)改變，這是造成砒砂巖結(jié)構(gòu)性的變化的主要原因。

2)凍脹率受含水率影響顯著，含水率8.56%的凍脹率只達(dá)到其他含水率的50%左右，凍脹率隨凍脹次數(shù)變化緩慢，凍融循環(huán)6次以上稍有增加。

3)含水率為8.56%和10.27%時(shí)，凍脹率隨凍融次數(shù)變化趨勢(shì)相似，隨次數(shù)增加而緩慢增大，但含水率10.27%的凍脹率明顯大于含水率為8.56%的凍脹率；含水率為11.53%和13.7%的砒砂巖，前4次的凍融過程受凍融次數(shù)影響顯著，隨凍融次數(shù)增加凍脹率增長(zhǎng)較快，凍融次數(shù)大于6次后，凍脹率趨于平緩。

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Deformation characteristics of red pisha-sandstone during freezing-thawing cycles in Ordos

Chen Suhang，Li Xiaoli，Zhang Qiang，Li Mingyu

(Water Conservancy and Civil Engineering College,Inner Mongolia Agricultural University,010018,Huhehot,China)

[Background] Pisha-sandstone is a kind of loose rock stratum.Since the rock stratum is thin and low in pressure,it is hard to form rock,poor to glue the sandstone and low in structural strength.In the spring of great change in temperature,pisha-sandstone soil is not only eroded by the wind,but also frozen and melted at the same time,thus freezing-thawing and wind erosion are the main erosive modes in the spring and winter.Therefore,to protect the ecological environment in this territory,it is of great necessity to study the mechanisms of freezing-thawing and wind erosion of pisha-sandstone soil and investigate the soil variation in pisha-sandstone territory.[Methods] We applied LDMD-A three temperature freezing-thawing cycle test instrument to study and analyze the influence of freezing-thawing cycle on pisha-sandstone stratum in Zhungeer,Inner Mongolia Autonomous Region,where the pisha-sandstone stratum is purple and covered by sparse vegetation,with low soil nutrient in the surface,droughty in spring,and cold in winter and severe soil erosion,in terms of freezing-thawing frequency and moisture by simulating one-way freezing and thawing under natural environment.The samples were collected at the depth of 40-50 cm of pisha-sandstone and prepared to be as cylinder-shape specimen of 100 mm diameter and 100 mm height.The specimen was punched five holes with 1.5 cm apart between them for temperature test at different heights in order to investigate the changing law of temperature inside the test specimen.The specimen was frozen till the displacement did not change and then began to thaw,likewise,the specimen was thawed till the displacement did not change and then began to freeze.Then next freezing-thawing cycle follows the same.[Results] Experimental results showed that freezing-thawing process clearly reflected the thermal quantity in the transition between the solid phase and liquid phase as well as the volume change in the procedure of freezing and thawing of pisha-sandstone stratum.In the freezing process,the frozen heaving ratio factor of pisha-sandstone stratum was in close relation to the freezing-thawing frequency and moisture content.The moisture content had more significant effect on frozen-heave factor; when the moisture contents were 8.56% and 10.27%,the frozen-heave factor increased with freezing-thawing frequency; when the moisture content was 8.56%,the frozen expansion was the least; when the moisture content was over 10.27%,frozen expansion obviously took place,and the frozen expansion increased with the freezing-thawing frequency; when the moisture content was over or equal to 11.53% and freezing-thawing frequency over six,the frozen-heave factor tended to be stable.[Conclusions] These results reveal the structural change law of pisha-sandstone stratum under different factors,which provides references for further researches on the erosive mechanisms of pisha-sandstone stratum.

pisha-sandstone stratum; frozen heave; thaw settlement; freezing-thawing cycle; frozen latent heat

2016-01-26

2016-05-26

項(xiàng)目名稱：國(guó)家自然科學(xué)基金“鄂爾多斯丘陵區(qū)砒砂巖風(fēng)-凍融復(fù)合侵蝕力學(xué)機(jī)理研究”(41261070)，“鄂爾多斯丘陵區(qū)砒砂巖水蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究” (41561061)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃“寒旱區(qū)水文過程與環(huán)境生態(tài)效應(yīng)”(IRT13069)

陳溯航(1992—)，男，碩士研究生。主要研究方向：巖土環(huán)境力學(xué)。E-mail:664008590@qq.com

簡(jiǎn)介：李曉麗(1969—)，女，博士，教授。主要研究方向：巖土環(huán)境工程及結(jié)構(gòu)工程。E-mail:nd-lxl@163.com

S157

A

1672-3007(2016)04-0034-08

10.16843/j.sswc.2016.04.005