凍融循環(huán)對原狀黃土的持水特性影響

張小輝 喬斯嘉 張登飛 王勇華 李世雄 蘇鐵志

收稿日期：2023-10-27

基金項目：國家自然科學基金 （42027806，42372324，41907233）。

第一作者：張小輝，男，高級工程師，從事巖土工程勘察、設(shè)計等研究，295069134@qq.com。

通信作者：張登飛，男，博士，副教授，博士生導師，從事黃土動力災害與防控研究，dfzhang87@nwu.edu.cn。

摘要? 凍融作用是引起黃土邊坡溜塌和路基沉陷等工程病害不可忽視的重要因素。持水特性作為分析非飽和黃土水力-力學特性的關(guān)鍵物性，有關(guān)凍融作用對黃土持水特性的影響有待深入研究。該文以凍融循環(huán)后原狀黃土為研究對象，研究了凍融循環(huán)次數(shù)和凍融前含水率對持水曲線及其特征參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)對持水曲線的影響呈波動性變化，影響程度受控于循環(huán)次數(shù)與凍融前初始含水率水平;不同凍融條件下飽和度與吸力比（吸力與進氣值之比）關(guān)系可以歸一;通過建立進氣值與構(gòu)度指標之間的定量聯(lián)系，構(gòu)建了可統(tǒng)一考慮凍融循環(huán)作用影響的修正持水模型;初步證實了凍融循環(huán)條件對原狀黃土持水曲線的影響，可以通過土的構(gòu)度指標變化引起進氣值的改變來反映。

關(guān)鍵詞? 原狀黃土;凍融循環(huán);持水特性

中圖分類號： TU473? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-01-002

Water retention behaviours of intact loessexposed to freeze-thaw cycles

ZHANG Xiaohui1， QIAO Sijia2， ZHANG Dengfei2，WANG Yonghua1， LI Shixiong2， SU Tiezhi3

（1.China Jikan Research Institute of Engineering Investigation and Design Co.， Ltd.， Xian 710021， China;

2.State Key Laboratory of Continental Dynamics， Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China;

3.China Aerospace Planning and Design Group Co.， Ltd.， Beijing 100162， China）

Abstract? Freeze-thaw acting is an important factor that cant be ignored in engineering disasters such as loess slope slump and roadbed subsidence. Water retention behaviour is the key physical property for analyzing the hydraulic-mechanical properties of unsaturated loess， and it needs to be further studied that how freeze-thaw cycle affects water retention behaviours of loess. This test took intact loess after freeze-thaw cycles as research objects and studied how both the number of freeze-thaw cycles and the water content before freeze-thaw affect the soil-water retention curve （SWRC） and its characteristic parameters. The results show that the effect of freeze-thaw cycles on SWRC is fluctuating， and the degree of influence is controlled by the number of cycles and the initial water content before freeze-thaw. The relationship between saturation and ratio of suction （ratio between suction and air-entry value） can be normalized under different freeze-thaw conditions. By establishing quantitative relationship between the air-entry value and the structure index， a modified water-retention model was proposed to consider the effect of freeze-thaw cycles uniformly. The effect of freeze-thaw cycle conditions on the SWRC of intact loess is preliminarily confirmed， which can be reflected by the change of air-entry value caused by the change of soil structure index.

Keywords? intact loess; freeze-thaw cycles; water retention behaviours

黃土作為特殊土，在中國西北地區(qū)分布廣泛，且多處于季節(jié)性凍土區(qū)［1-2］。位于該區(qū)的諸如黃土邊坡、路基等工程遭受凍融循環(huán)的強風化作用后，時常出現(xiàn)開裂、滲漏、坍塌和沉陷等工程病害。對此，黃土力學研究中考慮了凍融循環(huán)作用的影響，關(guān)注了凍結(jié)速率、凍結(jié)溫度以及含水率和凍融循環(huán)次數(shù)對黃土的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和變形強度的影響，取得了豐碩研究成果［3-11］。

工程中遇到的黃土常位于地下水位以上，處于非飽和狀態(tài)。從現(xiàn)代非飽和土力學中尋求黃土力學的理論支撐是非常必要的，其中，吸力特性是最具代表性的參量［12］。描述吸力與濕度之間的關(guān)系稱為土的持水特性，它與土物性及其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部因素［13-15］、應(yīng)力和干濕循環(huán)的外部因素密切相關(guān)［16-17］。凍融循環(huán)作用會引起土中結(jié)構(gòu)的改變，勢必會對持水特性產(chǎn)生影響。然而，除針對膨脹土開展了相關(guān)的試驗研究外［18-19］，對濕陷性黃土的研究還鮮有報道，凍融循環(huán)作用后，黃土的持水特性如何變化及其特征參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間的聯(lián)系尚不清楚，有待深入開展?；诖?，本文以原狀黃土為研究對象，考慮凍融循環(huán)次數(shù)和凍融前初始含水率影響，利用壓力膜儀開展持水特性試驗，探討凍融循環(huán)條件對原狀黃土持水特性的影響。

