冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究

青海地处多年冻土地区,属于青藏高原大陆性气候带,冻融循环是路基和地基基础的一种常见破坏因素,为研究冻融循环作用对青海地区实际工程的影响,揭示冻融循环作用对其损害的机理,通过对青海西宁地区原状黄土和重塑黄土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,分析不同冻融温度和不同冻融循环次数对原状黄土、重塑黄土无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明:当黄土经历0～6次冻融循环时,原状黄土和重塑黄土的强度逐渐降低,而8～10次冻融循环后其强度先增大后趋于稳定;原状黄土的强度随冻融温度降低而降低,而重塑黄土的强度随冻融温度降低先增大后减小;从微观角度分析,冻融温度的降低和冻融循环次数的增加,均导致黄土大颗粒逐渐分解为小颗粒,颗粒的排列方式发生改变。     

冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响

在季节冻土区, 周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构, 土的孔隙率与渗透性也随之产生相应的变化. 针对这一现象进行了原状黄土和重塑黄土的冻融循环试验和冻融循环后的渗透试验. 结果显示: 随着冻融循环作用的进行, 原状黄土与重塑黄土干密度的变化趋势都是先增大后减小, 然后趋于稳定. 由于渗透系数与干密度呈负线性关系, 所以随着冻融循环次数的增加, 原状黄土与重塑黄土的渗透系数都是先减小后增大, 最后在4×10^-4~6×10^-4 cm·s^-1之间趋于一个稳定值. 因为重塑黄土是扰动土, 土结构中的颗粒大小较为均匀, 而原状黄土的土结构中颗粒大小不均匀, 导致重塑黄土的渗透系数始终大于原状黄土.     

冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。     

基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究

为了得到冻融作用对黄土孔径分布的影响规律， 以重塑黄土为研究对象， 利用压汞法测试经历不同冻融循环次数后黄土样品的孔隙特征， 采用3种分形模型对冻融作用后的黄土微观孔隙结构进行定量表征和对比研究。结果表明： 未经冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈单峰分布， 经历冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈双峰甚至多峰分布。冻融作用对黄土中孔径分布在0.1 ~ 10 μm范围内的孔隙影响较大。前10次冻融作用使黄土孔隙率增加， 特别是经历6次冻融作用后， 与未经历冻融作用的黄土相比孔隙率增大约18.8％。随着冻融作用的继续， 黄土孔隙率减小且趋于稳定。经历不同冻融循环次数后的黄土孔隙分布均具有良好的统计分形特性。基于热力学模型和毛细管压力曲线法表征黄土孔隙结构时， 黄土孔隙呈现显著的分形特性， 可在整个孔径尺度范围内给出唯一且合理的分形维数。基于Menger海绵模型表征的经历冻融作用后黄土孔隙分形特征呈现多尺度分形， 在不同的尺度范围内， 有不同的分形维数。结合分形理论可知冻融作用改变了黄土孔隙均匀性及复杂程度。     

冻融循环对黄土渗透系数各向异性影响的试验研究

为了反映冻融循环作用对原状黄土渗透各向异性及原状、 重塑黄土渗透差异的影响， 以西安Q₃黄土为研究对象， 通过三轴固结渗透试验对比分析了冻融前后水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数随初始含水率、 围压、 冻融循环次数变化的规律。结果表明： 未冻融时各级围压下竖直向原状黄土的渗透系数为2×10^-6 ~ 18×10^-6 cm?s^-1， 水平向原状黄土和重塑黄土的渗透系数为0 ~ 4×10^-6 cm?s^-1； 经历冻融循环后， 水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数与初始含水率的关系曲线分别呈现逐渐上升、 抛物线形式与变化平缓的不同特征， 而三者的渗透系数均随冻融循环次数的增加呈现数量级增大的趋势； 原状黄土的竖直 - 水平渗透系数比（k_v /k_h ）由冻融前的4.38逐渐减小到0.90， 可见冻融循环作用在显著提高黄土渗透性能的同时， 可以强烈弱化其各向异性特征。通过建立围压、 渗透系数与土体孔隙率的相关关系可知， 原状、 重塑黄土的孔隙率与围压存在极强的负线性相关性， 渗透系数随围压的增大呈典型指数衰减特征， 渗透系数与孔隙率具有相似的变化趋势， 因此冻融循环过程中土体孔隙率的改变是导致其渗透性质变化的主要原因。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

