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冻融循环作用下黄土物理性质变化规律

连江波  
【摘要】: 黄土作为特殊土之一,在我国的中西部季节性冻土区广泛分布,是该地区常用的建筑材料。如土坝、堤防、路基、边坡等都是黄土构筑物。但季节性冻土地区的黄土构筑物在其运行期内,都不可避免的要经受冻融循环作用。强风化的冻融循环过程强烈的改变着土的结构性,是导致寒区黄土物理力学性质劣化的重要原因之一。我国经济的飞速发展与西部大开发战略的提出,势必带来大量的寒区黄土工程建设。深入研究冻融循环对黄土物理力学性质影响的规律势在必行。目前,冻融对黄土物理性质影响规律的研究已比较深入。但长期冻融循环对土物理性质影响的研究较少,有待进一步系统研究。 本论文依托国家自然科学基金项目《黄土工程性质劣化机理与构筑物寿命预测研究》(N0. 50779058)与中科院冻土工程国家重点实验室开放基金项目《反复冻融循环对黄土工程性质影响规律与定量化描述研究》(SKLFSE200803),对杨陵Q3黄土在反复冻融循环后的物理性质变化规律进行了较为深入的研究。主要研究成果为: (1)对黄土进行了封闭系统下的冻融循环试验,结果表明,黄土在冻融过程中并不单一的冻胀融沉。在冻结过程中,土体普遍表现为在“先胀后缩”。融化过程中,土体体变曲线线形随试样的初始状态与冻融循环次数变化而改变;初始含水率越高,冻融破坏作用越剧烈;密实的土样始终存在“先胀后缩”,较松散土样体变在冻融循环后期的融化过程中则由冻融循环初期的“先胀后缩”转变为“单调融胀”。 (2)对封闭系统下土体的冻胀变形与融沉变形进行了研究分析,试验表明:密实的土样冻融循环过程中冻胀变形与融沉稳定变形随冻融循环次数增加累积增加,且土体初始含水率越高,土体变形量也越大;最优含水率下,冻融循环后试样冻胀与融沉变形量随干密度增加有先升高后降低的趋势;冻融循环对松散的土样有固结作用。在10个循环周期内冻融破坏作用最强,土体变形最为剧烈;30次循环后,土体逐渐趋于动态平衡。对冻胀、融沉稳定变形与冻融循环次数之间线性关系进行拟合,并建立了经验数学公式。 (3)封闭系统下土体渗透系数变化规律:对于密实的土样,试样初始含水率越高,冻融循环对土体的结构破坏作用越强,渗透系数变化也越大,试样需更长的循环周期达到动态稳定。而最优含水率的试样,冻融循环对松散土样因有微弱的压实,渗透性有轻微降低,而较密实土样渗透性提高;试样渗透系数变化率随干密度的增加单调增加。土样渗透性在前10次冻融循环过程中变化最为剧烈,经历30次冻融循环后逐渐趋于稳定。 (4)通过开放系统下的冻融循环试验,研究了开放系统下冻融循环对黄土体变的影响规律。结果表明:土体冻胀量与融沉稳定变形量随冻融循环次数增加累积升高;前5次冻融循环对土体强风化作用最为剧烈;10次冻融循环后,冻胀量与融沉稳定变形量已基本稳定,但土体表层的冻融风蚀作用持续累积。另外,笔者尝试对开放系统下土样变形与冻融循环次数之间关系进行了线形拟合并建立了经验数学公式。


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