干濕與凍融循環(huán)耦合下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化的試驗(yàn)剖析與機(jī)理探究一、引言1.1研究背景與意義黃土作為一種特殊的第四紀(jì)陸相沉積物，在全球范圍內(nèi)廣泛分布，尤其在中國(guó)的華北、西北等地區(qū)，黃土分布面積廣闊。因其具有特殊的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，黃土在工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，如道路路基、地基處理、邊坡工程等。例如，在黃土地區(qū)的公路建設(shè)中，大量利用當(dāng)?shù)氐狞S土作為路基填筑材料，既降低了工程成本，又減少了對(duì)其他建筑材料的依賴(lài)。然而，黃土地區(qū)的氣候條件復(fù)雜多樣，許多地區(qū)存在明顯的季節(jié)性變化，這使得黃土在自然環(huán)境中經(jīng)常遭受干濕和凍融循環(huán)的作用。干濕循環(huán)是指土體在反復(fù)的干燥和濕潤(rùn)過(guò)程中經(jīng)歷的物理化學(xué)變化。在干燥過(guò)程中，土體中的水分逐漸蒸發(fā)，土顆粒間的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體收縮和干裂；而在濕潤(rùn)過(guò)程中，水分重新進(jìn)入土體，土顆粒被浸濕，土體膨脹，強(qiáng)度降低。這種反復(fù)的干濕變化對(duì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。已有研究表明，干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致黃土的孔隙比增大、抗剪強(qiáng)度降低、壓縮性增加。例如，趙俊剛通過(guò)室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模擬的干濕循環(huán)作用使得已消除濕陷性的壓實(shí)黃土重新具有了濕陷性，且干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的強(qiáng)度有較大影響。凍融循環(huán)則是由于氣溫在0℃上下波動(dòng)，導(dǎo)致土體中的水分反復(fù)凍結(jié)和融化的過(guò)程。當(dāng)土體溫度降至0℃以下時(shí)，孔隙中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹約9%，對(duì)土體產(chǎn)生凍脹力，破壞土體結(jié)構(gòu)；當(dāng)溫度回升至0℃以上，冰融化成水，土體發(fā)生融沉。在凍融循環(huán)作用下，黃土的物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。有研究顯示，凍融循環(huán)后黃土的最大干密度變小，孔隙比變大，強(qiáng)度降低，土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的弱化。如太原理工大學(xué)的研究表明，在凍融循環(huán)后，黃土的抗剪強(qiáng)度降低，其中粘聚力c減小較為明顯，內(nèi)摩擦角變化幅度很小。盡管已有不少學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)和凍融循環(huán)分別作用下黃土的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，但對(duì)于干濕和凍融循環(huán)共同作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化過(guò)程的研究還存在不足。在實(shí)際工程中，黃土往往同時(shí)受到干濕和凍融循環(huán)的影響，這種復(fù)雜的環(huán)境作用可能導(dǎo)致黃土工程性質(zhì)的劣化更加顯著，對(duì)工程的穩(wěn)定性和耐久性構(gòu)成更大威脅。例如，在黃土地區(qū)的道路工程中，路基在夏季經(jīng)歷干濕循環(huán)，冬季又遭受凍融循環(huán)，導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻沉降、路面開(kāi)裂等病害，嚴(yán)重影響道路的正常使用和壽命。因此，深入研究干濕和凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)的劣化過(guò)程具有重要的理論和實(shí)際意義。本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)地分析干濕和凍融循環(huán)次數(shù)、含水率等因素對(duì)壓實(shí)黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，揭示其劣化機(jī)制，為黃土地區(qū)的工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。這不僅有助于提高黃土地區(qū)工程的設(shè)計(jì)水平和施工質(zhì)量，保障工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性，還能為解決黃土地區(qū)工程中的實(shí)際問(wèn)題提供有效的方法和途徑，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干濕和凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土工程性質(zhì)的影響開(kāi)展了多方面的研究，取得了一定成果。在干濕循環(huán)研究方面，國(guó)外學(xué)者較早關(guān)注到土體在干濕條件變化下的力學(xué)響應(yīng)。例如，有研究利用先進(jìn)的微觀測(cè)試技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP），對(duì)干濕循環(huán)后土體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，揭示了孔隙結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系。通過(guò)這些微觀測(cè)試手段，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)受損，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，進(jìn)而影響土體的強(qiáng)度和變形特性。國(guó)內(nèi)學(xué)者在干濕循環(huán)對(duì)黃土工程性質(zhì)影響的研究上也成果豐碩。趙俊剛等通過(guò)室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)，深入分析了干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)壓實(shí)黃土濕陷系數(shù)、強(qiáng)度以及干密度與孔隙比的影響。研究結(jié)果表明，模擬的干濕循環(huán)作用使得已消除濕陷性的壓實(shí)黃土重新具有了濕陷性，且干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的強(qiáng)度有較大影響，干濕循環(huán)使得壓實(shí)黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。在干濕循環(huán)過(guò)程中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的孔隙比逐漸增大，干密度減小，抗剪強(qiáng)度降低，這些變化對(duì)黃土地區(qū)的工程穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響。在凍融循環(huán)研究領(lǐng)域，國(guó)外研究人員通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)，研究了不同凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)等因素對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較低的凍結(jié)溫度和較多的凍融循環(huán)次數(shù)會(huì)導(dǎo)致黃土的強(qiáng)度降低更為明顯，土體結(jié)構(gòu)破壞更加嚴(yán)重。同時(shí)，利用數(shù)值模擬方法，建立了考慮凍融循環(huán)作用的黃土本構(gòu)模型，對(duì)凍融過(guò)程中黃土的力學(xué)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。通過(guò)數(shù)值模擬，可以更加直觀地了解凍融循環(huán)對(duì)黃土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布的影響，為工程設(shè)計(jì)提供理論支持。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)凍融循環(huán)下的黃土進(jìn)行了廣泛研究。太原理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)以太原東中環(huán)路工程為背景，通過(guò)室內(nèi)模擬凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度對(duì)黃土抗剪強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果顯示，在凍融循環(huán)后，黃土的抗剪強(qiáng)度都降低，其中粘聚力c減小較為明顯，內(nèi)摩擦角變化幅度很小。在不同凍融循環(huán)的次數(shù)與凍結(jié)溫度下，土樣抗剪強(qiáng)度降低的幅度不同，具體表現(xiàn)為：凍結(jié)溫度越低，抗剪強(qiáng)度降低越多；凍融循環(huán)次數(shù)越多，抗剪強(qiáng)度降低越多，且在第一次凍融循環(huán)后抗剪強(qiáng)度降低最多，之后隨著循環(huán)次數(shù)增加，每次凍融循環(huán)后抗剪強(qiáng)度的減小值不斷變小。此外，在黃土路基邊坡穩(wěn)定性分析中，利用強(qiáng)度折減法結(jié)合大型有限元分析軟件ABAQUS，研究了凍融循環(huán)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后路基邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)減小，邊坡內(nèi)塑性應(yīng)變區(qū)發(fā)展更快、塑性變形區(qū)范圍更大。盡管上述研究取得了一定成果，但仍存在一些不足?，F(xiàn)有研究大多分別針對(duì)干濕循環(huán)或凍融循環(huán)單獨(dú)作用下黃土的工程性質(zhì)展開(kāi)，對(duì)于干濕和凍融循環(huán)共同作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化過(guò)程的研究相對(duì)較少。在實(shí)際工程中，黃土地區(qū)的氣候條件復(fù)雜，土體往往同時(shí)受到干濕和凍融循環(huán)的雙重作用，這種復(fù)合作用下黃土工程性質(zhì)的變化規(guī)律可能與單一作用時(shí)有很大差異。部分研究在模擬實(shí)際環(huán)境條件時(shí)存在一定局限性，未能充分考慮現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地質(zhì)條件、水分遷移以及溫度變化等因素對(duì)黃土工程性質(zhì)的綜合影響。在微觀機(jī)制研究方面，雖然已有一些微觀測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于黃土研究，但對(duì)于干濕和凍融循環(huán)作用下黃土微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)性質(zhì)劣化之間的定量關(guān)系，還缺乏深入系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。