許健，李誠(chéng)鈺，王掌權(quán)，任建威，袁俊

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710018；3.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 西安 710075；4.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所；凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730000)

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原狀黃土凍融過程抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)理試驗(yàn)分析

許健1，李誠(chéng)鈺2，王掌權(quán)1，任建威1，袁俊3,4

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710018；3.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 西安 710075；4.中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所；凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730000)

通過對(duì)西安Q3原狀黃土在封閉系統(tǒng)凍融作用下的電鏡掃描和直剪試驗(yàn)，研究了凍融作用對(duì)原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)表明:凍融過程中原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，大顆粒集粒數(shù)量明顯減少，小粒徑土顆粒所占比重增加，孔隙面積比增加。進(jìn)一步基于損傷力學(xué)理論，得到微觀結(jié)構(gòu)凍融損傷度隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)，反映出凍融作用一定程度上破壞黃土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但多次凍融后黃土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。凍融過程土樣表面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，且含水率越高，土體表面特征破壞越嚴(yán)重。粘聚力隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，且含水率越高，粘聚力衰減幅值和速率越??；粘聚力隨含水率增加表現(xiàn)出線性衰減特征，且凍融后粘聚力與含水率的變化規(guī)律近似重合；內(nèi)摩擦角無明顯規(guī)律性變化。粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)，隨含水率升高有增大趨勢(shì)。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律性，進(jìn)一步提出了原狀黃土粘聚強(qiáng)度劣化模型，該模型經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可較好描述原狀黃土粘聚強(qiáng)度劣化規(guī)律。

原狀黃土；凍融作用；電鏡掃描；微觀結(jié)構(gòu)；抗剪強(qiáng)度

黃土是中國(guó)分布較為廣泛的土類之一，約占國(guó)土面積的6.3%，其中大部分集中在西北與華北等季節(jié)凍土區(qū)。由于氣溫周期性波動(dòng)作用，地表土層常常發(fā)生季節(jié)性凍融循環(huán)[1]。因此，土壩、堤防、路基、邊坡等黃土構(gòu)筑物在運(yùn)行期間都不可避免的要經(jīng)受凍融循環(huán)作用[2](圖1)。凍融循環(huán)作為一種特殊的強(qiáng)風(fēng)化作用，對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有著強(qiáng)烈影響，是導(dǎo)致黃土劣化的重要因素[3]。在寒區(qū)進(jìn)行路塹開挖、新削邊坡和路基修建等工程活動(dòng)時(shí)，會(huì)使土體新近暴露于凍融作用之下，在相關(guān)變形計(jì)算和穩(wěn)定性分析中，必須考慮其物理力學(xué)性質(zhì)的變化[4]。

圖1 黃土邊坡凍融剝落病害Fig.1 loess slope spalling hazards under freezing-thawing

針對(duì)凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)影響問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量科學(xué)研究，積累了豐富科研成果。Viklander[5]根據(jù)凍融對(duì)松散土體具有壓密作用，對(duì)于密實(shí)土具有凍脹作用，提出基于凍融作用的殘余孔隙比概念。Chamberlain等[6]研究發(fā)現(xiàn),盡管土體經(jīng)過凍融后孔隙比減小，但土體的滲透性仍增強(qiáng)。張世民等[7]以青藏粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，探究了凍融作用對(duì)土體水分分布特征的影響。Chuvilin等[8]研究發(fā)現(xiàn)，土體經(jīng)過凍融作用之后其抗剪強(qiáng)度有所降低；Bondarenko等[9]發(fā)現(xiàn)凍融作用前后土的強(qiáng)度變化不大；Yong等[10]研究得出，經(jīng)過凍融作用之后土體的抗剪強(qiáng)度有所增加。宋春霞等[11]對(duì)蘭州黃土的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，凍融作用對(duì)不同干容重土體產(chǎn)生強(qiáng)化和弱化雙重作用，并由此導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化。董曉宏等[12]針對(duì)重塑黃土凍融過程強(qiáng)度劣化規(guī)律開展了部分研究工作。

