冻融循环对黄土强度影响研究综述

仇楠　马楠　雷荣凯

摘要：针对黄土在经历冻融循环后土体强度的问题，归纳总结了冻融循环对黄土微结构以及力学性质和参数产生的影响、通过改性黄土提高土体强度的研究进展，并对未来该领域研究做出展望。

关键词：冻融循环;含水率;强度

引言

我国黄土分布广泛，且主要分布在西北、华北与东北地区，尤其集中分布在被称为黄土高原的陕西、甘肃以及宁夏等地区。且宁夏处于季节性冻土地区，从工程角度来讲，季节性冻土对工程危害最大，稍有不慎就会造成地面塌陷，建筑物倾斜、倒塌，冻融循环是季节性冻土区产生病害的关键因素[1]。黄土经历冻融后土体结构容易发生改变进而影响黄土的工程性质，比如黄土的抗剪强度、单轴抗压强度等。进而会造成有些工程事故的发生，因此研究冻融条件下黄土工程性质的变化规律就显得迫在眉睫。目前国内已有部分学者针对黄土冻融后土体强度的问题进行了研究，本文主要对国内部分学者的相关研究成果进行梳理和总结。

1 研究进展

1.1 冻融循环对黄土微结构的影响

黄土是一种特殊土，具有水敏性、大孔性、结构性，其中结构性影响黄土的强度特性最为显著。宏观上讲，结构性主要是指黄土抗压、抗剪等能力;微观上讲，主要是指黄土颗粒之间排列连接形式;水、温度、外部荷载等因素可以改变土颗粒之间的连接和排列方式从而改变黄土的结构性[2]。有研究发现，黄土体经过冻融循环后，土体颗粒之间连接形式改变，使土整体结构发生变化，对土体的强度特性产生很大的影响[3]。

并且，冻融作用对黄土微观结构影响显著，表现在黄土大骨架颗粒数量明显减少，颗粒变的较为松散，小孔隙也随之增多[4]。具体表现为颗粒尺寸大部分变得一致，土粒结构发生明显改变，土颗粒由于土中孔隙水的冻结，连接不断减弱，土中大孔隙不断增加，破坏了黄土体结构的完整性，使得土体强度减弱。大孔隙相互连接形成孔隙水的迁移通道，使黄土表面冻害加剧且析冰量增加。

1.2 冻融循环对黄土强度的影响

冻融循环作用使得土体内水分重新分布且结构发生弱化，改变了黄土的原有骨架和组构，使得黄土孔隙率发生明显变化进而导致黄土的渗透性发生变化[5][6]。从而影响了水分的迁移，在补水情况下冻融过程中黄土表面结构发生破坏，含水率越高土样形态破坏越严重[7]。且随冻融次数的增加黄土粘聚力随冻融次数增加呈现出衰减，含水率高到一定程度后，水充满了土颗粒间的间隙，内部水分迁移显著，土体冻结形成较大的冰晶，产生的冻胀力对土体的结构破坏就越严重[8]。理论上讲，黄土在冻融过程中土颗粒结构发生了改变，土体结构受到损伤，土颗粒间的接触点增多，可以使得土体内摩擦角增大[9]。

程秀娟等[10][11]研究发现，冻融循环主要影响了黄土抗剪强度，使土的粘聚力降低，含水率越大粘聚力降低的越明显，因此在补水条件下增进了黄土强度的降低，进一步影响黄土工程的稳定性。

1.3 改性黄土冻融循环后土体强度的变化

由于冻融循环对黄土土体结构造成破坏导致黄土体强度弱化，因此人们想要通过一系列措施来对黄土地基进行处理。当前硅化法是湿陷性黄土地基处理的主要化学方法之一[12]。为了提高冻融循环后黄土的强度王建良、王银梅、宋学庆、吕擎峰等[13][14][15][16]通过石灰、粉煤灰、新型高分子固化剂SH、水泥等掺料来改良黄土，通过实验对改良黄土的抗剪强度、无侧限抗压强度、承载比、抗冻性等分析研究，结果表明改良后黄土抗剪强度和抗压强度均随着掺料在一定范围内的增加而增大;说明改良黄土可以有效的提升黄土的强度，并有效防止冻融条件导致的损害。

