張偉偉 李彥榮 宮楊清 王 蓉

(太原理工大學，太原 030024，中國)

0 引 言

黃土化過程包含了黃土由初始風積結構演變?yōu)楝F(xiàn)今結構的所有作用過程(Pécsi，1990；Smalley et al.，2014；Sprafke et al.，2016)，如干濕循環(huán)、溫度循環(huán)、凍融循環(huán)和上覆荷載作用等。

黃土堆積期氣候寒冷干燥，降雨稀少，氣溫日變化和季節(jié)變化大(劉東生，1985；Guo et al.，1998；Schatz et al.，2015)，導致初始風積黃土持續(xù)經(jīng)受溫度升降循環(huán)作用。通常認為，由溫度循環(huán)所引發(fā)的土顆粒膨脹或收縮產(chǎn)生的熱應力是干旱環(huán)境下土體變形破壞的驅動力之一(Viles et al.，2010；Lamp et al.，2017)。Lan et al.(2021)對延安市一處黃土邊坡開展了變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)黃土邊坡在環(huán)境溫度循環(huán)作用下(波動范圍：-5～23 ℃)表現(xiàn)出周期性膨脹(朝坡外變形)和收縮(朝坡內(nèi)變形)現(xiàn)象。一年內(nèi)，黃土坡表大部分區(qū)域所產(chǎn)生的膨脹與收縮變形基本相等，說明黃土變形主要處于彈性范圍內(nèi)；個別區(qū)域所產(chǎn)生的膨脹變形大于收縮變形，年累積變形量介于8～14 mm之間，說明這些區(qū)域有塑性變形產(chǎn)生，黃土內(nèi)部結構會因溫度循環(huán)而有所損傷(Lan et al.，2021)。天然粉質(zhì)黏土熱循環(huán)試驗結果發(fā)現(xiàn)，土體的熱體積應變與其應力歷史相關，超固結土隨溫度循環(huán)表現(xiàn)出熱彈性響應，正常固結土則先呈熱塑性響應(主要發(fā)生在第1次加熱-冷卻循環(huán)中)后呈熱彈性響應；且初始孔隙比越高，熱塑性變形越大(Donna et al.，2015)。另一方面，多次溫度升降循環(huán)引起的熱應力循環(huán)會導致土體疲勞損傷，降低土體強度(張虎元等，2009；孫博等，2011；陳毅，2018)。當土體中的應力達到極限強度時，土體中即會出現(xiàn)裂隙萌生和擴展現(xiàn)象，導致結構發(fā)生宏觀破壞(Bakun-Mazor et al.，2013；Browning et al.，2016)。以上研究表明，現(xiàn)今黃土對環(huán)境溫度的升降循環(huán)有著比較明確的響應。那么，形成初期的黃土對環(huán)境溫度變化是否也有類似響應，即溫度周期性循環(huán)對初期風積黃土結構的形成和演化(黃土化過程)是否起到一定作用，目前尚不清晰。

本文再造了初始風積黃土樣品，對其開展了溫度循環(huán)物理模擬試驗。通過布設溫度傳感器、激光位移傳感器和高清影像工業(yè)相機，監(jiān)測了溫度循環(huán)作用下的初始風積黃土內(nèi)部溫度變化及結構演化。基于熱力學理論分析，解釋了溫度循環(huán)在初始風積黃土結構演化中的作用。溫度循環(huán)是促使黃土結構演化的重要環(huán)境因素之一，理清該因素作用下初始風積黃土結構響應機理一方面能為現(xiàn)今黃土結構的形成與演化以及古氣候研究提供科學依據(jù)；另一方面，將古論今，可用于預測黃土結構的未來演變趨勢，為黃土地區(qū)國土空間規(guī)劃利用和黃土地質(zhì)災害防控提供理論和方法指導。