凍融循環(huán)可以改變土的力學(xué)性質(zhì)，這種影響是通過改變土體微觀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的[13]。就凍融作用對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)影響問題，前人開展了針對(duì)性基礎(chǔ)研究工作。倪萬魁等[14]對(duì)不同凍融次數(shù)的洛川黃土進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性描述。穆彥虎等[15]對(duì)經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的壓實(shí)重塑黃土進(jìn)行電鏡掃描，探討其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的關(guān)系，并揭示凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)黃土結(jié)構(gòu)影響的過程與機(jī)理。趙安平[16]利用電鏡掃描試驗(yàn)得到的結(jié)論解釋季凍區(qū)路基凍脹的微觀機(jī)理。張英等[17]基于SEM和MIP試驗(yàn)，研究了凍融作用對(duì)青藏粉質(zhì)黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

綜上所述，由于土的性質(zhì)，初始狀態(tài)以及試驗(yàn)條件等差異，凍融作用對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)影響的研究結(jié)論差異很大，有些結(jié)論甚至是完全相反的。此外，目前針對(duì)原狀黃土凍融過程電鏡掃描試驗(yàn)研究相對(duì)較少，定量分析并用以解釋黃土劣化特性的試驗(yàn)研究更少?；诖?，本文以西安Q3原狀黃土為研究對(duì)象，結(jié)合電鏡掃描試驗(yàn)和室內(nèi)剪切試驗(yàn)來研究原狀黃土凍融過程抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)某基坑工程現(xiàn)場(chǎng)，取土深度5～6 m，屬于晚更新世Q3黃土。試驗(yàn)用土的物理特性參數(shù)列于表1，其顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

表1 試驗(yàn)用土物理特性參數(shù)Table 1 The basic parameters of test loess

圖2 試驗(yàn)用土顆粒級(jí)配曲線Fig. 2 Grading curve for test

1.2 試樣制備

取出大塊原狀土樣，將其削制成7 cm×7 cm×6 cm(長(zhǎng)×寬×高)小塊土樣。稱取部分小塊土樣，對(duì)試樣進(jìn)行自然風(fēng)干減濕或滴水增濕，使其平均含水率分別達(dá)到15%和18%；然后，把減濕和增濕后的小塊土樣放入不同保濕缸中，讓水分均化不少于96 h；按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將土樣削制成直徑為61.8 mm，高度為20 mm的環(huán)刀樣。將剩余部分小塊土樣先削制成環(huán)刀樣，然后利用抽氣飽和法對(duì)環(huán)刀樣進(jìn)行飽和。試驗(yàn)含水率與要求含水率之差不大于0.1%，以保證試驗(yàn)結(jié)果離散性較小。

2 試驗(yàn)方案

主要從兩個(gè)方面研究?jī)鋈谧饔脤?duì)原狀黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。一方面，通過電鏡掃描試驗(yàn)定量分析凍融作用后黃土微觀結(jié)構(gòu)的劣化規(guī)律；另一方面，對(duì)經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的黃土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析其宏觀力學(xué)特性的劣化規(guī)律。

2.1 凍融試驗(yàn)

利用保鮮膜將制備好的直剪試樣包裹，構(gòu)造一個(gè)不補(bǔ)(散)水的密閉環(huán)境，隨后置于恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。本次凍融試驗(yàn)為封閉系統(tǒng)下的多向快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，保證凍融時(shí)試樣水分遷移較少。凍融循環(huán)試驗(yàn)方案為:低溫-20 ℃條件下凍結(jié)12 h，高溫+20 ℃條件下融化12 h；凍融循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)為:0、2、5、10、12、17、20。

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用杭州雪中炭恒溫技術(shù)有限公司生產(chǎn)的XT5402-TC400-R60型高低溫試驗(yàn)箱。儀器恒溫范圍-60 ℃～+100 ℃，恒溫波動(dòng)±0.5 ℃(圖3)。

