凍融循環(huán)作用下黃土微觀結(jié)構(gòu)的演變

凍融循環(huán)作用下黃土微觀結(jié)構(gòu)的演變

0反復(fù)凍融作用對(duì)非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的影響冷融作用是季節(jié)性冷土區(qū)黃土結(jié)構(gòu)不良的重要原因之一。根據(jù)研究，冷融過(guò)程后，土壤顆粒再次排出，土壤之間的連通性也發(fā)生了變化，改變了土壤的物理力學(xué)性質(zhì)。在冷地區(qū)，如路塹和傾斜樓梯的建設(shè)，會(huì)影響土壤的新的冷融作用。因此，在計(jì)算變形和穩(wěn)定性分析時(shí)，有必要考慮土壤物理力學(xué)性質(zhì)的變化。20世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)外學(xué)者在研究?jī)鋈谧饔脤?duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)影響方面已取得了許多成果.試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)之后,細(xì)粒土的孔隙比減小,而滲透系數(shù)增大;松散土和密實(shí)土經(jīng)過(guò)若干凍融循環(huán)之后趨向于一個(gè)穩(wěn)定的孔隙比,即殘余孔隙比.在凍融作用對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)影響上,有的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)凍融作用之后,土體的抗剪強(qiáng)度有所增加;而有的卻認(rèn)為土體的抗剪強(qiáng)度經(jīng)過(guò)凍融作用之后有所降低.還有研究發(fā)現(xiàn),凍融作用前后土的強(qiáng)度變化不大;土體在融化中,強(qiáng)度的衰減與土的類(lèi)型有很大的關(guān)系;凍脹和融沉作用是造成凍土地區(qū)路基破壞的主要原因.另外,對(duì)多孔固體材料以及飽和與非飽和土的凍融效應(yīng)也開(kāi)展了試驗(yàn)研究.國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展凍融作用對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)影響的研究雖起步較晚,但也取得了一些有價(jià)值的成果.如對(duì)蘭州黃土經(jīng)過(guò)一次凍融循環(huán)之后發(fā)現(xiàn)凍融作用對(duì)不同干容重的土具有強(qiáng)化和弱化的雙重作用;而從微觀結(jié)構(gòu)上分析凍融作用對(duì)蘭州黃土和天津粉土的結(jié)構(gòu)性影響,發(fā)現(xiàn)土體經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)之后,無(wú)論是力學(xué)性質(zhì)還是土體的微觀結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化.在凍融循環(huán)作用對(duì)非飽和黃土力學(xué)性質(zhì)的影響方面,發(fā)現(xiàn)在含水率較低的情況下,凍融循環(huán)作用對(duì)黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角影響都不大,而在含水率較高時(shí),隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多,凍結(jié)溫度越低,黏聚力不斷減小而內(nèi)摩擦角不斷增大的規(guī)律.反復(fù)凍融作用下楊凌重塑黃土抗剪強(qiáng)度的研究表明,在含水率不變的情況下,經(jīng)過(guò)3~5次凍融循環(huán)之后,黃土的黏聚力降到最低,并趨于穩(wěn)定,而內(nèi)摩擦角的變化則不大.有的學(xué)者發(fā)現(xiàn),在外界有水分補(bǔ)給的情況下,凍融作用使得黃土樣含水率增加,土樣初期的凍脹變形強(qiáng)烈,隨后趨于穩(wěn)定,黃土樣上部干密度減小的比下部大,凍融作用對(duì)土樣的結(jié)構(gòu)具有弱化作用的規(guī)律;凍融作用改變了黃土的孔隙結(jié)構(gòu)從而使其壓縮性和濕陷性發(fā)生明顯變化;凍融作用也對(duì)壓實(shí)黃土和青藏粉質(zhì)黏土的微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響.另外,國(guó)內(nèi)學(xué)者在路基凍融過(guò)程、凍融循環(huán)對(duì)砼護(hù)坡界面抗剪強(qiáng)度及寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響等方面開(kāi)展了許多試驗(yàn)研究.無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi),在凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響上都已經(jīng)做出了大量的工作.這些研究中,在凍融作用對(duì)土體物理性質(zhì)的影響上得出了大致相同結(jié)論,如凍融作用使得土體滲透性增大,使松散土的孔隙減小,密實(shí)土的孔隙增大等.