干湿与冻融循环耦合下压实黄土工程性质劣化的试验剖析与机理探究

干湿与冻融循环耦合下压实黄土工程性质劣化的试验剖析与机理探究一、引言1.1研究背景与意义黄土作为一种特殊的第四纪陆相沉积物，在全球范围内广泛分布，尤其在中国的华北、西北等地区，黄土分布面积广阔。因其具有特殊的物质组成和结构特征，黄土在工程建设中得到了广泛应用，如道路路基、地基处理、边坡工程等。例如，在黄土地区的公路建设中，大量利用当地的黄土作为路基填筑材料，既降低了工程成本，又减少了对其他建筑材料的依赖。然而，黄土地区的气候条件复杂多样，许多地区存在明显的季节性变化，这使得黄土在自然环境中经常遭受干湿和冻融循环的作用。干湿循环是指土体在反复的干燥和湿润过程中经历的物理化学变化。在干燥过程中，土体中的水分逐渐蒸发，土颗粒间的有效应力增加，导致土体收缩和干裂；而在湿润过程中，水分重新进入土体，土颗粒被浸湿，土体膨胀，强度降低。这种反复的干湿变化对黄土的物理力学性质产生了显著影响。已有研究表明，干湿循环会导致黄土的孔隙比增大、抗剪强度降低、压缩性增加。例如，赵俊刚通过室内模拟干湿循环试验发现，模拟的干湿循环作用使得已消除湿陷性的压实黄土重新具有了湿陷性，且干湿循环对压实黄土的强度有较大影响。冻融循环则是由于气温在0℃上下波动，导致土体中的水分反复冻结和融化的过程。当土体温度降至0℃以下时，孔隙中的水分冻结成冰，体积膨胀约9%，对土体产生冻胀力，破坏土体结构；当温度回升至0℃以上，冰融化成水，土体发生融沉。在冻融循环作用下，黄土的物理力学性质也会发生改变。有研究显示，冻融循环后黄土的最大干密度变小，孔隙比变大，强度降低，土样内部结构发生明显的弱化。如太原理工大学的研究表明，在冻融循环后，黄土的抗剪强度降低，其中粘聚力c减小较为明显，内摩擦角变化幅度很小。尽管已有不少学者对干湿循环和冻融循环分别作用下黄土的工程性质进行了研究，但对于干湿和冻融循环共同作用下压实黄土工程性质劣化过程的研究还存在不足。在实际工程中，黄土往往同时受到干湿和冻融循环的影响，这种复杂的环境作用可能导致黄土工程性质的劣化更加显著，对工程的稳定性和耐久性构成更大威胁。例如，在黄土地区的道路工程中，路基在夏季经历干湿循环，冬季又遭受冻融循环，导致路基出现不均匀沉降、路面开裂等病害，严重影响道路的正常使用和寿命。因此，深入研究干湿和冻融循环作用下压实黄土工程性质的劣化过程具有重要的理论和实际意义。本研究通过室内试验，系统地分析干湿和冻融循环次数、含水率等因素对压实黄土物理力学性质的影响，揭示其劣化机制，为黄土地区的工程建设提供科学依据和技术支持。这不仅有助于提高黄土地区工程的设计水平和施工质量，保障工程的长期稳定性和安全性，还能为解决黄土地区工程中的实际问题提供有效的方法和途径，具有重要的工程应用价值和社会经济效益。1.2国内外研究现状国内外学者针对干湿和冻融循环对压实黄土工程性质的影响开展了多方面的研究，取得了一定成果。在干湿循环研究方面，国外学者较早关注到土体在干湿条件变化下的力学响应。例如，有研究利用先进的微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪（MIP），对干湿循环后土体的微观结构进行分析，揭示了孔隙结构变化与宏观力学性质之间的联系。通过这些微观测试手段，发现干湿循环会导致土颗粒间的胶结物质受损，孔隙结构变得更加复杂，进而影响土体的强度和变形特性。国内学者在干湿循环对黄土工程性质影响的研究上也成果丰硕。赵俊刚等通过室内模拟干湿循环试验，深入分析了干湿循环次数对压实黄土湿陷系数、强度以及干密度与孔隙比的影响。研究结果表明，模拟的干湿循环作用使得已消除湿陷性的压实黄土重新具有了湿陷性，且干湿循环对压实黄土的强度有较大影响，干湿循环使得压实黄土的内部结构发生了改变。在干湿循环过程中，随着循环次数的增加，黄土的孔隙比逐渐增大，干密度减小，抗剪强度降低，这些变化对黄土地区的工程稳定性产生了显著影响。在冻融循环研究领域，国外研究人员通过室内外试验，研究了不同冻结温度、冻融循环次数等因素对黄土物理力学性质的影响。研究发现，较低的冻结温度和较多的冻融循环次数会导致黄土的强度降低更为明显，土体结构破坏更加严重。同时，利用数值模拟方法，建立了考虑冻融循环作用的黄土本构模型，对冻融过程中黄土的力学行为进行了预测和分析。通过数值模拟，可以更加直观地了解冻融循环对黄土内部应力应变分布的影响，为工程设计提供理论支持。国内学者也对冻融循环下的黄土进行了广泛研究。太原理工大学的研究团队以太原东中环路工程为背景，通过室内模拟冻融循环试验，分析了不同冻融循环次数和冻结温度对黄土抗剪强度的影响。研究结果显示，在冻融循环后，黄土的抗剪强度都降低，其中粘聚力c减小较为明显，内摩擦角变化幅度很小。在不同冻融循环的次数与冻结温度下，土样抗剪强度降低的幅度不同，具体表现为：冻结温度越低，抗剪强度降低越多；冻融循环次数越多，抗剪强度降低越多，且在第一次冻融循环后抗剪强度降低最多，之后随着循环次数增加，每次冻融循环后抗剪强度的减小值不断变小。此外，在黄土路基边坡稳定性分析中，利用强度折减法结合大型有限元分析软件ABAQUS，研究了冻融循环对边坡稳定性的影响，发现冻融循环后路基边坡稳定性安全系数减小，边坡内塑性应变区发展更快、塑性变形区范围更大。尽管上述研究取得了一定成果，但仍存在一些不足。现有研究大多分别针对干湿循环或冻融循环单独作用下黄土的工程性质展开，对于干湿和冻融循环共同作用下压实黄土工程性质劣化过程的研究相对较少。在实际工程中，黄土地区的气候条件复杂，土体往往同时受到干湿和冻融循环的双重作用，这种复合作用下黄土工程性质的变化规律可能与单一作用时有很大差异。部分研究在模拟实际环境条件时存在一定局限性，未能充分考虑现场复杂的地质条件、水分迁移以及温度变化等因素对黄土工程性质的综合影响。在微观机制研究方面，虽然已有一些微观测试技术应用于黄土研究，但对于干湿和冻融循环作用下黄土微观结构变化与宏观力学性质劣化之间的定量关系，还缺乏深入系统的认识。因此，进一步开展干湿和冻融循环共同作用下压实黄土工程性质劣化过程的研究具有重要的理论和实际意义。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究主要围绕干湿和冻融循环作用下压实黄土的工程性质劣化过程展开，具体内容包括：不同循环次数下压实黄土物理力学性质变化规律：通过室内模拟试验，研究不同干湿循环次数、冻融循环次数以及干湿和冻融循环交替作用下，压实黄土的干密度、孔隙比、含水率、抗剪强度、压缩性等物理力学性质的变化规律。分析循环次数对这些性质的影响程度，确定各物理力学性质随循环次数变化的趋势和特征。例如，研究随着干湿循环次数的增加，黄土的孔隙比是否会持续增大，以及抗剪强度的降低幅度与循环次数之间的定量关系。不同条件下压实黄土物理力学性质变化规律：探讨不同初始含水率、冻结温度、干湿循环幅度等条件对压实黄土在干湿和冻融循环作用下工程性质的影响。分析在不同初始含水率下，黄土在干湿和冻融循环过程中的水分迁移规律，以及这种迁移对其物理力学性质的影响。研究不同冻结温度对黄土冻胀、融沉特性以及抗剪强度的影响机制。压实黄土微观结构变化与工程性质劣化的关系：利用扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等微观测试技术，观察干湿和冻融循环作用前后压实黄土的微观结构变化，如土颗粒的排列方式、孔隙大小和分布、颗粒间的胶结情况等。建立微观结构参数与宏观物理力学性质之间的联系，揭示压实黄土工程性质劣化的微观机制。例如，通过SEM图像分析，研究干湿和冻融循环如何导致土颗粒间的胶结物质受损，进而影响黄土的强度和变形特性。基于试验结果的压实黄土工程性质劣化模型建立：根据试验数据，运用数学统计方法和理论分析，建立考虑干湿和冻融循环作用的压实黄土工程性质劣化模型。该模型能够预测在不同循环条件下压实黄土的物理力学性质变化，为黄土地区的工程设计和施工提供理论依据。