因此，進(jìn)一步開(kāi)展干濕和凍融循環(huán)共同作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化過(guò)程的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究主要圍繞干濕和凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的工程性質(zhì)劣化過(guò)程展開(kāi)，具體內(nèi)容包括：不同循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律：通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究不同干濕循環(huán)次數(shù)、凍融循環(huán)次數(shù)以及干濕和凍融循環(huán)交替作用下，壓實(shí)黃土的干密度、孔隙比、含水率、抗剪強(qiáng)度、壓縮性等物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。分析循環(huán)次數(shù)對(duì)這些性質(zhì)的影響程度，確定各物理力學(xué)性質(zhì)隨循環(huán)次數(shù)變化的趨勢(shì)和特征。例如，研究隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的孔隙比是否會(huì)持續(xù)增大，以及抗剪強(qiáng)度的降低幅度與循環(huán)次數(shù)之間的定量關(guān)系。不同條件下壓實(shí)黃土物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律：探討不同初始含水率、凍結(jié)溫度、干濕循環(huán)幅度等條件對(duì)壓實(shí)黃土在干濕和凍融循環(huán)作用下工程性質(zhì)的影響。分析在不同初始含水率下，黃土在干濕和凍融循環(huán)過(guò)程中的水分遷移規(guī)律，以及這種遷移對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)的影響。研究不同凍結(jié)溫度對(duì)黃土凍脹、融沉特性以及抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)制。壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)變化與工程性質(zhì)劣化的關(guān)系：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測(cè)試技術(shù)，觀察干濕和凍融循環(huán)作用前后壓實(shí)黃土的微觀結(jié)構(gòu)變化，如土顆粒的排列方式、孔隙大小和分布、顆粒間的膠結(jié)情況等。建立微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系，揭示壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化的微觀機(jī)制。例如，通過(guò)SEM圖像分析，研究干濕和凍融循環(huán)如何導(dǎo)致土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)受損，進(jìn)而影響黃土的強(qiáng)度和變形特性?；谠囼?yàn)結(jié)果的壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化模型建立：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法和理論分析，建立考慮干濕和凍融循環(huán)作用的壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化模型。該模型能夠預(yù)測(cè)在不同循環(huán)條件下壓實(shí)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)變化，為黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。例如，建立抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)、凍融循環(huán)次數(shù)以及其他影響因素之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)該模型可以預(yù)測(cè)在實(shí)際工程環(huán)境中黃土抗剪強(qiáng)度的變化情況。1.3.2研究方法本研究采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)、微觀測(cè)試和理論分析相結(jié)合的方法，具體如下：室內(nèi)模擬試驗(yàn)：按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，制備不同初始條件（如不同干密度、含水率等）的壓實(shí)黃土試樣。利用自行設(shè)計(jì)或改進(jìn)的干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置和凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，對(duì)試樣進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)和不同條件的干濕和凍融循環(huán)作用。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，如溫度、濕度、循環(huán)周期等，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。采用先進(jìn)的測(cè)試儀器和設(shè)備，如電子天平、壓力傳感器、位移計(jì)等，對(duì)循環(huán)作用前后試樣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。微觀測(cè)試：對(duì)經(jīng)過(guò)干濕和凍融循環(huán)作用后的黃土試樣，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，分析土顆粒的排列、接觸方式以及孔隙結(jié)構(gòu)的變化。運(yùn)用壓汞儀（MIP）測(cè)定試樣的孔隙大小分布、孔隙率等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，從微觀層面揭示干濕和凍融循環(huán)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)的影響。將微觀測(cè)試結(jié)果與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)相結(jié)合，深入探討黃土工程性質(zhì)劣化的微觀機(jī)制。理論分析：基于試驗(yàn)結(jié)果和微觀測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用土力學(xué)、材料力學(xué)、物理化學(xué)等相關(guān)理論，分析干濕和凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土物理力學(xué)性質(zhì)劣化的原因和機(jī)制。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，描述黃土在干濕和凍融循環(huán)過(guò)程中的水分遷移、應(yīng)力應(yīng)變變化以及微觀結(jié)構(gòu)演變等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃土工程性質(zhì)劣化過(guò)程的定量分析和預(yù)測(cè)。運(yùn)用數(shù)值模擬方法，如有限元分析軟件，對(duì)黃土在復(fù)雜環(huán)境條件下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析結(jié)果和工程性質(zhì)劣化模型的準(zhǔn)確性。二、試驗(yàn)材料與方法2.1試驗(yàn)材料本試驗(yàn)所用的壓實(shí)黃土取自陜西省寶雞市南鄭縣某廠，該地區(qū)黃土分布廣泛，具有典型的黃土特征。在取樣過(guò)程中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，以確保所取土樣具有代表性。采用多點(diǎn)取樣的方式，在不同位置采集土樣，然后將這些土樣充分混合，得到用于試驗(yàn)的代表性土樣。對(duì)采集到的黃土進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示：物理性質(zhì)指標(biāo)數(shù)值顆粒組成（砂粒含量）35%顆粒組成（粉粒含量）50%顆粒組成（粘粒含量）15%液限（%）28.5塑限（%）18.0塑性指數(shù)10.5天然含水率（%）8.0比重2.72最大干密度（g/cm^3）1.85最優(yōu)含水率（%）13.5從顆粒組成來(lái)看，該黃土以粉粒為主，含量達(dá)到50%，砂粒含量為35%，粘粒含量為15%。這種顆粒組成使得黃土具有一定的結(jié)構(gòu)性和透水性。液限為28.5%，塑限為18.0%，塑性指數(shù)為10.5，表明黃土的可塑性處于中等水平。天然含水率為8.0%，相對(duì)較低，這在黃土地區(qū)較為常見(jiàn)。比重為2.72，最大干密度為1.85g/cm^3，最優(yōu)含水率為13.5%，這些指標(biāo)對(duì)于后續(xù)的土樣制備和試驗(yàn)研究具有重要指導(dǎo)意義。土樣制備過(guò)程如下：首先，將采集回來(lái)的原狀黃土自然風(fēng)干，去除其中的雜質(zhì)和大顆粒，然后用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，使其顆粒大小滿足試驗(yàn)要求。接著，采用四分法將粉碎后的土樣分成若干份，每份土樣的質(zhì)量根據(jù)試驗(yàn)需求確定。對(duì)于需要調(diào)整含水率的土樣，采用預(yù)濕法進(jìn)行處理，即根據(jù)計(jì)算好的加水量，用噴霧器將水均勻噴灑在土樣上，充分?jǐn)嚢韬笱b入密封袋中，放入保濕器中靜置24小時(shí)，使水分在土樣中充分?jǐn)U散均勻。在土樣制備過(guò)程中，嚴(yán)格控制關(guān)鍵參數(shù)，如含水率和干密度。通過(guò)調(diào)整加水量來(lái)精確控制含水率，使其達(dá)到預(yù)定的數(shù)值。對(duì)于干密度的控制，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度和最優(yōu)含水率為依據(jù)，利用擊實(shí)儀對(duì)土樣進(jìn)行擊實(shí)，在擊實(shí)過(guò)程中，按照規(guī)定的擊實(shí)功和分層擊實(shí)次數(shù)進(jìn)行操作，確保土樣的干密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于不同試驗(yàn)?zāi)康牡耐翗?，設(shè)置不同的含水率和干密度組合，以研究這些因素對(duì)壓實(shí)黃土在干濕和凍融循環(huán)作用下工程性質(zhì)的影響。例如，設(shè)置含水率分別為10%、13.5%、16%，干密度分別為1.7g/cm^3、1.8g/cm^3、1.9g/cm^3的土樣組合，用于后續(xù)的循環(huán)試驗(yàn)和物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。2.2試驗(yàn)裝置2.2.1干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置本試驗(yàn)采用自主研發(fā)的干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置，該裝置主要由濕度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、試樣放置箱以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。濕度控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)的關(guān)鍵部分，它由加濕器、除濕器和濕度傳感器構(gòu)成。