但由于土的性質(zhì),初始狀態(tài)以及試驗(yàn)條件等的差異,凍融作用對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)的影響上研究結(jié)論差異很大,有些結(jié)論甚至是完全相反的.因此,開(kāi)展不同地區(qū)不同土類(lèi)在凍融作用下的物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律研究仍是十分必要的.本文以洛川原狀黃土為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)多次凍融循環(huán)的黃土試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn),研究了凍融作用對(duì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,從而為黃土地區(qū)工程建設(shè)中的凍融災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù).1凍融循環(huán)驗(yàn)證和分析試驗(yàn)樣品通過(guò)人工探井取自洛川黃土塬,取土深度為1.65~1.9m.原狀土取樣之后,密封送到試驗(yàn)室.原狀樣品根據(jù)GB/T50123-1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求制樣,制備的樣品測(cè)量其原狀未凍融的密度、含水率、孔隙比以及液塑限等(表1).試驗(yàn)土樣裝在密封塑料袋中,防止水分散失.將密封袋放入可控式超低溫箱中,一個(gè)密封袋被認(rèn)為是一個(gè)完全封閉的循環(huán)體系.試樣在-31℃的凍結(jié)溫度下冷凍12h,保證試樣完全凍透;在29℃的融化溫度下融化10h,確保試樣完全融化,這樣為一次凍融循環(huán).重復(fù)以上過(guò)程,試樣分別凍融循環(huán)2次、15次和50次.凍融循環(huán)完成后,分別對(duì)凍融后的樣品進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn).黃土的微結(jié)構(gòu)測(cè)試采用陜西師范大學(xué)的環(huán)境掃描電鏡設(shè)備.一般掃描電鏡的樣品室是高真空的,因此,檢驗(yàn)的樣品必須是導(dǎo)電導(dǎo)熱的或者是經(jīng)過(guò)導(dǎo)電導(dǎo)熱處理的干燥的固體樣品.而環(huán)境掃描電鏡可以在低真空環(huán)境下不需要對(duì)樣品進(jìn)行噴Au處理,即可以在自然狀態(tài)下直接觀察二次電子圖像并分析元素成分.由于土體樣品含有水分,并且不能導(dǎo)電,所以使用環(huán)境掃描儀觀察自然狀態(tài)的土體結(jié)構(gòu)非常合適.單軸壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)在凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘭州)完成.其中,壓縮試驗(yàn)的壓力分別采用12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa和300kPa,6個(gè)加壓級(jí)別.當(dāng)在每級(jí)荷載下變形不大于0.01mm時(shí),為變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);三軸剪切試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水剪(UU)試驗(yàn),這樣從開(kāi)始加壓直至試樣剪壞,土中的含水率始終保持不變,孔隙水壓力也不消散.試驗(yàn)周?chē)鷫毫Ψ謩e采用50kPa、150kPa和200kPa,試樣的剪切速率為0.4mm·min-1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1凍融循環(huán)對(duì)深層黃土孔隙結(jié)構(gòu)的影響黃土的微觀結(jié)構(gòu)一般包括4個(gè)方面:1)顆粒形態(tài)(顆粒大小,顆粒形狀,表面起伏);2)顆粒排列的形式;3)孔隙性(孔隙的大小,孔隙分布情況);4)顆粒的接觸關(guān)系.使用環(huán)境電子顯微鏡能夠觀察到土體結(jié)構(gòu)單元體的大小、形狀、表面特征以及結(jié)構(gòu)單元體之間或單元體之內(nèi)的相互排列關(guān)系,孔隙特征及其結(jié)構(gòu)連接關(guān)系等.前人研究發(fā)現(xiàn),黃土的電鏡照片放大到200~600倍可以清楚地觀測(cè)到黃土的孔隙性、顆粒形態(tài)、顆粒接觸關(guān)系和膠結(jié)程度的微觀結(jié)構(gòu),而這些微觀結(jié)構(gòu)也反映了黃土的沉積環(huán)境,應(yīng)力歷史以及力學(xué)特征等.因此,本文選取凍融之后的電鏡照片放大倍數(shù)為500倍.圖1~圖3是原狀土樣在環(huán)境電子顯微鏡下放大500倍的掃描圖片.由圖片可見(jiàn),2次凍融循環(huán)后土顆粒排列還比較緊密,而15次凍融循環(huán)后土顆粒排列疏松多孔,再經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)土體顆粒排列比15次凍融循環(huán)更疏松,并且土體孔隙增多,土顆粒大小、間距和孔隙大小也更均勻.這是由于土體中水分的凍脹作用,破壞了土顆粒之間的連結(jié),體積增大,土體孔隙增大.