1? 試驗材料及方法

1.1? 試驗用土及試樣制備

試驗所用土樣采自陜西涇陽某斜坡側(cè)壁，為Q3黃土，取土深度4～5 m，其物理指標見表1，按土的液塑限分類屬于粉質(zhì)黏土。由土的顆粒級配曲線可知（見圖1），試樣黃土主要以粉粒為主（含量68％），含有部分黏粒（含量26％）和少量的砂粒（含量6％）。用專門的削樣器，將現(xiàn)場采集的原狀土塊制備成直徑38 mm、高度10 mm的特制小環(huán)刀試樣。環(huán)刀尺寸是為了縮短吸力平衡時間和節(jié)約壓力膜中的占比空間。

1.2? 試驗方案

為研究凍融循環(huán)次數(shù)對持水特性的影響， 對天然含水率的原狀黃土試樣先進行凍融循環(huán)， 再進行減濕路徑下的持水試驗。 近10年黃土高原的大氣溫度為-20～20 ℃， 因此， 凍結(jié)階段采用最低溫度（

-20 ℃）， 解凍階段采用最高溫度（20 ℃）［20］。試樣在-20 ℃恒溫箱中冷凍12 h，然后在20 ℃融化12 h，即為1個凍融循環(huán)。設(shè)定的凍融循環(huán)次數(shù)為0、1、2、3、4、5、6，其中0次凍融循環(huán)即為未經(jīng)凍融作用。考慮已有研究證實了初始5次凍融后黃土結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定［20］，設(shè)置初始凍融循環(huán)次數(shù)為6次。

為研究凍融前初始含水率對持水特性的影響，對天然含水率的原狀黃土試樣通過預濕法達到目標含水率后，先進行凍融循環(huán)，再進行減濕路徑下的持水試驗。預濕法是采用滴水噴灑方式增濕到目標含水率，用保鮮膜包裹后在保濕缸中放置72 h，以保證試樣中水分均勻。設(shè)定的目標含水率（w）分別為11.4％（=wn）、18.8％（=wP）和25.0％（>wP）;凍融循環(huán)次數(shù)N=1、4、6。

1.3? 試驗儀器及方法

試驗儀器是基于軸平移技術(shù)，由美國Soil Moisture 公司生產(chǎn)的壓力膜儀（見圖2），吸力測量范圍為0～1 500 kPa。

試驗主要包括試樣飽和、氣壓施加和含水率測定3個階段。先將經(jīng)歷不同凍融循環(huán)條件的試樣通過真空抽氣飽和法進行飽和，再將飽和試樣放進壓力膜儀中，采用空氣壓縮機分級施加孔隙氣壓力，孔隙氣壓力依次為5、7、9、11、15、25、35、50、100、200、400、600、800、1 050 kPa。待每級排水穩(wěn)定后對試樣稱重，計算出試樣施加氣壓穩(wěn)定后的含水率和對應(yīng)的基質(zhì)吸力（簡稱吸力）。前期預試驗發(fā)現(xiàn)，即使對于抽真空飽和的試驗飽和度達95％以上，初始吸力約為1 kPa，故假定試樣飽和時的吸力值為0.01 kPa。對于所研究的黃土，在無應(yīng)力條件下，濕度變化產(chǎn)生的變形很?。?6］，由此假定減濕過程中未發(fā)生變形，進而可得到由飽和度與吸力關(guān)系表征的持水曲線。

1.4? 持水模型

Van Genuchten模型（簡稱VG 模型）廣泛應(yīng)用于描述?？紫侗认峦恋某炙匦裕?1］。該模型總飽和度Sr表示為

Sr=［1+（αs）n］-m? [JY]（1）

式中：s為吸力；α、n、m為土性參數(shù)，其中m=1-1／n。 在雙對數(shù)坐標系中， mn（=n-1）為Sr-s曲線漸進線斜率， 反映了減濕速率; 1／α為漸進線與直線Sr=1交點， 對應(yīng)的吸力即為進氣值sd。 試驗測定的持水曲線試驗結(jié)果將采用Sr-s關(guān)系進行表征， 用VG模型進行擬合， 進而探討凍融循環(huán)次數(shù)與凍融前初始含水率對VG模型的特征參數(shù)的影響。

2? 結(jié)果與討論

相同凍融前初始含水率（w0），不同凍融循環(huán)次數(shù)（N）條件下，飽和度（Sr）與吸力（s）典型曲線如圖3所示。

1）當w=wn

2）在w=wp和w>wp時，凍融循環(huán)作用對持水特性的影響趨勢與w=wn情況大體相似（除w0>wp，N為6情況外），其差別在于影響程度不同，其中又以w0=wp情況下凍融循環(huán)作用的影響程度最為顯著。這反映了在所研究的初始含水率范圍內(nèi)，凍融循環(huán)作用對原狀黃土持水特性的影響規(guī)律具有一定的普適性，在遭受凍融循環(huán)作用后，相同飽和度下，凍融循環(huán)作用會增大土中吸力，即孔隙間的收縮膜的表面張力。相同吸力下，凍融循環(huán)作用會增大土中飽和程度而呈現(xiàn)強持水能力。