1 樣品制備和試驗方法

1.1 初始風積黃土樣品制備

本文用于再造初始風積黃土的樣品采自山西省晉中市榆次區(qū)。該區(qū)氣候上屬于溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫約8.7 ℃，年平均降雨量約396 mm。區(qū)內(nèi)水系屬于黃河流域汾河水系，主要河流有瀟河和涂河。該區(qū)地處中國黃土高原東部，黃土分布廣泛，第四系地層發(fā)育完整，黃土剖面代表性強，包含全新世黃土(Q4)、馬蘭黃土(Q3)、離石黃土(Q2)和午城黃土(Q1)。在取樣點處(地理坐標為37°43′27″N，112°47′38″E)采用開挖探井方式取樣，樣品由取土刀在探井側壁切削取出。為避開生物作用范圍，樣品取自3 m深處，樣品屬第四紀馬蘭黃土。

考慮到原狀樣有機質(zhì)含量較低(<1%)，采用烘箱，溫度設定50 ℃，將原狀樣烘干。烘干后使用橡膠杵研磨，避免土顆粒破碎。為制備相對均勻的初始風積黃土樣，將研磨后的土樣過孔徑0.075 mm篩，排除大顆粒。均勻混合過篩土樣，作為再造初始風積黃土樣的原材料。

圖1 初始風積黃土樣粒徑級配曲線

1.2 溫度循環(huán)試驗

圖2 溫度循環(huán)試驗裝置與傳感器布置

將試樣TEM-1和TEM-2置于土體結構監(jiān)測裝置上(圖2b)。試樣TEM-1用于采集其頂面圖像，以記錄試樣頂面裂隙發(fā)育特征。試樣TEM-2用于監(jiān)測其豎向位移，位移監(jiān)測點布置如圖2c所示，共19個，編號為1～19，以等邊三角形均勻分布。試樣TEM-1和TEM-2內(nèi)部各布設有15個溫度傳感器，用于記錄試樣在溫度循環(huán)作用下不同位置點處的溫度變化。溫度傳感器分三列布置，由試樣筒側面小孔水平插入，三列傳感器插入土體中水平深度分別為2 cm、5.4 cm和10 cm。每列自上而下布設5個傳感器，分別距試樣頂面3 cm、6 cm、9 cm、12 cm和15 cm。

圖3 試驗箱內(nèi)循環(huán)溫度設置

2 結 果

圖像采集系統(tǒng)在試驗過程中，共獲取11 520張試樣TEM-1頂面圖像。如圖4a所示，試樣表面在初始狀態(tài)下結構均勻，無裂隙。35個溫度循環(huán)周期后，兩條長約3.5 cm的微裂隙在試樣表面萌生(圖4b)。隨循環(huán)次數(shù)增加，微裂隙未有明顯變化(圖4c)。整體而言，所產(chǎn)生的裂隙規(guī)模很小，試樣表面未監(jiān)測到明顯的水平變形(圖4)。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)后試樣TEM-1頂面結構特征

通常，用于觀測土體內(nèi)部結構的技術手段主要包括壓汞法、掃描電子顯微鏡技術(SEM)和CT掃描技術(Li et al.，2018；高英等，2019)。其中壓汞法和SEM多應用于塊狀樣品。因本文中初始風積黃土顆粒堆積體極度松散，土體結構極易受到擾動，難于制取滿足壓汞法和SEM技術所需要的樣品。使用CT掃描檢測土體結構需將樣品移置于CT設備中。因使用小尺寸樣品通常會產(chǎn)生較大邊界效應，無法反映溫度循環(huán)對樣品結構的影響，本文采用直徑為20 cm，高為18 cm的試樣。風積試樣結構松散，對樣品的任何挪動都會擾動其結構，故而無法將此樣品置于CT設備中。小尺寸樣品亦難于從大樣中制取。鑒于以上技術局限，本研究通過監(jiān)測試樣豎向變形(圖2)來宏觀反映溫度循環(huán)對初始風積黃土結構的影響。

