冻融环境下原状黄土孔径分布与其力学特性关系的试验研究

doi ：10.11799/ce201903024
收稿日期：2018－09－12
作者简介：杨更社（1962—），男，陕西武功人，博士，教授，研究内容：岩石及冻土力学的损伤力学特性及本构关系，
岩土力学与工程数值计算方法，E －mail ：yanggs@ 。

引用格式：杨更社，尤梓玉，吴
迪，等．冻融环境下原状黄土孔径分布与其力学特性关系的试验研究［
J ］．煤炭工程，2019，51（3）：107－112．
冻融环境下原状黄土孔径分布与其力学特性关系的
试验研究
杨更社，尤梓玉，吴
迪，赵鲁庆
（西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安
710054）
摘要：为得到冻融环境下原状黄土孔径分布与其力学特性的关系，以原状黄土为研究对象开
展反复冻融作用下的三轴剪切试验和核磁共振观测试验。

试验结果表明：在冻融环境中黄土的强度及内部孔隙结构均会发生改变，伴随冻融次数的增加土体的粘聚力将会降低，且最终趋于稳定，而其内摩擦角基本稳定，略微减小，变化幅度在1ʎ 2ʎ间。

反复的冻融循环作用使土体中的细颗粒会增多；孔隙方面，微、小孔隙的数量变化由开始减少至增多，而中、大孔隙的数量变化由开始增多至减少。

随着冻结温度不断降低，土体粘聚力逐渐增大，而原状土体的内摩擦角基本保持不变。

关键词：原状黄土；冻融循环；孔径分布；抗剪强度中图分类号：TU444
文献标识码：A
文章编号：1671－0959（2019）03－0107－06
Experimental Study on the Ｒelation of Undisturbed Loess ’Pore Size Distribution and Mechanical Property under Freezing －thawing Environment
YANG Geng －she ，YOU Zi －yu ，WU Di ，ZHAO Lu －qing
（College of Architecture and Civil Engineering ，University of Science and Technology ，Xi ’an 710054，China ）
Abstract ：In order to obtain the relation of undisturbed loess ’pore size distribution and mechanical property ，with
undisturbed loess as the research object ，the NMＲobservation and triaxial shear tests under repeated freeze －thaw action were carried out．The experimental results show that in a freeze －thaw environment loess＇strength and internal pore structure change ，as the number of freeze －thaw increases ，soil＇s cohesion decreases and tends to stabilize finally．And its internal friction angle is basically stable ，slightly reduced ，and the change is between 1ʎ 2ʎ．Ｒepeated freeze －thaw action makes the fine particles of soil increase ；in the aspect of pores ，the small pores number decreases first and then increases ，while the middle and large pores increases first and then decreases．With the gradual decrease of freezing temperature ，the cohesion of soil will increase ，however ，the internal friction angle of undisturbed soil is basically stable．
Keywords ：undisturbed loess ；freezing －thawing cycle ；pore size distribution ；shearing strength
我国中西部地区分布着广大的黄土，而其中大部分位于季节性冻土区，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
［1－4］。

冻融作用
是冻土工程领域内的一个重要研究内容，土体受到影响后其物理力学性质会发生巨大变化
［5－9］
，反复
冻融会使土体内部的水分重新分布，孔径及粒径均会发生变化，引起土体结构弱化，也就破坏了土颗粒间的联结力，同时使土颗粒得以重新排列
［10，11］。

冻融作用对土体的作用机制及影响机理一直是人们研究的重点，齐吉琳等
［12］
研究了冻融循环作用对压
实土的结构性影响；王铁行等［13］
取不同含水率下的
原状黄土，研究冻融作用对土体强度的影响；毕贵
权等
［14］
研究了冻融作用对黄土物理力学性质的影
响；叶万军等［15］
在开放不补水情况下，研究了冻融
循环对洛川和铜川黄土物理力学性质的影响；倪万
魁等
［16］
研究了冻融环境下黄土微结构和强度的变化
机理。

