凍融循環(huán)作用對黃土物理力學性質(zhì)的影響研究

陳強

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 陜西咸陽 712000）

1 黃土凍融循環(huán)研究背景

黃土是一種第四紀風積物，在世界上分布相當廣泛，占全球陸地面積的1/10，而我國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，覆蓋面積約63.1×104km2，約占全國土地面積的 6.16%[1～3]，集中分布于西北的甘肅、陜西、山西的大部分地區(qū)，以及河南、河北、山東、遼寧、寧夏、新疆、青海、內(nèi)蒙等省區(qū)的部分地區(qū)。然而，黃土地區(qū)地形破碎、溝壑縱橫、環(huán)境脆弱、氣候特殊，加之黃土高原公路、鐵路、市政、水利等工程項目基本上修筑于淺層黃土之上，淺層土體大面積暴露于自然狀態(tài)下，空間中受到諸如輻射、氣溫、降雨等外界因素的影響，在自然以及人工作用下，淺層黃土體的工程性質(zhì)隨著外界因素的改變而發(fā)生變化，宏觀上表現(xiàn)為黃土含水率和溫度的變化從而引起土體強度和凍融狀態(tài)等的改變，伴隨著這種變化常常導致一系列病害的發(fā)生，嚴重地危及各類工程建設及人民生命財產(chǎn)的安全，制約著當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2 黃土凍融循環(huán)研究的重要性及成果

陜北黃土地區(qū)屬于典型季節(jié)性凍土區(qū)。隨著西部大開發(fā)與“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷深化，黃土地區(qū)建設事業(yè)蓬勃發(fā)展，與各類工程建設緊密相關(guān)的凍土學作為巖土工程中的一門新興學科，已在我國取得了相應的研究成果。凍土力學已成為凍土學的重要組成部分同時也是巖土力學的重要分支，其理論與實踐知識，正逐漸被重視，成為指導國內(nèi)外凍土地區(qū)各類工程建設的理論工具。

此前世界上并沒有將凍土研究作為一門獨立的學術(shù)領(lǐng)域看待，蘇聯(lián)人H．A．崔托維奇，1973年出版著作《凍土力學》奠定了其在現(xiàn)代凍土力學中的重要地位，該書系統(tǒng)論述了凍土力學的基本理論、規(guī)律性、工程實際應用，代表了當時的國際水平。而黃上凍融作為凍上學科中的一個重要問題，吸引著許多研究者參與其中，并取得豐富成果?？茖W家們從不同角度對黃土凍融進行研究，并由此獲取了一系列顯著成果，汪仁和等[4]通過對原狀土和凍融土的物理力學性質(zhì)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)土凍結(jié)融化后土體孔隙比、壓縮系數(shù)、滲透性明顯增大。接著通過單軸和三軸試驗，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)融化土體抗剪強度明顯降低。羅小剛等[5]以典型粘土凍融試驗為基礎(chǔ)，分析凍融循環(huán)后孔隙率、滲透性、壓縮性等土工性質(zhì)的變化。研究表明，凍融后土的孔隙率和含水率呈現(xiàn)增大趨勢，同時指出外荷載對土體孔隙率和含水率的增大有抑制作用。筆者借助國內(nèi)外研究學者對凍土的研究文獻，從客觀角度分析凍融循環(huán)如何改變黃土結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，并由此創(chuàng)作本文。

2.1 凍融循環(huán)對黃土孔隙率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)是影響季凍區(qū)黃土地區(qū)工程的主要原因。凍融循環(huán)作用導致黃上孔隙率增大，使建設在黃上基礎(chǔ)上的工程出現(xiàn)不同程度安全問題，包括裂縫、滲漏等，從而影響相關(guān)黃土工程的安全性。究其深層原因，凍融循環(huán)作用使得土體內(nèi)水分重新分布且結(jié)構(gòu)發(fā)生弱化，改變了黃土的原有骨架和組構(gòu)，而黃土的骨架和組構(gòu)與黃土的孔隙率有著密切的關(guān)系。

2.2 凍融循環(huán)對黃土抗剪強度指標的影響

除了前文提及的影響因素外，凍融循環(huán)對黃土的影響也體現(xiàn)在抗剪強度上。

抗剪強度指標包括兩部分，即粘聚力和內(nèi)摩擦角，粘聚力主要由顆粒間的膠結(jié)、顆粒間接觸點的化合價鍵、范德華力、靜電引力、表觀粘聚力組成，摩擦強度主要有顆粒間滑動摩擦和咬合摩擦構(gòu)成。

