原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究* 原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究*
许 健① 王掌权① 任建威① 袁 俊②③
(①西安建筑科技大学土木工程学院 西安 710055)(②中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司 西安 710075)(③中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室 兰州 730000)
摘 要：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。
关键词：原状黄土 重塑黄土 冻融作用 微观结构 渗透性
0 引 言
黄土是第四系干旱和半干旱气候条件下沉积的一种具有粒状架空接触结构的特殊土(刘祖典， 1996)，具有多孔性、崩解性及结构性特点。上述特点导致了黄土具有遇水后强度显著下降和变形突增的水敏感性特征，进而在特定的工程地质和水文地质条件下产生滑坡等地质灾害。水敏感性是由于黄土体内部含水量的变化引起的，而含水量的变化是由水的迁移渗透引起的。水在土中渗流时将会对土颗粒骨架产生拖曳的渗透力作用，进而导致土体的结构强度降低和附加变形，因而渗透性是黄土体的重要工程力学性质之一。渗透系数是反映黄土体渗透规律的最重要参数，在黄土地区基坑、隧道、地基及边坡等工程设计中是一个非常重要的设计参数(谢定义， 2001； 李佳等， ； 李涛等， ； 杨金等， )。李平()以黄土地区土石坝所用压实黄土为研究对象，对重塑压实黄土进行三轴渗透试验研究，对比分析各影响因素对其渗透特性的影响规律。梁燕等()以Q3原状黄土为研究对象，分析了黄土渗透迁移规律的各向异性机制。王辉等()研究了重塑黄土渗透特性的干密度效应及原状黄土渗透特性的时间效应。王红等()测定了重塑黄土试样的非饱和渗透系数，进一步通过回归分析获得了渗透系数与体积含水率和基质吸力的函数关系。
但是由于黄土地区处于季节冻土区，黄土构筑物受季节周期性冻融作用的影响显著(董晓宏等， )。已有研究成果表明，冻融作用强烈改变了土体的结构性(Qi et al.，; 方丽莉等， )，是导致黄土工程力学性质劣化损伤的重要因素之一(沈珠江， )。冻融条件下土体渗透规律的前人研究成果表明，反复冻融后土体的渗透系数发生显著变化，其数值会变动1～2个数量级(Chamberlain et al.，1990; Viklander et al.，1998)。连江波等()，肖东辉等()获得了冻融条件下黄土体渗透规律的变化特征。穆彦虎等()通过补水条件下的冻融循环试验，对冻融条件下压实黄土土样微宏观物理力学性质进行了定量分析，结果表明冻融过程土颗粒受到挤压并形成新的土骨架结构，大孔隙个数及孔隙面积比显著增加，渗透性增强。王铁行等()研究分析了干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响。
上述冻融条件下黄土渗透规律的研究成果主要针对原状黄土或重塑黄土，而针对冻融过程原状黄土和重塑黄土渗透特性对比试验研究成果还较少。重塑黄土是一种天然结构强度被扰动后的黄土，其物理力学特性与原状黄土有较大差异(李国玉等， ； 王泉等， )。基于此，本文将冻融作用作为外界诱因，进行原状黄土和重塑黄土三轴渗透特性对比试验研究，并结合试样电镜微观扫描图像，揭示原状黄土和重塑黄土冻融过程渗透特性变化机理及规律，研究成果对黄土地区边坡、道路及堤坝等工程的设计和施工具有重要的借鉴和指导意义。
1 试验方案
1.1 试验黄土基本物理性质
冻融三轴试验所用黄土样为取自西安市某基坑工程现场的晚更新世Q3黄土，取样深度距离地表约5～6m。其基本物理指标列于表1，颗粒分布曲线(图1)。
表1 试验用土基本物理指标
Table1 The basic parameters for test soil
比重GS干密度/g·cm-3含水量/%液限WL/%塑限WP/%塑性指数IP2.651.717.533.918.715.2
图 1 试验用土粒径分布曲线
Fig. 1 Sediment grading curve of test soil
1.2 样品制备
1.2.1 原状土样制备
根据试验需要，将原状土试块削制成规格尺寸小块土样。采用预湿法配制成相对含水量(w)分别为12%、15%和18%的土样，然后将土样加工制成直径为39.1mm，高80mm的标准三轴圆柱试样。此外，采用抽气饱和法制备相应饱和三轴黄土试样。
1.2.2 重塑土样制备
重塑黄土试样制备方法与要求参照GB/T50123-1999《土工试验方法标准》，将土风干后碾碎过筛(筛孔直径为2mm)，取筛下足够土样放入干燥器内，然后用蒸馏水配制成不同含水率土样。试样制备采用压样法，分层压制成标准三轴圆柱样。试样制备过程中要求重塑黄土试样干密度与原状黄土试样干密度之差小于或等于0.01g·cm-3，含水率与要求含水率之差不大于0.1%，且设置一组平行试样以保证试验结果离散性较小。