溫度循環(huán)過程中，試樣TEM-2頂面19個監(jiān)測點的豎向變形趨勢和規(guī)律一致，均隨環(huán)境溫度循環(huán)變化而產(chǎn)生周期性波動。19個監(jiān)測點的最終豎向變形量介于416.2～463.7 μm之間。整體而言，初始風積黃土隨溫度循環(huán)次數(shù)增加，豎向均勻收縮，結構趨于密實?，F(xiàn)以頂面監(jiān)測點15為代表點，闡述初始風積黃土在環(huán)境溫度波動下的結構演化規(guī)律(圖5，圖6)。

圖5 環(huán)境溫度(a)、土體溫度(b)和試樣TEM-2頂面代表點豎向變形(c)隨時間變化趨勢

在初始恒定環(huán)境溫度下(0～72 h，環(huán)境溫度設定為30 ℃)，土體溫度和土樣豎向變形均逐漸達到穩(wěn)定(圖5)。在隨后的環(huán)境溫度循環(huán)作用下(72～1032 h)，土體溫度呈周期性波動變化，波動周期與環(huán)境溫度一致，單次循環(huán)波動幅度位于20～23 ℃之間，小于環(huán)境溫度波動幅度(圖5a，圖5b)。土樣豎向變形隨土體溫度變化亦呈周期性波動，即土樣呈現(xiàn)周期性收縮和膨脹，波動周期約為24 h，單次循環(huán)波動幅度位于117～189 μm之間(圖5c)。由圖5c中3條黑色曲線形態(tài)可知，試驗前期，土樣整體收縮較快，土樣豎向變形隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，波動幅度逐漸增大，土樣主要處于彈塑性變形階段；試驗后期，土樣豎向變形隨循環(huán)次數(shù)增加而基本保持恒定，波動幅度趨于一定值，土樣主要表現(xiàn)為彈性變形。

將圖5中代表性時間段(531～603 h)內(nèi)各波動曲線放大，如圖6所示。對比各曲線可知，單次循環(huán)內(nèi)，土體溫度最大值(或最小值)滯后于環(huán)境溫度約2～6 h(圖6a，圖6b)，且深度越大，土體溫度滯后時間越長(圖6b)。土樣豎向變形波動曲線滯后于環(huán)境溫度約4 h，而與土體溫度波動曲線同步性較好，土樣隨土體溫度升高或降低而同步豎向膨脹或收縮(圖6c)。

圖6 代表性時間段(531 h至603 h)內(nèi)的環(huán)境溫度(a)、土體溫度(b)和試樣TEM-2代表點豎向變形(c)隨時間變化趨勢

3 討 論

土體溫度的改變會導致土樣產(chǎn)生熱變形。基于一維變溫熱變形理論(陳興祥等，1988；Usmani et al.，2001)，豎向上土樣微元段dz溫度變化ΔT(z)后的熱變形量dD可表示為：

dD=αΔT(z)dz

(1)

式中：α為線性熱膨脹系數(shù)(K-1)；z為土樣深度(m)。對式(1)求解得：

(2)

式中：D為土樣變形量(m)；h0為初始時刻t0下土樣高度(m)。

以圖5中第2個循環(huán)周期為例，即555～579 h時間段，轉化為相對時間0～24 h，依據(jù)式(2)計算0 h、4 h、6 h、12 h、15 h、18 h、19 h和24 h時刻(依據(jù)各波動曲線拐點對應時刻選擇)下的土樣豎向變形量。如圖7a所示，特定時刻下，不同深度范圍內(nèi)的土體溫度梯度存在一定差異。為此，本文采用分段函數(shù)來表示土體溫度。以監(jiān)測點深度為界限將土樣分為0～0.06 m、0.06～0.09 m、0.09～0.12 m和0.12～0.18 m 4段。為方便計算，設每段內(nèi)土體溫度函數(shù)為線性，由相應深度范圍內(nèi)溫度點線性擬合得到。那么，t時刻下，第i段土樣的溫度Ti(z)可寫為：

圖7 a.土體溫度隨深度變化；b.土樣豎向變形理論計算值與實際監(jiān)測值對比

Ti(z)=kiz+bi，i=1，2，3，4

(3)