加濕器通過(guò)超聲波霧化技術(shù)將水轉(zhuǎn)化為微小的水霧顆粒，釋放到試樣放置箱內(nèi)，增加箱內(nèi)濕度，模擬土體的濕潤(rùn)狀態(tài)；除濕器則利用冷凝除濕原理，將箱內(nèi)空氣中的水分凝結(jié)成液態(tài)水排出，降低濕度，模擬土體的干燥狀態(tài)。濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)濕度，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定的上限或下限時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)控制加濕器或除濕器的啟停，以維持設(shè)定的濕度范圍。溫度控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)過(guò)程中的溫度，由加熱元件、制冷元件和溫度傳感器組成。加熱元件采用電阻絲加熱，制冷元件為半導(dǎo)體制冷片，它們分別負(fù)責(zé)升高和降低箱內(nèi)溫度。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)溫度，將溫度數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱元件和制冷元件的工作狀態(tài)，確保箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。試樣放置箱是放置黃土試樣的空間，采用不銹鋼材質(zhì)制作，具有良好的密封性和耐腐蝕性，能夠有效防止外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的干擾。箱內(nèi)設(shè)有多層試樣放置架，可同時(shí)放置多個(gè)試樣，便于進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集試驗(yàn)過(guò)程中的濕度、溫度等數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集到的濕度、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和分析，為試驗(yàn)結(jié)果的分析提供數(shù)據(jù)支持。干濕循環(huán)試驗(yàn)的具體操作流程如下：首先，將制備好的黃土試樣放入試樣放置箱內(nèi)的試樣放置架上，然后根據(jù)試驗(yàn)方案，在控制系統(tǒng)中設(shè)定濕度和溫度的循環(huán)變化參數(shù)，如濕潤(rùn)階段的濕度上限為90%RH，干燥階段的濕度下限為30%RH，濕潤(rùn)和干燥階段的持續(xù)時(shí)間均為24小時(shí)，溫度設(shè)定為25℃。啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，濕度控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行干濕循環(huán)。在試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集濕度、溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄和分析。每完成一次干濕循環(huán)，取出試樣進(jìn)行相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試，然后將試樣放回試驗(yàn)裝置，繼續(xù)進(jìn)行下一次循環(huán)。2.2.2凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置采用專(zhuān)業(yè)的土壤凍融循環(huán)試驗(yàn)箱，其構(gòu)造主要包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、試樣放置室以及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等部分，裝置外觀如圖2所示。制冷系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)低溫冷凍的核心部分，由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥等組成。壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓氣體，通過(guò)冷凝器散熱后變成高壓液體，再經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器中吸收熱量，使蒸發(fā)器周?chē)目諝鉁囟冉档停瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)試樣放置室的制冷。本試驗(yàn)箱采用的壓縮機(jī)為全封閉制冷壓縮機(jī)，具有制冷效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。加熱系統(tǒng)用于在融化階段升高試樣溫度，采用電加熱絲作為加熱元件，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。加熱絲均勻分布在試樣放置室的四周，確保室內(nèi)溫度均勻上升。溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣放置室內(nèi)的溫度，并將溫度信號(hào)傳輸給控制器?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)定的溫度值和實(shí)際測(cè)量的溫度值進(jìn)行比較和計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使試樣放置室內(nèi)的溫度按照設(shè)定的凍融循環(huán)曲線變化。例如，設(shè)定凍結(jié)溫度為-20℃，融化溫度為5℃，凍結(jié)和融化時(shí)間均為12小時(shí)，溫度控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，使試樣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的溫度，并保持穩(wěn)定。試樣放置室是放置黃土試樣的空間，采用保溫性能良好的聚氨酯泡沫材料制作，能夠有效減少熱量的傳遞，保證試驗(yàn)過(guò)程中的溫度穩(wěn)定性。室內(nèi)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的試樣放置架，可根據(jù)試樣的尺寸和數(shù)量進(jìn)行靈活調(diào)整。數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成，用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中的溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器每隔一定時(shí)間采集一次溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。通過(guò)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，可以直觀地了解凍融循環(huán)過(guò)程中溫度的變化情況，為試驗(yàn)結(jié)果的分析提供依據(jù)。在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，首先將黃土試樣放入試樣放置室內(nèi)的試樣放置架上，然后在溫度控制系統(tǒng)中設(shè)定凍融循環(huán)的參數(shù)，如凍結(jié)溫度、融化溫度、凍結(jié)時(shí)間、融化時(shí)間和循環(huán)次數(shù)等。啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，制冷系統(tǒng)開(kāi)始工作，將試樣放置室的溫度降至設(shè)定的凍結(jié)溫度，并保持一定時(shí)間，使試樣充分凍結(jié)。然后，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)，將溫度升高到設(shè)定的融化溫度，使試樣融化。如此反復(fù)進(jìn)行，完成預(yù)定的凍融循環(huán)次數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)，每完成一次凍融循環(huán)，對(duì)試樣進(jìn)行相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試。2.2.3三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備采用高精度三軸儀，主要由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，其工作原理圖如圖3所示。壓力室是放置試樣并施加圍壓的部件，由透明有機(jī)玻璃制成，便于觀察試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的變形情況。壓力室內(nèi)部設(shè)有底座和頂蓋，用于固定試樣和傳遞壓力。軸向加荷系統(tǒng)用于對(duì)試樣施加軸向壓力，由伺服電機(jī)、滾珠絲杠和力傳感器等組成。伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)試樣施加軸向壓力。力傳感器安裝在活塞與試樣之間，實(shí)時(shí)測(cè)量軸向壓力的大小，并將信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圍壓控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)壓力室內(nèi)的試樣施加圍壓，由壓力泵、調(diào)壓閥和壓力表等組成。壓力泵將液體（通常為硅油）加壓后輸入壓力室，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)液體壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圍壓的精確控制。壓力表用于顯示圍壓的大小?？紫端畨毫α繙y(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙水壓力變化，由孔隙水壓力傳感器、量測(cè)管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成?？紫端畨毫鞲衅靼惭b在試樣底部，通過(guò)量測(cè)管路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。在試驗(yàn)過(guò)程中，孔隙水壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的孔隙水壓力，并將信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集試驗(yàn)過(guò)程中的軸向壓力、圍壓、孔隙水壓力和軸向變形等數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集器將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)專(zhuān)用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和分析，計(jì)算出試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ）等力學(xué)指標(biāo)。三軸壓縮試驗(yàn)的具體操作步驟如下：首先，將經(jīng)過(guò)干濕或凍融循環(huán)試驗(yàn)后的黃土試樣用保鮮膜包裹好，放入壓力室的底座上，然后安裝好壓力室的頂蓋和密封裝置。接著，通過(guò)圍壓控制系統(tǒng)向壓力室內(nèi)施加預(yù)定的圍壓，并保持穩(wěn)定。之后，啟動(dòng)軸向加荷系統(tǒng)，以一定的速率對(duì)試樣施加軸向壓力，同時(shí)通過(guò)孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄孔隙水壓力和軸向變形等數(shù)據(jù)。當(dāng)試樣達(dá)到破壞狀態(tài)（通常以軸向變形達(dá)到一定值或軸向壓力不再增加為判斷依據(jù)）時(shí)，停止試驗(yàn)。