1.3 冻融循环试验
利用保鲜膜将制备好的三轴试样包裹以保证含水率变化较小，然后将上述土样放入高低温试验箱进行封闭快速冻融循环试验，保证黄土体在冻结过程中其含水率迁移量很小。每次冻融循环时间设置为24h，冻结和融化时间分别为12h，冻结和融化温度分别为-20℃和+20℃，冻融循环次数(N)分别为0、2、3、5、7、10、20。
1.4 电镜扫描观测试验
黄土体微观结构测试采用Quanta 600 FEG 扫描电镜设备。试验方案为：将重塑与原状黄土样分别削制成1cm×1cm×2cm(长×宽×高)的规格尺寸样品。将用保鲜膜包裹样品放置于高低温交变试验箱进行封闭系统冻融循环试验。冻融循环完成后，对冻融后样品风干并进行电镜扫描试验。
1.5 三轴渗透试验
冻融循环后试样经过真空抽气饱和后，采用GDS三轴渗透仪测定黄土试样的渗透系数。试验条件为固结渗透试验，围压分别为100kPa、200kPa、300kPa和400kPa。该三轴渗透试验设备由围压控制器及进出水压力控制器等组成，通过相应采集软件控制试验并自动记录进出水数据，最终精确计算出相应试样的渗透系数。
图2 冻融过程原状黄土SEM(×2000)图像
Fig. 2 SEM images of undisturbed loess after different freezing-thawing times
a. N=0； b. N=2； c. N=10； d. N=20
图3 冻融过程重塑黄土SEM(×2000)图像
Fig. 3 SEM images of remolded loess after different freezing-thawing times
a. N=0； b. N=2； c. N=10； d. N=20
2 试验结果与分析
2.1 冻融条件下黄土体微结构特征
土体微观结构一般包括骨架颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙性及颗粒接触关系等4个方面。利用扫描电子显微镜可清楚观测到黄土体颗粒形态、颗粒接触关系、孔隙性及胶结程度的微结构特征。图2、图3分别给出经历不同冻融循环次数后原状与重塑黄土试样放大2000倍的SEM图片。从图中可以看出，原状黄土的颗粒形态以胶结连接而成的集粒为主，其胶结连接的天然结构性特征更明显，具有典型粒状架空接触结构的特征。原状黄土扰动重塑后微结构破坏，因而重塑黄土骨架形态以单体颗粒为主，呈密实的堆砌状态。
从图中还可以看出，冻融过程黄土体大颗粒集粒(团粒)数量显著减少，土体胶结强度变差且颗粒排列更加疏松，土体孔隙增多，从而增大了黄土体渗透性。分析其原因，主要是由于低温条件下土体中水分的冻胀作用挤压黄土颗粒，破坏了土颗粒之间的原有连接强度，导致土样孔隙和体积增加，微观结构发生显著变化。
2.2 黄土体冻融过程表观特征
图4 冻融过程原状黄土试样表面特征变化
Fig. 4 Specimen surface characteristics of undisturbed loess after different freezing-thawing times
a. N=0； b. N=5； c. N=7； d. N=10
图5 冻融过程重塑黄土试样表面特征变化
Fig. 5 Specimen surface characteristics of remolded loess after different freezing-thawing times
a. N=0； b. N=3； c. N=10； d. N=20
图4、图5分别给出原状与重塑黄土试样冻融过程表观结构特征变化。由图可见，冻融前原状黄土试样表面可以观察到其天然大孔隙特征。冻融循环5次后，原状黄土试样表面结构特征发生明显变化，产生不规则裂缝，而重塑黄土试样表面冻融循环10次后才开始出现横向与纵向裂缝； 冻融循环7次后，原状黄土试样表面开始出现剥落掉块现象； 冻融循环10次后，原状黄土试样整体开始破碎，重塑黄土试样表面结构冻融循环20次后破坏亦较严重，裂缝数量较多，开度较大。
基于上述分析，不难发现冻融作用对原状与重塑黄土试样表面结构破坏均较严重，这主要是由于冻结过程试样内部含水率向土体表面迁移导致试样表层结构强度破坏严重。此外，原状黄土试样表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈，产生冻融劈裂破坏。冻融过程黄土体结构强度弱化产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成，黄土体渗透性显著增强。
图6 含水率对原状与重塑黄土渗透系数的影响
Fig. 6 k-w curves of undisturbed and remolded loess
a. N=2，σ3=100kPa； b. N=5，σ3=200kPa； c. N=10，σ3=300kPa； d. N=20，σ3=400kPa
2.3 渗透系数2.3.1 含水率对黄土渗透性的影响