相同N，不同w0條件下，Sr-s典型曲線如圖4所示?？梢?，凍融前初始含水率對持水曲線亦有明顯的影響。除個別區(qū)域有所交叉外，整體上呈現(xiàn)出隨著w0的增大，持水曲線上移趨勢，即持水能力增強。這是由于初始含水率愈大，土中水相參與水-冰相變的程度愈大，產(chǎn)生的凍脹作用就愈加明顯，進而對土中水相占比的團粒間孔隙與團粒內(nèi)孔隙的擾動程度愈凸顯，致使土中孔隙的持水能力增強。

在lg Sr-lg s雙對數(shù)坐標系中，基于圖3試驗曲線漸進線與直線Sr=1交點，確定出進氣值sd（篇幅所限，具體確定未示出）。不同N和w0條件下，sd值如表2所示。嘗試用進氣值對吸力進行規(guī)格化處理，由圖3結(jié)果匯制飽和度Sr與吸力比s／sd關(guān)系，如圖5所示?？梢?，不同凍融條件下試驗點分布在較狹窄的范圍內(nèi)，可以近似歸一。這反映出雖然凍融循環(huán)次數(shù)與凍融前含水率對持水曲線皆有較為明顯的影響，且影響程度有所不同。但對Sr-s／sd關(guān)系影響較小，且可用同一函數(shù)來描述，論證了凍融循環(huán)條件對所研究原狀黃土的持水曲線的影響可以通過進氣值的變化來反映。

考慮到進氣值變化與黃土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。為此，基于表征土物性的綜合物理特征量（ILρd／ρwe），將凍融前含水率視為當前含水率w確定出液性指數(shù)IL，進而整理出反映黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)的構(gòu)度指標mu［22］（式2）。不同凍融循環(huán)條件下mu值如表2所示，進氣值sd與N關(guān)系、mu與N關(guān)系如圖6所示?？梢姡S著凍融次數(shù)的增加，進氣值和構(gòu)度指標大體上呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

繪制出構(gòu)度與進氣值關(guān)系時（見圖7），發(fā)現(xiàn)除了歧義點外，兩者呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，初步可用冪函數(shù)描述（式3）。

mu=10.7exp[JB（［]-0.98-[JB（（][SX（]ILρd[]ρwe0[SX）][JB））][JB）］]+1（2）

sd=sd0+λ（mu-1）δ（3）

式中：ρd、ρw分別為干密度和水的密度;sd0為重塑飽和黃土（mu=1）對應(yīng)的進氣值;λ和δ為反映進氣值隨構(gòu)度而增大的程度。對于本研究的黃土，擬合得到sd0=24.5 kPa，λ=1.35×10-4 kPa，δ=4.637。

把α=1／sd和式（2）代入式（1），得到

Sr=｛1+［s/（sd0+λ（mu-1）δ］n｝-（1-1/n）（4）

式（4）為考慮凍融循環(huán)條件影響的修正VG模型。它反映了凍融循環(huán)次數(shù)和凍融前含水率對Sr-s關(guān)系表征的持水特性影響，可歸于二者影響改變了土的構(gòu)度指標，進而引起持水特性變化。換言之，不同凍融循環(huán)條件的影響可通過土的構(gòu)度指標變化來體現(xiàn)，且這種影響程度主要反映在進氣值的變化上。

本文所構(gòu)建的修正的VG模型，包括sd0、λ、δ、n共4個參數(shù)，可通過3～5次凍融循環(huán)持水試驗確定。對于研究的涇陽原狀Q3黃土，用式（4）及其模型參數(shù)（其中n通過圖5漸近線斜率確定為1.33），計算出不同凍融循環(huán)次數(shù)與凍融前含水率條件下實測吸力s對應(yīng)的預測飽和度Sr，繪出實測和預測飽和度關(guān)系（見圖8）?？梢?，除w=wP下N為6情況外，預測與實測結(jié)果吻合較好（相關(guān)系數(shù)R2=0.952），初步論證了本文所構(gòu)建的修正VG模型思路的可行性與合理性。

3? 結(jié)論

對歷經(jīng)不同凍融循環(huán)作用后的原狀黃土測定了持水曲線，探討了凍融循環(huán)次數(shù)與凍融前含水率對持水特性及其特征參數(shù)的影響，得到了如下結(jié)論。

1）凍融循環(huán)對持水特性具有明顯的影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，持水曲線并非單調(diào)變化，而是呈波動式移動，其程度與凍融前初始含水率水平有關(guān)。隨著凍融前初始含水率的增大，持水曲線呈上移趨勢，持水能力增強。

2）不同凍融條件下，飽和度與吸力比之間呈良好的歸一化關(guān)系，可用同一函數(shù)來描述，初步論證了凍融循環(huán)條件對原狀黃土的持水曲線的影響可以通過進氣值的變化來反映。

3）將凍融循環(huán)條件的影響歸于土的結(jié)構(gòu)性變化，初步搭建了進氣值與構(gòu)度指標之間的定量聯(lián)系，進而構(gòu)建了考慮凍融循環(huán)條件影響的修正VG模型，實測與預測結(jié)果吻合較好。

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（編? 輯? 李? 波）