而當(dāng)土體融化時(shí),隨著土體中的固態(tài)冰變成液態(tài)的水,土顆粒之間凍脹形成的大孔隙由于土顆粒的重力作用下,顆粒下沉,使得土體內(nèi)原有的大孔隙減少,小孔隙增多,從而使孔隙比增大.從凍融循環(huán)后土樣在不同壓力下孔隙比的變化(圖4,表2)可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,同級(jí)壓力下土體的孔隙比不斷增大.在壓力小于自重應(yīng)力(50kPa)時(shí),凍融循環(huán)2次和15次土樣的孔隙比與未凍融試樣相差不大,而凍融循環(huán)50次土樣的孔隙比明顯增大,且隨壓力增大孔隙比的變化更大.這表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,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(lái)越疏松,凍融循環(huán)50次后土樣的原始膠結(jié)已完全被破壞.文獻(xiàn)對(duì)深層黃土的凍融試驗(yàn)研究結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn).2.2原狀黃土和重塑黃土凍融循環(huán)對(duì)原狀土抗剪強(qiáng)度的影響土的抗剪強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一,工程設(shè)計(jì)中常用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為土體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,而這兩個(gè)參數(shù)又與土體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān).前已述及,黃土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用之后,土體的膠接結(jié)構(gòu)和顆粒排列均發(fā)生了變化.因此,凍融作用對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度也必然會(huì)產(chǎn)生影響.本文分別制備了原狀黃土和同含水率、同密度的重塑黃土三軸樣品,試樣高度為125mm,直徑為61.8mm.通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)(UU試驗(yàn)),研究原狀黃土和重塑黃土在未凍融和凍融循環(huán)15次后的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律.由三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果(圖5~圖7和表3)可知,未經(jīng)凍融循環(huán)的黃土,黏聚力c值是51.20kPa,經(jīng)過(guò)15次凍融循環(huán)后,黏聚力c顯著降為25.11kPa,而內(nèi)摩擦角則由原來(lái)的11.49°增大到21.8°.也就是說(shuō)原狀黃土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后其黏聚力c值顯著降低,內(nèi)摩擦角增大.原狀黃土在沉積歷史中顆粒間有較強(qiáng)的膠結(jié)連結(jié),黏聚力c值較大,隨著凍融循環(huán)作用中水分在土體的凍結(jié)和遷移,凍脹力和遷移力不斷破壞原始土體的膠結(jié)力,土顆粒之間原始固有膠結(jié)不斷減弱,造成黏聚力c不斷降低.由于凍融作用破壞了黃土的原始膠結(jié),較大的團(tuán)粒會(huì)破碎,土顆粒會(huì)重新排列,結(jié)構(gòu)均勻,顆粒與顆粒之間的接觸點(diǎn)增多,表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角不斷增大.重塑土與原狀土相比,經(jīng)過(guò)相同凍融循環(huán)次數(shù)之后,黏聚力和內(nèi)摩擦角的差別較小.可見(jiàn)土的初始結(jié)構(gòu)對(duì)土的抗剪強(qiáng)度影響很大.凍融作用與土樣的重塑相似,都破壞了原狀土的結(jié)構(gòu),使土顆粒大小,顆粒之間的接觸,顆粒排列更均勻,物理力學(xué)性質(zhì)更加接近.3凍融循環(huán)作用對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響(1)凍融作用破壞了土顆粒之間的連結(jié),大的團(tuán)粒破碎,體積增大;在土顆粒的重力作用下,顆粒下沉,重新排列,使黃土內(nèi)原有的大孔隙減少,小孔隙增多,孔隙比增大.多次凍融循環(huán)作用使黃土的結(jié)構(gòu)更加疏松,當(dāng)壓力超過(guò)自重應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的附加變形.(2)凍融循環(huán)作用使黃土顆粒之間原始固有膠結(jié)逐漸減弱,造成黏聚力不斷降低.相應(yīng)的反復(fù)凍脹和融沉作用使黃土的原始結(jié)構(gòu)破壞,較大的團(tuán)粒會(huì)破碎,顆粒均一化,顆粒與顆粒之間的接觸點(diǎn)增多,表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角不斷增大.多次凍融循環(huán)后,黃土的抗剪強(qiáng)度與重塑黃土的強(qiáng)度接近.NiWankui,ShiHuaqiang.In