冻融作用对草甸土物理力学性质的影响

冻融作用对草甸土物理力学性质的影响
范昊明;李贵圆;周丽丽;武敏
【摘要】以与棕壤土穿插分布的草甸土为研究对象,采用室内冻融循环试验得出不同冻融循环次数与土壤含水率条件下草甸土容重、孔隙度、渗透性以及抗剪强度等物理力学性质的变化规律.结果表明:随冻融循环次数的增加,土壤容重、粘聚力先减小后增大,之后趋于稳定,内摩擦角略有增大;而孔隙度、渗透系数则先增大后减小,之后趋于稳定,当循环次数在1~5次之间,孔隙度、渗透系数增大较明显,但增大幅度减小;在相同冻融循环周期条件下,随含水率的增大,土壤容重、土壤孔隙度、土壤渗透系数、土壤粘聚力和内摩擦角均呈现出减小的特征.%Meadow soil with an interspersed distribution of brown earth was studied. The variation of physical and mechanical properties of the meadow soil, such as bulk density,porosity,permeability and shear-resist strength were obtained by indoor freeze-thaw cycles experiment under different freeze-thaw cycle frequency and moisture content of the soil. The result showed that both bulk density and cohesion decreased first then increased later, and then tend to be stable with the increase of freezethaw cycles. Internal friction angle rose slightly. The porosity and permeable coefficient rose first went down later, and then tendedtobe stable. Porosity and permeable coefficient increased obviously but the increasing rate of porosity and permeable coefficient declined with ascent of freeze-thaw cycles when freeze-thaw cycles changed from 1 to 5. Under condition of the same freeze-thaw cycle, soil physical and mechanical properties, bulk density,
porosity, permeable coefficient, cohesion and internal friction angle dereased with the increase of water content.
【期刊名称】《沈阳农业大学学报》
【年(卷),期】2011(042)001
【总页数】4页(P114-117)
【关键词】冻融;力学性质;物理性质;草甸土
【作者】范昊明;李贵圆;周丽丽;武敏
【作者单位】沈阳农业大学,水利学院,沈阳,110161;沈阳农业大学,水利学院,沈阳,110161;沈阳农业大学,水利学院,沈阳,110161;沈阳农业大学,水利学院,沈
阳,110161
【正文语种】中文
【中图分类】S157.1
土壤物理力学性质是土壤结构的重要评价指标。

已有研究表明，反复冻融交替作用能够改变土壤的物理力学性质，如土壤的水热传导[1]、抗剪切力[2]、水分入渗特性[3]等。

冻融使土壤容重降低、孔隙度增大、饱和导水率提高[4]。

关于冻融作用对土壤物理性质的影响，CHAMBERLAIN研究发现，细粒土经过冻融作用后，土的孔隙度减小，但渗透性有所增大[5]；而连江波等对黄土的研究发现，试样的孔隙比和渗透性在经过30次冻融循环后逐渐趋于稳定[6]。

对于松散土来说，冻融循环后，土壤孔隙度会有所减小，密实度增大[7]。

刘佳等对黑土研究认为随着冻融循环次数的增加，土壤的容重与孔隙度分别呈现缓慢减小及增大趋势，且变化幅度
愈来愈小，最后达到基本稳定状态[8]；杨成松等也认为经过多次冻融作用后，土
样的干容重趋于某一定值，这一定值与土体的初始干容重无关，而与土体种类有关
[9]；尤其对于松散土和密实土，经过若干冻融循环后，其孔隙度会趋于稳定值
[10]。

温美丽等对自然条件下黑土研究认为，冻融作用对不同容重表层土壤容重影响较大，它使小容重土壤变得更加致密，大容重土壤变得疏松[11]。

关于冻融作用对土壤力学性质的影响，国内外学者通过研究所得出的结论不尽相同。

有学者研究表明，经过冻融作用后，土壤的粘聚力降低、内摩擦角增大[12]；而苏谦等认为，初始干密度对土体冻融的最终平衡状态尤为重要，随着冻融循环过程增加，低密度土体的粘聚力有所提高，而高密度土体的粘聚力下降，内摩擦角变化较小[13]；王大雁等研究后认为，随着冻融循环次数的增加，黏土的粘聚力逐渐下降，但冻融循环对土内摩擦角的作用并无规律可循[14]。

以往研究表明，由于不同土壤所处环境、土壤结构等方面的差异，对于冻融作用其物理力学性质表现出不同的变化。

本研究以与棕壤土穿插分布的草甸土为研究对象，通过室内冻融循环试验得出草甸土容重、孔隙度、渗透性，以及抗剪强度等物理力学性质的变化规律，为冻融作用对草甸土可蚀性影响的研究奠定基础。

