凍融循環(huán)條件下黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)變異性研究

康 剛

（山西路橋集團(tuán) 隰吉高速公路有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

黃土分布于我國中西部季節(jié)性凍土地區(qū)，是這些地區(qū)的常用建筑材料，路基、邊坡等均為黃土構(gòu)筑物，在其運(yùn)營期間，都不可避免地要經(jīng)受凍融循環(huán)作用，對于凍融作用下土體特性的研究取得了一些成果。倪萬魁等[1]認(rèn)為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，顆粒重新排列，土的結(jié)構(gòu)越來越疏松，同級壓力下土體的孔隙比不斷增大；凍融循環(huán)50次后土樣的原始膠結(jié)已完全破壞，當(dāng)壓力超過自重應(yīng)力時會產(chǎn)生很大的附加變形。肖東輝等[2]認(rèn)為凍融循環(huán)作用通過破壞黃土顆粒的大小和土體的骨架及組構(gòu)影響黃土的孔隙率。通過顆粒分析試驗發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后土體顆粒有變小趨勢，且集中分布在0.01～0.05 mm，在凍融10次后顆粒大小趨于穩(wěn)定。在以往的研究工作中，針對凍融循環(huán)作用下黃土結(jié)構(gòu)性定量的系統(tǒng)研究較少[3-8]，選取該地區(qū)某邊坡黃土為研究對象，該黃土液限較低，地區(qū)凍融溫差較大，周期性的凍結(jié)與融化持續(xù)改變著土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)性會相應(yīng)變化，這些特性變化會導(dǎo)致土體工程性質(zhì)的改變甚至劣化，開展研究具有重要意義。

以山西季節(jié)性凍土地區(qū)晉西某處高邊坡土體為研究對象，現(xiàn)場取樣，通過相關(guān)資料調(diào)研、理論分析、室內(nèi)試驗等方法，對土樣進(jìn)行凍融作用并進(jìn)行壓縮試驗，開展凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)性的影響規(guī)律研究。

1 試驗用土

對晉西某高速公路邊坡進(jìn)行取土試驗，開展常規(guī)試驗，基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1。

表1 試驗用土物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗儀器與試驗方法

制備試樣，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗（圖1）。

圖1 恒溫恒濕箱

保證密度一致，制備天然含水率原狀試樣、天然含水率重塑試樣、飽和原狀試樣均5個，分別進(jìn)行凍融循環(huán)0、1、2、4、8次，施加垂直荷載，進(jìn)行壓縮試驗。

試樣置于恒溫恒濕箱，調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度為零下20℃，時間為12個小時，融化溫度為5℃，時間同樣為12個小時，循環(huán)相應(yīng)的次數(shù)后，取出安裝在壓縮儀器上進(jìn)行試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

凍融循環(huán)作用下土的工程性質(zhì)的變異性需要結(jié)合凍融次數(shù)及凍融前后參數(shù)變化，引入變化量與變異系數(shù)兩個參數(shù)，從而確定物理性質(zhì)變化的具體程度，變異系數(shù)計算公式為：

式中：A為未經(jīng)歷凍融作用的土樣結(jié)構(gòu)性參數(shù)值；B為凍融作用后土樣結(jié)構(gòu)性參數(shù)值；N為凍融循環(huán)次數(shù)；K為變異系數(shù)，即凍融作用下結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化的頻率及劇烈程度。

3.1 凍融循環(huán)條件下結(jié)構(gòu)性參數(shù)求解

進(jìn)行壓縮試驗，根據(jù)不同條件下變形量，計算孔隙比。

表2 原狀黃土壓縮試驗

表3 重塑黃土壓縮試驗

謝定義[9]提出了結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp，其表達(dá)式為：

式中：S原為原狀樣變形量；S飽為飽和樣變形量；S塑為重塑樣變形量。

計算結(jié)構(gòu)性參數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 結(jié)構(gòu)性參數(shù)

3.2 凍融循環(huán)對黃土結(jié)構(gòu)變異性規(guī)律

凍融循環(huán)次數(shù)及荷載對結(jié)構(gòu)性參數(shù)變異量的影響規(guī)律曲線如圖2、圖3所示。

由圖2及圖3可以看出，隨豎向壓力增大，土體結(jié)構(gòu)性變異量減小，是因為荷載較大時，土體被壓得較密實，結(jié)構(gòu)性更容易破壞擾動，擾動后凍融作用對土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)影響力逐漸減弱。

圖2 變異量隨壓力的變化規(guī)律曲線

圖3 變異量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線

凍融循環(huán)次數(shù)及荷載對變異系數(shù)的影響規(guī)律曲線如圖4、圖5所示。

圖4 變異系數(shù)隨壓力的變化規(guī)律曲線

圖5 變異系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線

由圖4及圖5可以看出，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，變異系數(shù)初始階段增大，到峰值后，逐漸減小，趨于穩(wěn)定，循環(huán)次數(shù)大時，平均條件下單次凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)性的影響程度變低，而累加結(jié)構(gòu)性參數(shù)變異量總體呈增大趨勢。

4 結(jié)論

本文采用常規(guī)固結(jié)儀及恒溫恒濕箱，研究了凍融循環(huán)作用下黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

a）隨豎向壓力增大，變異量及變異系數(shù)均降低，土體結(jié)構(gòu)性變異性逐漸減小，主要是因為荷載較大時，土體被壓得較密實，結(jié)構(gòu)性更容易破壞擾動，擾動后凍融作用對土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)影響力逐漸減弱。

b）隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，變異量逐漸增大，而變異系數(shù)初始階段增大，到峰值后，逐漸減小，趨于穩(wěn)定，循環(huán)次數(shù)大時，平均條件下單次凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)性的影響程度變低。