图6给出了原状和重塑黄土渗透系数与含水率关系曲线。由图可见，黄土试样的渗透系数均随着含水率的增大先增加后减小，呈现出抛物线变化特征。这主要是由于初始含水率较小时，随着含水率的升高，低温条件下水冻结成冰产生的冻胀力增大，对黄土体结构强度破坏作用增强，冻融过程产生的孔隙净变形量增加，渗透性相应增强。冻融条件下黄土体结构强度随含水率的进一步升高，其破坏非常显著，冻融后黄土体强度很低，因而在三轴固结渗透条件下孔隙比大幅度降低，渗透性相应降低。此外，从图中还可以看出，相同含水率下原状黄土试样的渗透特性明显比重塑黄土强。分析其原因，原状黄土是干旱半干旱气候条件下沉积的具有粒状架空胶结结构的特殊土，具有典型的大孔隙和垂直节理特征。此外，由前述黄土体表面结构特征分析，可知冻融作用对原状黄土结构破坏程度较重塑黄土更为强烈 (图4、图5)，原状黄土冻融过程产生冻融劈裂破坏与大量不规则裂缝，因而相同含水率下原状黄土的渗透系数高于重塑黄土。
2.3.2 冻融循环次数对黄土渗透性的影响
图7为原状和重塑黄土试样渗透系数与冻融循环次数变化关系。由图可见，原状与重塑黄土试样渗透系数较冻融前显著增大，但随冻融循环次数增加，渗透系数趋于稳定，表现出指数增加特征。这是由于冻融循环前黄土体骨架颗粒排列较为紧密且胶结明显，因而渗透系数相对较小。冻融条件下孔隙水冰晶生长和体积膨胀的冻胀力作用破坏土颗粒间的胶结结构强度，使得黄土体结构损伤并产生大孔隙和微裂缝。冻融循环过程中，孔隙水经历周期性的相变和迁移，黄土颗粒和孔隙水的状态不断调整和变化，最终导致黄土体结构性显著弱化且微裂缝不断扩大，从而使黄土体渗透系数逐渐增加。多次冻融后，黄土体孔隙状态趋于稳定且水分迁移渗流通道形成，土体结构和渗透特性达到新的平衡状态，渗透系数趋于稳定。从图中还可以看出，相同冻融次数下原状黄土的渗透系数高于重塑黄土，这是因为原状黄土胶结连接的天然结构性特征较重塑黄土更为明显 (图2、图3)，低温条件下孔隙水冻结成冰的冻胀作用对原状黄土颗粒联结的破坏程度更大，因而相同冻融次数下原状黄土的渗透系数高于重塑黄土。
图7 冻融循环次数对原状与重塑黄土渗透系数的影响
Fig. 7 k-N curves of undisturbed and remolded loess
a. w=18%，σ3=100kPa； b. w=18%，σ3=200kPa； c. w=18%，σ3=300kPa； d. w=18%， σ3=400kPa
图8 围压对原状与重塑黄土渗透系数的影响
Fig. 8 k-σ3 curves of undisturbed and remolded loess a. w=18%，N=2； b. w=18%，N=5 ； c. w=18%，N=10； d. w=18%，N=20
2.3.3 围压对黄土渗透性的影响
图8所示为原状与重塑黄土渗透系数随围压的变化规律曲线。从图中可以看出，原状与重塑黄土渗透系数随着围压增大均表现出指数衰减特征，衰减幅度降低且趋于稳定。分析其原因，渗透系数与土体孔隙比特征关系密切，其随孔隙比减小而减小。土体固结度和密实度随围压增大越来越高，孔隙比减小，渗透系数相应减小。图8 亦表明，相同固结围压条件下原状黄土的渗透系数高于重塑黄土，但随着围压增大，原状黄土与重塑黄土渗透系数的差异逐渐减小。分析其原因，本次试验为冻融条件下三轴固结渗透试验，围压较高时土体固结度高且原状黄土体天然结构强度遭受破坏，趋于稳定的残余结构强度。因而随围压升高，无论原状或重塑黄土，其结构与渗透特性趋于稳定，渗透系数差异逐渐减小。
3 结 论
(1)冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化，大颗粒集粒(团粒)破碎，土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散，孔隙比增加，进而增大了黄土体渗透性。
(2)冻融作用对原状与重塑黄土试样表面结构破坏均较严重，但原状黄土试样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。
(3)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。
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COMPARATIVE EXPERIMENTAL STUDY ON PERMEABILITY OF UNDISTURBED AND REMOLDED LOESS UNDER FREEZING-THAWING CONDITION
XU Jian① WANG Zhangquan① REN Jianwei① YUAN Jun②③
(① Xi’an University of Architecture and Technology， School of Civil Engineering， Xi’an 710055)(②Northwest Electric Power Design Institute CO., Ltd. China Power Engineering Consulting Group， Xi’an 710075)(③ State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco￣Environment and Resources, Chinese Academyof Sciences， Lanzhou 730000)
