孫明瑞,徐敏普,楊維伶

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000; 2.常州市環(huán)境衛(wèi)生管理中心，江蘇 常州 213000)

1 概述

黃土是在第四紀(jì)周期中由于風(fēng)化沉積而形成的產(chǎn)物，廣泛分布于世界各地[1]。由于具有孔隙大、結(jié)構(gòu)松散、濕陷性強(qiáng)等特點(diǎn)，黃土在凍融循環(huán)等自然環(huán)境和人類活動(dòng)影響下容易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，從而給社會(huì)工程建設(shè)及人類活動(dòng)帶來危害[2]。如2010年陜西子洲縣石溝村發(fā)生的黃土崩塌災(zāi)害和2013年云南鎮(zhèn)雄縣趙家溝發(fā)生滑坡災(zāi)害，都是由于凍融作用而形成的自然災(zāi)害[3]。與此類相似的黃土災(zāi)害事例還有許多，在此就不一一贅述。值得關(guān)注的是，我國(guó)范圍內(nèi)的黃土分布涉及的地區(qū)較多，無論是西北，華北或東北地區(qū)，黃土都較為常見，特別需要注意的是我國(guó)黃土高原地區(qū)尤為集中，我國(guó)黃土總面積能占到我國(guó)陸地面積的6%，而這些地區(qū)多位于季節(jié)性凍土地區(qū)[4]。隨著我國(guó)“一帶一路”等戰(zhàn)略的實(shí)施，中西部地區(qū)將會(huì)建設(shè)大量的基礎(chǔ)工程設(shè)施，與此同時(shí)，在建設(shè)和運(yùn)行過程中，將不得不面對(duì)季節(jié)性凍土地區(qū)所必須經(jīng)歷的凍融循環(huán)作用帶來的影響[5]。

經(jīng)歷凍融循環(huán)過程的黃土，其土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大變化，導(dǎo)致黃土的相關(guān)力學(xué)性能出現(xiàn)劣化。土的抗剪強(qiáng)度作為土的一個(gè)重要力學(xué)指標(biāo)，用來表征土體能夠承受外力剪切破壞的能力，其對(duì)黃土而言，抗剪強(qiáng)度與滑坡或邊坡穩(wěn)定性分析的聯(lián)系都是十分緊密的[6-7]。因此，對(duì)凍融循環(huán)作用下黃土的抗剪特性進(jìn)行研究總結(jié)歸納是有必要的，這不僅能夠讓人們更加了解黃土的特性，還能夠?qū)Ψ乐吸S土分布地區(qū)有關(guān)災(zāi)害提供一定的實(shí)際意義。

本文主要是對(duì)以往學(xué)者圍繞黃土在凍融循環(huán)作用下的抗剪特性所得到的一些研究成果進(jìn)行歸納和總結(jié)，包括凍融循環(huán)試驗(yàn)方案的確定、土體的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角以及土體微觀結(jié)構(gòu)變化等，期望能夠幫助人們更系統(tǒng)全面地了解凍融作用下黃土的抗剪特性變化，從而對(duì)后續(xù)相關(guān)課題研究提供一些借鑒。

2 凍融設(shè)置條件

探究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)黃土抗剪特性的影響，需先對(duì)測(cè)試土樣進(jìn)行相關(guān)凍融處理，然后進(jìn)行測(cè)試并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而分析得到凍融循環(huán)對(duì)于土體的影響規(guī)律。有學(xué)者[8-9]在文章中指出，不同凍融條件下的試驗(yàn)方案，其獲得的凍融結(jié)果會(huì)大不相同。對(duì)此，對(duì)各研究者采用的凍融試驗(yàn)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，主要是對(duì)選擇的凍融溫度、凍融時(shí)長(zhǎng)以及凍融次數(shù)這3個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見表1。