例如，建立抗剪强度与干湿循环次数、冻融循环次数以及其他影响因素之间的数学模型，通过该模型可以预测在实际工程环境中黄土抗剪强度的变化情况。1.3.2研究方法本研究采用室内模拟试验、微观测试和理论分析相结合的方法，具体如下：室内模拟试验：按照相关标准和规范，制备不同初始条件（如不同干密度、含水率等）的压实黄土试样。利用自行设计或改进的干湿循环试验装置和冻融循环试验装置，对试样进行不同循环次数和不同条件的干湿和冻融循环作用。在试验过程中，严格控制试验条件，如温度、湿度、循环周期等，确保试验结果的准确性和可靠性。采用先进的测试仪器和设备，如电子天平、压力传感器、位移计等，对循环作用前后试样的物理力学性质进行测试，获取试验数据。微观测试：对经过干湿和冻融循环作用后的黄土试样，利用扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构形态，分析土颗粒的排列、接触方式以及孔隙结构的变化。运用压汞仪（MIP）测定试样的孔隙大小分布、孔隙率等微观结构参数，从微观层面揭示干湿和冻融循环对黄土结构的影响。将微观测试结果与宏观物理力学性质测试数据相结合，深入探讨黄土工程性质劣化的微观机制。理论分析：基于试验结果和微观测试数据，运用土力学、材料力学、物理化学等相关理论，分析干湿和冻融循环作用下压实黄土物理力学性质劣化的原因和机制。通过建立数学模型，描述黄土在干湿和冻融循环过程中的水分迁移、应力应变变化以及微观结构演变等过程，实现对黄土工程性质劣化过程的定量分析和预测。运用数值模拟方法，如有限元分析软件，对黄土在复杂环境条件下的力学行为进行模拟，进一步验证理论分析结果和工程性质劣化模型的准确性。二、试验材料与方法2.1试验材料本试验所用的压实黄土取自陕西省宝鸡市南郑县某厂，该地区黄土分布广泛，具有典型的黄土特征。在取样过程中，严格按照相关标准和规范进行操作，以确保所取土样具有代表性。采用多点取样的方式，在不同位置采集土样，然后将这些土样充分混合，得到用于试验的代表性土样。对采集到的黄土进行基本物理性质指标测试，测试结果如表1所示：物理性质指标数值颗粒组成（砂粒含量）35%颗粒组成（粉粒含量）50%颗粒组成（粘粒含量）15%液限（%）28.5塑限（%）18.0塑性指数10.5天然含水率（%）8.0比重2.72最大干密度（g/cm^3）1.85最优含水率（%）13.5从颗粒组成来看，该黄土以粉粒为主，含量达到50%，砂粒含量为35%，粘粒含量为15%。这种颗粒组成使得黄土具有一定的结构性和透水性。液限为28.5%，塑限为18.0%，塑性指数为10.5，表明黄土的可塑性处于中等水平。天然含水率为8.0%，相对较低，这在黄土地区较为常见。比重为2.72，最大干密度为1.85g/cm^3，最优含水率为13.5%，这些指标对于后续的土样制备和试验研究具有重要指导意义。土样制备过程如下：首先，将采集回来的原状黄土自然风干，去除其中的杂质和大颗粒，然后用粉碎机进行粉碎，使其颗粒大小满足试验要求。接着，采用四分法将粉碎后的土样分成若干份，每份土样的质量根据试验需求确定。对于需要调整含水率的土样，采用预湿法进行处理，即根据计算好的加水量，用喷雾器将水均匀喷洒在土样上，充分搅拌后装入密封袋中，放入保湿器中静置24小时，使水分在土样中充分扩散均匀。在土样制备过程中，严格控制关键参数，如含水率和干密度。通过调整加水量来精确控制含水率，使其达到预定的数值。对于干密度的控制，采用重型击实试验确定的最大干密度和最优含水率为依据，利用击实仪对土样进行击实，在击实过程中，按照规定的击实功和分层击实次数进行操作，确保土样的干密度达到设计要求。对于不同试验目的的土样，设置不同的含水率和干密度组合，以研究这些因素对压实黄土在干湿和冻融循环作用下工程性质的影响。例如，设置含水率分别为10%、13.5%、16%，干密度分别为1.7g/cm^3、1.8g/cm^3、1.9g/cm^3的土样组合，用于后续的循环试验和物理力学性质测试。2.2试验装置2.2.1干湿循环试验装置本试验采用自主研发的干湿循环试验装置，该装置主要由湿度控制系统、温度控制系统、试样放置箱以及数据采集系统等部分组成，其结构示意图如图1所示。湿度控制系统是实现干湿循环的关键部分，它由加湿器、除湿器和湿度传感器构成。加湿器通过超声波雾化技术将水转化为微小的水雾颗粒，释放到试样放置箱内，增加箱内湿度，模拟土体的湿润状态；除湿器则利用冷凝除湿原理，将箱内空气中的水分凝结成液态水排出，降低湿度，模拟土体的干燥状态。湿度传感器实时监测箱内湿度，并将数据反馈给控制系统，当湿度达到设定的上限或下限时，控制系统自动控制加湿器或除湿器的启停，以维持设定的湿度范围。温度控制系统用于调节试验过程中的温度，由加热元件、制冷元件和温度传感器组成。加热元件采用电阻丝加热，制冷元件为半导体制冷片，它们分别负责升高和降低箱内温度。温度传感器实时监测箱内温度，将温度数据传输给控制系统，控制系统根据设定的温度值自动调节加热元件和制冷元件的工作状态，确保箱内温度稳定在设定范围内。试样放置箱是放置黄土试样的空间，采用不锈钢材质制作，具有良好的密封性和耐腐蚀性，能够有效防止外界环境对试验的干扰。箱内设有多层试样放置架，可同时放置多个试样，便于进行多组对比试验。数据采集系统负责采集试验过程中的湿度、温度等数据，由数据采集器和计算机组成。数据采集器将传感器采集到的湿度、温度数据进行转换和处理后，传输给计算机。计算机通过专用的数据采集软件对数据进行实时显示、存储和分析，为试验结果的分析提供数据支持。干湿循环试验的具体操作流程如下：首先，将制备好的黄土试样放入试样放置箱内的试样放置架上，然后根据试验方案，在控制系统中设定湿度和温度的循环变化参数，如湿润阶段的湿度上限为90%RH，干燥阶段的湿度下限为30%RH，湿润和干燥阶段的持续时间均为24小时，温度设定为25℃。启动试验装置，湿度控制系统和温度控制系统开始工作，按照设定的参数进行干湿循环。在试验过程中，数据采集系统实时采集湿度、温度数据，并进行记录和分析。每完成一次干湿循环，取出试样进行相关物理力学性质的测试，然后将试样放回试验装置，继续进行下一次循环。2.2.2冻融循环试验装置冻融循环试验装置采用专业的土壤冻融循环试验箱，其构造主要包括制冷系统、加热系统、温度控制系统、试样放置室以及数据记录系统等部分，装置外观如图2所示。制冷系统是实现低温冷冻的核心部分，由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等组成。压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，通过冷凝器散热后变成高压液体，再经过膨胀阀节流降压，进入蒸发器中吸收热量，使蒸发器周围的空气温度降低，从而实现对试样放置室的制冷。本试验箱采用的压缩机为全封闭制冷压缩机，具有制冷效率高、运行稳定等优点。加热系统用于在融化阶段升高试样温度，采用电加热丝作为加热元件，通过温度控制系统调节加热功率，实现对温度的精确控制。加热丝均匀分布在试样放置室的四周，确保室内温度均匀上升。温度控制系统由温度传感器、控制器和执行机构组成。温度传感器实时监测试样放置室内的温度，并将温度信号传输给控制器。控制器根据设定的温度值和实际测量的温度值进行比较和计算，然后输出控制信号给执行机构，调节制冷系统和加热系统的工作状态，使试样放置室内的温度按照设定的冻融循环曲线变化。例如，设定冻结温度为-20℃，融化温度为5℃，冻结和融化时间均为12小时，温度控制系统会自动控制制冷系统和加热系统，使试样在规定的时间内达到相应的温度，并保持稳定。试样放置室是放置黄土试样的空间，采用保温性能良好的聚氨酯泡沫材料制作，能够有效减少热量的传递，保证试验过程中的温度稳定性。室内设有专门的试样放置架，可根据试样的尺寸和数量进行灵活调整。数据记录系统由数据采集器和计算机组成，用于记录试验过程中的温度数据。