冻融循环对原状黄土的持水特性影响.pdf
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1、西北大学学报(自然科学版)2024年2 月,第54卷第1期,Feb.,2024,Vol.54,No.1Journal of Northwest University(Natural Science Edition)JNWU工程地质灾害冻融循环对原状黄土的持水特性影响张小辉,乔斯嘉,张登飞,王勇华,李世雄,苏铁志3(1.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西西安7 10 0 2 1;2.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点试验室,陕西西安7 10 0 6 9;3.航天规划设计集团有限公司,北京10 0 16 2)摘要冻融作用是引起黄土边坡溜塌和路基沉陷等工程病害不可忽视的重要因素。持水特性作为分析
2、非饱和黄土水力-力学特性的关键物性,有关冻融作用对黄土持水特性的影响有待深入研究。该文以冻融循环后原状黄土为研究对象,研究了冻融循环次数和冻融前含水率对持水曲线及其特征参数的影响。研究结果表明,冻融循环对持水曲线的影响呈波动性变化,影响程度受控于循环次数与冻融前初始含水率水平;不同冻融条件下饱和度与吸力比(吸力与进气值之比)关系可以归一;通过建立进气值与构度指标之间的定量联系,构建了可统一考虑冻融循环作用影响的修正持水模型;初步证实了冻融循环条件对原状黄土持水曲线的影响,可以通过土的构度指标变化引起进气值的改变来反映。关键词原状黄土;冻融循环;持水特性中图分类号:TU473Water rete
3、ntion behaviours of intact loessexposed to freeze-thaw cyclesZHANG Xiaohui,QIAO Sijia,ZHANG Dengfei?2,WANG Yonghua,LI Shixiong”,SU Tiezhi3(1.China Jikan Research Institute of Engineering Investigation and Design Co.,Ltd.,Xi an 710021,China;2.State Key Laboratory of Continental Dynamics,Department of
4、 Geology,Northwest University,Xi an 710069,China;Abstract Freeze-thaw acting is an important factor that cant be ignored in engineering disasters such as lo-ess slope slump and roadbed subsidence.Water retention behaviour is the key physical property for analyzingthe hydraulic-mechanical properties
5、of unsaturated loess,and it needs to be further studied that how freeze-thaw cycle affects water retention behaviours of loess.This test took intact loess after freeze-thaw cycles as re-search objects and studied how both the number of freeze-thaw cycles and the water content before freeze-thawaffec
6、t the soil-water retention curve(SWRC)and its characteristic parameters.The results show that the effectof freeze-thaw cycles on SWRC is fluctuating,and the degree of influence is controlled by the number of cyclesand the initial water content before freeze-thaw.The relationship between saturation a
7、nd ratio of suction(ratioD0I:10.16152/ki.xdxbzr.2024-01-0023.China Aerospace Planning and Design Group Co.,Ltd.,Beijing 100162,China)收稿日期:2 0 2 3-10-2 7基金项目:国家自然科学基金(42 0 2 7 8 0 6,42 3 7 2 3 2 4,419 0 7 2 3 3)。第一作者:张小辉,男,高级工程师,从事岩土工程勘察、设计等研究,2 9 50 6 9 13 4 。通信作者:张登飞,男,博士,副教授,博士生导师,从事黄土动力灾害与防控研究,。1