最后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論計(jì)算出試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。除了上述主要試驗(yàn)裝置外，還配備了電子天平（精度為0.001g）用于稱(chēng)量土樣的質(zhì)量，以計(jì)算含水率和干密度；百分表（精度為0.01mm）用于測(cè)量試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的變形量；烘箱用于烘干土樣，以測(cè)定其含水率等。這些設(shè)備共同保障了試驗(yàn)的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.3.1干濕循環(huán)試驗(yàn)方案試樣準(zhǔn)備：按照2.1節(jié)所述的土樣制備方法，制備干密度為1.8g/cm^3，含水率分別為10%、13.5%、16%的黃土試樣，每種含水率制備6個(gè)平行試樣，共計(jì)18個(gè)試樣。將制備好的試樣放入密封袋中，備用。增濕與減濕方法：采用前文自主研發(fā)的干濕循環(huán)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。增濕時(shí)，啟動(dòng)加濕器，使試驗(yàn)箱內(nèi)濕度逐漸升高至90%RH，保持該濕度24小時(shí)，模擬土體的濕潤(rùn)狀態(tài)。在此過(guò)程中，水分逐漸進(jìn)入土樣，土樣含水率增加。減濕時(shí)，開(kāi)啟除濕器，將試驗(yàn)箱內(nèi)濕度降低至30%RH，維持24小時(shí)，模擬土體的干燥狀態(tài)，土樣中的水分逐漸蒸發(fā)，含水率降低。循環(huán)次數(shù)設(shè)置：對(duì)每個(gè)含水率的試樣分別進(jìn)行1次、3次、5次、7次、9次干濕循環(huán)試驗(yàn)。每次干濕循環(huán)結(jié)束后，取出試樣，立即用電子天平稱(chēng)量其質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量變化計(jì)算試樣的含水率，并利用百分表測(cè)量試樣的豎向變形，記錄數(shù)據(jù)。隨后，將試樣重新放回試驗(yàn)箱，進(jìn)行下一次干濕循環(huán)。物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試：在完成預(yù)定次數(shù)的干濕循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。用環(huán)刀法測(cè)定試樣的干密度，利用三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備測(cè)定試樣的抗剪強(qiáng)度，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定試樣的壓縮性指標(biāo)。對(duì)于抗剪強(qiáng)度測(cè)試，采用三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU），圍壓分別設(shè)置為50kPa、100kPa、150kPa，加載速率控制在0.5mm/min，記錄軸向壓力和軸向變形數(shù)據(jù)，根據(jù)莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論計(jì)算粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。在固結(jié)試驗(yàn)中，采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)方法，施加的各級(jí)壓力為50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，每級(jí)壓力下壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形量不超過(guò)0.01mm，記錄試樣在各級(jí)壓力下的變形量，繪制e-p曲線，計(jì)算壓縮系數(shù)和壓縮模量。2.3.2凍融循環(huán)試驗(yàn)方案試樣準(zhǔn)備：同樣按照2.1節(jié)的土樣制備方法，制備干密度為1.8g/cm^3，含水率分別為10%、13.5%、16%的黃土試樣，每種含水率制備6個(gè)平行試樣，共18個(gè)試樣，密封保存。降溫與升溫速率及循環(huán)次數(shù)：使用土壤凍融循環(huán)試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。降溫時(shí)，啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，以1℃/h的速率將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度降至-20℃，并在該溫度下保持12小時(shí)，使試樣充分凍結(jié)。升溫時(shí)，開(kāi)啟加熱系統(tǒng)，以1℃/h的速率將溫度升高至5℃，并維持12小時(shí)，使試樣完全融化。如此完成一次凍融循環(huán)。對(duì)每個(gè)含水率的試樣分別進(jìn)行1次、3次、5次、7次、9次凍融循環(huán)試驗(yàn)。每次凍融循環(huán)結(jié)束后，在試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到5℃時(shí)，取出試樣，迅速稱(chēng)量其質(zhì)量以計(jì)算含水率，并用百分表測(cè)量豎向變形，記錄數(shù)據(jù)后將試樣放回試驗(yàn)箱進(jìn)行下一次循環(huán)。物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試：完成預(yù)定次數(shù)的凍融循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。干密度采用環(huán)刀法測(cè)定，抗剪強(qiáng)度通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定，采用三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU），圍壓設(shè)置與干濕循環(huán)試驗(yàn)后的抗剪強(qiáng)度測(cè)試相同，加載速率為0.5mm/min，計(jì)算粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。壓縮性指標(biāo)通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)方法和壓力施加與干濕循環(huán)試驗(yàn)后的固結(jié)試驗(yàn)一致，繪制e-p曲線，計(jì)算壓縮系數(shù)和壓縮模量。2.3.3干濕和凍融交替循環(huán)試驗(yàn)方案試樣準(zhǔn)備：制備干密度為1.8g/cm^3，含水率分別為10%、13.5%、16%的黃土試樣，每種含水率制備6個(gè)平行試樣，共18個(gè)試樣，密封保存。循環(huán)程序設(shè)計(jì)：先進(jìn)行一次干濕循環(huán)，再進(jìn)行一次凍融循環(huán)，如此交替進(jìn)行。干濕循環(huán)的增濕、減濕過(guò)程以及凍融循環(huán)的降溫、升溫過(guò)程與前面單獨(dú)的干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)相同。對(duì)每個(gè)含水率的試樣分別進(jìn)行1次、3次、5次、7次、9次交替循環(huán)試驗(yàn)。每次交替循環(huán)結(jié)束后，在凍融循環(huán)升溫至5℃時(shí)，取出試樣，稱(chēng)量質(zhì)量計(jì)算含水率，測(cè)量豎向變形，記錄數(shù)據(jù)后放回試驗(yàn)箱繼續(xù)下一次交替循環(huán)。物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試：完成預(yù)定次數(shù)的干濕和凍融交替循環(huán)后，對(duì)試樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。干密度采用環(huán)刀法測(cè)定，抗剪強(qiáng)度通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定，采用三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU），圍壓設(shè)置為50kPa、100kPa、150kPa，加載速率0.5mm/min，計(jì)算粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。壓縮性指標(biāo)通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)方法和壓力施加與前兩種試驗(yàn)后的固結(jié)試驗(yàn)一致，繪制e-p曲線，計(jì)算壓縮系數(shù)和壓縮模量。通過(guò)以上系統(tǒng)的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，能夠全面研究干濕和凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，為后續(xù)的結(jié)果分析和結(jié)論推導(dǎo)提供豐富的數(shù)據(jù)支持。三、干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)變化3.1物理性質(zhì)變化3.1.1含水率變化在干濕循環(huán)作用下，壓實(shí)黃土的含水率呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。以初始含水率為10%、13.5%、16%，干密度為1.8g/cm^3的黃土試樣為例，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始含水率試樣的含水率變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖中可以清晰地看出，每次干濕循環(huán)過(guò)程中，試樣在增濕階段，水分迅速進(jìn)入土體，含水率快速上升；在減濕階段，土體中的水分逐漸蒸發(fā)，含水率逐漸降低。這是因?yàn)樵谠鰸駮r(shí)，土顆粒表面的吸附力以及孔隙中的毛細(xì)作用使得水分能夠快速進(jìn)入土體孔隙中。在減濕過(guò)程中，隨著水分的蒸發(fā)，土顆粒間的有效應(yīng)力逐漸增大，土體開(kāi)始收縮，孔隙減小，進(jìn)一步阻礙了水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致含水率下降速度逐漸變緩。對(duì)比不同初始含水率的試樣，發(fā)現(xiàn)初始含水率較低的試樣，在每次干濕循環(huán)中的含水率變化幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為10%的試樣，在第一次干濕循環(huán)中，增濕后含水率可達(dá)到25%左右，減濕后含水率降至12%左右，變化幅度約為13%；而初始含水率為16%的試樣，在相同的干濕循環(huán)條件下，增濕后含水率達(dá)到28%左右，減濕后含水率降至18%左右，變化幅度約為10%。這是由于初始含水率較低的土體，孔隙中可容納水分的空間相對(duì)較大，在增濕時(shí)能夠吸收更多的水分，從而導(dǎo)致含水率變化幅度較大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，各試樣的含水率變化幅度逐漸減小。這是因?yàn)樵诙啻胃蓾裱h(huán)過(guò)程中，土體結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生改變，孔隙結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。一方面，土體中的一些細(xì)小孔隙在干濕循環(huán)作用下逐漸被壓縮或堵塞，使得水分進(jìn)入和排出土體的通道減少；另一方面，土顆粒表面的吸附水膜在多次干濕循環(huán)后逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而導(dǎo)致含水率變化幅度減小。