干湿和冻融循环对黄土颗粒分布的影响研究.pdf

第5 4 卷第3 期 2 0 1 8 年3 月 甘肃水利水电技术 G A N S UW A T E RR E S O U R C E SA N DH Y D R O P O W E RT E C I 删O L O G Y V 0 1 5 4 N o 3 M a r ，2 0 1 8 D O I ：1 0 1 9 6 4 5 j i s s n 2 0 9 5 0 1 4 4 2 0 1 8 0 3 0 0 9 干湿和冻融循环对黄土颗粒分布的影响研究 王 鹏1 李丽2 ( 1 甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州7 3 0 0 1 5 ) 摘要：通过室内试验模拟土体季节性干湿和冻融交替变化，采用M a s t e r s i z e r20 0 0 激光粒度仪对经历干湿和冻融循环 后的试样进行颗粒分析。通过对比不同干湿和冻融循环次数后土的粒径变化来揭示土的颗粒分布规律。结果表明：经 历不同干湿循环和冻融循环作用后，土的粒径分布发生较大变化。随着干湿循环次数的增加，土粒含量中粉粒含量呈 增加趋势，黏粒含量先减少后增加；随着冻融循环次数的增加，土粒含量中粉粒含量逐渐增加，黏粒逐渐减少。揭示的 干湿和冻融循环作用后土体颗粒分布的变化规律，表明干湿和冻融循环作用对土的微观结构有较大影响，是导致边坡 剥落的重要因素，为进一步研究边坡防护技术提供了理论依据。 关键词：干湿循环；冻融循环；颗粒分析；微观结构 中图分类号：P 6 4 2 1 4 ；P 6 4 2 1 3 + 1文献标志码：A文章编号：2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 8 ) 0 3 0 0 2 6 0 5 1 前言 对于黄土边坡工程而言，边坡黄土长期经历着 干湿和冻融循环作用。干湿循环作用对黄土的物理 力学性质以及结构都有较大的影响，最终导致黄土 边坡破坏。在西北地区，冬季温度普遍较低，冻融作 用作为一种强风化作用，能够改变土体的结构性进 而显著影响土体的物理力学性质。干湿循环的研 究多集中在膨胀土方面，对于黄土的研究相对较 少，刘宏泰等同通过试验研究了干湿交替周期对重 塑黄土的强度特性及渗透特性的影响规律。李聪 6 1 通过模拟研究发现干湿循环对黄土路基回弹模量 有直接的影响。对冻融循环的研究，D Y W a n g 等 7 1 对 冻融循环前后的土样的弹性模量、黏聚力和摩擦角 等进行了对比研究，发现冻融循环后土样的弹性模 量和黏聚力降低，摩擦角增大。E d w i n 等和齐吉琳 等1 8 - 9 对细颗粒土进行了室内冻融循环试验，研究发 现冻融循环作用强烈地改变了土体的结构。 近年来，激光粒度仪越来越多地应用于工农业 产品的粒度分布及相关的试验研究中，目前已在江 河、水库的悬移质和推移质泥沙颗粒粒度的测量分 析中得到成功应用。然而激光粒度仪在土工试验的 颗粒分析中应用还较少，目前，赵寿刚通过对 M S 2 0 0 0 激光粒度仪与密度计法的研究【1 0 指出激光 粒度仪在土工颗分试验中运用是可行的；殷杰利用 激光粒度仪对连云港软土颗粒进行分析，得出了激 光粒度仪对连云港软土测量的合理控制参数【1 1 。现 行的S L2 3 7 1 9 9 9 土工试验规程中土的颗粒分 析，对粒径不大于6 0m m 、大于0 0 7 5m m 的土用筛 析法，对粒径小于0 0 7 5m i l l 的土用密度计法和移 液管法【1 2 。激光粒度仪进行颗粒分析具有测量范围 宽( 通常0 1 。35 0 0 “m ) 、粒度分析快速方便、再现 性好、可以得出多种粒度数据、可实现在线测量等优 点，比常规土工试验方法具有先进陛，在土工颗分试 验中的应用研究具有极大的现实意义。 研究表明，土体的干湿和冻融过程会改变土体 颗粒间的结构联结、排列方式，从而改变土的力学性 质，而力学性质的变化从某种程度上都可以从微观 结构的定量改变中得到解释。