数据采集器每隔一定时间采集一次温度传感器的数据，并将数据传输给计算机进行存储和分析。通过数据记录系统，可以直观地了解冻融循环过程中温度的变化情况，为试验结果的分析提供依据。在进行冻融循环试验时，首先将黄土试样放入试样放置室内的试样放置架上，然后在温度控制系统中设定冻融循环的参数，如冻结温度、融化温度、冻结时间、融化时间和循环次数等。启动试验装置，制冷系统开始工作，将试样放置室的温度降至设定的冻结温度，并保持一定时间，使试样充分冻结。然后，加热系统启动，将温度升高到设定的融化温度，使试样融化。如此反复进行，完成预定的冻融循环次数。在试验过程中，数据记录系统实时记录温度数据，每完成一次冻融循环，对试样进行相关物理力学性质的测试。2.2.3三轴压缩试验设备三轴压缩试验设备采用高精度三轴仪，主要由压力室、轴向加荷系统、围压控制系统、孔隙水压力量测系统和数据采集系统等部分组成，其工作原理图如图3所示。压力室是放置试样并施加围压的部件，由透明有机玻璃制成，便于观察试样在试验过程中的变形情况。压力室内部设有底座和顶盖，用于固定试样和传递压力。轴向加荷系统用于对试样施加轴向压力，由伺服电机、滚珠丝杠和力传感器等组成。伺服电机通过滚珠丝杠带动活塞运动，从而对试样施加轴向压力。力传感器安装在活塞与试样之间，实时测量轴向压力的大小，并将信号传输给数据采集系统。围压控制系统负责对压力室内的试样施加围压，由压力泵、调压阀和压力表等组成。压力泵将液体（通常为硅油）加压后输入压力室，通过调压阀调节液体压力，从而实现对围压的精确控制。压力表用于显示围压的大小。孔隙水压力量测系统用于测量试样在试验过程中的孔隙水压力变化，由孔隙水压力传感器、量测管路和数据采集系统组成。孔隙水压力传感器安装在试样底部，通过量测管路与数据采集系统相连。在试验过程中，孔隙水压力传感器实时测量试样的孔隙水压力，并将信号传输给数据采集系统。数据采集系统负责采集试验过程中的轴向压力、围压、孔隙水压力和轴向变形等数据，由数据采集器和计算机组成。数据采集器将各个传感器采集到的数据进行转换和处理后，传输给计算机。计算机通过专用的试验数据处理软件对数据进行实时显示、存储和分析，计算出试样的抗剪强度参数（粘聚力c和内摩擦角φ）等力学指标。三轴压缩试验的具体操作步骤如下：首先，将经过干湿或冻融循环试验后的黄土试样用保鲜膜包裹好，放入压力室的底座上，然后安装好压力室的顶盖和密封装置。接着，通过围压控制系统向压力室内施加预定的围压，并保持稳定。之后，启动轴向加荷系统，以一定的速率对试样施加轴向压力，同时通过孔隙水压力量测系统和数据采集系统实时监测和记录孔隙水压力和轴向变形等数据。当试样达到破坏状态（通常以轴向变形达到一定值或轴向压力不再增加为判断依据）时，停止试验。最后，根据试验数据，利用莫尔-库仑强度理论计算出试样的抗剪强度参数。除了上述主要试验装置外，还配备了电子天平（精度为0.001g）用于称量土样的质量，以计算含水率和干密度；百分表（精度为0.01mm）用于测量试样在试验过程中的变形量；烘箱用于烘干土样，以测定其含水率等。这些设备共同保障了试验的顺利进行和数据的准确性。2.3试验方案设计2.3.1干湿循环试验方案试样准备：按照2.1节所述的土样制备方法，制备干密度为1.8g/cm^3，含水率分别为10%、13.5%、16%的黄土试样，每种含水率制备6个平行试样，共计18个试样。将制备好的试样放入密封袋中，备用。增湿与减湿方法：采用前文自主研发的干湿循环试验装置进行试验。增湿时，启动加湿器，使试验箱内湿度逐渐升高至90%RH，保持该湿度24小时，模拟土体的湿润状态。在此过程中，水分逐渐进入土样，土样含水率增加。减湿时，开启除湿器，将试验箱内湿度降低至30%RH，维持24小时，模拟土体的干燥状态，土样中的水分逐渐蒸发，含水率降低。循环次数设置：对每个含水率的试样分别进行1次、3次、5次、7次、9次干湿循环试验。每次干湿循环结束后，取出试样，立即用电子天平称量其质量，根据质量变化计算试样的含水率，并利用百分表测量试样的竖向变形，记录数据。随后，将试样重新放回试验箱，进行下一次干湿循环。物理力学性质测试：在完成预定次数的干湿循环后，对试样进行物理力学性质测试。用环刀法测定试样的干密度，利用三轴压缩试验设备测定试样的抗剪强度，通过固结试验测定试样的压缩性指标。对于抗剪强度测试，采用三轴不固结不排水试验（UU），围压分别设置为50kPa、100kPa、150kPa，加载速率控制在0.5mm/min，记录轴向压力和轴向变形数据，根据莫尔-库仑强度理论计算粘聚力c和内摩擦角φ。在固结试验中，采用标准固结试验方法，施加的各级压力为50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，每级压力下压缩稳定标准为每小时变形量不超过0.01mm，记录试样在各级压力下的变形量，绘制e-p曲线，计算压缩系数和压缩模量。2.3.2冻融循环试验方案试样准备：同样按照2.1节的土样制备方法，制备干密度为1.8g/cm^3，含水率分别为10%、13.5%、16%的黄土试样，每种含水率制备6个平行试样，共18个试样，密封保存。降温与升温速率及循环次数：使用土壤冻融循环试验箱进行试验。降温时，启动制冷系统，以1℃/h的速率将试验箱内温度降至-20℃，并在该温度下保持12小时，使试样充分冻结。升温时，开启加热系统，以1℃/h的速率将温度升高至5℃，并维持12小时，使试样完全融化。如此完成一次冻融循环。对每个含水率的试样分别进行1次、3次、5次、7次、9次冻融循环试验。每次冻融循环结束后，在试验箱内温度达到5℃时，取出试样，迅速称量其质量以计算含水率，并用百分表测量竖向变形，记录数据后将试样放回试验箱进行下一次循环。物理力学性质测试：完成预定次数的冻融循环后，对试样进行物理力学性质测试。干密度采用环刀法测定，抗剪强度通过三轴压缩试验测定，采用三轴不固结不排水试验（UU），围压设置与干湿循环试验后的抗剪强度测试相同，加载速率为0.5mm/min，计算粘聚力c和内摩擦角φ。压缩性指标通过固结试验测定，试验方法和压力施加与干湿循环试验后的固结试验一致，绘制e-p曲线，计算压缩系数和压缩模量。2.3.3干湿和冻融交替循环试验方案试样准备：制备干密度为1.8g/cm^3，含水率分别为10%、13.5%、16%的黄土试样，每种含水率制备6个平行试样，共18个试样，密封保存。循环程序设计：先进行一次干湿循环，再进行一次冻融循环，如此交替进行。干湿循环的增湿、减湿过程以及冻融循环的降温、升温过程与前面单独的干湿循环试验和冻融循环试验参数相同。对每个含水率的试样分别进行1次、3次、5次、7次、9次交替循环试验。每次交替循环结束后，在冻融循环升温至5℃时，取出试样，称量质量计算含水率，测量竖向变形，记录数据后放回试验箱继续下一次交替循环。物理力学性质测试：完成预定次数的干湿和冻融交替循环后，对试样进行物理力学性质测试。干密度采用环刀法测定，抗剪强度通过三轴压缩试验测定，采用三轴不固结不排水试验（UU），围压设置为50kPa、100kPa、150kPa，加载速率0.5mm/min，计算粘聚力c和内摩擦角φ。压缩性指标通过固结试验测定，试验方法和压力施加与前两种试验后的固结试验一致，绘制e-p曲线，计算压缩系数和压缩模量。通过以上系统的试验方案设计，能够全面研究干湿和冻融循环作用下压实黄土的物理力学性质变化规律，为后续的结果分析和结论推导提供丰富的数据支持。三、干湿循环作用下压实黄土工程性质变化3.1物理性质变化3.1.1含水率变化在干湿循环作用下，压实黄土的含水率呈现出明显的规律性变化。以初始含水率为10%、13.5%、16%，干密度为1.8g/cm^3的黄土试样为例，随着干湿循环次数的增加，不同初始含水率试样的含水率变化趋势如图4所示。从图中可以清晰地看出，每次干湿循环过程中，试样在增湿阶段，水分迅速进入土体，含水率快速上升；在减湿阶段，土体中的水分逐渐蒸发，含水率逐渐降低。