补水条件下冻融对冬灌区饱和黄土抗剪强度的影响

潘 鹏 李 剑 刘 宁 郝佳兴

（宁夏大学土木与水利工程学院 银川 750021）

补水条件下冻融对冬灌区饱和黄土抗剪强度的影响

潘 鹏 李 剑 刘 宁 郝佳兴

（宁夏大学土木与水利工程学院 银川 750021）

针对冬灌区黄土工程冻害严重的问题，结合黄土的区域性特点以及当地气候条件和不良的水文地质情况，以初始干密度、冻融循环次数为因素，在开放补水条件下，采用单向冻融法研究了冬灌区饱和黄土抗剪强度的冻融效应，分析作用规律和机理。试验结果表明：冻融使黄土的抗剪强度减小，冻融引起的粘聚力损失量和内摩擦角损失量均在多次冻融后趋于稳定，且初始干密度越大，达到稳定所需的冻融循环次数越多；初始干密度越大，粘聚力损失量的增幅越大，而内摩擦角损失量的增幅越小。建立了补水条件下粘聚力损失量、内摩擦角损失量分别冻融次数、初始干密度的关系模型，相关性良好。

黄土；冻融循环；补水；抗剪强度

0 前言

宁夏地处蒙古冷空气南下之要冲，冬季平均最低气温-28.4℃，昼夜温差大。宁夏黄土具有粉粒性、冻胀敏感性、毛细水上升高度大等特点[1]。加之每年10月下旬开始冬灌，地下水位显著升高，浅层土含水率增大，路基、渠道及其衬砌遭到严重冻胀破坏[1]。国内外关于冻融效应对季节性冻土影响的研究已取得了不少成果，有较为统一的结论：冻融使土的模量降低[2]，渗透性增大[3]；使松散土的的体积和孔隙减小，使密实土的体积和孔隙增大[4]，团粒粒径向均一性趋势发展[3]；水及盐分向冷端迁移[5]，且温度梯度越大，冻融效应愈大等。但因土质和试验方法的不同有些结论差异很大：如Chuilin Y M等多数研究者表明冻融后土体强度降低[6]，有的却发现强度增加[7]或者变化不大[8]。同时黄土的冻融效应具有明显的区域性，如叶万军等发现冻融使洛川黄土冻胀、黏聚力下降，而铜川黄土冻缩、黏聚力升高[9]。针对宁夏黄土工程冻害严重的问题，结合当地严酷的气候条件和不良的水文地质环境，在补水条件下，开展宁夏冬灌区饱和黄土强度特性的冻融效应研究，对发展西部地区基础建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1试验材料

试验所研究黄土取自宁夏同心，天然密度1.56g/cm3，含水率7.9%，土粒比重2.72，塑限17.3%，液限28.6%，塑性指数11.3。粒径分布见图1，主要为0.075mm～0.005mm的粉粒，占83.9%，黏粒含量较少，有少量的砂粒。

图1 同心黄土的粒径分布

图2 试样封护

1.2试验方案

以初始干密度d和冻融循环次数F为因素，在开放补水系统条件下，试验研究冻融循环对宁夏饱和黄土抗剪强度的影响规律。初始干密度d设1.25、1.35、1.45、1.55和1.65g/cm35个水平，冻融循环次数FN设0、3、7、12、20、30和50次7个水平。冻结温度依据当地多年极端最低气温平均值设为-28.5℃，融化温度设为20.0℃，每个冻融循环冻24h，融24h，融化后饱和。

1.3试验方法

⑴试样制备。将土样风干，碾散，采用压样法成样，严格依据土工试验方法标准GB50123 1999用真空法抽气饱和，成样后立即密封以防止失水，试样封护如图2所示。

⑵补水冻融试验。在环刀的侧面和底面包裹保温材料已保证单向冻融，在可控温度的低温试验箱中进行冻融试验。在每个冻融循环后抽气饱和，维持试样冻融后饱和以模拟补水。

⑶抗剪强度试验。采用快剪试验方法，应用应变控制式电动直剪仪，在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa 4个垂直压力下，测定土样在不同冻融循环后的粘聚力c和内摩擦角φ。

