龍建輝，張玲玲，邢鮮麗，郭曉娟

基于溫度路徑的凍融作用下黃土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)研究

龍建輝，張玲玲，邢鮮麗，郭曉娟

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

在季節(jié)性凍土區(qū)，凍融作用誘發(fā)黃土滑坡的本質(zhì)是凍融循環(huán)作用下黃土物理力學(xué)性質(zhì)的劣化，探明凍融作用下溫度以及水分遷移對黃土強(qiáng)度的影響及其機(jī)制是必要的。以山西省柳林縣某黃土邊坡為例，采用一種新的凍融循環(huán)方式即按照土體每年歷經(jīng)的溫度路徑進(jìn)行凍融循環(huán)，研究在溫度動態(tài)變化的凍融循環(huán)作用下土體的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律以及反復(fù)凍融循環(huán)作用對土體黏聚力、內(nèi)摩擦角和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：在一輪凍融循環(huán)過程中，土體強(qiáng)度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，低溫對土體強(qiáng)度影響較大。隨著凍融次數(shù)的增加，土體黏聚力呈指數(shù)函數(shù)下降，內(nèi)摩擦角幾乎沒有明顯變化。微觀試驗表明，隨著凍融次數(shù)的增加，土體內(nèi)大顆粒破碎化，孔隙增多，表現(xiàn)為顆粒趨于均一化，中等大小(5～10 μm)孔隙占比最大。本次研究模擬了土體經(jīng)歷的溫度變化過程，為該地區(qū)季節(jié)性凍融型黃土滑坡防治提供了借鑒作用。

溫度路徑；凍融循環(huán)；強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)；山西省

黃土由于其特殊的結(jié)構(gòu)性和水敏性，當(dāng)其處于天然含水率以及未經(jīng)凍融循環(huán)作用影響時，能長期保持較高的強(qiáng)度[1]，隨著含水率增加或者經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，其強(qiáng)度將大幅降低[2-6]，山西省作為典型的季節(jié)性凍土區(qū)，每年春季由于凍融作用引發(fā)的滑坡災(zāi)害也愈發(fā)嚴(yán)重[7]。在土體凍融過程中，其物理力學(xué)性質(zhì)劣化是引起黃土邊坡失穩(wěn)的主要原因，許多學(xué)者對凍融作用下土體力學(xué)性質(zhì)的劣化做過一定研究。葉萬軍等[8]通過對黃土開展單向凍結(jié)–雙向融化的凍融循環(huán)試驗，表明凍融過程中凍結(jié)區(qū)水分顯著增加是造成土體強(qiáng)度衰減、孔隙增多的主要原因；許健等[9]在–20～20℃凍融條件下，研究得出原狀與重塑黃土黏聚力均表現(xiàn)出指數(shù)衰減特征，內(nèi)摩擦角無明顯變化；胡田飛等[10]通過控制凍結(jié)負(fù)溫和循環(huán)次數(shù)，得出冷卻溫度越低，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)所需的凍融次數(shù)越少；魏堯等[11]研究了不同凍結(jié)溫度對黃土力學(xué)特性的影響，得到凍結(jié)溫度越低無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力下降值越快，內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加先減小隨后增大；龐旭卿等[12]研究了–10℃下凍結(jié)和10℃下融化對土體力學(xué)性質(zhì)的影響；倪萬魁等[13]研究了在凍結(jié)溫度為–31～29℃時對黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。實際上，影響土體凍融作用的因素有很多：凍融循環(huán)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、土體的初始狀態(tài)以及凍融循環(huán)方式等[14-19]，導(dǎo)致試驗結(jié)果千差萬別。

綜上所述，目前針對凍融作用對黃土性質(zhì)的試驗研究，只關(guān)注單一凍結(jié)和融化溫度的試驗研究相對比較簡單，而在一個實際凍融循環(huán)周期中，由于冬春季節(jié)和晝夜溫差的影響，溫度處在一個動態(tài)變化的周期范圍內(nèi)，而溫度場的改變能引起土體內(nèi)水分場和熱參數(shù)的變化[20]，這是影響水分遷移以及結(jié)構(gòu)變化的主要原因。故筆者以山西省柳林縣某黃土邊坡為例，對實際溫度路徑凍融循環(huán)方式下黃土強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律以及微觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究，是凍融型災(zāi)害研究的一種新思路，為研究該地區(qū)凍融型滑坡的機(jī)理提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試樣基本性質(zhì)