圖3 高低溫試驗(yàn)箱Fig. 3 High and low temperature test

2.2 電鏡掃描試驗(yàn)

將含水率為18%的原狀黃土削制成10 mm×10 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)條形樣品。將用保鮮膜包裹的長(zhǎng)條形樣品置于恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。取出經(jīng)凍融后的樣品并風(fēng)干，在長(zhǎng)條形樣品中部刻一圈深約1.5 mm的槽，以便掃描時(shí)從中間掰開一個(gè)較為平整的新鮮斷面。利用Quanta 600 FEG 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(圖4)對(duì)試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試。最后，利用圖像處理軟件對(duì)凍融后黃土體骨架顆粒形態(tài)、連接方式、孔隙形態(tài)及孔隙面積比等微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量分析。

圖4 Quanta 600 FEG 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Fig. 4 The Quanta 600 FEG Field Emission Scanning Electron

2.3 直剪試驗(yàn)

試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式四聯(lián)直剪儀。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)凍融前后土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)施加垂直壓力分別為100、200、300及400 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 微觀結(jié)構(gòu)

土體微觀結(jié)構(gòu)可通過顆粒形態(tài)(顆粒大小、顆粒形狀、表面起伏)、顆粒排列形式、孔隙特征(孔隙大小、孔隙分布情況)、顆粒接觸關(guān)系等特性來描述。

圖5給出不同凍融次數(shù)下放大倍數(shù)為2 000倍的微觀SEM圖片。從圖中可以看出，凍融前，試驗(yàn)黃土的骨架顆粒以單體顆粒(部分為片狀)和膠結(jié)而成的集粒為主，且顆粒間排列較為緊密。凍融過程中由于試樣內(nèi)部冰晶生長(zhǎng)及冷生結(jié)構(gòu)形成導(dǎo)致土樣中孔隙體積增加，擠壓黃土顆粒，使黃土體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。多次凍融后，原狀黃土大顆粒集粒數(shù)量明顯減少，土體膠結(jié)性變差，顆粒間變的較為松散，小孔隙也隨之增多，并且有潛在裂隙發(fā)展。

圖5 不同凍融次數(shù)下SEM(×2 000)圖像Fig. 5 SEM(×2 000) images of loess after different freeze-thaw

土體微觀結(jié)構(gòu)量化指標(biāo)較多，本文選取土粒等效直徑、走向、圓形度和孔隙面積比4個(gè)典型指標(biāo)，利用圖像處理軟件對(duì)不同凍融次數(shù)下放大倍數(shù)為2 000倍的微觀SEM圖片分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。土粒等效直徑為與土顆粒面積相等的等效圓的直徑；走向表示土顆粒最長(zhǎng)弦所對(duì)應(yīng)的方位角，取值范圍為0～180°；圓形度描述土顆粒形狀接近圓形的程度；孔隙面積比表示同一截面孔隙面積與土顆粒面積的比值。上述4個(gè)指標(biāo)中的土顆粒走向是幾何變量，無具體計(jì)算公式，其他指標(biāo)的具體計(jì)算為

等效直徑d

(1)

式中:S為土顆粒面積。

圓形度R

(2)

式中:S為土顆粒面積；L為土顆粒的周長(zhǎng)；R的取值范圍為0～1，R值越大，則區(qū)域越接近標(biāo)準(zhǔn)圓。

孔隙面積比λ

(3)

式中:AV為統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)孔隙所占面積；AS為統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)土顆粒所占面積。