式中：ki和bi為線性擬合參數(shù)。t0至t時間段內(nèi)，第i段土樣的溫度變化量ΔTi(z)可表示為：

ΔTi(z)=[Ti(z)]t-[Ti(z)]t0

(4)

式中：[Ti(z)]t和[Ti(z)]t0分別為第i段土樣在t和t0時刻下的土體溫度。將式(4)代入式(2)，可求得第i段土樣的熱變形Di為：

(5)

式中：zis和zie分別為第i段土樣的起始深度和終點深度(m)。則土樣總變形D為4段熱變形之和，如式(6)所示。參考Lan et al.(2021)，本文中α取值為35×10-6K-1，基于MATLAB編程計算土樣熱變形D(圖7b)。

(6)

圖7b為0～24 h內(nèi)土樣豎向變形監(jiān)測值和計算值曲線。對比可知，兩者變化趨勢一致，計算值曲線的波峰和波谷對應時間與實測值曲線基本相同，說明在本文試驗中，環(huán)境溫度變化所引起的土體溫度波動是初始風積黃土樣豎向變形周期性波動和滯后的主要原因。

土體溫度滯后時間的長短取決于土體導熱系數(shù)大小(陳毅，2018；李仁杰等，2019；Lan et al.，2021)。導熱系數(shù)越大，土體內(nèi)部熱傳導速度越快，滯后時間越短(陳毅，2018)。前人研究(王鐵行等，2007；陳毅，2018)表明，土體含水率或干密度的增大均會導致土體導熱系數(shù)增大(圖8)。本文采用XIATECH TC3000E便攜式導熱系數(shù)儀測得初始風積黃土樣導熱系數(shù)為0.12 W·(m·K)-1，不足原狀黃土(0.42 W·(m·K)-1)的1/3，原因在于初始風積黃土樣干燥且干密度小。當環(huán)境溫度升高時，因導熱系數(shù)低，初始風積黃土樣相較于原狀黃土傳熱時間長，升溫速率慢，導致初始風積黃土樣熱變形滯后時間(約4 h)比原狀黃土(<1 h，Lan et al.，2021)長。

圖8 a.土體導熱系數(shù)隨干密度變化趨勢(圖例中數(shù)字表示質(zhì)量含水率)；b.土體導熱系數(shù)隨含水率變化趨勢(圖例中數(shù)字表示土樣干密度，單位數(shù)據(jù)來源：初始風積黃土樣和原狀黃土樣相關數(shù)據(jù)由實驗室實測獲得，其余數(shù)據(jù)引自王鐵行等(2007)；陳毅(2018))

初始風積黃土為多種礦物顆粒的隨機松散堆積體(圖9)。主要礦物為石英、長石、方解石、云母和黏土礦物。不同礦物的熱膨脹系數(shù)差異大。單一礦物的熱膨脹也存在各向異性(Simmons et al.，1978；Browning et al.，2016；Collins et al.，2016)。如長石和云母的線性熱膨脹系數(shù)分別為4.5×10-6K-1和3.5×10-3K-1(陳毅，2018)。石英在平行于c軸的方向上，線性熱膨脹系數(shù)為(7.5～10.8)×10-6K-1，而在垂直于c軸的方向上，線性熱膨脹系數(shù)為(13～18.9)×10-6K-1(Meredith et al.，2001；陳毅，2018)。當環(huán)境溫度降低或升高時，不同礦物顆粒發(fā)生收縮或膨脹，由于礦物間熱膨脹系數(shù)的不匹配，導致顆粒間應力集中(Browning et al.，2016)。此外，土體在深度方向上存在溫度梯度(圖7a)，會造成差異變形，導致土體內(nèi)部應力集中。因初始風積黃土樣顆粒接觸數(shù)目少且顆粒間無膠結力(Li et al.，2020)，試驗初期，由以上兩種機制引發(fā)的應力易達到土體的力學強度，導致顆粒間發(fā)生相對錯動，顆粒重排(圖9a)，顆粒傾向于由點點接觸向面面接觸轉變，孔隙形態(tài)傾向于由架空孔隙向鑲嵌孔隙轉變，孔徑整體減小(陳毅，2018)，宏觀上表現(xiàn)為單個周期內(nèi)土樣的熱收縮量大于熱膨脹量，有熱塑性變形產(chǎn)生，土樣整體收縮(圖9b)。隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒接觸趨于緊密，土樣力學強度相對增大，由溫度變化導致的應力難以達到土體力學強度，單次循環(huán)結束后顆粒位置與初始位置基本重合(圖9a)，顆粒接觸方式和孔隙的形態(tài)大小基本無變化，宏觀上表現(xiàn)為土樣的熱膨脹量同熱收縮量相平衡，土樣呈現(xiàn)出彈性變形特征(圖9b)。