2 存在问题

第一，在对黄土进行冻融循环实验设计中，对于冻结温度和冻结速率的影响因素没有考虑到位，在我们一般的冻融循环实验中，冻结速率通常被忽视，而冻结速率是黄土冻融灾害的一个主要因素。

第二，非实验环境条件下的冻融对黄土作用是一个漫长的过程，但是如今为满足实验的需要，尽快获得冻融循环作用下黄土的性能变化，我们进行室内实验来模拟研究黄土的冻融特性，然而模拟实验冻融黄土的制样大小及制样形状是我们需要考虑的问题。

3 结论及展望

冻融对黄土的微观结构造成影响，破坏了土颗粒之间的连接。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。

冻融造成黄土中水分重分布，在补水条件下，水分通过毛细通道向土体表面迁移，使土体表面结构发生严重的冻融破坏，土体强度发生改变。

目前大部分对冻融后土体强度影响的研究仅仅止步于单向冻融循环后对土体强度进行剪切强度和抗压强度的测定，而对于双向冻融循环后冻胀和融沉规律以及强度规律的研究还很少，对于像黄土岸坡这类开放的黄土工程而言，双向冻融作用对黄土的影响研究就显得尤为必要。

参考文献

[1]叶万军.冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应[J].岩土力学，2018，39（07）：01-09.

[2]杨更社，魏尧，田俊峰等.冻融循环对结构性黄土构度指标影响研究，西安科技大学学报[J]，2015，35（06）：675-681.

[3]齐吉琳，张建明，朱元林.冻融作用对土结构性影响的力学意义[J].岩石力学与工程学报，2003，22（02）：2690-2694.

[4]许健，王掌权，任建威等.重塑黄土冻融过程抗剪强度劣化特性试验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2017，49（02）：200-206.

[5]肖东辉，冯文杰，张泽等.冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响[J].冰川冻土，2014，36（05）：1192-1198.

[6]肖東辉，冯文杰，张泽.冻融循环作用下黄土孔隙率变化规律[J].冰川冻土，

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[7]许健，李诚钰，王掌权等.原状黄土冻融过程抗剪强度劣化机理试验分析[J].土木工建筑与环境工程，2016，38（05）：90-98.

[8]叶万军，刘宽，杨更社等.冻融循环作用下黄土抗剪强度劣化试验研究[J].科学技术与工程，2018，18（03）：313-318.

[9]张辉，王铁行，罗扬.非饱和原状黄土冻融强度研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2015，43（04）：210-214.

[10]程秀娟，张茂省，朱立峰等.季节性冻融作用及其对斜坡土体强度的影响[J].地质通报，2013，32（06）：904-909.

[11]武丹，巨玉文.冻融循环对黄土路基填料抗剪强度影响的实验研究[J].中国科技论文，2017，12（01）：118-120.

[12]吕擎峰，刘鹏飞，申贝.温度改性水玻璃固化黄土冻融特性试验研究[J].工程地质学报，2015，23（01）：59-64.

[13]王建良.青海地区水泥改良黄土技术与性能研究[J].公路，2017，（06）：60-63.

[14]王银梅，程佳明，高立成.冻融循环对化学改良黄土性能的影响[J].太原理工大学学报，2013，44（04）：536-538.

[15]宋学庆.石灰粉煤灰黄土工程性质试验研究[J].中外公路，2017，37（05）：228-232.

[16]吕擎峰，李晓媛，赵彦旭等.改性黄土的冻融特性[J].中南大学学报（自然科学版），2014，45（03）：819-825.

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现代物业杂志社

2019-07-26