圖6(a)給出土粒等效直徑分析曲線圖。由圖可見，凍融前后粒徑的總體分布趨勢(shì)發(fā)生明顯變化，隨著凍融次數(shù)增加，較小粒徑顆粒所占比例明顯增多。圖6(b)、(c)分別為土顆粒圓形度統(tǒng)計(jì)分析圖和走向統(tǒng)計(jì)分析圖。從圖中可以看出，不同凍融次數(shù)作用后土顆粒圓形度分布曲線和顆粒走向分布曲線均出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，說明凍融作用對(duì)原狀黃土顆粒形狀和走向影響不大。分析其原因，凍融作用主要表現(xiàn)為土體內(nèi)部冰晶生長(zhǎng)及冷生結(jié)構(gòu)形成擠壓黃土顆粒，使土體孔隙體積增加，膠結(jié)性變差，而對(duì)土顆粒本身的形狀和走向并無明顯影響。凍融后孔隙所占面積比變化規(guī)律如圖6(d)所示。由圖可見，凍融后孔隙面積比有增大趨勢(shì)，反映出凍融作用一定程度上破壞原狀黃土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使土體變疏松。

基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)概念，材料劣化的主要機(jī)制是缺陷導(dǎo)致有效承載面積的減少，由此提出連續(xù)度φ的概念。

(4)

基于連續(xù)度φ的概念，引入連續(xù)度φ的一個(gè)相補(bǔ)參量即損傷度D[18]。

(5)

式中:D為標(biāo)量，D=0為無損狀態(tài)，D=1為理論上的極限凍融損傷狀態(tài)，即完全凍融損傷。

基于前述掃描電鏡凍融后孔隙面積比的概念，損傷度D可進(jìn)一步表示為

(6)

式中:λ0表示某一截面凍融前孔隙面積比；λ表示相同截面凍融損傷后土體孔隙面積比。

圖6 電鏡掃描測(cè)試分析圖Fig. 6 Scanning analysis after different freeze-thaw

依據(jù)式(6)，結(jié)合圖6(d)凍融后孔隙面積比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到損傷度和凍融次數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可見，隨凍融次數(shù)增加，凍融損傷度有顯著增大趨勢(shì)，但增幅逐漸減小，最終趨向于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。凍融損傷度D與凍融次數(shù)N之間的關(guān)系可用式(7)所示指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合分析。

(7)

凍融損傷度隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律反映出凍融作用一定程度上破壞原狀黃土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使土體變疏松，但多次凍融后黃土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。

圖7 凍融損傷度變化曲線Fig. 7 The variation of freezing-thawing damage

3.2 試樣表面特征

凍融循環(huán)作為一種強(qiáng)風(fēng)化作用，對(duì)黃土體具有強(qiáng)烈劣化作用。在黃土凍融試驗(yàn)過程中，筆者觀察到土樣表面結(jié)構(gòu)特征有一定變化。圖8所示為飽和(21%)土樣凍融過程表面特征變化規(guī)律。由圖可見，凍融前原狀黃土試樣表面可以觀察到其天然大孔隙特征；凍融5次后，原狀黃土試樣表面結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變化，表層薄弱部位出現(xiàn)微裂縫；凍融12次后，原狀黃土試樣表面局部出現(xiàn)片狀剝落現(xiàn)象，裂縫擴(kuò)展且開度增加；凍融17次后，原狀黃土表層凍融剝落破壞呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 飽和試樣(21%)凍融過程表面特征變化規(guī)律Fig.8 The surface feature of saturated specimen under freezing-thawing

圖9給出非飽和試樣凍融過程表面特征變化規(guī)律。由圖可見，凍融前后，含水率為15%和18%試樣表面結(jié)構(gòu)特征沒有明顯變化。對(duì)比圖8不難發(fā)現(xiàn)，原狀黃土試樣表面結(jié)構(gòu)破壞程度與含水率關(guān)系密切。含水率較高時(shí)，土樣上部?jī)鋈谧冃魏托螒B(tài)破壞嚴(yán)重，這主要是凍融過程中的水分遷移作用使得土體表面含水量增加，因而試樣表面結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。

圖9 非飽和試樣凍融過程表面特征變化規(guī)律Fig. 9 The surface feature of unsaturated specimen under freezing-thawing