8、2between suction and air-entry value)can be normalized under different freeze-thaw conditions.By establishingquantitative relationship between the air-entry value and the structure index,a modified water-retention modelwas proposed to consider the effect of freeze-thaw cycles uniformly.The effect of
9、 freeze-thaw cycle conditionson the SWRC of intact loess is preliminarily confirmed,which can be reflected by the change of air-entry valuecaused by the change of soil structure index.Keywords intact loess;freeze-thaw cycles;water retention behaviours黄土作为特殊土,在中国西北地区分布广泛,且多处于季节性冻土区 12】。位于该区的诸如黄土边坡、路基
10、等工程遭受冻融循环的强风化作用后,时常出现开裂、渗漏、塌和沉陷等工程病害。对此,黄土力学研究中考虑了冻融循环作用的影响,关注了冻结速率、冻结温度以及含水率和冻融循环次数对黄土的物理性质、微观结构和变形强度的影响,取得了丰硕研究成果 3-1工程中遇到的黄土常位于地下水位以上,处于非饱和状态。从现代非饱和土力学中寻求黄土力学的理论支撑是非常必要的,其中,吸力特性是最具代表性的参量 12 。描述吸力与湿度之间的关系称为土的持水特性,它与土物性及其结构的内部因素 13-15、应力和干湿循环的外部因素密切相关 16-17 。冻融循环作用会引起土中结构的改变,势必会对持水特性产生影响。然而,除针对膨胀土开
11、展了相关的试验研究外 18-19 ,对湿陷性黄土的研究还鲜有报道,冻融循环作用后,黄土的持水特性如何变化及其特征参数与冻融循环次数之间的联系尚不清楚,有待深入开展。基于此,本文以原状黄土为研究对象,考虑冻融循环次数和冻融前初始含水率影响,利用压力膜仪开展持水特性试验,探讨冻融循环条件对原状黄土持水特性的影响。1试验材料及方法1.1试验用土及试样制备试验所用土样采自陕西泾阳某斜坡侧壁,为Q3黄土,取土深度4 5m,其物理指标见表1,按土的液塑限分类属于粉质黏土。由土的颗粒级配曲线可知(见图1),试样黄土主要以粉粒为主(含量6 8%),含有部分黏粒(含量2 6%)和少量的砂粒(含量6%)。用专门的
12、削样器,将现场采集的原状土块制备成直径3 8 mm、高度10 mm的特制小环刀试样。环刀尺寸是为了缩短吸力平衡时间和节约压力膜中的占比空间。西北大学学报(自然科学版)相对天然含水率干密度密度GW./%2.7011.41008060402001图1泾阳黄土颗粒级配曲线和粒度分布曲线Fig.1 Grading curve and particle-size distribution curve ofJingyang loess1.2试验方案为研究冻融循环次数对持水特性的影响,对天然含水率的原状黄土试样先进行冻融循环,再进行减湿路径下的持水试验。近10 年黄土高原的大气温度为-2 0 2 0,因此,
13、冻结阶段采用最低温度(-2 0),解冻阶段采用最高温度(2 0)2 0 。试样在-2 0 恒温箱中冷冻12 h,然后在2 0 融化12 h,即为1个冻融循环。设定的冻融循环次数为0、1、2、3、4、5、6,其中0 次冻融循环即为未经冻融作用。考虑已有研究证实了初始5次冻融后黄土结构趋于稳定 2 0 ,设置初始冻融循环次数为6 次。为研究冻融前初始含水率对持水特性的影响,对天然含水率的原状黄土试样通过预湿法达到目标含水率后,先进行冻融循环,再进行减湿路径下的持水试验。预湿法是采用滴水喷洒方式增湿到目标含水率,用保鲜膜包裹后在保湿缸中放第54卷表1土样的物理性质Tab.1Physical prop
14、erties of soil samplesPa/(g:cm*3)1.37砂粒粉粒10-110-2粒径/mm液限塑限WL/%Wp/%31.4418.835一颗粒级配曲线一粒度分布曲线42粘粒010-310-4第1期置7 2 h,以保证试样中水分均匀。设定的目标含水率(w)分别为11.4%(=wn)、18.8%(=w p)和25.0%(w p);冻融循环次数 N=1、4、6。1.3试验仪器及方法试验仪器是基于轴平移技术,由美国SoilMoisture公司生产的压力膜仪(见图2),吸力测量范围为0 150 0 kPa。试验主要包括试样饱和、气压施加和含水率测定3 个阶段。先将经历不同冻融循环条件的