例如，初始含水率為13.5%的試樣，在第1次干濕循環(huán)中，含水率變化幅度為10%，而在第5次干濕循環(huán)中，含水率變化幅度減小至7%左右。3.1.2孔隙比變化孔隙比是反映土體孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土孔隙比的影響顯著。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的孔隙比，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的孔隙比總體呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過(guò)程中，土體經(jīng)歷反復(fù)的膨脹和收縮，土顆粒之間的連接逐漸被破壞，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在增濕階段，水分進(jìn)入土體，土顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，顆粒間的斥力增大，土體發(fā)生膨脹，孔隙比增大；在減濕階段，水分蒸發(fā)，土體收縮，土顆粒間的有效應(yīng)力增加，部分顆粒重新排列，一些較小的孔隙被壓縮，但由于干濕循環(huán)造成的土體結(jié)構(gòu)損傷，使得總體孔隙比仍然呈增大趨勢(shì)。不同初始含水率的試樣在干濕循環(huán)過(guò)程中，孔隙比的變化也存在差異。初始含水率較高的試樣，孔隙比增大的幅度相對(duì)較小。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后，孔隙比從初始的0.65增大到0.72，增大了0.07；而初始含水率為10%的試樣，在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，孔隙比從0.70增大到0.80，增大了0.10。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在初始狀態(tài)下孔隙中已經(jīng)含有較多水分，土顆粒間的距離相對(duì)較大，在干濕循環(huán)過(guò)程中，土體膨脹和收縮的空間相對(duì)較小，因此孔隙比增大的幅度也較小。孔隙比的變化與土體的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。隨著孔隙比的增大，土體的結(jié)構(gòu)性逐漸減弱，抗剪強(qiáng)度降低，壓縮性增加。這是因?yàn)檩^大的孔隙比意味著土體內(nèi)部孔隙增多，土顆粒間的接觸面積減小，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度下降。在受到外力作用時(shí)，孔隙較大的土體更容易發(fā)生變形，壓縮性增大。通過(guò)后續(xù)的三軸壓縮試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一關(guān)系，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致孔隙比增大，試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ均有所降低，壓縮系數(shù)增大，壓縮模量減小。3.2力學(xué)性質(zhì)變化3.2.1抗剪強(qiáng)度變化抗剪強(qiáng)度是衡量土體力學(xué)性能的重要指標(biāo)，干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響顯著。通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下，初始含水率分別為10%、13.5%、16%，干密度為1.8g/cm^3的壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化情況，如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的粘聚力c呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。初始含水率為10%的試樣，粘聚力從初始的30kPa左右下降到第9次干濕循環(huán)后的18kPa左右；初始含水率為13.5%的試樣，粘聚力從28kPa下降到16kPa左右；初始含水率為16%的試樣，粘聚力從26kPa下降到14kPa左右。粘聚力的降低主要是由于干濕循環(huán)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)在反復(fù)的干濕作用下逐漸弱化，顆粒間的連接力減小。在濕潤(rùn)階段，水分的進(jìn)入使得土顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，削弱了顆粒間的摩擦力和咬合力；在干燥階段，土體收縮產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)一步破壞了顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粘聚力降低。不同初始含水率的試樣，粘聚力下降的速率存在差異。初始含水率較低的試樣，粘聚力下降速率相對(duì)較快。例如，初始含水率為10%的試樣，在前3次干濕循環(huán)中，粘聚力下降了約8kPa；而初始含水率為16%的試樣，在前3次干濕循環(huán)中，粘聚力下降了約6kPa。這是因?yàn)槌跏己瘦^低的土體，在干濕循環(huán)過(guò)程中，水分的變化對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響更為敏感，土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)更容易受到破壞，從而導(dǎo)致粘聚力下降更快。對(duì)于內(nèi)摩擦角φ，如圖7所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其變化趨勢(shì)相對(duì)較為平緩，但整體也呈現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì)。初始含水率為10%的試樣，內(nèi)摩擦角從初始的28°左右下降到第9次干濕循環(huán)后的26°左右；初始含水率為13.5%的試樣，內(nèi)摩擦角從27°下降到25°左右；初始含水率為16%的試樣，內(nèi)摩擦角從26°下降到24°左右。內(nèi)摩擦角主要取決于土顆粒的形狀、表面粗糙度以及顆粒間的相互排列和咬合情況。干濕循環(huán)雖然會(huì)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，但對(duì)土顆粒本身的特性影響相對(duì)較小，因此內(nèi)摩擦角的變化幅度不如粘聚力明顯。然而，由于干濕循環(huán)導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)的改變，使得土顆粒間的接觸狀態(tài)和咬合程度發(fā)生了一定程度的調(diào)整，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角略有降低?？辜魪?qiáng)度的降低對(duì)黃土地區(qū)的工程穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。在邊坡工程中，抗剪強(qiáng)度的下降可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。在地基工程中，抗剪強(qiáng)度的降低會(huì)使地基的承載能力下降，可能導(dǎo)致建筑物的不均勻沉降甚至破壞。以某黃土地區(qū)的公路邊坡為例，由于長(zhǎng)期受到干濕循環(huán)的作用，邊坡土體的抗剪強(qiáng)度降低，在暴雨等不利條件下，發(fā)生了滑坡事故，對(duì)交通造成了嚴(yán)重影響。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮干濕循環(huán)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，采取相應(yīng)的加固措施，以確保工程的安全穩(wěn)定。3.2.2壓縮特性變化干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的壓縮特性也有顯著影響，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)和壓縮模量變化情況，如圖8和圖9所示。從圖8可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)逐漸增大。初始含水率為10%的試樣，壓縮系數(shù)從初始的0.15MPa?1左右增大到第9次干濕循環(huán)后的0.25MPa?1左右；初始含水率為13.5%的試樣，壓縮系數(shù)從0.18MPa?1增大到0.28MPa?1左右；初始含水率為16%的試樣，壓縮系數(shù)從0.20MPa?1增大到0.30MPa?1左右。壓縮系數(shù)的增大表明土體在壓力作用下更容易發(fā)生變形，這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)破壞了土體的結(jié)構(gòu)，使得土體孔隙比增大，土顆粒間的排列更加疏松，在受到壓力時(shí)，孔隙更容易被壓縮，從而導(dǎo)致變形增大。不同初始含水率的試樣，壓縮系數(shù)的變化幅度也有所不同。初始含水率較高的試樣，壓縮系數(shù)增大的幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次干濕循環(huán)后，壓縮系數(shù)增大了0.1MPa?1；而初始含水率為10%的試樣，壓縮系數(shù)增大了0.1MPa?1。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在干濕循環(huán)過(guò)程中，水分的變化對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響更大，土體的膨脹和收縮更加明顯，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的改變更為顯著，從而使得壓縮系數(shù)增大的幅度更大。壓縮模量與壓縮系數(shù)呈反比關(guān)系，從圖9可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的壓縮模量逐漸減小。初始含水率為10%的試樣，壓縮模量從初始的12MPa左右減小到第9次干濕循環(huán)后的8MPa左右；初始含水率為13.5%的試樣，壓縮模量從10MPa減小到7MPa左右；初始含水率為16%的試樣，壓縮模量從9MPa減小到6MPa左右。壓縮模量的減小意味著土體抵抗變形的能力降低，在相同的壓力作用下，土體的變形量會(huì)更大。壓縮特性的變化對(duì)黃土地區(qū)的工程有重要影響。在地基工程中，壓縮系數(shù)的增大和壓縮模量的減小會(huì)導(dǎo)致地基的沉降量增加，影響建筑物的正常使用。對(duì)于高層建筑的地基，若不考慮干濕循環(huán)對(duì)壓縮特性的影響，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)過(guò)大的沉降，影響結(jié)構(gòu)安全。在道路工程中，路基土壓縮特性的改變會(huì)導(dǎo)致路面的平整度下降，增加行車(chē)的不舒適性和安全性隱患。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)中，需要充分考慮干濕循環(huán)對(duì)壓縮特性的影響，合理確定地基的承載能力和沉降量，采取有效的地基處理措施，以保證工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性。3.3微觀結(jié)構(gòu)變化為深入探究干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)變化的內(nèi)在原因，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP）對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)后的黃土試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)下，壓實(shí)黃土顆粒排列較為緊密，土顆粒多呈棱角狀，顆粒間主要通過(guò)點(diǎn)接觸或面接觸相互連接，孔隙主要以小孔隙和少量中孔隙為主，分布相對(duì)均勻，如圖10（a）所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。