对于长期反复干湿和 冻融下黄土在微观结构上缺乏相关的研究。目前针 对激光粒度仪测试土的颗粒分析很少，而且大部分 都是基于天然状态的黄土，对经历干湿和冻融循环 后的黄土进行颗粒分析更少，研究干湿和冻融循环 后黄土的颗粒变化显得尤为重要，是其结构发生变 形的重要体现。 收稿日期：2 0 1 8 0 3 0 9 基金项目：冻土工程国家重点实验室开放基金( S K L F S E 2 0 1 1 0 7 ) ；甘肃省科技重大专项计划项目( 1 4 3 G K D A 0 0 7 ) 作者简介：王鹏( 1 9 8 9 一) ，男，甘肃陇南人，工程师，硕士，主要从事边坡治理与岩土工程相关的研究，E - m a i l ：t o r o w p q q c o m 。 2 6 万方数据 第3 期 王鹏，等：干湿和冻融循环对黄土颗粒分布的影响研究 第5 4 卷 以Q ，原状黄土为研究对象，采用室内试验模拟 土体干湿和冻融循环的风化过程，对不同次数干湿 和冻融循环后的土样进行了激光粒度分析试验，得 到了干湿和冻融循环作用后土的颗粒分布变化规 律。研究边坡土体在季节性干湿和冻融循环条件下 土体颗粒分布的变化，可为进一步研究干湿和冻融 循环作用对黄土边坡表层剥落的影响奠定基础。 2 试验方案 试验所用Q ，原状黄土取自十天高速公路某路 堑边坡，其基本物理力学性质指标见表1 所列，其颗 分曲线如图1 所示。 表1土的基本物理力学性质指标 釜 骚 众 蜩】 蜓 聚 嘴 一N 、 l 。1 ， - 、- 槲， 伞L L l l l 图1 颗分曲线 2 1 干湿和冻融循环模拟试验 干湿循环试样状态为饱和一风干含水率交替 进行。试验采用浴霸模拟太阳光进行土样减湿，称 重法至含水率达室外风干土含水率2 左右；采用真 空饱和装置( 图2 ) 进行土样的增湿至饱和模拟下雨 状态下地表土层状态，抽气1h ，静置1 2h ，称重法 换算试样饱和度均在9 8 以上，满足要求。干湿试验 过程中含水率通过定时称取土样重量来实现。干湿 循环试验次数为0 次( 烘干状态) 、1 次、5 次、1 0 次、 2 0 次。 冻融循环试样状态为天然含水率下进行。试验 采用可程式超低温试验机( M U C 一6 3 S S 5 + L N 2 ，图 3 ) 。控制冷冻状态时温度为一1 6 ，模拟甘肃省冬 天平均最低温；融化状态时温度1 5 。为保证其充 分冻结，试验采用冻结1 2h ，然后融化1 2h ，即一个 冻融循环为2 4h 。冻融循环试验次数同样为0 次 ( 天然含水率状态) 、1 次、5 次、1 0 次、2 0 次。 图2 真空饱和装置 图3 冻融循环试验机 2 2 激光粒度分析试验 试验采用M a s t e r s i z e r20 0 0 激光粒度仪( 图 4 ) 。试验样品采用干湿循环后的环刀土样，过2m m 筛后取3 0g ，试验前将土样溶于水，超声波振荡5 m i n ，使得土颗粒完全分散( 图5 ) 。 图4M a s t e r s i z e r2 0 0 0 激光粒度仪 2 7 万方数据 2 0 1 8 年第3 期 甘肃水利水电技术第5 4 卷 ( a ) 超f ；i 波t7 粒分散仪( I J ) i 则I # ? 分敞n 试f t 搜身i ；弓 图5 超声波法分散土颗粒 3 试验结果及分析 进行激光粒度分析后得到的，相应的粒径分布曲线如 3 1 干湿循环对土颗粒分布的影响 图6 。1 0 所示。 表2 中试验结果是对不同干湿循环次数的土样由图6 可以看出，不同干湿循环后的粒径分布 表2 不同干湿循环次数的粒径分布累计百分比 芝 爨 末 日勇= 蝼 簿 母1 1 5 1 1 一千湿n 妇 j ，、 一千湿1 次 干湿5 次 I 目 n 2、k 、 一T 皿Z U 伙 心 飞L _ 啊b - L r 1 吣 lo ( ) ( )1 0 01 0l0 粒径L L l 3 1 图6 不同干湿循环次数后粒径分布曲线 1 _ 一- 3 = 湿n 衙 。