試驗所用土樣取自山西省柳林縣莊上鎮(zhèn)輝大峁村一個未經(jīng)凍融作用的黃土邊坡，柳林縣最大凍土深度為1 m，取土深度為4～5 m，土樣為Q3新鮮黃土，土樣的基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗制備

本次試樣采用原狀土樣，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行制樣。

①直剪樣的制備 將大塊土樣制備尺寸為?61.8×20 mm的環(huán)刀試樣。根據(jù)試驗需要，共制備144個直剪樣品，如圖1所示。

圖1 制備的直剪試樣

②微觀樣的制備 用砂紙對原狀土樣進(jìn)行打磨，制備成大小為10 mm×10 mm×20 mm的長條狀試樣。

③含水率的配制 含水量的多少對于凍融作用影響很大，過低有可能土體性質(zhì)變化不明顯，過高不具有代表性，因此，采用水膜轉(zhuǎn)移法[21]配制土樣，含水率取12%、16%、20%和24%，并用保鮮膜包裹放置于保濕缸內(nèi)靜待一周，保證水分均勻分布。

1.3 試驗方案

本次試驗主要分為三大部分，基于溫度路徑的凍融循環(huán)試驗、直剪試驗以及微觀結(jié)構(gòu)實驗(SEM)。

溫度路徑即考慮土體每年歷經(jīng)的溫度變化進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，統(tǒng)計柳林縣當(dāng)?shù)亟?0 a的年平均最低溫和最高溫并以5年為一個節(jié)點計算得到表2，作為本次凍融循環(huán)作用的最低和最高溫控制點，中間設(shè)置18、0、–10℃這3個溫控點作為中間控制點，模擬凍融過程中不同的溫度變化，每個溫控點設(shè)置8 h，保證試樣充分反應(yīng)。由于土體每年冬季凍結(jié)，春季融化，故每次循環(huán)均以18℃開始和結(jié)束，1次凍融循環(huán)演示如圖2所示。凍融循環(huán)次數(shù)為0、1、3、7、12，根據(jù)采取的凍融循環(huán)次數(shù)，4個含水率4個圍壓共需80個樣品。

為探究凍融過程中溫度變化對土體強(qiáng)度的影響，分別對4個含水率試樣在1次凍融循環(huán)作用過程中所歷經(jīng)的不同溫度段進(jìn)行研究，劃分階段如下：①未凍融；② 18—34.2℃；③ 18—34.2—18—0℃；④ 18—34.2—18—0—–10—–22.4℃；⑤ 18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0℃；⑥ 18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0—18℃。由于增加了4個階段強(qiáng)度研究且樣品不可重復(fù)利用，這個過程共需樣品64個。

對凍融后的每個試樣進(jìn)行快速剪切試驗，施加垂直壓力為100、200、300、400 kPa。

表2 柳林縣近50 a平均年最低溫和最高溫

圖2 凍融循環(huán)1次溫控點

微觀試驗時，將長條狀樣品經(jīng)自然風(fēng)干后掰斷，暴露新鮮結(jié)構(gòu)面，用薄鋒利刀片制取約10 mm×10 mm×5 mm的小薄片作為掃描電鏡試樣，選取有代表性的位置進(jìn)行觀察。

2 凍融循環(huán)過程不同階段黃土強(qiáng)度的變化

根據(jù)試驗方案中劃分的不同溫度段，限于篇幅設(shè)置，以4個含水率土樣在100 kPa和300 kPa圍壓時凍融1次過程中每個階段土體抗剪強(qiáng)度變化為例進(jìn)行分析(圖3)。