3.3 粘聚力

3.3.1 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粘聚力的影響 圖10所示為粘聚力與凍融次數(shù)變化規(guī)律曲線。從圖中可以看出，粘聚力隨凍融次數(shù)增加逐漸減小，但降低幅度逐漸減小，最終維持在一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值，呈指數(shù)衰減趨勢(shì)。分析其原因，主要是由于土顆粒周圍水膜在低溫下凍結(jié)，孔隙水結(jié)晶對(duì)土顆粒產(chǎn)生擠壓作用力，破壞顆粒間聯(lián)結(jié)作用，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度逐漸弱化，粘聚力降低。此外，基于前述黃土體微觀結(jié)構(gòu)特征分析，凍融損傷度隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)(圖7)，亦即多次凍融后黃土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，因而粘聚力隨凍融次數(shù)增加趨于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。從圖中還可以看出，隨著含水率增大，粘聚力劣化幅值和速率有減小趨勢(shì)。這是由于含水率較大時(shí)，原狀黃土體初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低，因而凍融過程粘聚力衰減的絕對(duì)幅值和速率較小。

圖10 粘聚力與凍融次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 10 The relationship between cohesion and freeze-thaw

3.3.2 含水率對(duì)粘聚力的影響 圖11給出粘聚力與含水率變化關(guān)系曲線。由圖可見，隨著含水率增加，粘聚力表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，都呈現(xiàn)出線性衰減特征。分析其原因，含水率增加使得土顆粒之間結(jié)合水膜增厚，導(dǎo)致黃土體粘聚力降低。從圖中還可以看出，由于凍融作用對(duì)黃土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成損傷，隨著凍融過程進(jìn)行，土體強(qiáng)度趨于一個(gè)穩(wěn)定的凍融殘余強(qiáng)度數(shù)值(圖10)，因而凍融后粘聚力與含水率的變化曲線近似重合。

圖11 粘聚力與含水率關(guān)系曲線Fig. 11 The relationship between cohesion and water

3.4 內(nèi)摩擦角

圖12所示為黃土內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)變化規(guī)律曲線。從圖中可以看出，含水率為15%和18%試樣內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)變化呈現(xiàn)出波浪形變化趨勢(shì)，且波動(dòng)范圍較小，波動(dòng)幅度在5°以內(nèi)，無明顯規(guī)律性變化；飽和試樣凍融過程中內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出緩慢減小趨勢(shì)，但衰減幅度不大，逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。

綜上所述，可以認(rèn)為內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律并不明顯。分析其原因，主要是因?yàn)橛绊扅S土體內(nèi)摩擦強(qiáng)度的主要因素是黃土顆粒之間的接觸面積和土顆粒形狀，而凍融作用對(duì)以上因素并無明顯影響。

圖12 內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 12 The relationship between internal friction angle and freezing-thawing

3.5 粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)

由前述試驗(yàn)研究結(jié)果，凍融后原狀黃土體粘聚力衰減規(guī)律比較明顯，而內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)并無明顯變化規(guī)律?；诖?，為進(jìn)一步分析凍融過程粘聚強(qiáng)度劣化規(guī)律，從宏觀角度定義粘聚強(qiáng)度C值凍融損傷系數(shù)KC為

(8)

式中:KC為標(biāo)量，KC=0為無損狀態(tài)，KC=1為完全凍融損傷狀態(tài)；C0表示未凍融試樣的粘聚強(qiáng)度值；CN表示N次凍融后試樣的粘聚強(qiáng)度值。

原狀黃土粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)與凍融次數(shù)變化規(guī)律曲線如圖13所示。由圖可見，粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)隨凍融次數(shù)增加逐漸增大，但增幅逐漸減小，呈指數(shù)增加趨勢(shì)，這與前述土體微觀結(jié)構(gòu)凍融損傷度的變化規(guī)律是一致的(圖7)。從圖中還可以看出，隨著含水率增大，粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)有增大趨勢(shì)，這表明含水率較高時(shí)粘聚強(qiáng)度損傷幅度和速率較大。分析其原因，隨著含水率升高，孔隙水凍結(jié)成冰及冷生結(jié)構(gòu)形成的凍結(jié)劈裂作用增強(qiáng)，對(duì)土顆粒聯(lián)結(jié)破壞作用增大。