在經(jīng)過(guò)3次干濕循環(huán)后，部分土顆粒間的連接開(kāi)始出現(xiàn)松動(dòng)，顆粒間的接觸點(diǎn)減少，一些小孔隙逐漸擴(kuò)大，同時(shí)在顆粒間出現(xiàn)了新的微小孔隙，孔隙分布的均勻性有所降低，如圖10（b）所示。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到9次時(shí)，土顆粒間的連接進(jìn)一步破壞，土顆粒呈現(xiàn)出較為松散的狀態(tài)，大孔隙數(shù)量明顯增多，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了大量連通孔隙，孔隙分布極不均勻，如圖10（c）所示。對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下黃土試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，利用圖像分析軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理，得到孔隙面積比和平均孔徑等參數(shù)的變化情況，如圖11所示。從圖中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙面積比和平均孔徑均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這與前文宏觀物理性質(zhì)測(cè)試中孔隙比增大的結(jié)果相一致，進(jìn)一步表明干濕循環(huán)導(dǎo)致了黃土孔隙結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張。在濕潤(rùn)階段，水分進(jìn)入土體，土顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，顆粒間的斥力增大，使得部分顆粒間的連接被撐開(kāi)，孔隙面積增大；在干燥階段，土體收縮產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致顆粒間的連接進(jìn)一步破壞，孔隙進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)產(chǎn)生新的孔隙。利用壓汞儀（MIP）對(duì)黃土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行分析，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下黃土的孔徑分布曲線和孔隙率等參數(shù)的變化情況，如圖12和圖13所示。從孔徑分布曲線可以看出，初始狀態(tài)下，黃土的孔徑主要集中在0.01-1μm范圍內(nèi)，以小孔徑為主。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔徑分布曲線向大孔徑方向移動(dòng)，在1-10μm范圍內(nèi)的孔徑占比逐漸增加，表明大孔隙數(shù)量增多。這與SEM觀察結(jié)果相互印證，說(shuō)明干濕循環(huán)使得黃土的孔隙結(jié)構(gòu)向大孔隙方向發(fā)展。從孔隙率變化曲線可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的孔隙率逐漸增大，從初始的35%左右增加到9次干濕循環(huán)后的45%左右。這進(jìn)一步證明了干濕循環(huán)對(duì)黃土孔隙結(jié)構(gòu)的破壞作用，使得土體的孔隙率增大，結(jié)構(gòu)變得更加疏松。微觀結(jié)構(gòu)的變化與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間存在密切聯(lián)系。隨著干濕循環(huán)導(dǎo)致黃土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙面積比、平均孔徑和孔隙率的增大，土體的結(jié)構(gòu)性逐漸減弱。土顆粒間的連接被破壞，使得顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降，這與前文抗剪強(qiáng)度測(cè)試中粘聚力和內(nèi)摩擦角降低的結(jié)果一致。孔隙結(jié)構(gòu)的改變使得土體在受到壓力時(shí)更容易發(fā)生變形，壓縮性增加，這也與壓縮特性測(cè)試中壓縮系數(shù)增大、壓縮模量減小的結(jié)果相吻合。因此，干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)劣化的重要內(nèi)在原因。四、凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)變化4.1物理性質(zhì)變化4.1.1含水率變化在凍融循環(huán)過(guò)程中，壓實(shí)黃土的含水率變化呈現(xiàn)出獨(dú)特的規(guī)律。以初始含水率分別為10%、13.5%、16%，干密度為1.8g/cm^3的黃土試樣為研究對(duì)象，其在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的含水率變化情況如圖14所示。從圖中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的含水率總體呈現(xiàn)出先略微上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在凍融循環(huán)初期，含水率的上升主要是由于在凍結(jié)過(guò)程中，土體孔隙中的水分結(jié)冰膨脹，使得土顆粒間的孔隙增大，當(dāng)溫度回升冰融化后，土體對(duì)水分的容納空間相對(duì)增加，外界水分更容易進(jìn)入土體，導(dǎo)致含水率上升。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，土體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，孔隙結(jié)構(gòu)變化不再明顯，水分的遷移和交換也逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，因此含水率趨于穩(wěn)定。對(duì)比不同初始含水率的試樣，發(fā)現(xiàn)初始含水率較低的試樣，在凍融循環(huán)過(guò)程中含水率上升的幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為10%的試樣，在經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后，含水率從10%上升到12%左右，上升了2%；而初始含水率為16%的試樣，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，含水率從16%上升到17%左右，僅上升了1%。這是因?yàn)槌跏己瘦^低的土體，孔隙中可容納水分的空間相對(duì)較大，在凍融循環(huán)過(guò)程中，更容易吸收外界水分，從而導(dǎo)致含水率上升幅度較大。此外，在凍融循環(huán)過(guò)程中，還觀察到試樣內(nèi)部含水率分布存在一定的不均勻性。在試樣的表層，由于與外界環(huán)境接觸更為密切，水分的遷移和交換更為頻繁，因此含水率變化相對(duì)較大；而在試樣內(nèi)部，水分遷移受到一定阻礙，含水率變化相對(duì)較小。這種含水率分布的不均勻性會(huì)對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致土體的力學(xué)性能在不同部位存在差異。例如，在邊坡工程中，由于土體表層含水率變化較大，在凍融循環(huán)作用下，表層土體更容易發(fā)生變形和破壞，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。4.1.2干密度與孔隙比變化凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的干密度和孔隙比也有顯著影響。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定不同凍融循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的干密度和孔隙比，結(jié)果如圖15和圖16所示。從圖15可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的干密度逐漸減小。初始含水率為10%的試樣，干密度從初始的1.8g/cm^3減小到第9次凍融循環(huán)后的1.75g/cm^3左右；初始含水率為13.5%的試樣，干密度從1.8g/cm^3減小到1.73g/cm^3左右；初始含水率為16%的試樣，干密度從1.8g/cm^3減小到1.71g/cm^3左右。干密度的減小主要是由于凍融循環(huán)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，土顆粒間的連接被削弱，顆粒間的排列變得疏松，使得土體的總體積增大，從而干密度減小。與干密度的變化相反，如圖16所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的孔隙比逐漸增大。初始含水率為10%的試樣，孔隙比從初始的0.70增大到第9次凍融循環(huán)后的0.75左右；初始含水率為13.5%的試樣，孔隙比從0.68增大到0.78左右；初始含水率為16%的試樣，孔隙比從0.65增大到0.80左右。在凍結(jié)過(guò)程中，孔隙水結(jié)冰膨脹對(duì)土顆粒產(chǎn)生凍脹力，使土顆粒間的距離增大，孔隙擴(kuò)大；在融化過(guò)程中，雖然土體發(fā)生一定程度的融沉，但由于土體結(jié)構(gòu)已受到破壞，孔隙無(wú)法完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，導(dǎo)致孔隙比總體呈增大趨勢(shì)。不同初始含水率的試樣，干密度和孔隙比的變化幅度也存在差異。初始含水率較高的試樣，干密度減小和孔隙比增大的幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次凍融循環(huán)后，干密度減小了0.09g/cm^3，孔隙比增大了0.15；而初始含水率為10%的試樣，干密度減小了0.05g/cm^3，孔隙比增大了0.05。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在凍融循環(huán)過(guò)程中，水分的相變對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響更為顯著，土顆粒間的連接更容易被破壞，從而導(dǎo)致干密度和孔隙比的變化幅度更大。干密度和孔隙比的變化對(duì)壓實(shí)黃土的力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。干密度減小和孔隙比增大意味著土體的密實(shí)度降低，土顆粒間的接觸面積減小，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低，壓縮性增加。在地基工程中，這種變化可能導(dǎo)致地基的承載能力下降，建筑物出現(xiàn)不均勻沉降等問(wèn)題。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮凍融循環(huán)對(duì)干密度和孔隙比的影響，采取相應(yīng)的措施來(lái)保證工程的穩(wěn)定性和安全性。4.2力學(xué)性質(zhì)變化4.2.1抗剪強(qiáng)度變化抗剪強(qiáng)度是衡量土體抵抗剪切破壞能力的關(guān)鍵指標(biāo)，凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響顯著。通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)，獲取不同凍融循環(huán)次數(shù)下，初始含水率分別為10%、13.5%、16%，干密度為1.8g/cm^3的壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖17和圖18所示。