2 结果与分析

2.1试验结果

为方便研究，将试样未经冻融时的粘聚力与冻融后的粘聚力的差值记为粘聚力损失量cd，各干密度试样的粘聚力损失量cd与冻融循环次数F的关系曲线示于图3。由图3可以看出：各干密度试样的粘聚力损失量均为正值，表现为冻融使试样的粘聚力降低；cd随冻融循环次数的增加而增大，且最终均趋于某一稳定值；初始干密度越大，cd达到稳定值所需的冻融次数越多且cd增加幅度越大。

机理分析：冻融使土体冻胀，密实度减小、粘聚力降低；开放条件下冻融，每次冻融后均有水的补给，每次冻融后试样冻胀、孔隙增加，而水的补给会不断填充至孔隙中，因此初始干密度大的试样粘聚力损失量大，所有试样最终因达到残余孔隙比而冻胀稳定[4]。

同样将试样未经冻融时的内摩擦角与冻融后的内摩擦角的差值记为内摩擦角损失量φd，各干密度试样的内摩擦角损失量φd与冻融循环次数F的关系曲线示于图4。可以看出：各干密度试样的内摩擦角损失量均为正值，表现为冻融使试样的内摩擦角降低，但内摩擦角损失量不大；φd随冻融循环次数的增加而增大，且最终均趋于某一稳定值；初始干密度越大，φd达到稳定值所需的冻融次数越多，但最终内摩擦角损失量越小。

2.1模型建立

粘聚力损失量cd、内摩擦角损失量φd与冻融循环次数F均呈良好的双曲线关系。

式中：k1、k2和cu、φu均为待定拟合系数。cu、φu的意义是F趋向于无穷时cd、φd的极值。

用最小二乘法分别得出粘聚力损失量、内摩擦角损失量关系模型中待定参数与初始干密度的回归关系，示于表1，其中相关性系数R2均大于0.9，可见用双曲线拟合饱和黄土粘聚力损失量cd、内摩擦角损失量φd与冻融次数的关系，具有良好的相关性。

表1 拟合系数

3 结论

(1)在开放补水条件下，冻融循环使冬灌区黄土的粘聚力和内摩擦角均减小。粘聚力损失量和内摩擦角损失量随冻融循环次数的增加而增大，且最终均趋于某一稳定值。

(2)在开放补水条件下，初始干密度越大，粘聚力损失量和内摩擦角损失量达到稳定值所需的冻融循环次数越多，粘聚力损失量增幅越大，内摩擦角损失量增幅越小。

(3)建立的粘聚力损失量、内摩擦角损失量与冻融循环次数的关系模型相关性好。

[1]薛塞光.宁夏寒冷地区骨干渠道砌护技术研究[J].人民黄河,2012,34(1)：96-98.

[2]Simonsen E, Janoo V C, Isacsson U. Resilient Properties of Unbound Road Materials during Seasonal Frost Conditions[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2002,16(1)：28-50.

[3]连江波,张爱军,郭敏霞,等.反复冻融循环对黄土孔隙比及渗透性的影响[J].人民长江,2010,41(12)：55-58.

[4]Viklander Peter. Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze-thaw [J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(3)： 471-477.

[5]陈乃嘉,宋培源,李嘉瑞冻融作用下的土壤水盐运移特征研究[J].节水灌溉, 2014,(5)：52-54.

[6]常丹,刘建坤,李旭.冻融循环下粉砂土屈服及强度特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报, 2015,34(8)：1721-1728.

[7]Alkire B D, Morrison J M. Change in soil structure due to freeze-thaw and repeated loading[J]. Transportation Research Record, 1983,918： 15-21.

[8]Christopher S, Christopher G. Freeze-Thaw Effects on Boston Blue Clay[J]. Journal of Engineering and Applied Science, Soil Improvement for Big Digs, 1998,(81)：161-176

[9]叶万军,杨更社,彭建兵,等.冻融循环导致洛川黄土边坡剥落病害产生机制的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(1)：199-205.

TU443

A

1007-6344（2017）05-0302-02

潘鹏(1993-)，男，宁夏银川人，研究生，主要研究岩土性质