1 材料与方法
1.1 材料
本试验供试土样为与棕壤土穿插分布的草甸土，取土地点地理坐标为北纬
41°50′4.37″，东经123°33′35.32″E。

采样草甸土容重为1.35g·cm－3，饱和含水率为35.76%，颗粒组成如表1。

表1 草甸土颗粒组成Table 1 Grain components of meadow soil粒径Particle size/mm百分比Percentage/%1.0～0.25 22.4 0.25～0.05 21.6 0.05～0.01 26.0 0.01～0.005 6.0 0.005～0.001 14.0＜0.001 10.0
1.2 方法
1.2.1 试验土样的制备物理力学性质测定，根据《土工试验规程》(GB/T50123－1999)中有关要求进行土样的制备，将取回的草甸土风干后过5mm×5mm筛，根据剪切、渗透不同试验的需求，分别配置含水率为20%、30%、40%的土样，土
样经过压实达到试验设计所需的容重，实测试验土壤的含水率，计算要配置成所需含水率需要的水量，用喷壶均匀喷到土壤表面，用保鲜膜覆盖土样后经过18h的
闷土，使土样含水率均匀。

然后根据试验设计的不同冻融循环次数、不同土样含水率制备直剪土样，按土工试验规范进行相应试验。

1.2.2 方法将含水率分别为20%、30%、40%的试验土样放入冻融机，分别经过
冻融温差为－25℃～5℃，冻融循环次数为 0，1，3，5，7，10，15，20，25，30 的冻融循环过程，冻结、融化时间均为 8h 的冻融循环作用后，采用环刀法测
定土壤容重的变化，进而计算得到孔隙度值；应用南京土壤仪器厂的南55型渗透仪做渗透试验测定土壤渗透系数；应用南京土壤仪器厂的ZJ型应变控制式直剪仪，进行直接剪切试验中的不排水快剪试验，测定不同冻融循环条件下草甸土粘聚力c、内摩擦角φ的变化。

2 结果与分析
2.1 冻融作用对草甸土物理性质的影响
2.1.1 冻融循环对草甸土容重、孔隙度的影响由图1和图2可见，随着冻融循环
次数的增加土壤容重先是减小后增大，之后逐渐趋于稳定；而孔隙度则先是增大后减小，之后逐渐趋于稳定。

在相同冻融循环次数的条件下，随着含水率的增大，土壤容重和土壤孔隙度均逐渐变小。

总的趋势是，在5次冻融循环以后，土壤容重、孔隙度变化缓慢且逐渐趋于稳定。

在1～5次冻融循环期间，土壤容重、孔隙度变化较明显，且随着冻融循环次数的增加，其变化幅度越来越小。

图1 冻融循环次数对草甸土容重的影响Figure 1 Effect of freeze-thaw cycles
on bulk density of meadow soil
图2 冻融循环次数对草甸土孔隙度的影响Figure 2 Effect of freeze-thaw cycles on porosity of meadow soil
土壤容重与孔隙度随冻融循环次数发生如上变化的原因为：前几次冻结融化，就基本上改变了土体结构，使小孔隙变得粗大，土体变得疏松，使得容重和孔隙度发生较大变化，因此，以后冻融对容重和孔隙度的影响不大；而相同冻融循环作用次数、不同土壤含水率条件下，土壤容重与土壤孔隙度均随着土壤含水率的增大而减小。

土壤容重与孔隙度同含水率之间分别出现如图1和图2所示的变化关系的原因为：土体经过冻结与解冻过程后，改变了土体内土粒之间的固有排列，使得一部分细小土粒凝聚成较大土粒，同时也使一部分细小团聚体凝聚为较大团聚体，土粒之间以及团聚体之间经过冻融作用后所表现出来的这种凝聚效应使得土体变得疏松，从而使土体容重减小；由于液态水冻结成固态冰后体积会增大，土体冻结后，土体中一部分大团聚体由于其内部水分冻结发生膨胀而引起大团聚体胀裂破碎为细小团聚体，堵塞土体内的孔隙空间，使得土体的孔隙度下降，同时土体解冻后，一部分细小土粒也会在重力的作用下发生沉陷而堵塞一部分的孔隙空间，造成土体孔隙的进一步减小，引起土体孔隙度减小。

2.1.2 冻融循环对草甸土渗透系数的影响由图3可见，随着冻融循环次数的增加，土壤的渗透系数先逐渐增大后逐渐减小，10次冻融循环后缓慢趋于稳定。

当冻融
循环次数在1～5次之间时，随着冻融循环次数的增加，土壤的渗透系数增大较明显，渗透系数增大的幅度逐渐变小。

7次冻融循环前，相同冻融循环次数条件下，渗透系数随着含水率的增大而减小；7次冻融循环后，相同冻融循环次数条件下，不同含水率所对应的渗透系数的大小关系为20%＞30%≈40%。

导致上述变化的
原因是，前几次冻结融化基本上改变了土体结构，小孔隙变得粗大，土体变得疏松，使得渗透性能增强，而冻结解冻次数的增加，渗透系数基本上趋于一常数；相同冻融循环次数条件下，土壤的渗透系数随着含水率的增大而减小，这是因为土体经过
冻结与解冻的过程，冻融作用破坏了土壤颗粒之间的固有结构，使得大团聚体破碎为小团聚体，大土颗粒变为小土颗粒，土体解冻开始后，随着解冻的程度不断加大，解冻融化后破碎的小团聚体、细小土颗粒就会在重力的作用下下落，填充并堵塞土体中的部分空隙，因而造成土体孔隙度减小，使得水分经过土体颗粒之间的孔隙进行流动的能力减弱，引起土体的渗透系数减小。