圖13 粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)與凍融次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 13 The relationship between damage coefficient and freezing-thawing

3.6 粘聚強(qiáng)度劣化模型

基于前述原狀黃土體粘聚強(qiáng)度凍融過程變化規(guī)律，下文對(duì)粘聚強(qiáng)度進(jìn)行多變量擬合分析，給出其劣化表達(dá)式。

試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粘聚強(qiáng)度與凍融次數(shù)符合指數(shù)衰減關(guān)系，可用式(9)所示指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合分析。

(9)

式中:C為粘聚力，kPa；N為凍融次數(shù)；a、b、c為擬合參數(shù)。擬合結(jié)果見表2。

表2 擬合參數(shù)1Table 2 Fitting parameters 1

進(jìn)一步考慮含水率的影響，以表2中的a、b、c為已知值，對(duì)其進(jìn)行擬合分析。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)參數(shù)a、b和c進(jìn)行線性擬合能取得較好結(jié)果。擬合公式如式(10)～(12)所示，擬合結(jié)果見表3。

(10)

b=b1w+b2

(11)

c=c1w+c2

(12)

表3 擬合參數(shù)2Table 3 Fitting parameters 2

將式(10)～(12)代入式(9)，可得原狀黃土粘聚強(qiáng)度與含水率和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。

C=(-754.8w+184.9)e(-6.45w+0.43)N-

1 172.2w+282.7

(13)

利用獨(dú)立試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試樣含水率19.5 %)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖14所示。從圖中可以看出，模型試驗(yàn)值和計(jì)算值相差較小，說明式(13)能夠較好的描述西安Q3原狀黃土的強(qiáng)度劣化特性。

圖14 模型驗(yàn)證Fig.14 Model

4 結(jié) 論

基于宏觀和微觀兩個(gè)方面分析原狀黃土凍融過程抗剪強(qiáng)度劣化機(jī)理，得出如下結(jié)論:

1)凍融過程中原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)在大顆粒集粒數(shù)量明顯減少，小粒徑土顆粒所占比重增加；孔隙面積比增加。但凍融作用對(duì)黃土顆粒形狀和顆粒走向影響不大。

2)原狀黃土微觀結(jié)構(gòu)凍融損傷度隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)，反映出凍融作用一定程度上破壞黃土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但多次凍融后黃土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度。

3)凍融過程中原狀黃土表面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，其破壞程度與含水率關(guān)系密切，含水率較高時(shí)，土樣上部?jī)鋈谧冃魏托螒B(tài)破壞嚴(yán)重。

4)原狀黃土粘聚力隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，且含水率越高，粘聚力衰減幅值和速率越??；粘聚力隨含水率增加表現(xiàn)出線性衰減特征，且凍融后粘聚力與含水率的變化規(guī)律近似重合；內(nèi)摩擦角無明顯規(guī)律性變化。

5)原狀黃土粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)；隨含水率增大，粘聚強(qiáng)度凍融損傷系數(shù)有增大趨勢(shì)，亦即含水率較高時(shí)粘聚強(qiáng)度損傷幅度和速率較大。

6)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律性，進(jìn)一步得到了原狀黃土粘聚強(qiáng)度劣化模型表達(dá)式。試驗(yàn)驗(yàn)證，該模型可較好描述原狀黃土粘聚強(qiáng)度劣化規(guī)律。

[1] 曾磊，趙貴章，胡煒,等.凍融條件下淺層黃土中溫度與水分的空間變化相關(guān)性[J].地質(zhì)通報(bào)，2015，34(11):2123-2131.

ZENG L,ZHAO G Z,HU W,et al.Spatial variation characteristics of temperature and moisture in shallow loess layer under freezing-thawing condition [J].Geological Bulletin of China,2015,34(11):2123-2131. (in Chinese)

[2] 連江波.凍融循環(huán)作用下黃土物理性質(zhì)變化規(guī)律[D].陜西 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

LIAN J B.Study on the variation of physical properties of loess under freezing-thawing cycles [D].Yangling,Shaanxi:Northwest A & F University,2010. (in Chinese)

[3] 葉萬軍，楊更社，彭建兵，等.凍融循環(huán)導(dǎo)致洛川黃土邊坡剝落病害產(chǎn)生機(jī)制的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(1):199-205.