從圖3可以看出，4種含水率下，整個過程土體強(qiáng)度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，對圖3a中12%含水率的不同階段變化進(jìn)行分析，未經(jīng)凍融時土體強(qiáng)度為80.6 kPa，當(dāng)溫度由18℃升至34.2℃時，土體強(qiáng)度增加了1.2 kPa，但其他含水率條件均呈下降趨勢，這是因為水的黏度會隨溫度的升高而下降，水分運動的阻力就會減小[21]，土體滲透系數(shù)增大，同時溫度升高使得土體內(nèi)部黏土顆粒膨脹變大，原來由黏土顆粒構(gòu)成的孔隙變大，孔隙比增大[22]，土體密度變小，從而引起土體強(qiáng)度的降低；溫度處于18—34.2—18—0℃降溫過程中，土體強(qiáng)度相比上一階段增加了4.4 kPa，為85.6 kPa，這個階段由于溫度的降低，土體內(nèi)部水分子運動減緩，密度升高，土體內(nèi)部顆粒收縮，體積變小，孔隙比減小[23]，土體強(qiáng)度有所增加；溫度繼續(xù)由0℃降溫至–22.4℃時，土體強(qiáng)度持續(xù)升高，此時土體強(qiáng)度最大為92.9 kPa，這個過程中，土體內(nèi)的水分開始凍結(jié)成冰，冰的導(dǎo)熱系數(shù)是水的4倍，使土體導(dǎo)熱系數(shù)迅速增加[24]，相應(yīng)的孔隙比就會減小，土體骨架內(nèi)充滿冰夾層，這增加了土顆粒之間的膠結(jié)力[25]，致使土體強(qiáng)度一直升高直至穩(wěn)定；當(dāng)溫度開始回升，即18—34.2—18—0—–10—–22.4—–10—0℃時，土體強(qiáng)度急劇降低為73.8 kPa，由于溫度的回升，冰晶體開始緩慢融化，土顆粒間的膠結(jié)能力減弱，原先因冰晶凍結(jié)產(chǎn)生的大團(tuán)粒土顆粒破碎化，此時土體內(nèi)的冰全部緩慢融化為水，體積發(fā)生大幅降低，強(qiáng)度也隨之迅速降低，沒有之前穩(wěn)定；溫度繼續(xù)升高至18℃時，此時強(qiáng)度下降幅度不大，土體內(nèi)水分的凍結(jié)、融化和遷移破壞了原生土體結(jié)構(gòu)，土顆粒之間將發(fā)生重新排列，顆粒間的分子作用力、膠結(jié)力和咬合力均不如之前穩(wěn)定，強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

圖3中，土體的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，但降低幅度比較小，當(dāng)溫度降至0℃以下時，土體強(qiáng)度隨溫度的降低增幅較大，由此可見低溫對土體強(qiáng)度影響較大。隨著含水率的增加，土體強(qiáng)度變化幅度也隨之增加，這是因為土體內(nèi)部水分越多，升溫時導(dǎo)致水分充分軟化土顆粒，故強(qiáng)度隨著含水率的升高而降低，當(dāng)溫度為負(fù)溫時，含水率越高，形成的冰晶體越大，強(qiáng)度也隨之更高，表現(xiàn)為在此階段隨著含水率的增加斜率越來越大，同時溫度回升至0℃時下降幅度也最大，這是因為含水率越大由于冰晶生長增大的孔隙體積越大，當(dāng)冰晶融化時，有些增加的孔隙無法恢復(fù)到原始狀態(tài)，土體結(jié)構(gòu)更加疏松，聯(lián)結(jié)力也就更弱，表現(xiàn)為斜率越大。隨著圍壓的增大，土體的強(qiáng)度隨之增加，但強(qiáng)度衰減規(guī)律大致相同。整個過程中土體強(qiáng)度變化逐步穩(wěn)定，土體有足夠的時間來反映每個過程并直至穩(wěn)定，這是與傳統(tǒng)單一冷熱源凍融循環(huán)方式相區(qū)別的地方。

圖3 1次凍融循環(huán)過程不同含水率土樣各階段強(qiáng)度變化曲線

3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化

凍融循環(huán)對土體強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在黏聚力和內(nèi)摩擦角上。圖4為凍融循環(huán)次數(shù)對土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。

分析圖4可知，土體黏聚力劣化曲線具有快速劣化階段和緩慢劣化階段，當(dāng)處于低含水率時即12%含水率時，試樣黏聚力在凍融次數(shù)為1、3、7、12時分別下降了6.20、2.25、1.50、0.35 kPa，16%含水率試樣黏聚力下降了4.35、2.60、0.45、0.40 kPa，整個過程劣化程度比較強(qiáng)烈。當(dāng)處于高含水率時，即試樣含水率為20%時，黏聚力隨凍融次數(shù)(1，3，7，12)的增加分別降低了3.0、1.7、0.4、0.2 kPa，而24%含水率的土樣降低了2.75、0.90、0.95、0.25 kPa。首次凍融對土體強(qiáng)度影響較大，在7次凍融前，土體強(qiáng)度降幅較大，之后變化很小。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，低含水率試樣的黏聚力要高于含水率較高的試樣，并且黏聚力的下降幅度也是強(qiáng)于高含水率試樣。含水率較低時，土顆粒間的水膜比較薄，凍融作用增厚了土顆粒外的水膜，凍結(jié)產(chǎn)生的冰晶使得土體的體積變大，充填了土體間的孔隙，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，冰晶體積增加，土體孔隙也變大，導(dǎo)致土顆粒間的聯(lián)結(jié)被破壞，黏聚力也隨之降低，但是凍融作用對土體結(jié)構(gòu)的破壞有限，每次經(jīng)過凍融后土顆粒又會重新排列至“短時”穩(wěn)定狀態(tài)，黏聚力也隨之穩(wěn)定；含水率較高時，土顆粒間水膜較厚，此時土顆粒間的水分主要是其潤滑作用，也就導(dǎo)致其黏聚力本身就低，故凍融作用對高含水率試樣的黏聚力劣化程度并不大。整體上，黏聚力隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)型減小，采用指數(shù)函數(shù)對其擬合，具體的關(guān)系如下：

