冻融条件下重塑黄土渗透规律试验分析

摘要

【目的】研究冻融作用对重塑黄土渗透特性的影响,为季节冻土区黄土边坡、道路及堤坝等工程的设计和施工提供参考。【方法】以Q3黄土为研究对象,在封闭系统下进行快速冻融循环试验,每个循环为-20℃冻结12h,20℃融化12h,冻融循环次数分别为0,2,4,5,10,14,17和20。将干密度为1.7g/cm^3、含水率为18.0%的重塑黄土样制成长×宽×高为1cm×1cm×2cm的长条形样品,然后置于高低温试验箱进行冻融循环处理;将冻融后的样品风干后进行扫描电镜观察,并定量分析重塑黄土的骨架颗粒形态、连接方式、孔隙形态及孔隙面积比等微观结构特征。同时制作含水率分别为15.0%,18.0%,21.0%,28.0%及饱和含水率的土样,分5层压制成干密度分别为1.4,1.5,1.6和1.7g/cm^3的黄土三轴样,然后置于高低温试验箱进行冻融循环试验;最后在围压分别为100,200,300和400kPa条件下进行三轴黄土渗透试验,分析围压、含水率、干密度和冻融循环次数对黄土渗透特性的影响。【结果】冻融作用对土体表面结构破坏严重,有横向和纵向裂缝。冻融过程中,重塑黄土土体微观结构发生了明显变化,集团粒数量明显减少,土粒胶结性变差;随着冻融循环次数的增加,土样的孔隙面积比呈指数增大趋势,冻融循环20次后孔隙面积比由0.76增加到0.79。渗透系数随围压的增大表现出指数衰减特征,且围压为400kPa时渗透系数差异较小;随着干密度和初始含水率的增加,渗透系数表现出抛物线变化特征,且干密度和含水率分别为1.6g/cm^3和21.0%左右时,渗透系数较大;渗透系数随冻融循环次数增加表现出指数增大特征,冻融循环20次后渗透系数增加1~2个量级。【结论】经历冻融循环后,重塑黄土土体的结构强度遭受一定程度破坏,渗透性增强,冻融循环20次后黄土土体渗透特性趋于稳定;冻融过程中产生的裂缝是诱发黄土土体渗透性增强的主要原因;冻融过程中重塑黄土渗透特性与土的初始状态、冻融循环次数及围压密切相关。