杨更社等［17］
研究了冻融环境下黄土结构性构
7
01第51卷第3期
煤
炭工程
COAL ENGINEEＲING
Vol.51，No.3
度的特性。

核磁共振技术（NMＲ）在现代多个领域得到广泛应用。

NMＲ具有无损检测、样品可重复使用、检测速度快等优点［18］。

在岩石物理试验分析检测中已得到有效应用，可测得岩样的孔隙度、自由流体指数、孔径分布以及渗透率等参数［19］。

并且该技术在土体微孔隙结构研究中也得到大量的使用。

利用核磁共振技术研究土体微观结构能更加直观、有效的得到微观孔隙分布特征。

关于重塑黄土的试验与理论研究现有很多，但对原状黄土相关方面的研究不足。

鉴于此，本文以陕西咸阳地区Q3原状黄土为研究对象，通过静三轴试验以及核磁共振观测试验，研究不同冻融条件对土体力学特性及孔径分布的影响，以期为黄土地区路基路面和边坡滑塌、剥落等工程病害的分析提供相关理论基础。

1试验材料和方案
试验土样通过人工的方法取自陕西咸阳地区，取土深度为5 6m。

将得到的原状土密封处理，根据《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）制成直径39.1mm，高80mm的标准圆柱试样开展冻融循环、三轴及核磁共振试验。

其基本物理性质指标见表1，土颗粒级配曲线如图1所示。

表1基本物理性质指标
天然密度ρ/（g·cm－3）干密度ρ/（g·cm－3）天然含水率ω/%孔隙比e液限ωL/%塑限ωP/%塑性指数IP
1.43 1.3216.610.8926.114.311.8
图1土颗粒级配曲线
根据冻融循环试验的操作规程，参照气候条件，对饱和土样进行不同冻结温度以及不同冻融循环次数下的冻融试验。

首先，将土样保持在－20ħ温度下进行12h的冻结作用，然后取出土样并保持在20ħ的常温环境中进行12h融化，即每一次冻融循环时间为24h。

每两个试样一组，共进行6个组别的冻融试验，即0、1、3、5、10、20次的冻融循环，冻融完成后对土样抽真空饱和处理。

而后使用核磁共振分析仪对经过饱和的土样进行核磁共振测量（得到孔隙体积分布图、孔隙度、横向弛豫时间T2分布）。

再对另外准备好的土样经历－8ħ、－13ħ、－21ħ低温冻结12h，冻结完成后在20ħ的常温下融解12h，即每一次循环时间为24h。

以每两个为一组，共计3个组别，分别进行1次冻融循环试验，完成后用真空饱和装置对土样进行饱和。

并使用核磁共振分析仪对饱和后的土样进行核磁共振测量（得到孔隙体积分布图、孔隙度、横向弛豫时间T2分布）。

对经过不同冻融作用后的各组黄土试样进行不固结不排水的三轴剪切试验（UU），即从加压至试样被剪坏的过程中，保持土中的含水率不变，孔隙水压力不消散。

试验周围压力分别为50kPa、200kPa，试样的剪切速率为0.6mm/min。

通过三轴试验得到不同围压下的抗剪强度相关数值。

2试验结果及分析
2.1冻融环境下原状黄土力学特性
2.1.1原状黄土的应力应变特征
饱和原状黄土试样在经历不同冻融环境后的应力－应变曲线如图2—5所示。

图250kPa下应力应变曲线
图2为在50kPa围压下经历不同冻结温度土样的应力应变曲线，图3表示在200kPa围压下经历不同冻结温度土样的应力应变曲线。

对比分析图2和图3可知，在相同围压以及相同含水率条件下，随着冻结温度的不断降低，偏应力差的峰值有所增大，偏应力差值也有所增长。

而在同一冻融条件，不同围压情况下，偏应力差值及其峰值随着围压的增大
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研究探讨煤炭工程2019年第3期
图3
200kPa 下应力应变曲线
有稍许增加。

且在应变为0% 2%的范围内，偏应力差值随着应变的增加而呈快速增长，随后当应变ε达到1%后出现峰值，其后随着应变的增加偏应力差值的变化趋于平缓。

以－21ħ下的变化曲线为例，应变在0% 1%过程中偏应力差值呈直线增长且变化明显，当达到1%后增长明显放缓随着应变的增加差值趋于平稳，虽然在应变为1% 15%的变化过程中，偏应力差值有略微下降的趋势但总体上仍保持稳定。