從圖17可以明顯看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的粘聚力c呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)。初始含水率為10%的試樣，粘聚力從初始的32kPa左右降至第9次凍融循環(huán)后的16kPa左右；初始含水率為13.5%的試樣，粘聚力從30kPa下降到14kPa左右；初始含水率為16%的試樣，粘聚力從28kPa降低至12kPa左右。粘聚力主要來(lái)源于土顆粒間的膠結(jié)作用和摩擦力。在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體中的水分反復(fù)凍結(jié)和融化，冰的體積膨脹會(huì)對(duì)土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，使得顆粒間的連接力減弱，從而導(dǎo)致粘聚力降低。在凍結(jié)階段，孔隙水結(jié)冰膨脹，對(duì)土顆粒產(chǎn)生凍脹力，這種凍脹力會(huì)使土顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)受到拉伸和破壞；在融化階段，冰融化成水，土顆粒間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，進(jìn)一步削弱了顆粒間的摩擦力和咬合力。不同初始含水率的試樣，粘聚力下降的幅度存在差異。初始含水率較高的試樣，粘聚力下降幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次凍融循環(huán)后，粘聚力下降了16kPa；而初始含水率為10%的試樣，粘聚力下降了16kPa。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在凍融循環(huán)過(guò)程中，水分的相變更加劇烈，產(chǎn)生的凍脹力更大，對(duì)土顆粒間膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致粘聚力下降幅度更大。對(duì)于內(nèi)摩擦角φ，從圖18可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其變化趨勢(shì)相對(duì)較為平緩，但整體也呈現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì)。初始含水率為10%的試樣，內(nèi)摩擦角從初始的29°左右下降到第9次凍融循環(huán)后的27°左右；初始含水率為13.5%的試樣，內(nèi)摩擦角從28°下降到26°左右；初始含水率為16%的試樣，內(nèi)摩擦角從27°下降到25°左右。內(nèi)摩擦角主要取決于土顆粒的形狀、表面粗糙度以及顆粒間的相互排列和咬合情況。凍融循環(huán)雖然會(huì)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定變化，但對(duì)土顆粒本身的特性影響相對(duì)較小，因此內(nèi)摩擦角的變化幅度不如粘聚力明顯。然而，由于凍融循環(huán)導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)的改變，使得土顆粒間的接觸狀態(tài)和咬合程度發(fā)生了一定程度的調(diào)整，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角略有降低。例如，在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體孔隙增大，土顆粒間的接觸點(diǎn)減少，咬合程度降低，進(jìn)而使得內(nèi)摩擦角減小?？辜魪?qiáng)度的降低對(duì)黃土地區(qū)的工程穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。在黃土地區(qū)的基礎(chǔ)工程中，地基土抗剪強(qiáng)度的降低可能導(dǎo)致基礎(chǔ)的承載能力下降，引發(fā)建筑物的不均勻沉降，甚至可能導(dǎo)致建筑物的傾斜或倒塌。在黃土邊坡工程中，抗剪強(qiáng)度的下降會(huì)使邊坡的穩(wěn)定性降低，容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。以某黃土地區(qū)的鐵路邊坡為例，由于長(zhǎng)期受到凍融循環(huán)的影響，邊坡土體的抗剪強(qiáng)度降低，在一次暴雨后，發(fā)生了滑坡事故，掩埋了部分鐵路軌道，嚴(yán)重影響了鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮凍融循環(huán)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，采取有效的加固措施，如采用土工格柵加固、注漿加固等方法，提高土體的抗剪強(qiáng)度，確保工程的安全穩(wěn)定。4.2.2壓縮特性變化凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的壓縮特性也有顯著影響，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)和壓縮模量變化情況，如圖19和圖20所示。從圖19可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)逐漸增大。初始含水率為10%的試樣，壓縮系數(shù)從初始的0.13MPa?1左右增大到第9次凍融循環(huán)后的0.23MPa?1左右；初始含水率為13.5%的試樣，壓縮系數(shù)從0.15MPa?1增大到0.25MPa?1左右；初始含水率為16%的試樣，壓縮系數(shù)從0.17MPa?1增大到0.28MPa?1左右。壓縮系數(shù)的增大表明土體在壓力作用下更容易發(fā)生變形，這是由于凍融循環(huán)破壞了土體的結(jié)構(gòu)，使得土體孔隙比增大，土顆粒間的排列變得疏松。在凍結(jié)過(guò)程中，孔隙水結(jié)冰膨脹使土顆粒間的距離增大，土體結(jié)構(gòu)被破壞；在融化過(guò)程中，土體雖然會(huì)發(fā)生一定程度的融沉，但由于結(jié)構(gòu)已受損，無(wú)法完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，導(dǎo)致在受到壓力時(shí)，孔隙更容易被壓縮，變形增大。不同初始含水率的試樣，壓縮系數(shù)的變化幅度也有所不同。初始含水率較高的試樣，壓縮系數(shù)增大的幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次凍融循環(huán)后，壓縮系數(shù)增大了0.11MPa?1；而初始含水率為10%的試樣，壓縮系數(shù)增大了0.1MPa?1。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在凍融循環(huán)過(guò)程中，水分的相變對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響更為顯著，土體的膨脹和收縮更加劇烈，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的改變更為明顯，從而使得壓縮系數(shù)增大的幅度更大。壓縮模量與壓縮系數(shù)呈反比關(guān)系，從圖20可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的壓縮模量逐漸減小。初始含水率為10%的試樣，壓縮模量從初始的13MPa左右減小到第9次凍融循環(huán)后的9MPa左右；初始含水率為13.5%的試樣，壓縮模量從12MPa減小到8MPa左右；初始含水率為16%的試樣，壓縮模量從11MPa減小到7MPa左右。壓縮模量的減小意味著土體抵抗變形的能力降低，在相同的壓力作用下，土體的變形量會(huì)更大。壓縮特性的變化對(duì)黃土地區(qū)的工程有著重要影響。在道路工程中，路基土壓縮特性的改變會(huì)導(dǎo)致路面的平整度下降，增加行車(chē)的不舒適性和安全性隱患。由于凍融循環(huán)使路基土的壓縮系數(shù)增大，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，路基更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑洼、裂縫等病害。在建筑工程中，地基土壓縮特性的變化會(huì)影響建筑物的沉降量和穩(wěn)定性。如果不考慮凍融循環(huán)對(duì)壓縮特性的影響，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物的沉降過(guò)大，影響建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)中，需要充分考慮凍融循環(huán)對(duì)壓縮特性的影響，合理確定地基的承載能力和沉降量，采取有效的地基處理措施，如強(qiáng)夯法、灰土擠密樁法等，以保證工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性。4.3微觀結(jié)構(gòu)變化為深入揭示凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化的內(nèi)在機(jī)制，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線斷層掃描（CT）技術(shù)對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的黃土試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)下，壓實(shí)黃土顆粒排列緊密，土顆粒間多以面接觸和點(diǎn)接觸為主，孔隙主要為小孔徑孔隙，分布較為均勻，如圖21（a）所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。在經(jīng)過(guò)3次凍融循環(huán)后，部分土顆粒間的連接開(kāi)始松動(dòng)，顆粒間出現(xiàn)微小裂縫，孔隙結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得復(fù)雜，一些小孔徑孔隙逐漸擴(kuò)大，同時(shí)出現(xiàn)了少量大孔隙，如圖21（b）所示。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到9次時(shí)，土顆粒間的連接被嚴(yán)重破壞，土顆粒呈現(xiàn)松散狀態(tài)，大孔隙數(shù)量明顯增多，孔隙分布極不均勻，形成了大量連通孔隙，土體結(jié)構(gòu)變得十分松散，如圖21（c）所示。在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體中的水分凍結(jié)成冰，冰晶生長(zhǎng)對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的破壞作用。冰晶的體積膨脹約9%，會(huì)對(duì)周?chē)耐令w粒產(chǎn)生凍脹力，使土顆粒間的距離增大，破壞土顆粒間的原有連接。在融化過(guò)程中，冰融化成水，土顆粒間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，進(jìn)一步削弱了顆粒間的摩擦力和咬合力，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)變得更加松散。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的變化密切相關(guān)，土體結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致了抗剪強(qiáng)度降低、壓縮性增加等宏觀力學(xué)性質(zhì)的劣化。利用CT掃描技術(shù)對(duì)凍融循環(huán)后的黃土試樣進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下黃土試樣的CT圖像和孔隙率等參數(shù)的變化情況，如圖22和圖23所示。從CT圖像可以直觀地看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部的孔隙數(shù)量增多，孔隙尺寸增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性明顯降低。