圖9 溫度循環(huán)作用下初始風積黃土結構演化機制模型

對于上覆荷載作用，本文對初始風積黃土開展了逐級加載試驗，每級增加2.2 kPa，共12級(相當于堆積0～3 m厚度土層)，每級荷載下土樣變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載，以獲取因后期粉塵堆積作用初始風積黃土的豎向應變特征。如圖10所示，在任一荷載下，土樣豎向應變隨時間先急劇增加后逐漸趨于穩(wěn)定(圖10a)；隨上覆荷載增大，土樣豎向應變持續(xù)增大，但應變增量逐漸減小，最終土樣豎向應變達26.4%(圖10b)。

圖10 上覆荷載作用下初始風積黃土樣豎向應變

溫度循環(huán)作用下初始風積黃土樣豎向應變約為0.25%(根據(jù)圖5c中變形數(shù)據(jù)求得)。對比各環(huán)境因素作用，可發(fā)現(xiàn)上覆荷載和濕-干循環(huán)均可導致較大的豎向變形，而溫度循環(huán)對土樣的結構變化影響最小，進一步表明黃土沉積期氣溫日變化和季節(jié)變化對初始風積黃土結構演化所發(fā)揮作用較小。

4 結 論

本文針對初始風積黃土開展了溫度升降循環(huán)試驗，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和熱力學理論，探討了初始風積黃土樣豎向變形、土體溫度與環(huán)境溫度間的關系，揭示了溫度循環(huán)對初始風積黃土結構演化的影響。研究發(fā)現(xiàn)：(1)在環(huán)境溫度升降往復循環(huán)作用下，土體的溫度和豎向變形均呈現(xiàn)周期性波動。因初始風積黃土干密度小，導熱系數(shù)低，土體內(nèi)部熱傳導慢，致使土體溫度和土樣豎向變形的波動整體滯后于環(huán)境溫度。豎向變形的波動與土體溫度的波動同步性較好，表明土體溫度的變化可導致初始風積黃土的脹縮。(2)因初始風積黃土顆粒堆積松散且顆粒間無黏結力，溫度循環(huán)初期，顆粒膨脹或收縮所引發(fā)的熱應力易使得顆粒間相互錯動，宏觀上表現(xiàn)為單次循環(huán)周期內(nèi)土樣豎向收縮量大于膨脹量，有熱塑性變形產(chǎn)生；隨循環(huán)次數(shù)增加，顆粒接觸逐步變得緊密，土體收縮量和膨脹量相平衡，呈現(xiàn)出彈性變形特征。(3)對比溫度、濕-干循環(huán)及上覆荷載作用，環(huán)境溫度在風積黃土初始結構的形成和演化過程中屬次要角色。

因初始風積黃土極度松散，結構易受到擾動，難以采用現(xiàn)今技術手段(如壓汞法、SEM和CT掃描)來觀測其微細觀結構。本研究僅依賴試樣頂面結構和豎向變形監(jiān)測來反映其宏觀結構變化。若要精細刻畫溫度循環(huán)作用下試樣內(nèi)部顆粒接觸方式、孔隙形態(tài)及孔隙大小等，需研發(fā)小型可嵌入CT設備中的溫度循環(huán)試驗裝置，開展初始風積黃土原位CT溫度循環(huán)試驗。