并且在200kPa 围压下曲线的偏应力差值明显高于50kPa 围压下的变化。

对比图2与图3表明，在应变ε较小时（0% 1%），各曲线有所交叉。

且在低围压（50kPa 、200kPa 等）下随着冻结温度的变化，应力应变曲线表现出软化型，土体会很快达到屈服点（强度峰值点）而后土体发生破坏。

图450kPa
下应力应变曲线
图5
200kPa 下应力应变曲线
图4为50kPa 围压下经过不同冻融循环次数后土样的应力应变曲线，图5为200kPa 下经历不同冻
融次数后的土样的应力应变曲线。

由图4和图5对比可知，在同一围压条件下，随着冻融次数的增加，饱和黄土的偏应力差及峰值明显降低。

而在相同冻融次数的条件下，饱和黄土随着围压的增加，其偏应力差及峰值有所增大。

同时表现出在应变为0% 2%的范围内，偏应力差值随着应变的增大而呈快速增长趋势，当应变ε达到1%后偏应力差值达到峰
值，偏应力差值的变化也开始趋于平缓。

且在应变ε较小时（0% 1%），各曲线间有所交叉。

以经历20次冻融循环后的土样为例，应变在0% 1%过程中偏应力差值呈直线增长且变化明显，当达到1%后增长明显放缓并随着应变的增加差值趋于平稳，虽然在应变为1% 15%的变化过程中，偏应力差值有略微下降的趋势但总体上保持稳定。

且在200kPa 围压下曲线的偏应力差值明显高于50kPa 围压下的变化。

对比图4与图5可知，围压在由50kPa 增大至200kPa 的过程中，应力应变曲线由软化型向弱软化型过渡，随着围压的增大软化程度有所减弱。

由试验结果及图2—5的应力－变曲线综合分析可知，饱和原状黄土的应变与应力之间具有一定的离散性。

2.1.2
原状黄土的强度特征
黄土的抗剪强度是其重要的一种力学特性，而黄土的粘聚力和内摩擦角又是其强度的重要参数指标。

由静三轴试验结果得到了冻融循环次数及冻结温度与土的抗剪强度间的关系，饱和原状黄土试样在经历不同冻融环境后的粘聚力关系曲线以及内摩擦角关系曲线如图6—9所示。

图6冻融次数与黏聚力C 关系曲线
图6与图7分别为土样在经历不同冻融循环次数后冻融次数与粘聚力和内摩擦角间的变化曲线。

分析图6可知，冻融循环次数对土体粘聚力有一定
的影响，在前3次的冻融循环中粘聚力的变化量较大，在经历3次冻融后粘聚力急剧降低，经历10次冻融后土体粘聚力渐渐趋于平稳，其变化量也越来越小。

总体来说，冻融次数的增加，导致原状黄土
9
012019年第3期煤炭工程研究探讨
图7冻融次数与内摩擦角φ关系曲线的粘聚力减小，并最终趋于稳定。

对图7的关系曲线进行分析，从图表曲线可以看出土样在经历1次冻融循环后内摩擦角急剧增大，在1次冻融循环到3次冻融循环的过程中虽然角度也有所增加但与之前相比较变化幅度明显减缓，在经历3次冻融循环后随着冻融次数的不断增加，关系曲线略微有所降低但整体上表现出稳定的状态，即没有发生明显的角度变化。

综上所述，1 3次过程中冻融循环次数的增加会使土体的内摩擦角产生些许增大，但随着3次循环后土样的内摩擦角变化不明显且有略微的减小，整体上变化幅度在1ʎ 2ʎ之间。

图8与图9是在不同冻结温度条件下土体粘聚力及内摩擦角的变化曲线。

由图8可知，伴随着冻结温度的降低土体的粘聚力反向增大，在0ħ －8ħ的过程中粘聚力的增加较为缓慢，而后随着冻结温度的不断降低，土样的粘聚力增长明显且增长速率明显加快，呈持续增大的趋势。