圖4 不同含水率土樣凍融循環(huán)次數(shù)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

式中：c為黏聚力；N為凍融循環(huán)次數(shù)；a、b、n為模型參數(shù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，a–w符合線性擬合關(guān)系a=Aw+B，b–w符合拋物線擬合關(guān)系b=Cw2+Dw+E，w為含水率；擬合結(jié)果如圖5所示。擬合參數(shù)n在一定范圍內(nèi)上下波動，取平均值1.29。

擬合參數(shù)結(jié)果為=–0.52，=27.61，=0.03，=–1.41，=23.22，將擬合結(jié)果代入式(1)得到：

擬合度2=0.99。

從圖4b可以看出，雖然土體內(nèi)摩擦角在開始凍融的前幾次有所降低，但整體變化幅度不大。這是因為內(nèi)摩擦角主要是由土顆粒之間的接觸面積和土顆粒形狀決定，在前幾次凍融后，土顆粒的接觸基本穩(wěn)定，顆粒之間的粒徑都會保持在一定范圍內(nèi)，土顆粒大小逐漸穩(wěn)定，水分的凍融和遷移也只在小部分范圍內(nèi)發(fā)生，故內(nèi)摩擦角變化不大。

4 土體微觀結(jié)構(gòu)變化

沈珠江[26]指出，21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題是土結(jié)構(gòu)性問題，而土體微觀結(jié)構(gòu)主要是指顆粒大小、形狀、排列方式以及孔隙特征等的分布，為了探究凍融循環(huán)次數(shù)對土體結(jié)構(gòu)的影響，由于樣品之間本身存在差異，對比同一位置并不具有代表性，故尋找土顆粒和孔隙分布較均勻的地方進(jìn)行掃描分析，避開邊緣以及個別大顆粒、大孔隙的部位，對每個試樣選取5個掃描點進(jìn)行拍攝，選取其中最好的圖像對比其結(jié)構(gòu)變化。圖6為含水率為20%(倍率200)的土樣經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)圖。

在圖6中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體中原先的大顆粒破碎為小顆粒，小顆粒集合體越來越多，顆粒大小慢慢趨于統(tǒng)一，棱角逐漸磨圓，表面起伏減小，同時土體中微裂縫、裂隙不斷增加，顆粒集合體間的孔隙不斷增大，土體擾動越來越明顯。黏聚力主要是自由分子力、土顆粒間膠結(jié)力和咬合力共同作用的結(jié)果，凍融作用破壞了原有顆粒間的膠結(jié)力和咬合力，顆粒產(chǎn)生分裂和重聚合，孔隙增多，隨之密度下降，導(dǎo)致黏聚力的降低。同時顆粒間的接觸由附著型、角礫型轉(zhuǎn)變?yōu)楦街秃突仔?，顆粒排列成孔方式由架空–鑲嵌成孔變?yōu)榧芸粘煽祝w粒間的接觸方式由面面接觸及膠結(jié)的方式變?yōu)辄c–面以及點點接觸為主要方式[27]。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下20%含水率土體微觀結(jié)構(gòu)

將SEM圖像采用PCAS軟件進(jìn)行二值化處理，該軟件通過種子算法并分割得到孔隙，且能自動對孔隙區(qū)域進(jìn)行彩色處理[8]，如圖7所示。在經(jīng)過二值化處理后，采用Image-pro Plus軟件進(jìn)行孔徑的分析，得到圖8。

圖7 3次凍融循環(huán)處理后的孔隙分布(200倍)