当草甸土的含水率超过30%以致
接近土体饱和含水率时，土体中的孔隙空间大多被水分占据，相同冻融循环次数条件下含水率对草甸土渗透系数的影响变得并不明显，7次冻融循环作用后，含水率分别为30%与40%所对应的两条变化曲线较为接近；与此同时，一部分冻结土粒融化后会在重力的作用下发生塌陷，使得土体变得较为密实，引起土体孔隙度减小，也在一定程度上造成渗透系数变小。

图3 冻融循环次数对草甸土渗透系数的影响Figure 3 Effect of freeze-thaw cycles on permeable coefficient of meadow soil
2.2 冻融作用对草甸土力学性质的影响
2.2.1 冻融循环作用对草甸土粘聚力的影响由图4可见，在冻融循环作用过程中，粘聚力随着冻融循环次数的增加先逐渐减小，后逐渐增大，20次循环作用后趋于
稳定。

在相同冻融循环次数条件下，土壤粘聚力随着含水率的增大而减小。

造成粘聚力随冻融循环次数降低后趋于稳定的原因为：前几次冻融循环作用，改变了土体结构，部分大团聚体崩解为细小团聚体，部分土粒解冻后在重力作用下发生沉陷，堵塞部分孔隙空间，使得土体变得密实，抗剪强度增大，粘聚力减小；多次冻融循环后冻融作用所引起土体抗剪切强度的变化不大，土体粘聚力也趋近于一个稳定值。

相同冻融循环次数条件下，土壤粘聚力随含水率的增大而减小，其原因为：由于液态水冻结成固态冰后，体积会增大，因此，随着含水率的增大，水分冻结成冰后引起土体内大团聚体破碎为细小团聚体的效应变强，细小团聚体填充并堵塞土体孔隙的机率增大，使土体变得更加密实，抗剪切强度增大，粘聚力减小。

2.2.2 冻融循环对草甸土内摩擦角的影响由图5可见，冻融循环次数对草甸土内摩擦角的影响并不显著。

变化幅度仅局限于1°～2°之间。

其原因为：前几次冻融循
环作用（7次冻融循环），改变了土体结构，部分大团聚体崩解为细小团聚体，部分土粒解冻后在重力的作用下发生沉陷，堵塞部分孔隙空间，使得土体变得密实，抗剪强度增大，内摩擦角减小；多次冻融循环后（7次冻融循环），冻融作用所引起土体抗剪切强度的变化不大，基本趋于稳定值，因而土体内摩擦角也趋于稳定值。

在相同冻融循环次数的条件下，土壤内摩擦角随着含水率的增大而减小。

其原因为：由于液态水冻结成固态冰后，体积会增大，因此，水冻结成冰后体积发生膨胀，引起土壤颗粒间距增大，土壤颗粒相互之间发生错动，使得土体密实度减小，引起土体的抗剪切强度下降，内摩擦角减小；与此同时，冻融作用使得土体内一部分细小土粒凝聚成较大土粒、一部分细小团聚体凝聚为较大团聚体使土体内孔隙变大，土体变得疏松，也引起土体抗剪切强度的下降，因而内摩擦角变小。

图4 冻融循环次数对草甸土粘聚力的影响Figure 4 Effect of freeze-thaw cycles on cohesion of meadow soil
图5 冻融循环次数对草甸土内摩擦角的影响Figure 5 Effect of freeze-thaw cycles on internal friction angle of meadow soil
3 结论
冻融作用可以改变土壤的容重，进而改变土壤的孔隙度。

随着冻融循环次数的增加，土壤容重先减小后增大，之后逐渐趋于稳定，而孔隙度则是先增大后减小，之后逐渐趋于稳定。

在相同冻融循环次数条件下，随着含水率的增大，土壤容重和孔隙度均逐渐变小。

总的变化趋势为：在5次冻融循环以后，土壤容重、孔隙度变化逐
渐趋于稳定。

在1～5次循环期间，土壤容重、孔隙度变化较明显，且随着循环作用次数的增加，变化幅度越来越小。

在相同循环作用次数条件下，随含水率的增大，土壤容重和孔隙度均减小。

随着冻融循环次数的增加，土壤渗透系数有着不同程度
的变化。

循环次数增加，土壤渗透系数先逐渐增大，后逐渐减小，10次循环后趋于稳定。

当冻融循环次数在1～5之间时，随循环次数增加，土壤渗透系数增大较明显，但增大幅度逐渐变小。

含水率对土壤渗透系数的变化也有较大影响。

7次冻融循环前，在相同冻融循环次数条件下，渗透系数随着含水率的增大而减小；7次冻融循环后，相同冻融循环次数条件下，不同含水率所对应的土壤渗透系数大小关系为20%＞30%≈40%。

粘聚力随冻融循环次数的增大而减小，内摩擦角略有增大，20次冻融循环作用后均缓慢趋于稳定。

在冻融循环次数相同的条件下，随着含水率的增大土壤粘聚力和内摩擦角均表现出减小的特征。

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