、 、 一千湿5 次 k 、 I I I 一 1 、 2 8 还 妊 惫 删 喀 浍 礤 、 一千湿0 次 I 、 F ：显5 次 k 、 1 帆 l -、 、 、 N 1 -湿5 次 - 1 枝。 ； _ j ： ? j 哆ho ， ?| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 干湿5 次 j，憩 1、：I、每k 万方数据 第3 期王鹏，等：干湿和冻融循环对黄土颗粒分布的影响研究 第5 4 卷 曲线基本一致。由图7 1 0 可以看出，1 次干湿循环 后粒径分布曲线与未循环时基本一致，说明1 次干 湿循环对土的粒径分布影响不大。在5 次、1 0 次干 湿循环后，与未进行干湿循环的曲线相比，粒径在 0 0 0 3 。0 0 1m m 范围内的土颗粒累计质量分数不 变，约为2 0 。粒径在0 0 0 3 0 0 lm m 范围内曲线 明显变陡，该粒径范围的土颗粒质量分数增加，均从 1 2 增加到1 5 ，增加量为3 ；0 0 0 3 0 0 0 6m m 范 围内曲线明显变缓甚至出现平台，说明该粒径范围 的土颗粒质量分数减少，某些粒径缺失，5 次循环后 从2 0 减少到1 7 ，减少量为3 ，1 0 次循环后从 1 9 减少到1 5 ，减少量为4 2 0 次干湿循环后的 曲线较未循环时的曲线缓，尤其是粒径分布范围在 0 0 0 1 。0 0 3m m ，说明经历2 0 次干湿循环后该粒径 范围的土颗粒粒径分布不均匀，级配较未循环时好。 结合表2 可以得出，经过5 次干湿循环后粉粒 含量增多，黏粒含量减少，尤其是干湿循环5 次和 1 0 次之后，且增多的量与减少的量基本相当。2 0 次 干湿循环后的粉粒含量增加较少，黏粒含量减少也 较少，说明经历2 0 次干湿循环后土颗粒粒径的分布 已基本趋于稳定。 综上可知，干湿循环作用使得粉粒含量先增加 后减少，黏粒含量先减少后增加。经历不同干湿循 环次数后，土的粒径分布发生较大变化。粒径大于 O 0 1m m 累计质量分数均比未循环时大，说明干湿 循环使较大粒径土的质量分数增加。边坡的剥落与 黏粒含量有关，黏粒含量越高越容易发生剥落，粉粒 含量越高越不容易发生剥落【1 3 】。干湿循环作用使得 边坡更容易发生剥落病害。 3 2 冻融循环对土颗粒分布的影响 经过对不同冻融循环次数后的土样进行激光粒度 分析( 表3 ) ，得到相应的粒径分布曲线( 图11 。1 5o 表3 不同冻融循环次数的粒径分布累计百分比 循环 次数 累计百分比臃 0 0 7 5 0 0 0 50 0 0 5 0 0 0 20 0 l 0 0 0 60 0 0 3 0 0 0 6 ( 粉粒)( 黏粒)( 变陡段)( 平台段) 0 1 5 1 0 2 0 7 l 7 5 7 7 7 7 7 6 0 0 01 0 01 0lO 粒径m 图1 1 不同冻融循环次数后粒径分布曲线 1 、 一冻融0 浓 1 、 、你融1 次 I I I 、 、 、IL 1 I 粒径u m 1 次冻融循环后与未循环的粒径分布对比曲线 0 01 0 粒径u m 一冻融0 次 一冻融5 次 图1 35 次冻融循环后与未循环的粒径分布对比曲线 鋈8 0 羹6 0 崮 一冻融0 次 一冻融1 0 次 囊4 oE 酶 u ! ! 曼_ - 一 1 0 0 1 ”。艇 透8 0 籁 求6 0 厂 一 衄J 峰4 0H 一 蘸z oL 0U 一 10 0 0 一冻融0 次 冻融2 0 次 蛏 粒径m 图1 52 0 次冻融循环后与未循环的粒径分布对比曲线 2 9 | | j 一- 一| | l 、 I ，i _| | | 卜 万方数据 2 0 1 8 年第3 期甘肃水利水电技术 第5 4 卷 由图11 可以看出，不同冻融循环后的粒径分布 曲线基本一致。由图1 2 。1 5 可以看出，1 次冻融循 环后粒径分布曲线与未循环时曲线基本一致，说明