这是因为在增湿时，土颗粒表面的吸附力以及孔隙中的毛细作用使得水分能够快速进入土体孔隙中。在减湿过程中，随着水分的蒸发，土颗粒间的有效应力逐渐增大，土体开始收缩，孔隙减小，进一步阻碍了水分的蒸发，导致含水率下降速度逐渐变缓。对比不同初始含水率的试样，发现初始含水率较低的试样，在每次干湿循环中的含水率变化幅度相对较大。例如，初始含水率为10%的试样，在第一次干湿循环中，增湿后含水率可达到25%左右，减湿后含水率降至12%左右，变化幅度约为13%；而初始含水率为16%的试样，在相同的干湿循环条件下，增湿后含水率达到28%左右，减湿后含水率降至18%左右，变化幅度约为10%。这是由于初始含水率较低的土体，孔隙中可容纳水分的空间相对较大，在增湿时能够吸收更多的水分，从而导致含水率变化幅度较大。随着干湿循环次数的不断增加，各试样的含水率变化幅度逐渐减小。这是因为在多次干湿循环过程中，土体结构逐渐发生改变，孔隙结构趋于稳定。一方面，土体中的一些细小孔隙在干湿循环作用下逐渐被压缩或堵塞，使得水分进入和排出土体的通道减少；另一方面，土颗粒表面的吸附水膜在多次干湿循环后逐渐达到相对稳定的状态，从而导致含水率变化幅度减小。例如，初始含水率为13.5%的试样，在第1次干湿循环中，含水率变化幅度为10%，而在第5次干湿循环中，含水率变化幅度减小至7%左右。3.1.2孔隙比变化孔隙比是反映土体孔隙结构的重要参数，干湿循环对压实黄土孔隙比的影响显著。通过试验测定不同干湿循环次数下压实黄土的孔隙比，结果如图5所示。由图可知，随着干湿循环次数的增加，压实黄土的孔隙比总体呈增大趋势。这是因为在干湿循环过程中，土体经历反复的膨胀和收缩，土颗粒之间的连接逐渐被破坏，导致孔隙结构发生变化。在增湿阶段，水分进入土体，土颗粒表面的结合水膜增厚，颗粒间的斥力增大，土体发生膨胀，孔隙比增大；在减湿阶段，水分蒸发，土体收缩，土颗粒间的有效应力增加，部分颗粒重新排列，一些较小的孔隙被压缩，但由于干湿循环造成的土体结构损伤，使得总体孔隙比仍然呈增大趋势。不同初始含水率的试样在干湿循环过程中，孔隙比的变化也存在差异。初始含水率较高的试样，孔隙比增大的幅度相对较小。例如，初始含水率为16%的试样，在经过5次干湿循环后，孔隙比从初始的0.65增大到0.72，增大了0.07；而初始含水率为10%的试样，在相同的干湿循环次数下，孔隙比从0.70增大到0.80，增大了0.10。这是因为初始含水率较高的土体，在初始状态下孔隙中已经含有较多水分，土颗粒间的距离相对较大，在干湿循环过程中，土体膨胀和收缩的空间相对较小，因此孔隙比增大的幅度也较小。孔隙比的变化与土体的力学性质密切相关。随着孔隙比的增大，土体的结构性逐渐减弱，抗剪强度降低，压缩性增加。这是因为较大的孔隙比意味着土体内部孔隙增多，土颗粒间的接触面积减小，颗粒间的摩擦力和咬合力降低，从而导致土体的抗剪强度下降。在受到外力作用时，孔隙较大的土体更容易发生变形，压缩性增大。通过后续的三轴压缩试验和固结试验也进一步验证了这一关系，随着干湿循环次数增加导致孔隙比增大，试样的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ均有所降低，压缩系数增大，压缩模量减小。3.2力学性质变化3.2.1抗剪强度变化抗剪强度是衡量土体力学性能的重要指标，干湿循环对压实黄土抗剪强度的影响显著。通过三轴压缩试验得到不同干湿循环次数下，初始含水率分别为10%、13.5%、16%，干密度为1.8g/cm^3的压实黄土抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ的变化情况，如图6和图7所示。从图6可以看出，随着干湿循环次数的增加，压实黄土的粘聚力c呈现明显的下降趋势。初始含水率为10%的试样，粘聚力从初始的30kPa左右下降到第9次干湿循环后的18kPa左右；初始含水率为13.5%的试样，粘聚力从28kPa下降到16kPa左右；初始含水率为16%的试样，粘聚力从26kPa下降到14kPa左右。粘聚力的降低主要是由于干湿循环导致土体结构的破坏，土颗粒间的胶结物质在反复的干湿作用下逐渐弱化，颗粒间的连接力减小。在湿润阶段，水分的进入使得土颗粒表面的结合水膜增厚，削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力；在干燥阶段，土体收缩产生的应力进一步破坏了颗粒间的胶结结构，导致粘聚力降低。不同初始含水率的试样，粘聚力下降的速率存在差异。初始含水率较低的试样，粘聚力下降速率相对较快。例如，初始含水率为10%的试样，在前3次干湿循环中，粘聚力下降了约8kPa；而初始含水率为16%的试样，在前3次干湿循环中，粘聚力下降了约6kPa。这是因为初始含水率较低的土体，在干湿循环过程中，水分的变化对土体结构的影响更为敏感，土颗粒间的胶结物质更容易受到破坏，从而导致粘聚力下降更快。对于内摩擦角φ，如图7所示，随着干湿循环次数的增加，其变化趋势相对较为平缓，但整体也呈现出略微下降的趋势。初始含水率为10%的试样，内摩擦角从初始的28°左右下降到第9次干湿循环后的26°左右；初始含水率为13.5%的试样，内摩擦角从27°下降到25°左右；初始含水率为16%的试样，内摩擦角从26°下降到24°左右。内摩擦角主要取决于土颗粒的形状、表面粗糙度以及颗粒间的相互排列和咬合情况。干湿循环虽然会使土体结构发生一定变化，但对土颗粒本身的特性影响相对较小，因此内摩擦角的变化幅度不如粘聚力明显。然而，由于干湿循环导致土体孔隙结构的改变，使得土颗粒间的接触状态和咬合程度发生了一定程度的调整，从而导致内摩擦角略有降低。抗剪强度的降低对黄土地区的工程稳定性产生了严重影响。在边坡工程中，抗剪强度的下降可能导致边坡失稳，引发滑坡等地质灾害。在地基工程中，抗剪强度的降低会使地基的承载能力下降，可能导致建筑物的不均匀沉降甚至破坏。以某黄土地区的公路边坡为例，由于长期受到干湿循环的作用，边坡土体的抗剪强度降低，在暴雨等不利条件下，发生了滑坡事故，对交通造成了严重影响。因此，在黄土地区的工程设计和施工中，必须充分考虑干湿循环对抗剪强度的影响，采取相应的加固措施，以确保工程的安全稳定。3.2.2压缩特性变化干湿循环对压实黄土的压缩特性也有显著影响，通过固结试验得到不同干湿循环次数下压实黄土的压缩系数和压缩模量变化情况，如图8和图9所示。从图8可以看出，随着干湿循环次数的增加，压实黄土的压缩系数逐渐增大。初始含水率为10%的试样，压缩系数从初始的0.15MPa⁻¹左右增大到第9次干湿循环后的0.25MPa⁻¹左右；初始含水率为13.5%的试样，压缩系数从0.18MPa⁻¹增大到0.28MPa⁻¹左右；初始含水率为16%的试样，压缩系数从0.20MPa⁻¹增大到0.30MPa⁻¹左右。压缩系数的增大表明土体在压力作用下更容易发生变形，这是因为干湿循环破坏了土体的结构，使得土体孔隙比增大，土颗粒间的排列更加疏松，在受到压力时，孔隙更容易被压缩，从而导致变形增大。不同初始含水率的试样，压缩系数的变化幅度也有所不同。初始含水率较高的试样，压缩系数增大的幅度相对较大。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次干湿循环后，压缩系数增大了0.1MPa⁻¹；而初始含水率为10%的试样，压缩系数增大了0.1MPa⁻¹。这是因为初始含水率较高的土体，在干湿循环过程中，水分的变化对土体结构的影响更大，土体的膨胀和收缩更加明显，导致孔隙结构的改变更为显著，从而使得压缩系数增大的幅度更大。压缩模量与压缩系数呈反比关系，从图9可以看出，随着干湿循环次数的增加，压实黄土的压缩模量逐渐减小。初始含水率为10%的试样，压缩模量从初始的12MPa左右减小到第9次干湿循环后的8MPa左右；初始含水率为13.5%的试样，压缩模量从10MPa减小到7MPa左右；初始含水率为16%的试样，压缩模量从9MPa减小到6MPa左右。