凍融循環(huán)作用下呂梁地區(qū)馬蘭黃土性質(zhì)研究

張玲玲，龍建輝，邢鮮麗，郭曉娟

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

黃土作為一種疏松多孔的結(jié)構(gòu)性土體，具有結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育、富含碳酸鈣、易被侵蝕、水敏性強(qiáng)、濕陷性強(qiáng)、垂直節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)。當(dāng)其處于天然狀態(tài)時(shí)，其本身特點(diǎn)使其能夠長(zhǎng)期保持較高的強(qiáng)度，但由于外界條件的干擾，例如降雨和經(jīng)歷凍融循環(huán)，其強(qiáng)度就會(huì)急劇降低[1-6]。目前，許多學(xué)者大都致力于研究降雨及人類工程活動(dòng)引起的滑坡[7-8]，針對(duì)凍融型黃土滑坡災(zāi)變機(jī)理的研究較少。凍融期黃土滑坡已造成多起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損害事件，而且數(shù)量還在不斷增多，其中最典型的是黑方臺(tái)發(fā)生的多處滑坡，在1-3月份發(fā)生的比例明顯提高，占到該地區(qū)總滑坡數(shù)的34%[9-11].

山西位于黃土高原，四季分明，每年凍融循環(huán)必定會(huì)對(duì)黃土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，例如由于凍融作用的影響，2018年4月30日，呂梁市離石區(qū)棗林鄉(xiāng)發(fā)生山體滑坡致9人遇難，因此研究?jī)鋈谧饔脤?duì)黃土性質(zhì)的影響十分必要。ALKIRE et al[12]通過(guò)研究得到凍融作用下低密度粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增大的結(jié)論；CHUVILIN et al[13]通過(guò)試驗(yàn)研究，指出凍融作用使土體的抗剪強(qiáng)度有一定的降低。OZTAS et al[14]提出凍融循環(huán)對(duì)土體穩(wěn)定性的影響主要取決于土體材料本身。董曉宏[15]、胡再?gòu)?qiáng)等[16]、葉萬(wàn)軍等[17-18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明土體的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的變化無(wú)明顯變化。倪萬(wàn)魁等[19]研究了凍融循環(huán)作用下洛川黃土的強(qiáng)度變化，表明凍融次數(shù)越多，黏聚力降低，顆粒之間接觸點(diǎn)增多，內(nèi)摩擦角增大，多次凍融后，原狀黃土的強(qiáng)度與重塑黃土的強(qiáng)度接近。張輝等[20]認(rèn)為凍融溫度對(duì)不同含水率土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角幾乎沒有影響；許健等[21]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)原狀黃土的劣化作用更強(qiáng)，且原狀黃土的黏聚力比重塑黃土衰減更快，呈指數(shù)衰減。由此可見，有關(guān)凍融作用的研究由于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)地點(diǎn)的差異，試驗(yàn)結(jié)果不盡相同。因此，本文針對(duì)山西省呂梁地區(qū)黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究?jī)鋈趯?duì)其強(qiáng)度影響的變化機(jī)理，為當(dāng)?shù)匾騼鋈谧饔枚l(fā)的黃土地質(zhì)災(zāi)害提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試樣的基本性質(zhì)

試驗(yàn)所用土樣取自于山西省柳林縣莊上鎮(zhèn)輝大峁村，柳林縣的最大凍土深度為1 m，取土深度為4～5 m深的未經(jīng)凍融作用的新鮮Q3黃土，土樣的基本物理性質(zhì)見表1.

表1 土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of soil

1.2 試樣制備

1) 三軸樣的制備：采用砂線切割機(jī)將大塊土樣切割成尺寸為Φ36.1 mm×80 mm的圓柱體試樣。

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

3) 含水率的配制：根據(jù)水膜轉(zhuǎn)移原理，計(jì)算所需水量采用分層滴水法，使用注射器均勻緩慢地對(duì)土體表面進(jìn)行滴水。每注一層，放置在保濕器中保濕24 h，循環(huán)往復(fù)，直至達(dá)到目標(biāo)含水率。最后分別制得含水率為12.2%、18.2%和24.1%的三軸試樣和微觀試樣，為了防止水分散失，用保鮮膜包裹，放入保濕缸中靜待一周，保證水分均勻分布。