由表1可知，研究者的試驗(yàn)用土基本都取自于黃土高原地區(qū)。其中胡安棟等[10]在黃土改性凍融試驗(yàn)中，將凍結(jié)溫度設(shè)置為-28 ℃，融化溫度為20 ℃，凍融時(shí)長(zhǎng)均為4 h,凍融次數(shù)選擇的是5次～35次，間隔為5次；劉華等[11]對(duì)于凍融參數(shù)的選取則是凍結(jié)溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃，凍融時(shí)長(zhǎng)都是12 h，凍融次數(shù)最大為15次；還有學(xué)者對(duì)凍結(jié)黃土進(jìn)行三軸試驗(yàn)是選擇了兩種凍結(jié)溫度，分別為-6 ℃和-12 ℃，凍融溫度為15 ℃，凍融時(shí)長(zhǎng)同樣為12 h,凍融次數(shù)則是到12次為止。還有很多學(xué)者對(duì)于凍融參數(shù)的設(shè)定都有一定的差異性，在此就不一一敘述。

表1 黃土的凍融條件設(shè)置

總的來說，學(xué)者采用的凍融參數(shù)情況大致如下：1)凍結(jié)溫度范圍在-28 ℃～-5 ℃之間，融化溫度為5 ℃～20 ℃；2)凍融時(shí)長(zhǎng)兩者一般相同，最低為4 h，最多為24 h,多數(shù)學(xué)者采用凍融時(shí)長(zhǎng)為12 h,也就是說凍融1次的周期為1 d。至于凍融次數(shù)的設(shè)置，范圍在10次～35次內(nèi)，絕大多數(shù)處于10次～20次。至于凍融間隔，各學(xué)者之間選擇有所不同。綜上所述，不同學(xué)者對(duì)于凍融試驗(yàn)條件的設(shè)置，具有較大的差別，沒有給出相對(duì)統(tǒng)一的參考依據(jù)，這不利于相關(guān)成果數(shù)據(jù)的對(duì)比和參考。

3 抗剪強(qiáng)度

土體的抗剪強(qiáng)度是土體力學(xué)特性研究的重要指標(biāo)之一，目前，對(duì)于凍融作用下土體抗剪強(qiáng)度的研究有很多。如趙杰等以永和原狀黃土為試驗(yàn)用土，發(fā)現(xiàn)凍融后的土體由于結(jié)構(gòu)性減弱，所以抗剪強(qiáng)度被影響，產(chǎn)生下降現(xiàn)象；鄭方等認(rèn)為凍融作用下，重塑黃土抗剪強(qiáng)度會(huì)發(fā)生先降低然后略有升高最后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；也有學(xué)者[22]研究表明當(dāng)試樣土樣含水率較低時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨凍融增加而減少，但是當(dāng)土樣含水率較高時(shí)，重塑黃土的抗剪強(qiáng)度隨凍融次數(shù)而緩慢增加。

魏堯等[23]通過對(duì)凍融后黃土試樣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)土體的黏聚力隨凍結(jié)溫度的降低而下降，內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先下降再上升；周有祿等發(fā)現(xiàn)由于凍融作用的存在，黃土的黏聚力會(huì)有所下降，不過在反復(fù)凍融后黏聚力會(huì)趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角則會(huì)在凍融作用下出現(xiàn)一定程度的減少；龐旭卿等[24]認(rèn)為黏聚力受凍融影響較大，但對(duì)內(nèi)摩擦角卻沒有明顯改變現(xiàn)象；許健等[25]對(duì)重塑黃土進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)其黏聚力隨著凍融過程的進(jìn)行而呈指數(shù)規(guī)律衰減，衰減幅度則和黃土試樣的含水率以及干密度有關(guān)。