YE W J,YANG G S,PENG J B,et al.Test research on mechanism of freezing and thawing cycle resulting in loess slope spalling hazards in luochuan [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(1):199-205. (in Chinese)

[4] 沈珠江.抗風(fēng)化設(shè)計(jì)—未來巖土工程設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26(6):866-869.

SHEN Z J.Weathering resistant design—An important aspect of future development of geotechnical engineering design [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2004,26(6):866-869. (in Chinese)

[5] VIKLANDER P.Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze/thaw [J].Canadian Geotechnical Journal,1998,35(3):471-477.

[6] CHAMBERLAIN E J,GOW A J.Effect of freezing and thawing on the permeability and structure of soils [J].Engineering Geology,1979,13(14):73-92.

[7] 張世民，李雙洋.青藏粉質(zhì)黏土凍融循環(huán)試驗(yàn)研究[J].冰川凍土，2012，34(3):625-631.

ZHANG S M,LI S Y.Experimental study of the Tibetan silty clay under freeze-thaw cycles [J].Journal of Glaciology and Geocryology,2012,34(3):625-631. (in Chinese)

[8] CHUVILIN Y M，Yazynin O M.Frozen soil macro-and microtexture formation [C]//Proceedings of 5th International Conference on Permafrost.Trondheim,Norway:Tapir Publishers,1988:320-323.

[9] BONDARENKO G I,SADOVSKY A V.Water content effect of the thawing clay soils on shear strength[C]//Proceedings of the 6th International Symposium on Ground Freezing.Rotterdam,Netherlands:A.A. Balkema,1991:123 -127.

[10] YONG R N,BOONSINUK P,YIN C W P.Alter nation of soil behavior after cyclic freezing and thawing[C]//Proceedings of 4th International Symposium on Ground Freezing. Rotterdam, Netherlands: A.A. Balkema, 1985: 187-195.

[11] 宋春霞，齊吉琳，劉奉銀.凍融作用對(duì)蘭州黃土力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖土力學(xué)，2008，29(4):1077-1086.

SONG C X,QI J L,LIU F Y.Influence of freeze-thaw on mechanical properties of Lanzhou loess [J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(4):1077-1086. (in Chinese)

[12] 董曉宏，張愛軍，連江波，等.長(zhǎng)期凍融循環(huán)引起黃土強(qiáng)度劣化的試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(6):887-893.

DONG X H,ZHANG A J,LIAN J B,et al.Laboratory study on shear strength deterioration of loess with long-term freezing-thawing cycles [J].Journal of Engineering Geology,2010,18(6):887-893.

[13] 齊吉琳，張建明，朱元林.凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)性影響的土力學(xué)意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(Sup2):2690-2694.

QI J L,ZHANG J M,ZHU Y L.Influence of Freezing-thawing on soil structure and its soil mechanics significance [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(Sup2):2690-2694. (in Chinese)

[14] 倪萬魁，師華強(qiáng).凍融循環(huán)作用對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響[J].冰川凍土，2014，36(4):922-927.

NI W K,SHI H Q.Influence of freezing-thawing cycles on micro-structure and shear strength of loess [J].Journal of Glaciology and Geocryology,2014,36(4):922-927. (in Chinese)

[15] 穆彥虎，馬巍，李國(guó)玉，等.凍融作用對(duì)壓實(shí)黃土結(jié)構(gòu)影響的微觀定量研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(12):1919-1925.

MU Y H,MA W,LI G Y,et al.Quantitative analysis of impacts of freeze-thaw cycles upon microstructure of compacted loess [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(12):1919-1925. (in Chinese)

[16] 趙安平.季凍區(qū)路基凍脹的微觀機(jī)理研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2008.