1.3 試驗(yàn)方案

1) 采用多段溫控的低溫恒溫槽凍融儀，對(duì)微觀試樣和三軸試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍結(jié)和融化溫度分別為-20 ℃和20 ℃，為保證試樣充分凍結(jié)和融化，將試樣凍結(jié)12 h，融化12 h，即為一個(gè)凍融周期。根據(jù)以往學(xué)者的研究成果，凍融10次左右基本穩(wěn)定，因此本次試驗(yàn)經(jīng)歷0、1、5、8、10、15次凍融循環(huán)作用，并對(duì)凍融前后試樣的質(zhì)量進(jìn)行記錄。

2) 對(duì)凍融后的三軸試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)圍壓分別為100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.4 mm/min，剪切結(jié)束的條件是土體軸向應(yīng)變達(dá)到15%.

3) 將經(jīng)過(guò)凍融作用后的微觀試樣自然風(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的小薄片作為觀察的掃描電鏡試樣。觀察倍率為200倍和500倍，選取有代表性的位置進(jìn)行觀察分析。

2 試樣結(jié)果及分析

2.1 含水率的變化

凍融過(guò)程中水分發(fā)生遷移，土體中的含水量會(huì)有所變化，利用公式(1)計(jì)算不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣含水率的變化量。

(1)

式中：m1，m2分別為試樣凍融后和凍融前的質(zhì)量，g；mg為干土的質(zhì)量，g.

根據(jù)記錄的不同凍融次數(shù)前后試驗(yàn)土樣的質(zhì)量變化，計(jì)算得到3種含水率水平、5種凍融循環(huán)次數(shù)下的土體含水率變化數(shù)據(jù)，繪制含水率減少量如圖1所示。

圖1 含水率減少量折線圖Fig.1 Line chart of water content reduction

從圖1中可以看出，三組初始含水率不同的試樣，含水率減少量隨凍融循環(huán)次數(shù)均呈對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)。即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，含水率的減小速率越來(lái)越小，可以推斷土體內(nèi)的含水率越來(lái)越穩(wěn)定，最終水分會(huì)保持在土體內(nèi)部和外表面之間較折中的一段范圍內(nèi)。含水率越大，含水率減少量相對(duì)而言也越大，這是因?yàn)槌跏己瘦^高，自然散失量也相對(duì)比較高。但是，最終經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)后，三組初始含水率試樣的減少速率基本一致，說(shuō)明水分遷移都趨于穩(wěn)定，只在一定范圍內(nèi)遷移。在土樣經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后減少量普遍較低，最大值僅有0.077%.說(shuō)明土樣在封閉系統(tǒng)中經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，整體的含水量散失并不明顯，這與保鮮膜包裹的密閉程度有關(guān)。整體來(lái)看，在封閉環(huán)境下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，土樣的含水率變化并不大。因此，含水率高低本身對(duì)土體強(qiáng)度有很大影響，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一含水率在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化量很小，在對(duì)凍融后土體抗剪強(qiáng)度的變化機(jī)理進(jìn)行分析時(shí)，可以忽略含水率變化對(duì)強(qiáng)度劣化的影響。

2.2 凍融循環(huán)后應(yīng)力應(yīng)變分析

三軸試驗(yàn)得到不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線。圖2為天然含水率的試樣經(jīng)過(guò)不同凍融次數(shù)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 天然含水率黃土在凍融后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of loess with natural moisture content after freezing and thawing