压缩模量的减小意味着土体抵抗变形的能力降低，在相同的压力作用下，土体的变形量会更大。压缩特性的变化对黄土地区的工程有重要影响。在地基工程中，压缩系数的增大和压缩模量的减小会导致地基的沉降量增加，影响建筑物的正常使用。对于高层建筑的地基，若不考虑干湿循环对压缩特性的影响，可能会导致建筑物出现过大的沉降，影响结构安全。在道路工程中，路基土压缩特性的改变会导致路面的平整度下降，增加行车的不舒适性和安全性隐患。因此，在黄土地区的工程设计中，需要充分考虑干湿循环对压缩特性的影响，合理确定地基的承载能力和沉降量，采取有效的地基处理措施，以保证工程的质量和稳定性。3.3微观结构变化为深入探究干湿循环作用下压实黄土工程性质变化的内在原因，采用扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪（MIP）对不同干湿循环次数后的黄土试样进行微观结构分析。通过扫描电镜观察发现，初始状态下，压实黄土颗粒排列较为紧密，土颗粒多呈棱角状，颗粒间主要通过点接触或面接触相互连接，孔隙主要以小孔隙和少量中孔隙为主，分布相对均匀，如图10（a）所示。随着干湿循环次数的增加，黄土微观结构发生明显变化。在经过3次干湿循环后，部分土颗粒间的连接开始出现松动，颗粒间的接触点减少，一些小孔隙逐渐扩大，同时在颗粒间出现了新的微小孔隙，孔隙分布的均匀性有所降低，如图10（b）所示。当干湿循环次数达到9次时，土颗粒间的连接进一步破坏，土颗粒呈现出较为松散的状态，大孔隙数量明显增多，孔隙结构变得更加复杂，出现了大量连通孔隙，孔隙分布极不均匀，如图10（c）所示。对不同干湿循环次数下黄土试样的微观结构进行定量分析，利用图像分析软件对SEM图像进行处理，得到孔隙面积比和平均孔径等参数的变化情况，如图11所示。从图中可以看出，随着干湿循环次数的增加，孔隙面积比和平均孔径均呈现出逐渐增大的趋势。这与前文宏观物理性质测试中孔隙比增大的结果相一致，进一步表明干湿循环导致了黄土孔隙结构的扩张。在湿润阶段，水分进入土体，土颗粒表面的结合水膜增厚，颗粒间的斥力增大，使得部分颗粒间的连接被撑开，孔隙面积增大；在干燥阶段，土体收缩产生的应力导致颗粒间的连接进一步破坏，孔隙进一步扩大，同时产生新的孔隙。利用压汞仪（MIP）对黄土试样的孔隙结构特征参数进行分析，得到不同干湿循环次数下黄土的孔径分布曲线和孔隙率等参数的变化情况，如图12和图13所示。从孔径分布曲线可以看出，初始状态下，黄土的孔径主要集中在0.01-1μm范围内，以小孔径为主。随着干湿循环次数的增加，孔径分布曲线向大孔径方向移动，在1-10μm范围内的孔径占比逐渐增加，表明大孔隙数量增多。这与SEM观察结果相互印证，说明干湿循环使得黄土的孔隙结构向大孔隙方向发展。从孔隙率变化曲线可知，随着干湿循环次数的增加，黄土的孔隙率逐渐增大，从初始的35%左右增加到9次干湿循环后的45%左右。这进一步证明了干湿循环对黄土孔隙结构的破坏作用，使得土体的孔隙率增大，结构变得更加疏松。微观结构的变化与宏观物理力学性质之间存在密切联系。随着干湿循环导致黄土微观结构中孔隙面积比、平均孔径和孔隙率的增大，土体的结构性逐渐减弱。土颗粒间的连接被破坏，使得颗粒间的摩擦力和咬合力降低，从而导致抗剪强度下降，这与前文抗剪强度测试中粘聚力和内摩擦角降低的结果一致。孔隙结构的改变使得土体在受到压力时更容易发生变形，压缩性增加，这也与压缩特性测试中压缩系数增大、压缩模量减小的结果相吻合。因此，干湿循环作用下压实黄土微观结构的变化是导致其宏观物理力学性质劣化的重要内在原因。四、冻融循环作用下压实黄土工程性质变化4.1物理性质变化4.1.1含水率变化在冻融循环过程中，压实黄土的含水率变化呈现出独特的规律。以初始含水率分别为10%、13.5%、16%，干密度为1.8g/cm^3的黄土试样为研究对象，其在不同冻融循环次数下的含水率变化情况如图14所示。从图中可以看出，随着冻融循环次数的增加，各试样的含水率总体呈现出先略微上升后趋于稳定的趋势。在冻融循环初期，含水率的上升主要是由于在冻结过程中，土体孔隙中的水分结冰膨胀，使得土颗粒间的孔隙增大，当温度回升冰融化后，土体对水分的容纳空间相对增加，外界水分更容易进入土体，导致含水率上升。随着冻融循环次数的进一步增加，土体结构逐渐趋于稳定，孔隙结构变化不再明显，水分的迁移和交换也逐渐达到平衡状态，因此含水率趋于稳定。对比不同初始含水率的试样，发现初始含水率较低的试样，在冻融循环过程中含水率上升的幅度相对较大。例如，初始含水率为10%的试样，在经过5次冻融循环后，含水率从10%上升到12%左右，上升了2%；而初始含水率为16%的试样，在相同的冻融循环次数下，含水率从16%上升到17%左右，仅上升了1%。这是因为初始含水率较低的土体，孔隙中可容纳水分的空间相对较大，在冻融循环过程中，更容易吸收外界水分，从而导致含水率上升幅度较大。此外，在冻融循环过程中，还观察到试样内部含水率分布存在一定的不均匀性。在试样的表层，由于与外界环境接触更为密切，水分的迁移和交换更为频繁，因此含水率变化相对较大；而在试样内部，水分迁移受到一定阻碍，含水率变化相对较小。这种含水率分布的不均匀性会对土体的力学性质产生影响，导致土体的力学性能在不同部位存在差异。例如，在边坡工程中，由于土体表层含水率变化较大，在冻融循环作用下，表层土体更容易发生变形和破坏，从而影响边坡的稳定性。4.1.2干密度与孔隙比变化冻融循环对压实黄土的干密度和孔隙比也有显著影响。通过试验测定不同冻融循环次数下压实黄土的干密度和孔隙比，结果如图15和图16所示。从图15可以看出，随着冻融循环次数的增加，压实黄土的干密度逐渐减小。初始含水率为10%的试样，干密度从初始的1.8g/cm^3减小到第9次冻融循环后的1.75g/cm^3左右；初始含水率为13.5%的试样，干密度从1.8g/cm^3减小到1.73g/cm^3左右；初始含水率为16%的试样，干密度从1.8g/cm^3减小到1.71g/cm^3左右。干密度的减小主要是由于冻融循环导致土体结构的破坏，土颗粒间的连接被削弱，颗粒间的排列变得疏松，使得土体的总体积增大，从而干密度减小。与干密度的变化相反，如图16所示，随着冻融循环次数的增加，压实黄土的孔隙比逐渐增大。初始含水率为10%的试样，孔隙比从初始的0.70增大到第9次冻融循环后的0.75左右；初始含水率为13.5%的试样，孔隙比从0.68增大到0.78左右；初始含水率为16%的试样，孔隙比从0.65增大到0.80左右。在冻结过程中，孔隙水结冰膨胀对土颗粒产生冻胀力，使土颗粒间的距离增大，孔隙扩大；在融化过程中，虽然土体发生一定程度的融沉，但由于土体结构已受到破坏，孔隙无法完全恢复到初始状态，导致孔隙比总体呈增大趋势。不同初始含水率的试样，干密度和孔隙比的变化幅度也存在差异。初始含水率较高的试样，干密度减小和孔隙比增大的幅度相对较大。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次冻融循环后，干密度减小了0.09g/cm^3，孔隙比增大了0.15；而初始含水率为10%的试样，干密度减小了0.05g/cm^3，孔隙比增大了0.05。这是因为初始含水率较高的土体，在冻融循环过程中，水分的相变对土体结构的影响更为显著，土颗粒间的连接更容易被破坏，从而导致干密度和孔隙比的变化幅度更大。干密度和孔隙比的变化对压实黄土的力学性质有着重要影响。干密度减小和孔隙比增大意味着土体的密实度降低，土颗粒间的接触面积减小，颗粒间的摩擦力和咬合力降低，从而导致土体的抗剪强度降低，压缩性增加。在地基工程中，这种变化可能导致地基的承载能力下降，建筑物出现不均匀沉降等问题。因此，在黄土地区的工程设计和施工中，必须充分考虑冻融循环对干密度和孔隙比的影响，采取相应的措施来保证工程的稳定性和安全性。4.2力学性质变化4.2.1抗剪强度变化抗剪强度是衡量土体抵抗剪切破坏能力的关键指标，冻融循环对压实黄土抗剪强度的影响显著。