冻融循环作用下黄土基本物理性质变异性研究

分类：论文范文 发表时间：2021-04-19 09:52

　　摘要:以陕西富平重塑黄土为研究对象，引入有关变异性分析的变化量和变异系数两个参数，对历经不同冻融循环次数后黄土的物理性质指标进行清晰全面的描述．结果表明:土样的密度和孔隙比的变化量呈现“共轭”变化，水理性质指标的变化量均随冻融次数的增加而变小;各项指标的变异系数均随冻融次数逐渐减小，即土样内部形成新的结构，并趋于稳定．在分析黄土基本物理性质变异性的基础上，可进一步探讨其内部颗粒排列、粒度成分及矿物成分等的发展转变，为解决该地区冻融黄土的土工问题提供了参考，同时，也是判断其工程性质最基本的依据之一．

　　关键词:黄土;冻融循环;物理性质;变化量;变异系数

　　0引言

　　黄土覆盖了我国陆地面积的6．6%，是我国广泛分布的特殊土之一．黄土多分布于我国中西部的季节性冻土地区，是这些地区常用的建筑材料，土坝、堤防、路基、边坡等均为黄土构筑物，在其运行期间，都不可避免的要经受冻融循环作用［1］．冻融作用可以强烈地改变土体的结构，能够改变土颗粒的排列和连结［2］，从而改变土的物理力学性质，这些特性的变化能够导致土体工程性质的改变甚至劣化，如基础的不均匀冻胀和融沉变形．因此，在冻土地区实际的工程建设中，对于如何确定地基的承载能力，尤其是设计对变形及渗透特性控制标准较高的黄土建筑物，要充分考虑冻融前后土体物理力学性质的变化［1－3］．有研究表明，冻融会使松散土的密度增大，孔隙比减小，而密实土则相反［4］;另外，土的渗透性均有所增长大约1～2个数量级［5－6］，同时土的塑性指数也会发生不同的变化［6－7］．研究人员对杨凌黄土试样进行冻融循环试验后发现其孔隙比与渗透性在前10次冻融循环过程中变化最为剧烈，经历30次冻融循环后逐渐趋于稳定［8］

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　　1试验方法与理论基础

　　1．1试验材料与样品制备

　　以陕西富平黄土为研究对象，用于重塑的原状黄土的基本物理性质如表1所示，粒度分布情况见图1．其中，粉粒级所占比例最大，占61．6%;其次为砂粒级，占21．7%;黏粒级占16．7%．按照土的粒度成分分类，将陕西富平黄土定为粉质亚黏土．

　　1．2冻融循环试验与物理指标测试

　　利用冻融循环试验箱对样品进行冻融循环，根据当地的气候温度变化情况，将冻融过程中冻结与融化的环境温度分别设定为－20°C与+20°C，冻融方式采取多向冻融．在试验前对单个样品进行冻结和融化试验，确定样品的完全冻结与融化时间均为2h，如图2所示．根据以往的研究经验，冻融循环次数设定为0、4、6、8、10、50、100次，按照冻融次数将样品分为7组，单组有3个平行样品．试验过程中，取出到达冻融循环次数的样品进行测试，剩余样品继续进行冻融循环试验，直至完成所有试验计划的冻融循环次数(图3)，图3中的字母C表示进行冻融循环试验，后面的数字表示冻融循环次数．

　　2试验结果及分析

　　2．1物理性质的测试结果及分析

　　对经历不同冻融循环次数后的黄土进行物理指标测试，对比图4和图5后发现，孔隙比和密度的变化相互对应，即密度随孔隙比增大而减小．冻融循环前10次二者的变化均最为剧烈，在循环次数为第4次和第8次时，密度均较大，孔隙比较小;冻融循环10次以后，密度缓慢减小，孔隙比增大，50次后，变化趋于稳定．同时，从水理性质与冻融次数的关系(图6)中看出，液限、塑限及塑性指数的变化趋势整体上是一致的，3项指数几乎同时增大或减小，在冻融循环4次时3项指数均最大，在冻融循环0次和8次时相对较小，当冻融循环50次以后，三者均有继续缓慢减小直至稳定的趋势，这应该是冻融过程中土样内部黏颗粒的团聚造成的．

　　2．2物理性质指标变化量的分析

　　在图4～6中只能直观地看出各项指标的宏观相对变化情况，对于具体的相对变化量并不能清楚的显现出来，图7和图8能够更加清楚直观地分析冻融循环次数对土的物理性质的影响，以获得各项性质的相对变化量．

　　3结论

　　以陕西富平重塑黄土为研究对象，采用变化量和变异系数两种参数对不同冻融次数下的土样物理性质的变异性进行了描述和分析，并得出以下结论:

　　(1)冻融循环作用下，孔隙比和密度的变化整体上相互对应，并且经历多次冻融循环后土样密度随着孔隙比的增大而减小;水理性质方面，多次冻融后，液限、塑限以及塑性指数均减小．冻融循环前10次试样的基本物理参数变化极不稳定，10次冻融循环后其各项参数变化趋于稳定．

　　(2)密度变化量与孔隙比变化量呈现“共轭”变化，而水理性质3项指标变化量总体趋势一致．冻融循环50次后，土样结构变化基本完成，冻融作用使得颗粒重新排列联结，各项参数变化量亦逐渐趋近于0．

　　参考文献(Ｒeferences):

　　［1］LianJiangbo．Studyonthevariationofphysicalpropertiesofloessunderfreezing-thawingcycles［D］．Yangling，Shaanxi:NorthwestA＆FUniversity，2010．［连江波．冻融循环作用下黄土物理性质变化规律［D］．陕西，杨凌:西北农林科技大学，2010．］

　　［2］ZhangZe，MaWei，QiJilin．Structureevolutionandmechanismofengineeringpropertieschangeofsoilsundereffectoffreeze-thawcycle［J］．JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdi-tion)，2013，43(6):1904－1914．［张泽，马巍，齐吉琳．冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理［J］．吉林大学学报(地球科学版)，2013，43(6):1904－1914．］

　　［3］LeiHanzhong．Engineeringpropertiesofthawingsoilanditsapplication［J］．CoalMineDesign，1994(6):39－44．［雷汉忠．冻融土的工程性质及利用［J］．煤矿设计，1994(6):39－44．］

　　周泓1，2，3，张泽2*，秦琦2，3，陈辉1，2，3

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