冻融循环作用下富平黄土微观结构几何类型变化研究

冻融循环作用可通过影响寒区土体结构致使基础设施发生破坏,而导致工程失稳宏观现象的根源来自于冻融作用改变了土体的微观结构。为探索冻融作用下土体微观结构变化规律,将富平黄土作为研究对象,分别对其进行0、4、6、8、10、50、100次冻融循环下的电镜扫描观测试验,得到对应次数下的微观照片,对其从颗粒形态、连结方式、排列形式对孔隙的影响三方面进行分析,并且将微观照片中出现的颗粒接触方式以几何模型的方式进行归类,研究几何模型随冻融循环次数增加后的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,土颗粒大小朝着均一性的方向发展,平均粒径呈先减小后增大趋势;颗粒的连结形式从面胶结为主逐渐演变为点接触为主最终再回归为面胶结为主;土体在0~6次冻融循环时孔隙率呈下降趋势,6~8次冻融循环时孔隙率快速上升,之后随着冻融循环次数的增加孔隙率逐渐减小;粒状粒子几何模型变化规律从棱边接触逐渐过渡为粒面接触,扁平状粒子几何模型变化规律从初始粒面接触为主逐渐演变为棱边接触为主,最终再演变为粒面接触。     

干湿和冻融循环作用下黄土强度劣化特性试验研究

通过室内试验模拟土体季节性的干湿和冻融交替变化,采用直剪试验测试了原状黄土经干湿和冻融循环作用后的抗剪强度及抗剪强度参数的变化,并进行了直剪后试样的易溶盐总量测定.结果表明：干湿和冻融循环作用对原状黄土物理力学性质影响极大,是造成黄土边坡破坏的主要因素.随着干湿循环次数的增加,试样的抗剪强度逐渐减小,黏聚力逐渐减小,内摩擦角先增加,后逐渐趋于稳定,盐分迁移现象明显,土样下部易溶盐含量逐渐减少,上部易溶盐含量逐渐增加,并且试样的质量损失逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,试样的抗剪强度逐渐减小,黏聚力逐渐增大最后趋于稳定,而内摩擦角和盐分迁移现象不明显.     

冻融环境下黄土微结构损伤识别与宏观力学响应规律研究

冻融环境下黄土物理力学性质劣化是寒区工程建设必须要考虑的问题之一,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率、冻融循环次数为变量,借助扫描电子显微镜、Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分型理论定量评价冻融环境下黄土微观结构损伤状态;通过GDS探究不同初始含水率、不同冻融循环次数对试样强度指标的影响,并用显著性理论进行评价。结果表明：随着冻融次数的增加试样内部裂隙不断发育演化,土体内部的大颗粒不断分解为若干小颗粒,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;随着冻融循环次数的增加试样的黏聚力不断减小,内摩擦角不断增大,冻融10次后强度指标趋于稳定,试验结果与图像探伤结论相一致;对试样黏聚力、内摩擦角进行显著性分析可知冻融循环次数、初始含水率及其交互作用（耦合作用）对试样强度指标有特别显著的影响。     

冻融循环作用下土体冻结锋面移动规律试验研究

冻融循环作用改变了土体结构及热物理性质,进而影响了土体温度变化过程,土体冻结锋面的稳定位置也随之变化。为研究冻融循环作用下土体冻结锋面的移动规律,进行了开放系统下的兰州黄土冻融循环试验。试验结果表明：冻结初期冻结锋面迅速下移,冷端温度稳定后其下移速度降低,当土体温度达到平衡时,冻结锋面位置趋于稳定;冻结锋面稳定深度随冻融循环次数的增加而增加.为阐述黄土冻结锋面随着时间变化规律,采用时间比拟法得到了冻融循环次数与冻融时间相似比拟曲线。由拟合曲线得第6次冻融循环后土体冻结锋面稳定在土样高度24.4mm处,实测稳定在24.3mm处,相对误差为0.4%。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响

通过对洛川黄土在反复冻融作用下的电镜扫描观测、单轴压缩试验和三轴剪切试验,研究了冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响. 结果表明：随着冻融循环次数的增加,黄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,同级压力下土体的孔隙比不断增大;冻融循环50次后土样的原始胶结已完全破坏,当压力超过自重应力时会产生很大的附加变形. 反复冻融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. 同时,较大的团粒破碎,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,原状黄土的抗剪强度与重塑黄土的强度接近.     

冻融循环作用下黄土渗透性与其结构特征关系研究

在季节冻土区,周期性的冻融作用改变土体的内部结构,导致土体的渗透性发生变化。黄土渗透性变化的原因可以归结为两类:1黄土孔隙孔径大小的变化。2黄土颗粒粒径大小的变化.因为分形理论能够很好地估算土体的结构特征,所以本文基于分形理论探究冻融循环后黄土渗透性变化的原因。对经历过冻融循环的原状黄土和重塑黄土进行颗粒质量-粒径分布和孔隙体积-孔径分布分形计算,结果显示:原状黄土和重塑黄土的颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度R2分别为0.7509和0.8222,高于孔隙体积-孔径分形维数与渗透系数的拟合度0.467和0.4576。颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度比孔隙体积-孔径分形维数高,说明土颗粒粒径对渗透性的影响大于孔隙孔径,即土体渗透性与土颗粒粒径大小有高度相关性,而与孔隙孔径的关系弱于颗粒粒径。     