Abstract：The influence of freeze-thaw action on the permeability of undisturbed and remolded Q3 loess in Xi’an city is comparatively studied by the SEM and triaxial consolidation permeability tests. The experimental data indicates that the microstructure of undisturbed and remolded loess all changes significantly under freezing-thawing condition. The soil cementation structure is weakened， and then the particle alignment becomes more loose. Finally， the void ratio of soil increases and makes the permeability enhanced. Freezing-thawing makes the surface structure of undisturbed and remolded loess destroyed greatly， and has a bigger influence on the undisturbed loess. The cracks produced by freezing-thawing process become the main channel for water flow and migration， resulting in the obvious increase of permeability for undisturbed and remolded loess. With the increment of water content， the permeability coefficients for undisturbed and remolded loess all firstly increase and then decrease under freeze-thaw cycle condition， complying with the parabola law. With the increase of freezing-thawing times， the permeability coefficients all firstly increase and finally approach to a steady state， following the exponential rule. With the increment of cell pressure， the permeability coefficients all firstly decrease and finally reach a steady state， also following the exponential rule. The permeability of undisturbed loess is always greater than that of remolded loess under the same condition. Moreover， the permeability coefficient difference between undisturbed and remolded loess is smaller with the increase of cell pressure．
Key words：Undisturbed loess， Remolded loess， Freezing-thawing action， Microstructure， Permeability
DOI：10.13544/ki.jeg..02.004
* 收稿日期：-02-16;
收到修改稿日期：-09-16.
基金项目：国家自然科学基金项目(51478385， 51208409)，陕西省教育厅专项科研计划项目(15JK1406)，冻土工程国家重点实验室开放基金项目(SKLFSE12)，西北电力设计院技术创新科研项目(XB1-TM04-)资助.
第一作者简介：许健(1980-)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事寒区岩土工程研究. Email: xujian@
中图分类号：P642.13+1
文献标识码：A