ZHAO A P.A study on the mechanism of microstructure of frost heaving in subgrade soil in seasonal frost zone [D].Changchun:Jilin University,2008. (in Chinese)

[17] 張英，邴慧，楊成松.基于SEM和MIP的凍融循環(huán)對(duì)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度影響機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34(Sup1):3597-3603.

ZHANG Y,BING H,YANG C S.Influences of freeze-thaw cycles on mechanical porperties of silty clay based on SEM and MIP test [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(sup1):3597-3603. (in Chinese)

[18] 許玉娟，周科平，李杰林，等.凍融巖石核磁共振檢測(cè)及凍融損傷機(jī)制分析[J].巖土力學(xué)，2012,33(10):3001-3005.

XU Y J,ZHOU K P,LI J L,et al.Study of rock NMR experiment and damage mechanism analysis under freeze-thaw condition [J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(10):3001-3005. (in Chinese)

(編輯 王秀玲)

Natural Science Foundation of China(No.51478385, No.51208409); Special Research Program of Shaanxi Province Education Department (No.12JK0914); Open Foundation of state key Laboratory of Permafrost Engineering(No.SKLFSE201312); Technology Innovation Research Project of North West Electric Power Design Institute(No. XB1-TM04-2013)

Experimental analysis on the mechanism of shear strength deterioration of undisturbed loess during the freeze-thaw process

Xu Jian1, Li Chengyu2, Wang Zhangquan1, Ren Jianwei1, Yuan Jun3, 4

(1.School of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi’an, 710055, P.R. China;2.Xi’an Metro Ltd., Xi’an, 710018, P.R. China;3.Northwest Electric Power Design Institute of Co. Ltd.of China Power Engineering Consulting Group, Xi’an, 710075, P.R. China; 4.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, 730000, P.R. China)

SEM and direct shear tests were conducted to study the influence of freeze-thaw action on the microstructure and strength of xi’an Q3 undisturbed loess under the closed system. The experimental results showed that the microstructure of loess changes significantly during the freeze-thaw process, with the number of large particles aggregate decreasing, the proportion of small particle size increasing, and the ratio of pore increasing. Based on the damage mechanics theory, the freezing-thawing damage degree versus freezing-thawing times was established. Analysis indicated that the freezing-thawing damage degree exponentially increased with the increase of freezing-thawing times, representing that the structural strength of loess can be destroyed by freezing-thawing. However, the structural strength eventually reached a residual strength value after repeated freezing and thawing. Freezing-thawing made the surface structure of soil destroyed, and had a bigger influence with the increace of water content. The cohesion exponentially decreased with freezing and thawing times increasing, and had a smaller attenuation amplitude and rate with the increase of water content. With the increase of water content, the cohesion linearly decreased, and had an approximately same variation after freezing and thawing. The internal friction angle had no obvious variation during the whole freezing-thawing process. The freezing-thawing damage coefficient of cohesion exponentially increased with the increase of freezing-thawing times, and also increased with water content increasing. A cohesion strength deterioration model was developed based on the laboratory test results, and the model can be used to well describe the strength deterioration regularity by the test verification.

undisturbed loess; freeze-thaw action; SEM; microstructure; shear strength

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.012

2016-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(51478385、51208409)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃(12JK0914)；凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLFSE201312)；西北電力設(shè)計(jì)院技術(shù)創(chuàng)新科研項(xiàng)目(XB1-TM04-2013)

許健(1980-)，男，博士，副教授，主要從事寒區(qū)巖土工程研究，(E-mail) xujian@lzb.ac.cn。

李誠(chéng)鈺(通信作者)，男，高級(jí)工程師，(E-mail) 597888541@qq.com。

TU444

A

1674-4764(2016)05-0090-09

Received:2016-03-09

Author brief：Xu Jian(1980-), PhD, associate professor, main research interests: the cold geotechnical engineering, (E-mail) xujian@lzb.ac.cn.

Li Chengyu(corresponding author), senior engineer, (E-mail) 597888541@qq.com.