土的抗剪強度指標是土力學中最重要的參數(shù)之一，幾乎與土強度相關(guān)的問題都需要粘聚力和內(nèi)摩擦角作為分析和設計的依據(jù)。常溫下土體抗剪強度測試技術(shù)己經(jīng)十分成熟并己經(jīng)得到廣泛工程應用，但季凍區(qū)凍融循環(huán)下土體抗剪強度指標，無論在定性和定量分析上都存在很大爭議。從有限的研究中可以看出，目前對于凍融循環(huán)下土的抗剪強度指標的變化規(guī)律存在較大爭議，對于粘聚力的研究僅僅有較為統(tǒng)一的認識，認為凍融循環(huán)下粘聚力不斷降低，但也有認為粘聚力增大的存在。對于凍融循環(huán)下內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律則爭議很大，認為增加、減小、無規(guī)律、基本無變化、先降低后升高等結(jié)果均存在。凍融循環(huán)下抗剪強度指標的試驗研究還很不成熟，需要大量的試驗來探索試驗結(jié)果爭議的原因，揭示凍融循環(huán)下季凍土的抗剪強度指標變化模式。

2.3 凍融循環(huán)對黃土含水率的影響

凍融對黃土的影響也反映在含水率方面，研究含水率的影響機理發(fā)現(xiàn)，含水率的高低對水分遷移率的影響以正比例形式展現(xiàn)，遷移率隨其升高而加大。這一發(fā)現(xiàn)充分證明，含水率的高低決定了凍融作用影響程度。

王鐵行等[6]研究表明，凍融后黃土的水平向滲透系數(shù)和豎直向滲透系數(shù)較凍融前明顯增大，且凍融后黃土的滲透性隨著凍融時試樣初始含水率的增加而增強。隨著初始含水率的增加，黃土凍融后的滲透系數(shù)比值減小，表明隨著凍融時試樣初始含水率的增加，凍融后黃土滲透性的各向異性減弱。凍融循環(huán)過程中不同初始含水率的黃土試樣受凍融作用的影響不相同，初始含水率較低時，由于水凍結(jié)成冰后產(chǎn)生的凍脹力較小及上體良好的結(jié)構(gòu)對凍脹力的束縛，土樣經(jīng)過凍融后孔隙比有所增加，但變化量不大，其對土體結(jié)構(gòu)性影響也相對較小。隨著凍融時試樣初始含水率增加，土體中水凍結(jié)成冰產(chǎn)生的凍脹力增大，對土顆粒聯(lián)結(jié)的破壞作用增強，凍融循環(huán)過程中引起的孔隙凈變形量會隨著試樣初始含水率的增加而增加，凍融對土樣結(jié)構(gòu)破壞作用也隨著初始含水率的增加而增強。

3 存在問題

綜上所述，筆者認為對凍融循環(huán)作用的研究還存在以下問題：

（1）國內(nèi)外學者針對凍融作用下土的物理性質(zhì)和力學性質(zhì)開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果，但是這些研究工作主要是圍繞土體物理力學強度開展的，從黃土體微觀結(jié)構(gòu)角度、溫度場角度研究還較少。

（2）如何開展凍融循環(huán)試驗存在分歧，不同的試驗方式往往造成不同的結(jié)果。

（3）由于研究設備缺乏，現(xiàn)階段研究成果還未得到驗證。由于現(xiàn)實情況的限制，諸多研究結(jié)果無法直接作用于實際工程建設。

4 結(jié)論及展望

（1）在已研究成果中，凍融循環(huán)影響黃土的方式以物理力學性質(zhì)為主，無論黃土密度如何變化，凍融循環(huán)作用均會增加土的滲透性，這些研究成果已經(jīng)得到學術(shù)界的普遍認識，而對于凍融循環(huán)是否會影響黃土的其他方面，仍然處于分歧狀態(tài)，這種分歧將會引領(lǐng)未來學術(shù)發(fā)展方向。

（2）黃土凍融循環(huán)的相關(guān)研究中仍然存在一個問題沒有攻克，即三場耦合的影響，該方面的相關(guān)研究結(jié)論較少，黃土體由于受到氣候、自重、其他附加荷載等多種因素影響，因此其自身溫度場、水分場、應力場均處于動態(tài)變化的狀態(tài)。同時，由于沒有現(xiàn)實成果作為支持，這一研究沒能從現(xiàn)實角度解決問題，對于該問題未來將仍需要進行研究，研究成果出現(xiàn)后才能解決困擾諸多專業(yè)學者的季節(jié)性凍土地區(qū)黃土災害問題。