通过三轴压缩试验，获取不同冻融循环次数下，初始含水率分别为10%、13.5%、16%，干密度为1.8g/cm^3的压实黄土抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ的变化数据，结果如图17和图18所示。从图17可以明显看出，随着冻融循环次数的增加，压实黄土的粘聚力c呈现出持续下降的趋势。初始含水率为10%的试样，粘聚力从初始的32kPa左右降至第9次冻融循环后的16kPa左右；初始含水率为13.5%的试样，粘聚力从30kPa下降到14kPa左右；初始含水率为16%的试样，粘聚力从28kPa降低至12kPa左右。粘聚力主要来源于土颗粒间的胶结作用和摩擦力。在冻融循环过程中，土体中的水分反复冻结和融化，冰的体积膨胀会对土颗粒间的胶结物质产生破坏作用，使得颗粒间的连接力减弱，从而导致粘聚力降低。在冻结阶段，孔隙水结冰膨胀，对土颗粒产生冻胀力，这种冻胀力会使土颗粒间的胶结结构受到拉伸和破坏；在融化阶段，冰融化成水，土颗粒间的润滑作用增强，进一步削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力。不同初始含水率的试样，粘聚力下降的幅度存在差异。初始含水率较高的试样，粘聚力下降幅度相对较大。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次冻融循环后，粘聚力下降了16kPa；而初始含水率为10%的试样，粘聚力下降了16kPa。这是因为初始含水率较高的土体，在冻融循环过程中，水分的相变更加剧烈，产生的冻胀力更大，对土颗粒间胶结结构的破坏更为严重，从而导致粘聚力下降幅度更大。对于内摩擦角φ，从图18可以看出，随着冻融循环次数的增加，其变化趋势相对较为平缓，但整体也呈现出略微下降的趋势。初始含水率为10%的试样，内摩擦角从初始的29°左右下降到第9次冻融循环后的27°左右；初始含水率为13.5%的试样，内摩擦角从28°下降到26°左右；初始含水率为16%的试样，内摩擦角从27°下降到25°左右。内摩擦角主要取决于土颗粒的形状、表面粗糙度以及颗粒间的相互排列和咬合情况。冻融循环虽然会使土体结构发生一定变化，但对土颗粒本身的特性影响相对较小，因此内摩擦角的变化幅度不如粘聚力明显。然而，由于冻融循环导致土体孔隙结构的改变，使得土颗粒间的接触状态和咬合程度发生了一定程度的调整，从而导致内摩擦角略有降低。例如，在冻融循环过程中，土体孔隙增大，土颗粒间的接触点减少，咬合程度降低，进而使得内摩擦角减小。抗剪强度的降低对黄土地区的工程稳定性产生了严重威胁。在黄土地区的基础工程中，地基土抗剪强度的降低可能导致基础的承载能力下降，引发建筑物的不均匀沉降，甚至可能导致建筑物的倾斜或倒塌。在黄土边坡工程中，抗剪强度的下降会使边坡的稳定性降低，容易引发滑坡等地质灾害。以某黄土地区的铁路边坡为例，由于长期受到冻融循环的影响，边坡土体的抗剪强度降低，在一次暴雨后，发生了滑坡事故，掩埋了部分铁路轨道，严重影响了铁路的正常运营。因此，在黄土地区的工程设计和施工中，必须充分考虑冻融循环对抗剪强度的影响，采取有效的加固措施，如采用土工格栅加固、注浆加固等方法，提高土体的抗剪强度，确保工程的安全稳定。4.2.2压缩特性变化冻融循环对压实黄土的压缩特性也有显著影响，通过固结试验得到不同冻融循环次数下压实黄土的压缩系数和压缩模量变化情况，如图19和图20所示。从图19可以看出，随着冻融循环次数的增加，压实黄土的压缩系数逐渐增大。初始含水率为10%的试样，压缩系数从初始的0.13MPa⁻¹左右增大到第9次冻融循环后的0.23MPa⁻¹左右；初始含水率为13.5%的试样，压缩系数从0.15MPa⁻¹增大到0.25MPa⁻¹左右；初始含水率为16%的试样，压缩系数从0.17MPa⁻¹增大到0.28MPa⁻¹左右。压缩系数的增大表明土体在压力作用下更容易发生变形，这是由于冻融循环破坏了土体的结构，使得土体孔隙比增大，土颗粒间的排列变得疏松。在冻结过程中，孔隙水结冰膨胀使土颗粒间的距离增大，土体结构被破坏；在融化过程中，土体虽然会发生一定程度的融沉，但由于结构已受损，无法完全恢复到初始状态，导致在受到压力时，孔隙更容易被压缩，变形增大。不同初始含水率的试样，压缩系数的变化幅度也有所不同。初始含水率较高的试样，压缩系数增大的幅度相对较大。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次冻融循环后，压缩系数增大了0.11MPa⁻¹；而初始含水率为10%的试样，压缩系数增大了0.1MPa⁻¹。这是因为初始含水率较高的土体，在冻融循环过程中，水分的相变对土体结构的影响更为显著，土体的膨胀和收缩更加剧烈，导致孔隙结构的改变更为明显，从而使得压缩系数增大的幅度更大。压缩模量与压缩系数呈反比关系，从图20可以看出，随着冻融循环次数的增加，压实黄土的压缩模量逐渐减小。初始含水率为10%的试样，压缩模量从初始的13MPa左右减小到第9次冻融循环后的9MPa左右；初始含水率为13.5%的试样，压缩模量从12MPa减小到8MPa左右；初始含水率为16%的试样，压缩模量从11MPa减小到7MPa左右。压缩模量的减小意味着土体抵抗变形的能力降低，在相同的压力作用下，土体的变形量会更大。压缩特性的变化对黄土地区的工程有着重要影响。在道路工程中，路基土压缩特性的改变会导致路面的平整度下降，增加行车的不舒适性和安全性隐患。由于冻融循环使路基土的压缩系数增大，在车辆荷载的反复作用下，路基更容易发生变形，导致路面出现坑洼、裂缝等病害。在建筑工程中，地基土压缩特性的变化会影响建筑物的沉降量和稳定性。如果不考虑冻融循环对压缩特性的影响，可能会导致建筑物的沉降过大，影响建筑物的正常使用和结构安全。因此，在黄土地区的工程设计中，需要充分考虑冻融循环对压缩特性的影响，合理确定地基的承载能力和沉降量，采取有效的地基处理措施，如强夯法、灰土挤密桩法等，以保证工程的质量和稳定性。4.3微观结构变化为深入揭示冻融循环作用下压实黄土工程性质劣化的内在机制，采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线断层扫描（CT）技术对不同冻融循环次数后的黄土试样进行微观结构分析。通过扫描电镜观察发现，初始状态下，压实黄土颗粒排列紧密，土颗粒间多以面接触和点接触为主，孔隙主要为小孔径孔隙，分布较为均匀，如图21（a）所示。随着冻融循环次数的增加，黄土微观结构发生显著变化。在经过3次冻融循环后，部分土颗粒间的连接开始松动，颗粒间出现微小裂缝，孔隙结构开始变得复杂，一些小孔径孔隙逐渐扩大，同时出现了少量大孔隙，如图21（b）所示。当冻融循环次数达到9次时，土颗粒间的连接被严重破坏，土颗粒呈现松散状态，大孔隙数量明显增多，孔隙分布极不均匀，形成了大量连通孔隙，土体结构变得十分松散，如图21（c）所示。在冻融循环过程中，土体中的水分冻结成冰，冰晶生长对土体结构产生了巨大的破坏作用。冰晶的体积膨胀约9%，会对周围的土颗粒产生冻胀力，使土颗粒间的距离增大，破坏土颗粒间的原有连接。在融化过程中，冰融化成水，土颗粒间的润滑作用增强，进一步削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力，导致土体结构变得更加松散。这种微观结构的变化与宏观物理力学性质的变化密切相关，土体结构的破坏导致了抗剪强度降低、压缩性增加等宏观力学性质的劣化。利用CT扫描技术对冻融循环后的黄土试样进行内部结构分析，得到不同冻融循环次数下黄土试样的CT图像和孔隙率等参数的变化情况，如图22和图23所示。从CT图像可以直观地看出，随着冻融循环次数的增加，试样内部的孔隙数量增多，孔隙尺寸增大，内部结构的均匀性明显降低。通过对CT图像进行处理，计算得到孔隙率的变化曲线，从图23可以看出，随着冻融循环次数的增加，黄土的孔隙率逐渐增大，这与SEM观察结果和前文宏观物理性质测试中孔隙比增大的结果相一致。