黄土作为一种疏松多孔的结构性土体，具有结构疏松、孔隙发育、富含碳酸钙、易被侵蚀、水敏性强、湿陷性强、垂直节理发育等特点。当其处于天然状态时，其本身特点使其能够长期保持较高的强度，但由于外界条件的干扰，例如降雨和经历冻融循环，其强度就会急剧降低[1-6]。目前，许多学者大都致力于研究降雨及人类工程活动引起的滑坡[7-8]，针对冻融型黄土滑坡灾变机理的研究较少。冻融期黄土滑坡已造成多起人员伤亡和财产损害事件，而且数量还在不断增多，其中最典型的是黑方台发生的多处滑坡，在1-3月份发生的比例明显提高，占到该地区总滑坡数的34%[9-11].
山西位于黄土高原，四季分明，每年冻融循环必定会对黄土的强度产生影响，例如由于冻融作用的影响，2018年4月30日，吕梁市离石区枣林乡发生山体滑坡致9人遇难，因此研究冻融作用对黄土性质的影响十分必要。ALKIRE et al[12]通过研究得到冻融作用下低密度粉质黏土的抗剪强度指标增大的结论；CHUVILIN et al[13]通过试验研究，指出冻融作用使土体的抗剪强度有一定的降低。OZTAS et al[14]提出冻融循环对土体稳定性的影响主要取决于土体材料本身。董晓宏[15]、胡再强等[16]、叶万军等[17-18]通过实验研究证明土体的黏聚力随冻融循环次数的增加而降低，而内摩擦角随冻融次数的变化无明显变化。倪万魁等[19]研究了冻融循环作用下洛川黄土的强度变化，表明冻融次数越多，黏聚力降低，颗粒之间接触点增多，内摩擦角增大，多次冻融后，原状黄土的强度与重塑黄土的强度接近。张辉等[20]认为冻融温度对不同含水率土样的黏聚力和内摩擦角几乎没有影响；许健等[21]发现冻融循环对原状黄土的劣化作用更强，且原状黄土的黏聚力比重塑黄土衰减更快，呈指数衰减。由此可见，有关冻融作用的研究由于试验条件和试验地点的差异，试验结果不尽相同。因此，本文针对山西省吕梁地区黄土进行冻融循环试验，探究冻融对其强度影响的变化机理，为当地因冻融作用而引发的黄土地质灾害提供理论指导。
1 试验方案设计
1.1 试样的基本性质
试验所用土样取自于山西省柳林县庄上镇辉大峁村，柳林县的最大冻土深度为1 m，取土深度为4～5 m深的未经冻融作用的新鲜Q3黄土，土样的基本物理性质见表1.
表1 土的基本物理指标
Table 1 Basic physical indexes of soil
天然含水率w0/%天然密度ρ0/(g·cm-3)干密度ρd/(g·m-3)比重Gs孔隙比e0饱和密度ρsat/(g·cm-3)塑限ωL/%液限ωP/%塑性指数IP/%12.21.811.612.640.6402.018.227.49.21
1.2 试样制备
1) 三轴样的制备：采用砂线切割机将大块土样切割成尺寸为Φ36.1 mm×80 mm的圆柱体试样。
2) 微观样的制备：用砂纸对原状土样进行打磨，制备成大小为10 mm×10 mm×20 mm的长条状试样。
3) 含水率的配制：根据水膜转移原理，计算所需水量采用分层滴水法，使用注射器均匀缓慢地对土体表面进行滴水。每注一层，放置在保湿器中保湿24 h，循环往复，直至达到目标含水率。最后分别制得含水率为12.2%、18.2%和24.1%的三轴试样和微观试样，为了防止水分散失，用保鲜膜包裹，放入保湿缸中静待一周，保证水分均匀分布。
1.3 试验方案
1) 采用多段温控的低温恒温槽冻融仪，对微观试样和三轴试样进行冻融循环试验，冻结和融化温度分别为-20 ℃和20 ℃，为保证试样充分冻结和融化，将试样冻结12 h，融化12 h，即为一个冻融周期。根据以往学者的研究成果，冻融10次左右基本稳定，因此本次试验经历0、1、5、8、10、15次冻融循环作用，并对冻融前后试样的质量进行记录。
2) 对冻融后的三轴试样进行不固结不排水三轴剪切试验，试验围压分别为100、200、300、400 kPa，剪切速率为0.4 mm/min，剪切结束的条件是土体轴向应变达到15%.