通過對(duì)以上學(xué)者的研究成果的闡述，可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用對(duì)于黃土的抗剪強(qiáng)度影響并不一致，各學(xué)者間研究結(jié)論有所差異。不過多數(shù)研究者認(rèn)為凍融作用使得土體強(qiáng)度和黏聚力呈下降趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為輕微下降或無明顯規(guī)律兩種。究其原因是因?yàn)閮鋈谧饔檬沟猛馏w內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，孔隙增加，土顆粒間連結(jié)力下降，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度和黏聚力下降，至于內(nèi)摩擦角，其變化主要取決于黃土內(nèi)部土顆粒間的接觸面積以及土顆粒形狀，但是凍融作用對(duì)這兩者沒有明顯影響[26]。

4 土體微觀結(jié)構(gòu)

土體微觀結(jié)構(gòu)是指土體中土顆粒的排列方式、形狀、大小以及孔隙特征等微觀結(jié)構(gòu)特征[27]。凍融循環(huán)作用對(duì)于黃土力學(xué)性能的影響主要還是在于對(duì)土體結(jié)構(gòu)的改變。通過掃描電鏡等試驗(yàn)方法，從微觀角度出發(fā)，探究?jī)鋈谘h(huán)作用下黃土土體微觀結(jié)構(gòu)的改變，從而更加全面的了解凍融作用下黃土抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)制。

白楊等研究發(fā)現(xiàn)隨凍融過程的進(jìn)行，土體中微小孔隙數(shù)量占比越來越大，而大孔隙和中孔隙數(shù)量隨之下降，平均形狀系數(shù)改變則是呈現(xiàn)出先下降然后再上升的現(xiàn)象；許健等[28]通過對(duì)重塑黃土進(jìn)行凍融作用下抗剪強(qiáng)度劣化研究發(fā)現(xiàn)，凍融作用對(duì)于黃土的微觀結(jié)構(gòu)影響明顯，土顆粒較大的數(shù)量明顯減少，土顆粒間連結(jié)程度下降，小孔隙數(shù)量逐漸增加；還有學(xué)者[29]認(rèn)為凍融次數(shù)增加和凍結(jié)溫度的降低會(huì)使得黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，究其原因是因?yàn)橥馏w中大顆粒凍融破壞后轉(zhuǎn)變?yōu)樾☆w粒，顆粒排列方式變化，且孔隙數(shù)量逐漸增加，導(dǎo)致土體強(qiáng)度衰減。

5 結(jié)論

多年以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了許多對(duì)于凍融循環(huán)作用下黃土的研究，也取得了很多成果并應(yīng)用于實(shí)際工程中，本文主要是對(duì)于以往學(xué)者的研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，主要從黃土的凍融條件設(shè)置、抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角以及微觀結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面，得到了一些認(rèn)識(shí)，總結(jié)如下：

1)研究者們從凍融時(shí)長(zhǎng)、凍融溫度和凍融次數(shù)3個(gè)方面對(duì)凍融條件進(jìn)行設(shè)置，研究其對(duì)黃土強(qiáng)度的影響。通過歸納分析，發(fā)現(xiàn)各學(xué)者采用的凍結(jié)溫度在-28 ℃～-5 ℃之間；凍融時(shí)長(zhǎng)基本一致，在4 h～24 h之間；至于凍融次數(shù)則在10次～35次范圍內(nèi)，其中絕大多數(shù)學(xué)者選擇的凍融次數(shù)在10次～20次之間。

2)歸納了凍融循環(huán)作用下黃土抗剪強(qiáng)度的變化情況，凍融作用使得黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，土體的抗剪強(qiáng)度和黏聚力呈下降趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為下降和無明顯規(guī)律兩種。究其原因是因?yàn)閮?nèi)摩擦角的變化主要取決于土顆粒接觸面積和土顆粒形狀等摩擦作用，但凍融作用對(duì)這兩者沒有明顯改變。

3)凍融循環(huán)使得黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，土顆粒排列方式改變，孔隙數(shù)量有所增加，進(jìn)而使得土體強(qiáng)度衰減，與宏觀力學(xué)特征一致。