CT扫描技术能够更全面地反映土体内部结构的变化情况，进一步揭示了冻融循环对黄土微观结构的破坏作用。微观结构的变化是导致压实黄土力学性质劣化的重要原因。随着冻融循环导致黄土微观结构中孔隙数量增多、孔隙尺寸增大以及土颗粒间连接的破坏，土体的抗剪强度降低。土颗粒间的摩擦力和咬合力减小，使得土体抵抗剪切破坏的能力下降，这与前文抗剪强度测试中粘聚力和内摩擦角降低的结果一致。孔隙结构的改变使得土体在受到压力时更容易发生变形，压缩性增加，这也与压缩特性测试中压缩系数增大、压缩模量减小的结果相吻合。因此，冻融循环作用下压实黄土微观结构的变化是其宏观物理力学性质劣化的重要内在因素。五、干湿和冻融循环交替作用下压实黄土工程性质变化5.1物理性质变化在干湿和冻融循环交替作用下，压实黄土的物理性质发生了显著变化，这些变化对其工程性能有着重要影响。5.1.1含水率变化以初始含水率分别为10%、13.5%、16%，干密度为1.8g/cm^3的黄土试样为研究对象，其在干湿和冻融循环交替作用下的含水率变化情况如图24所示。可以看出，在整个交替循环过程中，试样的含水率呈现出复杂的波动变化。在每次干湿循环的增湿阶段，水分迅速进入土体，含水率快速上升；减湿阶段，水分蒸发，含水率下降。而在冻融循环中，冻结过程对含水率影响较小，但融化过程中，随着冰的融化，土体对水分的容纳空间发生变化，且外界水分的迁移也会导致含水率改变。随着交替循环次数的增加，各试样的含水率总体呈上升趋势。这是因为在交替循环过程中，土体结构逐渐被破坏，孔隙增多且连通性增强，使得土体对水分的吸附和储存能力增强。初始含水率为10%的试样，在经过9次交替循环后，含水率从10%上升到13%左右；初始含水率为13.5%的试样，含水率从13.5%上升到16%左右；初始含水率为16%的试样，含水率从16%上升到18%左右。不同初始含水率的试样，含水率上升的幅度存在差异，初始含水率较低的试样，含水率上升幅度相对较大。这是由于初始含水率较低的土体，孔隙中可容纳水分的空间相对较大，在交替循环过程中，更容易吸收外界水分，从而导致含水率上升幅度较大。与单一的干湿循环或冻融循环相比，干湿和冻融循环交替作用下含水率的变化更为复杂。在单一干湿循环中，含水率主要受干湿过程中水分迁移的影响；在单一冻融循环中，含水率主要受冻结和融化过程中水分相变和迁移的影响。而在交替循环中，干湿循环和冻融循环相互影响，使得水分在土体中的迁移和储存机制更加复杂。例如，干湿循环导致的土体结构变化会影响冻融循环过程中水分的冻结和融化，进而影响含水率的变化；冻融循环造成的土体孔隙结构改变也会对干湿循环中的水分迁移产生影响。5.1.2孔隙比变化干湿和冻融循环交替作用对压实黄土孔隙比的影响显著，不同初始含水率试样的孔隙比变化情况如图25所示。随着交替循环次数的增加，压实黄土的孔隙比呈现出持续增大的趋势。这是因为在交替循环过程中，干湿循环使土体经历反复的膨胀和收缩，土颗粒间的连接被破坏，孔隙结构发生改变；冻融循环中，水分的冻结和融化产生的冻胀力和融沉作用进一步破坏土体结构，使得孔隙不断扩大。初始含水率为10%的试样，孔隙比从初始的0.70增大到第9次交替循环后的0.85左右；初始含水率为13.5%的试样，孔隙比从0.68增大到0.88左右；初始含水率为16%的试样，孔隙比从0.65增大到0.90左右。不同初始含水率的试样，孔隙比增大的幅度存在差异。初始含水率较高的试样，孔隙比增大的幅度相对较小。这是因为初始含水率较高的土体，在初始状态下孔隙中已经含有较多水分，土颗粒间的距离相对较大，在交替循环过程中，土体膨胀和收缩的空间相对较小，因此孔隙比增大的幅度也较小。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次交替循环后，孔隙比增大了0.25；而初始含水率为10%的试样，孔隙比增大了0.15。与单一循环作用相比，干湿和冻融循环交替作用下孔隙比的增大更为明显。在单一干湿循环中，虽然土体结构也会受到破坏，但没有冻融循环中冰的膨胀和融沉作用对土体结构的强烈破坏。在单一冻融循环中，虽然冻胀和融沉作用会改变土体结构，但缺少干湿循环中水分反复迁移对土体结构的持续影响。而在交替循环中，两种循环的破坏作用相互叠加，使得土体孔隙结构的改变更加显著，孔隙比增大更为明显。这种孔隙比的显著增大，会导致土体的密实度降低，进而影响土体的力学性质，如抗剪强度降低、压缩性增加等。5.2力学性质变化5.2.1抗剪强度变化干湿和冻融循环交替作用对压实黄土抗剪强度的影响较为显著。通过三轴压缩试验，得到不同交替循环次数下，初始含水率分别为10%、13.5%、16%，干密度为1.8g/cm^3的压实黄土抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ的变化情况，如图26和图27所示。从图26可以看出，随着干湿和冻融循环交替次数的增加，压实黄土的粘聚力c呈现出急剧下降的趋势。初始含水率为10%的试样，粘聚力从初始的31kPa左右降至第9次交替循环后的10kPa左右；初始含水率为13.5%的试样，粘聚力从29kPa下降到8kPa左右；初始含水率为16%的试样，粘聚力从27kPa降低至6kPa左右。在交替循环过程中，干湿循环使得土颗粒间的胶结物质在反复的干湿作用下逐渐弱化，颗粒间的连接力减小；冻融循环中冰的体积膨胀和融沉作用进一步破坏了土颗粒间的胶结结构。在湿润阶段，水分进入土体使土颗粒表面结合水膜增厚，削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力；在冻结阶段，孔隙水结冰膨胀对土颗粒间的胶结物质产生破坏作用；融化阶段，冰融化成水进一步增强了土颗粒间的润滑作用，导致粘聚力大幅降低。不同初始含水率的试样，粘聚力下降的幅度存在差异。初始含水率较高的试样，粘聚力下降幅度相对更大。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次交替循环后，粘聚力下降了21kPa；而初始含水率为10%的试样，粘聚力下降了21kPa。这是因为初始含水率较高的土体，在交替循环过程中，水分的变化和相变对土体结构的影响更为显著，土颗粒间的胶结结构更容易受到破坏，从而导致粘聚力下降幅度更大。对于内摩擦角φ，从图27可以看出，随着交替循环次数的增加，其也呈现出下降趋势，但下降幅度相对粘聚力较小。初始含水率为10%的试样，内摩擦角从初始的28°左右下降到第9次交替循环后的23°左右；初始含水率为13.5%的试样，内摩擦角从27°下降到22°左右；初始含水率为16%的试样，内摩擦角从26°下降到21°左右。虽然土颗粒本身特性受交替循环影响相对较小，但干湿和冻融循环交替作用导致土体孔隙结构改变，土颗粒间的接触状态和咬合程度发生调整，使得内摩擦角有所降低。例如，交替循环使得土体孔隙增大，土颗粒间的接触点减少，咬合程度降低，进而导致内摩擦角减小。抗剪强度的显著降低对黄土地区的工程稳定性构成严重威胁。在黄土地区的基础工程中，地基土抗剪强度的下降可能导致基础承载能力不足，引发建筑物的不均匀沉降，甚至可能导致建筑物倾斜或倒塌。在边坡工程中，抗剪强度的降低会使边坡稳定性大幅下降，容易引发滑坡等地质灾害。某黄土地区的水利大坝基础，由于长期受到干湿和冻融循环交替作用，地基土抗剪强度降低，在一次洪水期间，大坝基础出现不均匀沉降，坝体出现裂缝，严重威胁大坝的安全运行。因此，在黄土地区的工程设计和施工中，必须高度重视干湿和冻融循环交替作用对抗剪强度的影响，采取有效的加固措施，如采用土工合成材料加筋、灌浆等方法，提高土体的抗剪强度，确保工程的安全稳定。5.2.2压缩特性变化干湿和冻融循环交替作用对压实黄土的压缩特性也有明显影响，通过固结试验得到不同交替循环次数下压实黄土的压缩系数和压缩模量变化情况，如图28和图29所示。从图28可以看出，随着干湿和冻融循环交替次数的增加，压实黄土的压缩系数逐渐增大。