而由图9可以看出，冻结温度与内摩擦角的关系曲线变化较为平缓，随着冻结温度的降低内摩擦角基本保持稳定，角度变化不明显且保持在1ʎ 2ʎ之间波动变化。

图8冻结温度与黏聚力C 关系曲线
2.2核磁共振测试试验结果
冻融作用会使土体内水分发生变化且结构产生
弱化，改变黄土的原始结构，而黄土的结构变化又与黄土的孔隙变化有着密切的关系。

通过核磁共振试验，可以更加直观、
有效地分析冻融原状黄土的图9冻结温度与内摩擦角φ关系曲线
结构变化，测得饱和土样的T 2谱的时间分布曲线，再通过反演获得土样中的孔隙分布特征。

2.2.1核磁T 2谱分布
通过核磁共振试验，测得饱和土样在不同冻融环境下T 2谱的时间分布曲线如下，经历0次、1次、3次、5次、10次、20次冻融循环后土样的T 2谱分布如图10所示，经历0ħ、－8ħ、－13ħ、－21ħ冻结后的土样的T 2谱分布如图11所示。

由图10和图11对比分析可以看出，土样的T 2谱分布明显呈现出两个峰，第一个峰驰豫时间出现在2ms 附近，第二个峰驰豫时间出现在500ms 附近，且第一个峰的信号幅值在3500a.u 附近，第二个峰的信号幅值在200a.u 附近。

随着冻融循环次数及冻结温度的降低T 2谱分布明显开始向右移动，且随着次数的增加和温度的降低，两个波峰也从整体上开始向下移动，表明冻融作用对土体的内部孔隙改变是在一个动态变化的过程。

图10T 2
谱分布曲线
图11
T 2谱分布曲线
11研究探讨煤炭工程
2019年第3期
2.2.2
孔径分布
依据核磁共振技术的知识，弛豫时间T 2分布映射出孔隙的分布，T 2值越小，孔隙的直径越小，T 2值越大，孔隙的直径越大。

根据核磁共振试验得到的分布曲线及已知的黄土特征，将黄土的孔隙按半径可以分为以下四类：①大孔隙，孔隙半径＞4μm ；②中孔隙，孔隙半径0.04 4μm ；③小孔隙，孔隙半径0.01 0.4μm ；④微孔隙，孔隙半径＜0.01μm 。

通过核磁共振试验仪得到的不同冻融次数下的原状黄土的孔隙分布如图12所示，不同冻结温度下原状黄土的孔隙分布如图13所示。

图12
不同冻融次数下原状黄土孔隙分布
图13
不同冻结温度下原状黄土孔隙分布
通过图12分析可知，在0次至5次的冻融循环过程中图像向右偏移且波峰逐渐的减低，表明冻融次数的增加大孔隙体积比例也在增多然而微小孔隙的比例却在减少。

而在5次之后的循环中图像又开始向左偏移且波峰逐渐升高，表明5次之后的冻融循环中大孔隙数量在逐渐减少而小孔隙逐渐开始增多。

由图13可以看出，随着冻结温度降低至－13ħ过程中图像向右偏移且波峰逐渐下降，表明大孔隙在逐渐增多而小孔隙在不断减少。

随着冻结温度由－13ħ继续降低图像又开始向左偏移，表明大孔隙开始减少而小孔隙开始增多。

不同冻融次数和冻结温度下的孔隙体积分布如图14、图15所示。

在冻融循环次数增加及冻结温度下降的条件下不同体积的孔隙数量发生着改变，从
图14可以看出，微、小孔隙在全部孔隙中所占百分比大，说明土样中微、小孔隙数量高于中、大孔隙数量。