冻融循环对黄土二次湿陷特性的影响研究

在黄土地区公路路基建设中, 通常会采用预湿陷等办法来对湿陷性黄土进行处理以达到工程要求.但是在季节冻土区, 处理过的黄土路基却在运营几年后, 仍发生大量的不均匀沉降、 塌陷等病害.为分析冻融循环作用对黄土二次湿陷的影响, 采用室内试验方法, 使大体积黄土样品先完成一次湿陷, 再进行冻融循环和黄土二次湿陷.试验结果表明: 重塑黄土与原状黄土的二次湿陷系数随着冻融循环次数的增加趋向于同一个特定值; 重塑黄土和原状黄土的二次湿陷系数皆大于0.015, 说明二者皆满足湿陷条件, 在冻融条件下具有二次湿陷性.     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.     

冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究

木质素磺酸钙作为一种绿色环保的改良材料,近年来被应用于土体加固领域。为探究木质素磺酸钙对黄土的固化效果,通过开展侧限浸水压缩试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验,分析冻融循环次数、掺量和围压对木质素磺酸钙改良黄土力学性质和微观机理的影响规律。研究结果表明：掺入木质素磺酸钙,可有效消除黄土的湿陷性。此外,改良黄土的应力-应变曲线随木质素磺酸钙掺量的增加向一般硬化型转变,而随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线向弱硬化型转变。改良黄土的破坏强度随木质素磺酸钙掺量的增加呈先增大后减小的趋势,木质素磺酸钙掺量为1%时破坏强度最高,各掺量改良黄土随冻融循环次数的增加先减小后趋于稳定,同时抗剪强度指标呈现下降的趋势。通过扫描电镜试验和X射线衍射试验,发现改良黄土内部有胶结物生成并填充了土颗粒间的孔隙,使土体密实度提高,进而提高土体强度;而冻融作用导致土颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。此外,木质素磺酸钙改良黄土中未发现有新的矿物成分生成,且冻融作用未造成土体矿物成分的消解。     

基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

在季节性冻土区,冻融作用诱发黄土滑坡的本质是冻融循环作用下黄土物理力学性质的劣化,探明冻融作用下温度以及水分迁移对黄土强度的影响及其机制是必要的。以山西省柳林县某黄土边坡为例,采用一种新的冻融循环方式即按照土体每年历经的温度路径进行冻融循环,研究在温度动态变化的冻融循环作用下土体的抗剪强度变化规律以及反复冻融循环作用对土体黏聚力、内摩擦角和微观结构的影响。结果表明:在一轮冻融循环过程中,土体强度与温度呈负相关关系,低温对土体强度影响较大。随着冻融次数的增加,土体黏聚力呈指数函数下降,内摩擦角几乎没有明显变化。微观试验表明,随着冻融次数的增加,土体内大颗粒破碎化,孔隙增多,表现为颗粒趋于均一化,中等大小(5~10 μm)孔隙占比最大。本次研究模拟了土体经历的温度变化过程,为该地区季节性冻融型黄土滑坡防治提供了借鉴作用。      

考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究

提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明,微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大。进一步应用蒸汽增湿法得到的不同含水率原状土样测定了非饱和黄土冻融后的强度指标,揭示出当非饱和原状黄土含水率过低时,冻融作用对黄土的粘聚力值基本没有影响,当含水率较高时,经历冻融循环后黄土粘聚力值较冻融前降低,冻结温度越低以及冻融循环次数越多,降低值越大。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前增加,冻结温度越低,增加值越大。在含水率较低时冻融循环次数几乎不引起内摩擦角值发生变化,在含水率较高时冻融循环次数越多,引起内摩擦角增加值越大。     

冻融作用对饱和粉质黏土抗剪性能的影响

为研究季节冻土地区冻融作用对道路边坡土体抗剪性能的影响规律,在不同冻结和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验。试验结果表明:饱和原状粉质黏土冻融后,黏聚力降低,内摩擦角增大,冻结温度越低,冻融作用对黏聚力和内摩擦角的影响越小,随着冻融循环次数的增加,5～7次冻结循环后二者的变化逐渐趋于稳定。水分补给会强化冻融作用对试验土抗剪性能的影响;融化温度对试验土的抗剪性能影响很小。     

冻融循环对原状过湿土固结变形特性的影响

为了研究季冻区过湿土的固结变形特性,对黑大公路青冈段路基原状过湿土进行固结试验和渗透试验,研究了冻融循环作用下原状过湿土的固结变形特性。试验结果表明：原状过湿土的含水率越高,土体的压缩性越高;初始孔隙比越大,渗透性越高。冻融循环后,过湿土产生不规则裂缝,土的结构也发生改变,土的压缩系数有所增大,随着冻融循环次数的增加,压缩性先增大后趋于平缓。冻融后过湿土的竖向渗透系数明显增大,且随着冻融循环次数的增加渗透性呈现先增大后趋于平缓的规律,而横向渗透系数冻融前后无明显差异。