冻融循环作用下黄土微观结构的演变

冻融循环作用下黄土微观结构的演变

0反复冻融作用对非饱和黄土力学性质的影响冷融作用是季节性冷土区黄土结构不良的重要原因之一。根据研究，冷融过程后，土壤颗粒再次排出，土壤之间的连通性也发生了变化，改变了土壤的物理力学性质。在冷地区，如路堑和倾斜楼梯的建设，会影响土壤的新的冷融作用。因此，在计算变形和稳定性分析时，有必要考虑土壤物理力学性质的变化。20世纪80年代以来,国外学者在研究冻融作用对土的物理力学性质影响方面已取得了许多成果.试验研究发现,经过冻融循环之后,细粒土的孔隙比减小,而渗透系数增大;松散土和密实土经过若干冻融循环之后趋向于一个稳定的孔隙比,即残余孔隙比.在冻融作用对土的力学性质影响上,有的学者研究发现经过冻融作用之后,土体的抗剪强度有所增加;而有的却认为土体的抗剪强度经过冻融作用之后有所降低.还有研究发现,冻融作用前后土的强度变化不大;土体在融化中,强度的衰减与土的类型有很大的关系;冻胀和融沉作用是造成冻土地区路基破坏的主要原因.另外,对多孔固体材料以及饱和与非饱和土的冻融效应也开展了试验研究.国内学者开展冻融作用对黄土物理力学性质影响的研究虽起步较晚,但也取得了一些有价值的成果.如对兰州黄土经过一次冻融循环之后发现冻融作用对不同干容重的土具有强化和弱化的双重作用;而从微观结构上分析冻融作用对兰州黄土和天津粉土的结构性影响,发现土体经过冻融循环之后,无论是力学性质还是土体的微观结构都发生了变化.在冻融循环作用对非饱和黄土力学性质的影响方面,发现在含水率较低的情况下,冻融循环作用对黄土的黏聚力和内摩擦角影响都不大,而在含水率较高时,随着冻融循环次数增多,冻结温度越低,黏聚力不断减小而内摩擦角不断增大的规律.反复冻融作用下杨凌重塑黄土抗剪强度的研究表明,在含水率不变的情况下,经过3~5次冻融循环之后,黄土的黏聚力降到最低,并趋于稳定,而内摩擦角的变化则不大.有的学者发现,在外界有水分补给的情况下,冻融作用使得黄土样含水率增加,土样初期的冻胀变形强烈,随后趋于稳定,黄土样上部干密度减小的比下部大,冻融作用对土样的结构具有弱化作用的规律;冻融作用改变了黄土的孔隙结构从而使其压缩性和湿陷性发生明显变化;冻融作用也对压实黄土和青藏粉质黏土的微观结构有显著影响.另外,国内学者在路基冻融过程、冻融循环对砼护坡界面抗剪强度及寒区隧道结构冻胀力的影响等方面开展了许多试验研究.无论是国外还是国内,在冻融作用对土体物理力学性质的影响上都已经做出了大量的工作.这些研究中,在冻融作用对土体物理性质的影响上得出了大致相同结论,如冻融作用使得土体渗透性增大,使松散土的孔隙减小,密实土的孔隙增大等.但由于土的性质,初始状态以及试验条件等的差异,冻融作用对土的力学性质的影响上研究结论差异很大,有些结论甚至是完全相反的.因此,开展不同地区不同土类在冻融作用下的物理力学性质变化规律研究仍是十分必要的.本文以洛川原状黄土为研究对象,通过对多次冻融循环的黄土试样进行电镜扫描试验、单轴压缩试验和三轴剪切试验,研究了冻融作用对黄土的微观结构和力学性质的影响规律,从而为黄土地区工程建设中的冻融灾害防治提供科学依据.1冻融循环验证和分析试验样品通过人工探井取自洛川黄土塬,取土深度为1.65~1.9m.原状土取样之后,密封送到试验室.原状样品根据GB/T50123-1999《土工试验方法标准》的要求制样,制备的样品测量其原状未冻融的密度、含水率、孔隙比以及液塑限等(表1).试验土样装在密封塑料袋中,防止水分散失.将密封袋放入可控式超低温箱中,一个密封袋被认为是一个完全封闭的循环体系.试样在-31℃的冻结温度下冷冻12h,保证试样完全冻透;在29℃的融化温度下融化10h,确保试样完全融化,这样为一次冻融循环.重复以上过程,试样分别冻融循环2次、15次和50次.冻融循环完成后,分别对冻融后的样品进行电镜扫描试验、单轴压缩试验和三轴剪切试验.黄土的微结构测试采用陕西师范大学的环境扫描电镜设备.一般扫描电镜的样品室是高真空的,因此,检验的样品必须是导电导热的或者是经过导电导热处理的干燥的固体样品.而环境扫描电镜可以在低真空环境下不需要对样品进行喷Au处理,即可以在自然状态下直接观察二次电子图像并分析元素成分.由于土体样品含有水分,并且不能导电,所以使用环境扫描仪观察自然状态的土体结构非常合适.单轴压缩试验和三轴剪切试验在冻土工程国家重点实验室(兰州)完成.其中,压缩试验的压力分别采用12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa和300kPa,6个加压级别.