15、试样通过真空抽气饱和法进行饱和,再将饱和试样放进压力膜仪中,采用空气压缩机分级施加孔隙气压力,孔隙气压力依次为5、7、9、11、15、2 5、3 5、50、10 0 2 0 0、40 0、6 0 0、8 0 0、10 50 k P a。待每级排水稳定后对试样称重,计算出试样施加气压稳定后的含水率和对应的基质吸力(简称吸力)。前期预试验发现,即使对于抽真空饱和的试验饱和度达9 5%以上,初始吸力约为1kPa,故假定试样饱和时的吸力值为0.0 1 kPa。对于所研究的黄土,在无应力条件下,湿度变化产生的变形很小 16 ,由此假定减湿过程中未发生变形,进而可得到由饱和度与吸力关系表征的持水曲线。图2
16、 压力膜仪Fig.2 Pressure membrane instrument1.4持水模型Van Genuchten模型(简称VG模型)广泛应用于描述常孔隙比下土的持水特性 2 1。该模型总饱和度S,表示为S,=1+(s)m式中:s为吸力;、n、m 为土性参数,其中m=1-1/n。在双对数坐标系中,mn(=n-1)为 S,-s 曲线渐进线斜率,反映了减湿速率;1/为渐进线与直线S,=1交点,对应的吸力即为进气值sd。试验测定的持水曲线试验结果将采用S,-s关系进行表征,用VG模型进行拟合,进而探讨冻融循环次数与冻融前初始含水率对VG模型的特征参数的影响。张小辉,等:冻融循环对原状黄土的持水特
17、性影响2结果与讨论相同冻融前初始含水率(w。),不同冻融循环次数(N)条件下,饱和度(S.)与吸力(s)典型曲线如图3 所示。1.00.90.80.70.6N-O0.5-ON-1N-20.4F-oN=3-N-4-N-50.3V-N-60.21.00.90.80.70.6-o-N10.5-N4-N-60.40.30.21.00.90.80.7包0.60.5-N4-7N-60.4(1)0.30.21注:(a)11.4%;(b)18.8%;(c)25.0%。图3 相同初始含水率下持水曲线Fig.3 Water retention curves at the same wo1)当w=w,Wp-0-N=
18、110吸力/kPa100100014数增大呈下移趋势,即冻融循环作用减小了黄土的持水能力。N为13 和46 时,曲线随着冻融循环次数的增大而整体呈上移趋势,即冻融循环对其变化趋势有影响,多次冻融循环作用会增大黄土孔隙的持水能力。这与膨胀土随着冻融循环次数的增大而呈现单调性下移趋势不同 18-19 可能的原因是原状黄土具有较强的初始结构性,首次冻融循环作用未使原状黄土初始结构破坏,但会改变黄土团粒内孔隙,而对团粒间孔隙影响较小,致使冻融循环作用对大吸力范围的持水曲线有较为明显影响。随着冻融循环作用的增强,初始结构性遭受破坏,处于初始结构与次生结构形成的耦合变化过程而整体呈类似于“压密”作用,改变
19、了黄土团粒间孔隙和团粒内孔隙,致使持水曲线整体呈上移趋势。2)在w=w,和ww,时,冻融循环作用对持水特性的影响趋势与w=w,情况大体相似(除wowp,N为6 情况外),其差别在于影响程度不同,其中又以w。=w,情况下冻融循环作用的影响程度最为显著。这反映了在所研究的初始含水率范围内,冻融循环作用对原状黄土持水特性的影响规律具有一定的普适性,在遭受冻融循环作用后,相同饱和度下,冻融循环作用会增大土中吸力,即孔隙间的收缩膜的表面张力。相同吸力下,冻融循环作用会增大土中饱和程度而呈现强持水能力。相同N,不同w。条件下,S,-s典型曲线如图4所示。可见,冻融前初始含水率对持水曲线亦有明显的影响。除个
20、别区域有所交叉外,整体上呈现出随着w。的增大,持水曲线上移趋势,即持水能力增强。这是由于初始含水率愈大,土中水相参与水-冰相变的程度愈大,产生的冻胀作用就愈加明显,进而对土中水相占比的团粒间孔隙与团粒内孔隙的扰动程度愈凸显,致使土中孔隙的持水能力增强。在lg S,-lgs双对数坐标系中,基于图3 试验曲线渐进线与直线S,=1交点,确定出进气值sd(篇幅所限,具体确定未示出)。不同N和wo条件下,sa值如表2 所示。尝试用进气值对吸力进行规格化处理,由图3 结果汇制饱和度S,与吸力比s/sa关系,如图5所示。可见,不同冻融条件下试验点分布在较狭窄的范围内,可以近似归一。这反映出虽然冻融循环次数与
21、冻融前含水率对持水曲线皆有较为明显的影响,且影响程度有所不西北大学学报(自然科学版)同。但对 S,-s/sa关系影响较小,且可用同一函数来描述,论证了冻融循环条件对所研究原状黄土的持水曲线的影响可以通过进气值的变化来反映。1.0(a)0.90.80.70.6N=1WWp0.4F0.30.21.00.90.8N=40.6WWp0.40.30.21图4相同冻融循环次数下持水曲线Fig.4Water retention curves at the same N表2 不同冻融条件下的进气值和构度Tab.2Values of parameter sa and mu on intact loess und
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