在0次至5次的冻融循环中，微、小孔隙百分比降低，中、大孔隙百分比升高；5次之后冻融次数继续增加，微、小孔隙百分比又开始升高，而中、大孔隙百分比开始降低。

由图15可以发现，随着冻结温度的降低，微、小孔隙先减少并会在降至－13ħ后数量开始增加；中、大孔隙先增多并在－13ħ后数量开始减少。

图14
不同冻融次数下孔隙体积分布
图15
不同冻结温度孔隙体积分布
2.3结果分析
通过上述三轴剪切试验及核磁共振测试试验结
果可知，冻融作用会使土体中的细颗粒数量增多；在冻融次数增加及冻结温度改变的情况下，土体的孔隙结构发生变化。

而土体经历冻融循环的过程实质即是土中的自由水冻结和融化的过程。

在冻结时，土体中的水向冰晶转变；融化时，冰晶再次化为水。

在反复的冻融作用下，水－冰晶体之间多次相互转化，冻胀和融沉作用破坏了土颗粒间本身的联结，使得细小颗粒增多。

反复的冻融作用打破了原始的黄土骨架，大颗粒破碎，小颗粒增多；在重力的作用下，颗粒聚集并重新排列，且根据核磁试验结果，微、小孔隙在土体空隙中所占比例高于中、大孔隙比例，冻融作用使小孔隙的数量不断增多，孔隙的相对面积增大，随着冻融作用对土体颗粒排列与联结的影响减弱，土体的孔隙变化趋于平稳。

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112019年第3期煤炭工程研究探讨
土样每经历一次冻融循环，土样中颗粒间的距离会发生一次改变。

由于土颗粒间水分在低温下冻结，使得土体中的水冰晶体体积膨胀对土颗粒产生挤压，水分不断在土体中冻结、迁移，冻胀力和迁移力破坏了原状土已经存在的联结作用和内部结构，导致土体结构强度和原始胶结逐渐弱化，故而冻融后土的粘聚力减小，强度急剧下降。

而在反复的冻融循环中，黄土体结构趋向稳定，影响弱化，故而粘聚力也趋于稳定。

原状土样冻融后，破坏了黄土原本胶结中较大的团粒，使土颗粒重新排列，表现出颗粒均一化，且颗粒间的孔隙受到冻胀与融沉的作用，大孔隙减少小孔隙增多，使得土颗粒间的接触点增多，颗粒形状发生改变，从而导致内摩擦角的增大。

在低温环境下，土颗粒不仅会因为聚合致使土体的强度增大，土体中大部分自由水也会出现冻结现象，未冻结水的含量极少，即自由水在低温时还未发生迁移就快速冻结为冰晶。

并且冻结作用所形成的冰晶有一定的联结作用，增强了颗粒间的结联，因此冻结温度的降低，土体的粘聚力增大。

影响原状黄土内摩擦角的主要条件是颗粒形状和颗粒间的接触面积，但冻结温度对其并无明显影响，故而不同冻结温度下，内摩擦角基本保持稳定，在1ʎ 2ʎ内波动变化。

3结论
1）通过对三轴剪切试验结果分析，从宏观角上发现在不同的冻融环境下，对土样抗剪强度劣化的影响不同。

无论是冻融循环次数还是冻结温度的变化，都会使土体的粘聚力发生改变，从而改变土体的强度。

对于土体的内摩擦角而言，循环次数的增加，其略有增大；冻结温度对其的影响较小，大致在1ʎ 2ʎ内波动变化。

2）通过核磁共振试验从微观角度入手，研究了冻融作用对土体内部孔隙结构变化的影响，从而为解释冻融黄土物理力学性质的变化提供了有效途径。

随着冻融循环次数的增加及冻结温度的降低，微、小孔隙的数量先减少后增多，中、大孔隙的数量先增多后减少；但总体来说，微、小孔隙所占体积比重高于中、大孔隙体积比重。

反复的冻融循环作用，改变了土体的固有骨架、颗粒大小以及土体中的孔径分布，从而使土体粘聚力与内摩擦角产生变化，故而黄土体孔隙结构的改变其力学特性也随之发生变化。

3）反复的冻融作用破坏了原状黄土原始的骨架与结构，改变了其内部的孔隙结构与分布，然而随着冻融作用的发展，复杂程度降低，影响弱化，最终使之趋于稳定。

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（责任编辑杨蛟洋）
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