初始含水率为10%的试样，压缩系数从初始的0.14MPa⁻¹左右增大到第9次交替循环后的0.30MPa⁻¹左右；初始含水率为13.5%的试样，压缩系数从0.16MPa⁻¹增大到0.33MPa⁻¹左右；初始含水率为16%的试样，压缩系数从0.18MPa⁻¹增大到0.35MPa⁻¹左右。这是因为交替循环过程中，干湿循环使土体反复膨胀和收缩，破坏了土颗粒间的原有排列和连接；冻融循环中水分的冻结和融化产生的冻胀力和融沉作用进一步加剧了土体结构的破坏，使得土体孔隙比增大，土颗粒间排列更加疏松。在受到压力时，孔隙更容易被压缩，从而导致压缩系数增大，土体在压力作用下更容易发生变形。不同初始含水率的试样，压缩系数的变化幅度有所不同。初始含水率较高的试样，压缩系数增大的幅度相对较大。例如，初始含水率为16%的试样，在经过9次交替循环后，压缩系数增大了0.17MPa⁻¹；而初始含水率为10%的试样，压缩系数增大了0.16MPa⁻¹。这是由于初始含水率较高的土体，在交替循环过程中，水分的变化和相变对土体结构的影响更为强烈，土体的膨胀和收缩更加明显，导致孔隙结构的改变更为显著，从而使得压缩系数增大的幅度更大。压缩模量与压缩系数呈反比关系，从图29可以看出，随着干湿和冻融循环交替次数的增加，压实黄土的压缩模量逐渐减小。初始含水率为10%的试样，压缩模量从初始的12.5MPa左右减小到第9次交替循环后的7MPa左右；初始含水率为13.5%的试样，压缩模量从11MPa减小到6MPa左右；初始含水率为16%的试样，压缩模量从10MPa减小到5.5MPa左右。压缩模量的减小意味着土体抵抗变形的能力降低，在相同的压力作用下，土体的变形量会更大。压缩特性的变化对黄土地区的工程有着重要影响。在道路工程中，路基土压缩特性的改变会导致路面的平整度下降，增加行车的不舒适性和安全性隐患。由于干湿和冻融循环交替作用使路基土的压缩系数增大，在车辆荷载的反复作用下，路基更容易发生变形，导致路面出现坑洼、裂缝等病害。在建筑工程中，地基土压缩特性的变化会影响建筑物的沉降量和稳定性。如果不考虑交替循环对压缩特性的影响，可能会导致建筑物的沉降过大，影响建筑物的正常使用和结构安全。因此，在黄土地区的工程设计中，需要充分考虑干湿和冻融循环交替作用对压缩特性的影响，合理确定地基的承载能力和沉降量，采取有效的地基处理措施，如强夯法、灰土挤密桩法等，以保证工程的质量和稳定性。5.3微观结构变化采用扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪（MIP）对干湿和冻融循环交替作用后的压实黄土试样进行微观结构分析，以深入揭示其工程性质劣化的内在机制。通过SEM观察不同交替循环次数后的黄土试样微观结构，发现初始状态下，压实黄土颗粒排列紧密，土颗粒多呈棱角状，颗粒间以面接触和点接触为主，孔隙主要为小孔径孔隙，分布相对均匀，如图30（a）所示。随着交替循环次数的增加，微观结构发生显著变化。经过3次交替循环后，部分土颗粒间的连接开始松动，颗粒间出现微小裂缝，孔隙结构开始变得复杂，一些小孔径孔隙逐渐扩大，同时出现了少量大孔隙，如图30（b）所示。当交替循环次数达到9次时，土颗粒间的连接被严重破坏，土颗粒呈现松散状态，大孔隙数量明显增多，孔隙分布极不均匀，形成了大量连通孔隙，土体结构变得十分松散，如图30（c）所示。在交替循环过程中，干湿循环使土颗粒间的胶结物质在反复的干湿作用下逐渐弱化，颗粒间的连接力减小；冻融循环中冰的体积膨胀和融沉作用进一步破坏了土颗粒间的胶结结构。在湿润阶段，水分进入土体使土颗粒表面结合水膜增厚，削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力；在冻结阶段，孔隙水结冰膨胀对土颗粒间的胶结物质产生破坏作用；融化阶段，冰融化成水进一步增强了土颗粒间的润滑作用，导致土颗粒间的连接更加松散。利用MIP对不同交替循环次数下黄土试样的孔隙结构特征参数进行分析，得到孔径分布曲线和孔隙率等参数的变化情况，如图31和图32所示。从孔径分布曲线可以看出，初始状态下，黄土的孔径主要集中在0.01-1μm范围内，以小孔径为主。随着交替循环次数的增加，孔径分布曲线向大孔径方向移动，在1-10μm范围内的孔径占比逐渐增加，表明大孔隙数量增多。这与SEM观察结果相互印证，说明干湿和冻融循环交替作用使得黄土的孔隙结构向大孔隙方向发展。从孔隙率变化曲线可知，随着交替循环次数的增加，黄土的孔隙率逐渐增大，从初始的36%左右增加到9次交替循环后的48%左右。这进一步证明了交替循环对黄土孔隙结构的破坏作用，使得土体的孔隙率增大，结构变得更加疏松。微观结构的变化与宏观物理力学性质之间存在密切联系。随着交替循环导致黄土微观结构中孔隙数量增多、孔隙尺寸增大以及土颗粒间连接的破坏，土体的结构性逐渐减弱。土颗粒间的摩擦力和咬合力降低，从而导致抗剪强度下降，这与前文抗剪强度测试中粘聚力和内摩擦角降低的结果一致。孔隙结构的改变使得土体在受到压力时更容易发生变形，压缩性增加，这也与压缩特性测试中压缩系数增大、压缩模量减小的结果相吻合。因此，干湿和冻融循环交替作用下压实黄土微观结构的变化是导致其宏观物理力学性质劣化的重要内在原因。六、工程性质劣化机理分析6.1物理作用机理在干湿循环过程中，水分的吸附与解吸以及体积的胀缩是导致压实黄土工程性质劣化的重要物理作用。当土体处于湿润阶段时，水分通过毛细作用和土颗粒表面的吸附力进入土体孔隙中。土颗粒表面的结合水膜增厚，颗粒间的斥力增大，导致土体发生膨胀。从微观角度来看，水分的进入使得土颗粒间的距离增大，一些原本紧密接触的颗粒被撑开，孔隙结构发生改变。在湿润过程中，土颗粒表面的亲水基团与水分子相互作用，形成水化膜，这不仅增加了颗粒间的距离，还削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力。当土体进入干燥阶段，水分逐渐蒸发，土颗粒表面的结合水膜变薄，颗粒间的有效应力增大，土体开始收缩。在干燥过程中，由于水分的蒸发，土颗粒间的连接力增强，但同时也会产生收缩应力，导致土体内部出现微裂缝。随着干湿循环次数的增加，这些微裂缝不断扩展和连通，进一步破坏了土体的结构，使得孔隙比增大，抗剪强度降低。冻融循环过程中，冰晶的生长与融化以及水分的迁移对压实黄土的工程性质产生了显著影响。当土体温度降至0℃以下时，孔隙中的水分开始冻结成冰，冰晶生长体积膨胀约9%，对周围的土颗粒产生冻胀力。这种冻胀力会使土颗粒间的距离增大，破坏土颗粒间的原有连接，导致土体结构发生改变。从微观结构上看，冰晶的生长会挤压周围的土颗粒，使颗粒发生位移和重新排列，孔隙结构变得更加复杂。在冻结过程中，土颗粒表面的吸附水也会结冰，进一步增大了土颗粒间的距离，削弱了颗粒间的胶结作用。当温度回升至0℃以上，冰开始融化成水，土体发生融沉。融沉过程中，土体的体积减小，但由于土颗粒间的连接已经受到破坏，土体无法完全恢复到初始状态，导致孔隙比增大，土体结构变得更加松散。冻融循环过程中还伴随着水分的迁移。在温度梯度的作用下，水分会从高温区向低温区迁移，这种迁移会导致土体内部水分分布不均匀，进一步加剧了土体结构的破坏。水分的迁移还会携带一些细小的土颗粒，使得孔隙结构发生改变，影响土体的物理力学性质。在干湿和冻融循环交替作用下，物理作用的叠加效应更加明显。干湿循环导致土体结构的破坏，使得土体在冻融循环过程中更容易受到冰晶生长和融化的影响。干湿循环产生的微裂缝为水分的迁移提供了通道，加剧了冻融循环过程中的水分迁移和土体结构破坏。冻融循环造成的土体结构松散也会使得干湿循环过程中的水分吸附和解吸更加容易，进一步加速了土体结构的劣化。这种物理作用的叠加效应使得压实黄土的孔隙比显著增大，抗剪强度大幅降低，压缩性明显增加，工程性质严重劣化。6.2化学作用机理在干湿和冻融循环过程中，压实黄土内部发生着一系列复杂的化学反应，这些反应对其工程性质产生了重要影响。黄土中含有多种矿