3) 将经过冻融作用后的微观试样自然风干后掰断，暴露新鲜结构面，用薄锋利刀片制取约10 mm×10 mm×5 mm的小薄片作为观察的扫描电镜试样。观察倍率为200倍和500倍，选取有代表性的位置进行观察分析。
2 试样结果及分析
2.1 含水率的变化
冻融过程中水分发生迁移，土体中的含水量会有所变化，利用公式(1)计算不同冻融循环次数下试样含水率的变化量。
(1)
式中：m1，m2分别为试样冻融后和冻融前的质量，g；mg为干土的质量，g.
根据记录的不同冻融次数前后试验土样的质量变化，计算得到3种含水率水平、5种冻融循环次数下的土体含水率变化数据，绘制含水率减少量如图1所示。
图1 含水率减少量折线图
Fig.1 Line chart of water content reduction
从图1中可以看出，三组初始含水率不同的试样，含水率减少量随冻融循环次数均呈对数型增长。即随着冻融循环次数的增大，含水率的减小速率越来越小，可以推断土体内的含水率越来越稳定，最终水分会保持在土体内部和外表面之间较折中的一段范围内。含水率越大，含水率减少量相对而言也越大，这是因为初始含水率较高，自然散失量也相对比较高。但是，最终经过10次冻融循环后，三组初始含水率试样的减少速率基本一致，说明水分迁移都趋于稳定，只在一定范围内迁移。在土样经历15次冻融循环后减少量普遍较低，最大值仅有0.077%.说明土样在封闭系统中经受冻融循环作用后，整体的含水量散失并不明显，这与保鲜膜包裹的密闭程度有关。整体来看，在封闭环境下进行冻融循环试验，土样的含水率变化并不大。因此，含水率高低本身对土体强度有很大影响，但实验结果表明，同一含水率在实验过程中变化量很小，在对冻融后土体抗剪强度的变化机理进行分析时，可以忽略含水率变化对强度劣化的影响。
2.2 冻融循环后应力应变分析
三轴试验得到不同冻融循环次数和不同围压下的应力应变数据曲线。图2为天然含水率的试样经过不同冻融次数后的应力-应变曲线。
图2 天然含水率黄土在冻融后的应力-应变曲线
Fig.2 Stress-strain curves of loess with natural moisture content after freezing and thawing
从图中可以看出，在不同冻融循环次数下，偏应力值均随着围压的增大而增大，且随轴向应变的增大而增大。当应变较小时，即2%之前各曲线均表现为弹性变形，近乎成线性增长，且随围压增大曲线越来越陡；当应变大于2%时，曲线增长明显变缓，在100 kPa时表现为微应变软化，随着围压增大呈微应变硬化状态，围压为400 kPa表现为典型的应变硬化。这是因为围压越大，土颗粒间大孔隙会迅速被压缩，土体颗粒与颗粒之间被有效联结起来，咬合力加大，土体的初始强度随围压显著增强，因此同一含水率下达到相同应变时，偏应力值相应就越大。随着冻融循环次数的增加，土体的偏应力值逐渐降低，说明随着冻融次数的增加，土体达到强度屈服点的值越低，冻融循环次数在黄土抗剪强度劣化过程中起重要作用。
为了研究不同初始含水率下，不同围压原状土样在不同冻融次数下的变化情况，以200 kPa为例对其应力-应变曲线进行分析，如图3所示。
图3 不同含水率黄土在冻融后的应力-应变曲线
Fig.3 Stress-strain curves of loess with different moisture content after freezing and thawing
在同一围压，相同冻融条件下，含水率低的应力-应变曲线始终位于含水率高的应力-应变曲线的上方。随着初始含水率的增加，应力-应变曲线由应变硬化型逐渐过渡为微应变硬化型，最终呈现弱软化型。随着冻融次数的增加，当初始含水率较低时(即12.2%)，由应变强硬化型转为应变弱硬化型，究其原因是冻融作用使得土颗粒移动和偏转，颗粒间间距变大，土颗粒重新排列，土体结构有弱化趋势，宏观上表现为轴向应力随应变的增加而变小呈弱硬化型。同一围压条件下，随着冻融循环次数的增加，试样的偏应力差及峰值显著下降，可见含水率也是导致黄土抗剪强度劣化的主要原因。
3 冻融循环后土体强度参数的变化
通过试验测定了4个试验围压下的破坏应力，以(σ1+σ3)f/2为圆心，(σ1-σ3)f/2为半径绘制了对应的4个莫尔圆，之后通过Matlab拟合出4个圆的公切线，得出该圆的强度包线的表达式，进而获得每组试验的黏聚力和内摩擦角，绘制对应的强度参数随冻融循环次数的变化曲线，见图4.