從圖8可知，孔隙平均直徑大小主要集中在5～10 μm，呈現(xiàn)先升高隨后降低的趨勢，表明在前幾次凍融作用時，由于水結(jié)成冰導(dǎo)致微小孔隙本身體積增大或者相互貫通，導(dǎo)致平均直徑小于5 μm

的孔隙百分含量降低，從而5～10 μm和10～20 μm數(shù)量增加，呈升高趨勢，隨著凍融次數(shù)的增加，顆粒骨架坍塌，顆粒發(fā)生移動，使得大孔隙變?yōu)槎鄠€中等小孔隙，導(dǎo)致大于20 μm孔隙百分占比減少，微小孔隙小于5 μm數(shù)量增加，5～10 μm略有降低，這說明凍融作用下大孔隙變成多個中等大小孔隙，微小孔隙之間的合并作用比較明顯。黃土強(qiáng)度的大小與微觀孔隙之間關(guān)系密切，在未經(jīng)凍融時土樣結(jié)構(gòu)較好(圖6a)，凍融循環(huán)作用使得水分遷移，溶蝕沖刷土體礦物組分，造成顆粒骨架間膠結(jié)力破壞，此外，由于土顆粒形狀以及運移，造成土體內(nèi)大中孔隙數(shù)量增多，顆粒間接觸面積減少，引起摩擦阻力發(fā)生改變，強(qiáng)度降低。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)的孔隙不同平均直徑占比

5 結(jié)論

a. 在一輪凍融循環(huán)過程，高溫對土體強(qiáng)度變化幅度影響不大，低溫對土體強(qiáng)度影響較大，且二者呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

b.宏觀上，基于溫度路徑的凍融條件下，土體黏聚力發(fā)生改變，引起其力學(xué)強(qiáng)度的變化。試驗得到不同含水率土體的黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈指數(shù)型函數(shù)下降，并且建立了黏聚力的擬合公式，4個含水率下的土樣內(nèi)摩擦角值變化不明顯。

c. 微觀實驗結(jié)果顯示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)顆粒破碎嚴(yán)重，顆粒間膠結(jié)力破壞，土體內(nèi)裂縫發(fā)育演化，中等大小孔隙占比最大，大孔隙數(shù)量減少，孔隙比增大，這也是導(dǎo)致土體黏聚力劣化的主要內(nèi)在原因。

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Study on the strength and microstructure of loess under freeze-thaw based on temperature path

LONG Jianhui, ZHANG Lingling, XING Xianli, GUO Xiaojuan

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, China)

In seasonal frozen soil regions, the essence of loess landslides induced by freeze-thaw cycles is the deterioration of the physical and mechanical properties of loess. It is necessary to find out the influence of temperature and water migration on the strength of loess under freeze-thaw cycles and its mechanism. Therefore, a new freeze-thaw cycle method is adopted, which is carried out based on the temperature path that the soil goes through each year, to study the law of the shear strength of the soil under the action of the freeze-thaw cycle with dynamic temperature changes and the influence of repeated freeze-thaw cycles on soil cohesion, internal friction angle and microstructure. The test results show that during a freeze-thaw cycle, the soil strength is negatively correlated with temperature, and low temperature has a greater impact on the soil strength. As the freeze-thaw cycles increase, the cohesion of the soil decreases exponentially, and the internal friction angle has little change. The microscopic test shows that with the increase of freeze-thaw cycles, the large particles in the soil are broken and the pores increase, indicating that the particles tend to be uniform, and the medium-sized(5-10mm) pores account for the largest proportion. This study simulates the temperature change process of soil, providing a reference for the prevention and control of seasonal freeze-thaw loess landslides in this area.

temperature path; freeze-thaw cycle; strength; micro structure; Shanxi Province

P642

A

1001-1986(2021)04-0242-08

2021-02-23；

2021-06-22

山西省青年基金面上項目(201801D221051)；山西省自然基金面上項目(201801D21033)

龍建輝，1972年生，男，博士，副教授，從事地質(zhì)災(zāi)害方面的研究. E-mail：longjianhei@163.com

張玲玲，1997年生，女，山西臨汾人，碩士，研究方向為工程地質(zhì). E-mail：1448928034@qq.com

龍建輝，張玲玲，邢鮮麗，等. 基于溫度路徑的凍融作用下黃土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：242–249. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.029

LONG Jianhui，ZHANG Lingling，XING Xianli，et al. Study on the strength and microstructure of loess under freeze- thaw based on temperature path[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：242–249. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.04.029

(責(zé)任編輯 周建軍)