從圖中可以看出，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，偏應(yīng)力值均隨著圍壓的增大而增大，且隨軸向應(yīng)變的增大而增大。當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，即2%之前各曲線均表現(xiàn)為彈性變形，近乎成線性增長(zhǎng)，且隨圍壓增大曲線越來(lái)越陡；當(dāng)應(yīng)變大于2%時(shí)，曲線增長(zhǎng)明顯變緩，在100 kPa時(shí)表現(xiàn)為微應(yīng)變軟化，隨著圍壓增大呈微應(yīng)變硬化狀態(tài)，圍壓為400 kPa表現(xiàn)為典型的應(yīng)變硬化。這是因?yàn)閲鷫涸酱?，土顆粒間大孔隙會(huì)迅速被壓縮，土體顆粒與顆粒之間被有效聯(lián)結(jié)起來(lái)，咬合力加大，土體的初始強(qiáng)度隨圍壓顯著增強(qiáng)，因此同一含水率下達(dá)到相同應(yīng)變時(shí)，偏應(yīng)力值相應(yīng)就越大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體的偏應(yīng)力值逐漸降低，說(shuō)明隨著凍融次數(shù)的增加，土體達(dá)到強(qiáng)度屈服點(diǎn)的值越低，凍融循環(huán)次數(shù)在黃土抗剪強(qiáng)度劣化過(guò)程中起重要作用。

為了研究不同初始含水率下，不同圍壓原狀土樣在不同凍融次數(shù)下的變化情況，以200 kPa為例對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 不同含水率黃土在凍融后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of loess with different moisture content after freezing and thawing

在同一圍壓，相同凍融條件下，含水率低的應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終位于含水率高的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上方。隨著初始含水率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變硬化型逐漸過(guò)渡為微應(yīng)變硬化型，最終呈現(xiàn)弱軟化型。隨著凍融次數(shù)的增加，當(dāng)初始含水率較低時(shí)(即12.2%)，由應(yīng)變強(qiáng)硬化型轉(zhuǎn)為應(yīng)變?nèi)跤不停科湓蚴莾鋈谧饔檬沟猛令w粒移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，顆粒間間距變大，土顆粒重新排列，土體結(jié)構(gòu)有弱化趨勢(shì)，宏觀上表現(xiàn)為軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而變小呈弱硬化型。同一圍壓條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的偏應(yīng)力差及峰值顯著下降，可見含水率也是導(dǎo)致黃土抗剪強(qiáng)度劣化的主要原因。

3 凍融循環(huán)后土體強(qiáng)度參數(shù)的變化

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了4個(gè)試驗(yàn)圍壓下的破壞應(yīng)力，以(σ1+σ3)f/2為圓心，(σ1-σ3)f/2為半徑繪制了對(duì)應(yīng)的4個(gè)莫爾圓，之后通過(guò)Matlab擬合出4個(gè)圓的公切線，得出該圓的強(qiáng)度包線的表達(dá)式，進(jìn)而獲得每組試驗(yàn)的黏聚力和內(nèi)摩擦角，繪制對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，見圖4.

圖4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Relationship between shear strength parameters and freeze-thaw cycle

從整體趨勢(shì)來(lái)看，3種含水率水平的原狀黃土試樣的黏聚力均隨凍融循環(huán)作用的疊加呈指數(shù)型減小，在10到15次后黏聚力趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槌醮蝺鋈跁r(shí)，土顆粒間的孔隙由于被冰峰面充滿而變大，土體的原始膠結(jié)程度被弱化，咬合在一起的顆粒變少，黏聚力會(huì)大幅降低，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的疊加，之前凍融作用未被破壞的顆粒膠結(jié)和咬合力慢慢被削弱，因此黏聚力會(huì)一直降低，但是能被破壞的土顆粒越來(lái)越少，所以黏聚力降低幅度越來(lái)越小。由于土顆粒間的連接作用大都被破壞，最終將趨于穩(wěn)定，對(duì)3種含水率土樣的黏聚力分別進(jìn)行擬合，12.2%天然含水率土樣的擬合結(jié)果見式(2)，18.2%塑限含水率土樣的擬合結(jié)果見式(3)，24.1%含水率的擬合見公式(4).