当在每级荷载下变形不大于0.01mm时,为变形稳定标准;三轴剪切试验采用不固结不排水剪(UU)试验,这样从开始加压直至试样剪坏,土中的含水率始终保持不变,孔隙水压力也不消散.试验周围压力分别采用50kPa、150kPa和200kPa,试样的剪切速率为0.4mm·min-1.2试验结果及分析2.1冻融循环对深层黄土孔隙结构的影响黄土的微观结构一般包括4个方面:1)颗粒形态(颗粒大小,颗粒形状,表面起伏);2)颗粒排列的形式;3)孔隙性(孔隙的大小,孔隙分布情况);4)颗粒的接触关系.使用环境电子显微镜能够观察到土体结构单元体的大小、形状、表面特征以及结构单元体之间或单元体之内的相互排列关系,孔隙特征及其结构连接关系等.前人研究发现,黄土的电镜照片放大到200~600倍可以清楚地观测到黄土的孔隙性、颗粒形态、颗粒接触关系和胶结程度的微观结构,而这些微观结构也反映了黄土的沉积环境,应力历史以及力学特征等.因此,本文选取冻融之后的电镜照片放大倍数为500倍.图1~图3是原状土样在环境电子显微镜下放大500倍的扫描图片.由图片可见,2次冻融循环后土颗粒排列还比较紧密,而15次冻融循环后土颗粒排列疏松多孔,再经过50次冻融循环土体颗粒排列比15次冻融循环更疏松,并且土体孔隙增多,土颗粒大小、间距和孔隙大小也更均匀.这是由于土体中水分的冻胀作用,破坏了土颗粒之间的连结,体积增大,土体孔隙增大.而当土体融化时,随着土体中的固态冰变成液态的水,土颗粒之间冻胀形成的大孔隙由于土颗粒的重力作用下,颗粒下沉,使得土体内原有的大孔隙减少,小孔隙增多,从而使孔隙比增大.从冻融循环后土样在不同压力下孔隙比的变化(图4,表2)可以看出,随着冻融循环次数的增加,同级压力下土体的孔隙比不断增大.在压力小于自重应力(50kPa)时,冻融循环2次和15次土样的孔隙比与未冻融试样相差不大,而冻融循环50次土样的孔隙比明显增大,且随压力增大孔隙比的变化更大.这表明随着冻融循环次数的增加,土的原始胶结结构逐渐被破坏,颗粒重新排列,土的结构越来越疏松,冻融循环50次后土样的原始胶结已完全被破坏.文献对深层黄土的冻融试验研究结果也验证了这一点.2.2原状黄土和重塑黄土冻融循环对原状土抗剪强度的影响土的抗剪强度是土的重要力学性质之一,工程设计中常用的抗剪强度参数为土体的黏聚力c和内摩擦角φ,而这两个参数又与土体的结构密切相关.前已述及,黄土经过冻融循环作用之后,土体的胶接结构和颗粒排列均发生了变化.因此,冻融作用对黄土抗剪强度也必然会产生影响.本文分别制备了原状黄土和同含水率、同密度的重塑黄土三轴样品,试样高度为125mm,直径为61.8mm.通过三轴剪切试验(UU试验),研究原状黄土和重塑黄土在未冻融和冻融循环15次后的抗剪强度变化规律.由三轴剪切试验结果(图5~图7和表3)可知,未经冻融循环的黄土,黏聚力c值是51.20kPa,经过15次冻融循环后,黏聚力c显著降为25.11kPa,而内摩擦角则由原来的11.49°增大到21.8°.也就是说原状黄土经过冻融循环后其黏聚力c值显著降低,内摩擦角增大.原状黄土在沉积历史中颗粒间有较强的胶结连结,黏聚力c值较大,随着冻融循环作用中水分在土体的冻结和迁移,冻胀力和迁移力不断破坏原始土体的胶结力,土颗粒之间原始固有胶结不断减弱,造成黏聚力c不断降低.由于冻融作用破坏了黄土的原始胶结,较大的团粒会破碎,土颗粒会重新排列,结构均匀,颗粒与颗粒之间的接触点增多,表现为内摩擦角不断增大.重塑土与原状土相比,经过相同冻融循环次数之后,黏聚力和内摩擦角的差别较小.可见土的初始结构对土的抗剪强度影响很大.冻融作用与土样的重塑相似,都破坏了原状土的结构,使土颗粒大小,颗粒之间的接触,颗粒排列更均匀,物理力学性质更加接近.3冻融循环作用对黄土抗剪强度的影响(1)冻融作用破坏了土颗粒之间的连结,大的团粒破碎,体积增大;在土颗粒的重力作用下,颗粒下沉,重新排列,使黄土内原有的大孔隙减少,小孔隙增多,孔隙比增大.多次冻融循环作用使黄土的结构更加疏松,当压力超过自重应力时会产生更大的附加变形.(2)冻融循环作用使黄土颗粒之间原始固有胶结逐渐减弱,造成黏聚力不断降低.相应的反复冻胀和融沉作用使黄土的原始结构破坏,较大的团粒会破碎,颗粒均一化,颗粒与颗粒之间的接触点增多,表现为内摩擦角不断增大.多次冻融循环后,黄土的抗剪强度与重塑黄土的强度接近.NiWankui,ShiHuaqiang.In