图4 抗剪强度参数与冻融循环次数关系图
Fig.4 Relationship between shear strength parameters
and freeze-thaw cycle
从整体趋势来看，3种含水率水平的原状黄土试样的黏聚力均随冻融循环作用的叠加呈指数型减小，在10到15次后黏聚力趋于稳定，这主要是因为初次冻融时，土颗粒间的孔隙由于被冰峰面充满而变大，土体的原始胶结程度被弱化，咬合在一起的颗粒变少，黏聚力会大幅降低，随着冻融循环次数的叠加，之前冻融作用未被破坏的颗粒胶结和咬合力慢慢被削弱，因此黏聚力会一直降低，但是能被破坏的土颗粒越来越少，所以黏聚力降低幅度越来越小。由于土颗粒间的连接作用大都被破坏，最终将趋于稳定，对3种含水率土样的黏聚力分别进行拟合，12.2%天然含水率土样的拟合结果见式(2)，18.2%塑限含水率土样的拟合结果见式(3)，24.1%含水率的拟合见公式(4).
(2)
(3)
(4)
式中：c为土体的黏聚力，kPa；n代表土的冻融循环次数；R2为曲线的拟合度。
从图4中可以看出，内摩擦角呈波动状无规律分布，但整体上有下降的趋势。这是因为土体的内摩擦角主要是由土颗粒间的接触方式(接触形状和接触面积)所决定的，在经过前几次冻融后，土颗粒间的接触慢慢稳定，故内摩擦角变化不是很大。整体而言，黏聚力和内摩擦角受含水率影响也很大，随着含水率的增加，土体的黏聚力逐渐降低，内摩擦角逐渐减小，这是因为高含水率土样本身由于水分的影响，内部胶结结构软化，颗粒间的咬合力和分子间作用力均不如低含水率土样稳定。
4 微观结构变化
沈珠江[22]指出21世纪土力学的核心问题是土结构性的问题。土的结构主要是指其土体骨架颗粒间的联结形式、排列方式、孔隙的大小分布以及胶结物的种类和胶结程度。图5为不同冻融次数下塑限含水率下18.2%的微观结构图。
图5 塑限含水率冻融后的微观结构图
Fig.5 Microstructure diagram of plastic limit moisture content after freezing and thawing
为了对土体颗粒进行定量化分析，采用Image-pro Plus软件对SEM图像进行颗粒粒径分析，如图6所示。
图6 塑限含水率下不同冻融次数下粒径百分含量图
Fig.6 Percentage of particle size under different freeze-thaw
times under plastic limit water content
从图中可以看出，未经冻融时，土颗粒间排列紧密，土体内以小颗粒(2～5 μm)和微小颗粒(<2 μm)为主，随着冻融循环次数的增加，微小颗粒(<2 μm)有增多的趋势，大颗粒(>20 μm)数量有减小的趋势，中等颗粒(5～20 μm)和小颗粒2～5 μm质量分数波动不明显。从微观图像中也可以看出，随着冻融循环次数的增加，颗粒破碎化严重，许多颗粒集合体胶结在粘土颗粒周围，小颗粒占比越来越大，大颗粒减少，表面起伏减小，颗粒趋于均一化状态。同时，冻融循环作用使得颗粒间的排列疏松多孔，当放大倍数为500倍时，可以看出小颗粒集合体附着在相对较大的颗粒周围使得微孔隙数量也随之增加，颗粒间出现微裂缝，孔隙数量明显增多，且有的相互贯通形成大孔隙。可见，随着冻融循环次数的增加，土体冻结和融化产生的“聚合”和“分裂”作用加之水分的相变，使得土颗粒间的胶结方式改变，大颗粒不断破碎为小颗粒和碎屑集合体，颗粒间原有的大孔隙由于颗粒的运移和重力作用下沉填充，导致大孔隙减小，微孔隙和中等孔隙数量增多，同时，颗粒间的接触方式也发生了改变，由最初的镶嵌结构转为架空-镶嵌结构，且慢慢以附着-基底型结构为主要接触方式。
5 结论
1) 土样在封闭系统中经历不同次数的冻融循环作用后，同一含水率在冻融前后会有不同程度的减少，并且初始含水率越高，含水率减少量越多，但是减少量对实验结果的影响可以忽略。
2) 根据应力应变特征曲线，偏应力会随围压的增大而增大，且围压越大，初始时偏应力攀升速率也越大，先为弹性变形，随着轴向变形增大，土样由弹性变形转为塑性变形，但是转变程度有所不同，含水率和冻融循环次数是土体抗剪强度劣化的主要原因。
3) 不同含水率土样的黏聚力随冻融循环次数的增加呈指数型下降，内摩擦角呈略微劣化趋势但降幅很小。
4) 通过观察SEM试验得到的不同冻融次数的微观结构图发现，随着冻融次数的增加，土体扰动破坏也越严重，即颗粒破碎严重，趋于均一化，颗粒间的接触方式由单颗粒接触转为附着-基底型为主，孔隙增多。
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