(2)

(3)

(4)

式中：c為土體的黏聚力，kPa；n代表土的凍融循環(huán)次數(shù)；R2為曲線的擬合度。

從圖4中可以看出，內(nèi)摩擦角呈波動(dòng)狀無(wú)規(guī)律分布，但整體上有下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)橥馏w的內(nèi)摩擦角主要是由土顆粒間的接觸方式(接觸形狀和接觸面積)所決定的，在經(jīng)過(guò)前幾次凍融后，土顆粒間的接觸慢慢穩(wěn)定，故內(nèi)摩擦角變化不是很大。整體而言，黏聚力和內(nèi)摩擦角受含水率影響也很大，隨著含水率的增加，土體的黏聚力逐漸降低，內(nèi)摩擦角逐漸減小，這是因?yàn)楦吆释翗颖旧碛捎谒值挠绊?，?nèi)部膠結(jié)結(jié)構(gòu)軟化，顆粒間的咬合力和分子間作用力均不如低含水率土樣穩(wěn)定。

4 微觀結(jié)構(gòu)變化

沈珠江[22]指出21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題是土結(jié)構(gòu)性的問(wèn)題。土的結(jié)構(gòu)主要是指其土體骨架顆粒間的聯(lián)結(jié)形式、排列方式、孔隙的大小分布以及膠結(jié)物的種類和膠結(jié)程度。圖5為不同凍融次數(shù)下塑限含水率下18.2%的微觀結(jié)構(gòu)圖。

圖5 塑限含水率凍融后的微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Microstructure diagram of plastic limit moisture content after freezing and thawing

為了對(duì)土體顆粒進(jìn)行定量化分析，采用Image-pro Plus軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行顆粒粒徑分析，如圖6所示。

圖6 塑限含水率下不同凍融次數(shù)下粒徑百分含量圖Fig.6 Percentage of particle size under different freeze-thaw times under plastic limit water content

從圖中可以看出，未經(jīng)凍融時(shí)，土顆粒間排列緊密，土體內(nèi)以小顆粒(2～5 μm)和微小顆粒(<2 μm)為主，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微小顆粒(<2 μm)有增多的趨勢(shì)，大顆粒(>20 μm)數(shù)量有減小的趨勢(shì)，中等顆粒(5～20 μm)和小顆粒2～5 μm質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)不明顯。從微觀圖像中也可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒破碎化嚴(yán)重，許多顆粒集合體膠結(jié)在粘土顆粒周圍，小顆粒占比越來(lái)越大，大顆粒減少，表面起伏減小，顆粒趨于均一化狀態(tài)。同時(shí)，凍融循環(huán)作用使得顆粒間的排列疏松多孔，當(dāng)放大倍數(shù)為500倍時(shí)，可以看出小顆粒集合體附著在相對(duì)較大的顆粒周圍使得微孔隙數(shù)量也隨之增加，顆粒間出現(xiàn)微裂縫，孔隙數(shù)量明顯增多，且有的相互貫通形成大孔隙。可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體凍結(jié)和融化產(chǎn)生的“聚合”和“分裂”作用加之水分的相變，使得土顆粒間的膠結(jié)方式改變，大顆粒不斷破碎為小顆粒和碎屑集合體，顆粒間原有的大孔隙由于顆粒的運(yùn)移和重力作用下沉填充，導(dǎo)致大孔隙減小，微孔隙和中等孔隙數(shù)量增多，同時(shí)，顆粒間的接觸方式也發(fā)生了改變，由最初的鑲嵌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為架空-鑲嵌結(jié)構(gòu)，且慢慢以附著-基底型結(jié)構(gòu)為主要接觸方式。

5 結(jié)論

1) 土樣在封閉系統(tǒng)中經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，同一含水率在凍融前后會(huì)有不同程度的減少，并且初始含水率越高，含水率減少量越多，但是減少量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略。

2) 根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變特征曲線，偏應(yīng)力會(huì)隨圍壓的增大而增大，且圍壓越大，初始時(shí)偏應(yīng)力攀升速率也越大，先為彈性變形，隨著軸向變形增大，土樣由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，但是轉(zhuǎn)變程度有所不同，含水率和凍融循環(huán)次數(shù)是土體抗剪強(qiáng)度劣化的主要原因。

3) 不同含水率土樣的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)型下降，內(nèi)摩擦角呈略微劣化趨勢(shì)但降幅很小。

4) 通過(guò)觀察SEM試驗(yàn)得到的不同凍融次數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)的增加，土體擾動(dòng)破壞也越嚴(yán)重，即顆粒破碎嚴(yán)重，趨于均一化，顆粒間的接觸方式由單顆粒接觸轉(zhuǎn)為附著-基底型為主，孔隙增多。