通過(guò)對(duì)CT圖像進(jìn)行處理，計(jì)算得到孔隙率的變化曲線，從圖23可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的孔隙率逐漸增大，這與SEM觀察結(jié)果和前文宏觀物理性質(zhì)測(cè)試中孔隙比增大的結(jié)果相一致。CT掃描技術(shù)能夠更全面地反映土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)一步揭示了凍融循環(huán)對(duì)黃土微觀結(jié)構(gòu)的破壞作用。微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致壓實(shí)黃土力學(xué)性質(zhì)劣化的重要原因。隨著凍融循環(huán)導(dǎo)致黃土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙數(shù)量增多、孔隙尺寸增大以及土顆粒間連接的破壞，土體的抗剪強(qiáng)度降低。土顆粒間的摩擦力和咬合力減小，使得土體抵抗剪切破壞的能力下降，這與前文抗剪強(qiáng)度測(cè)試中粘聚力和內(nèi)摩擦角降低的結(jié)果一致?？紫督Y(jié)構(gòu)的改變使得土體在受到壓力時(shí)更容易發(fā)生變形，壓縮性增加，這也與壓縮特性測(cè)試中壓縮系數(shù)增大、壓縮模量減小的結(jié)果相吻合。因此，凍融循環(huán)作用下壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化是其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)劣化的重要內(nèi)在因素。五、干濕和凍融循環(huán)交替作用下壓實(shí)黃土工程性質(zhì)變化5.1物理性質(zhì)變化在干濕和凍融循環(huán)交替作用下，壓實(shí)黃土的物理性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，這些變化對(duì)其工程性能有著重要影響。5.1.1含水率變化以初始含水率分別為10%、13.5%、16%，干密度為1.8g/cm^3的黃土試樣為研究對(duì)象，其在干濕和凍融循環(huán)交替作用下的含水率變化情況如圖24所示?？梢钥闯?，在整個(gè)交替循環(huán)過(guò)程中，試樣的含水率呈現(xiàn)出復(fù)雜的波動(dòng)變化。在每次干濕循環(huán)的增濕階段，水分迅速進(jìn)入土體，含水率快速上升；減濕階段，水分蒸發(fā)，含水率下降。而在凍融循環(huán)中，凍結(jié)過(guò)程對(duì)含水率影響較小，但融化過(guò)程中，隨著冰的融化，土體對(duì)水分的容納空間發(fā)生變化，且外界水分的遷移也會(huì)導(dǎo)致含水率改變。隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的含水率總體呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诮惶嫜h(huán)過(guò)程中，土體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，孔隙增多且連通性增強(qiáng)，使得土體對(duì)水分的吸附和儲(chǔ)存能力增強(qiáng)。初始含水率為10%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次交替循環(huán)后，含水率從10%上升到13%左右；初始含水率為13.5%的試樣，含水率從13.5%上升到16%左右；初始含水率為16%的試樣，含水率從16%上升到18%左右。不同初始含水率的試樣，含水率上升的幅度存在差異，初始含水率較低的試樣，含水率上升幅度相對(duì)較大。這是由于初始含水率較低的土體，孔隙中可容納水分的空間相對(duì)較大，在交替循環(huán)過(guò)程中，更容易吸收外界水分，從而導(dǎo)致含水率上升幅度較大。與單一的干濕循環(huán)或凍融循環(huán)相比，干濕和凍融循環(huán)交替作用下含水率的變化更為復(fù)雜。在單一干濕循環(huán)中，含水率主要受干濕過(guò)程中水分遷移的影響；在單一凍融循環(huán)中，含水率主要受凍結(jié)和融化過(guò)程中水分相變和遷移的影響。而在交替循環(huán)中，干濕循環(huán)和凍融循環(huán)相互影響，使得水分在土體中的遷移和儲(chǔ)存機(jī)制更加復(fù)雜。例如，干濕循環(huán)導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響凍融循環(huán)過(guò)程中水分的凍結(jié)和融化，進(jìn)而影響含水率的變化；凍融循環(huán)造成的土體孔隙結(jié)構(gòu)改變也會(huì)對(duì)干濕循環(huán)中的水分遷移產(chǎn)生影響。5.1.2孔隙比變化干濕和凍融循環(huán)交替作用對(duì)壓實(shí)黃土孔隙比的影響顯著，不同初始含水率試樣的孔隙比變化情況如圖25所示。隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的孔隙比呈現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诮惶嫜h(huán)過(guò)程中，干濕循環(huán)使土體經(jīng)歷反復(fù)的膨脹和收縮，土顆粒間的連接被破壞，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；凍融循環(huán)中，水分的凍結(jié)和融化產(chǎn)生的凍脹力和融沉作用進(jìn)一步破壞土體結(jié)構(gòu)，使得孔隙不斷擴(kuò)大。初始含水率為10%的試樣，孔隙比從初始的0.70增大到第9次交替循環(huán)后的0.85左右；初始含水率為13.5%的試樣，孔隙比從0.68增大到0.88左右；初始含水率為16%的試樣，孔隙比從0.65增大到0.90左右。不同初始含水率的試樣，孔隙比增大的幅度存在差異。初始含水率較高的試樣，孔隙比增大的幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在初始狀態(tài)下孔隙中已經(jīng)含有較多水分，土顆粒間的距離相對(duì)較大，在交替循環(huán)過(guò)程中，土體膨脹和收縮的空間相對(duì)較小，因此孔隙比增大的幅度也較小。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次交替循環(huán)后，孔隙比增大了0.25；而初始含水率為10%的試樣，孔隙比增大了0.15。與單一循環(huán)作用相比，干濕和凍融循環(huán)交替作用下孔隙比的增大更為明顯。在單一干濕循環(huán)中，雖然土體結(jié)構(gòu)也會(huì)受到破壞，但沒(méi)有凍融循環(huán)中冰的膨脹和融沉作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈破壞。在單一凍融循環(huán)中，雖然凍脹和融沉作用會(huì)改變土體結(jié)構(gòu)，但缺少干濕循環(huán)中水分反復(fù)遷移對(duì)土體結(jié)構(gòu)的持續(xù)影響。而在交替循環(huán)中，兩種循環(huán)的破壞作用相互疊加，使得土體孔隙結(jié)構(gòu)的改變更加顯著，孔隙比增大更為明顯。這種孔隙比的顯著增大，會(huì)導(dǎo)致土體的密實(shí)度降低，進(jìn)而影響土體的力學(xué)性質(zhì)，如抗剪強(qiáng)度降低、壓縮性增加等。5.2力學(xué)性質(zhì)變化5.2.1抗剪強(qiáng)度變化干濕和凍融循環(huán)交替作用對(duì)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響較為顯著。通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)，得到不同交替循環(huán)次數(shù)下，初始含水率分別為10%、13.5%、16%，干密度為1.8g/cm^3的壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化情況，如圖26和圖27所示。從圖26可以看出，隨著干濕和凍融循環(huán)交替次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的粘聚力c呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)。初始含水率為10%的試樣，粘聚力從初始的31kPa左右降至第9次交替循環(huán)后的10kPa左右；初始含水率為13.5%的試樣，粘聚力從29kPa下降到8kPa左右；初始含水率為16%的試樣，粘聚力從27kPa降低至6kPa左右。在交替循環(huán)過(guò)程中，干濕循環(huán)使得土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)在反復(fù)的干濕作用下逐漸弱化，顆粒間的連接力減?。粌鋈谘h(huán)中冰的體積膨脹和融沉作用進(jìn)一步破壞了土顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)。在濕潤(rùn)階段，水分進(jìn)入土體使土顆粒表面結(jié)合水膜增厚，削弱了顆粒間的摩擦力和咬合力；在凍結(jié)階段，孔隙水結(jié)冰膨脹對(duì)土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用；融化階段，冰融化成水進(jìn)一步增強(qiáng)了土顆粒間的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致粘聚力大幅降低。不同初始含水率的試樣，粘聚力下降的幅度存在差異。初始含水率較高的試樣，粘聚力下降幅度相對(duì)更大。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次交替循環(huán)后，粘聚力下降了21kPa；而初始含水率為10%的試樣，粘聚力下降了21kPa。這是因?yàn)槌跏己瘦^高的土體，在交替循環(huán)過(guò)程中，水分的變化和相變對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響更為顯著，土顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)更容易受到破壞，從而導(dǎo)致粘聚力下降幅度更大。對(duì)于內(nèi)摩擦角φ，從圖27可以看出，隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，其也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但下降幅度相對(duì)粘聚力較小。初始含水率為10%的試樣，內(nèi)摩擦角從初始的28°左右下降到第9次交替循環(huán)后的23°左右；初始含水率為13.5%的試樣，內(nèi)摩擦角從27°下降到22°左右；初始含水率為16%的試樣，內(nèi)摩擦角從26°下降到21°左右。雖然土顆粒本身特性受交替循環(huán)影響相對(duì)較小，但干濕和凍融循環(huán)交替作用導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)改變，土顆粒間的接觸狀態(tài)和咬合程度發(fā)生調(diào)整，使得內(nèi)摩擦角有所降低。例如，交替循環(huán)使得土體孔隙增大，土顆粒間的接觸點(diǎn)減少，咬合程度降低，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小?？辜魪?qiáng)度的顯著降低對(duì)黃土地區(qū)的工程穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在黃土地區(qū)的基礎(chǔ)工程中，地基土抗剪強(qiáng)度的下降可能導(dǎo)致基礎(chǔ)承載能力不足，引發(fā)建筑物的不均勻沉降，甚至可能導(dǎo)致建筑物傾斜或倒塌。在邊坡工程中，抗剪強(qiáng)度的降低會(huì)使邊坡穩(wěn)定性大幅下降，容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。某黃土地區(qū)的水利大壩基礎(chǔ)，由于長(zhǎng)期受到干濕和凍融循環(huán)交替作用，地基土抗剪強(qiáng)度降低，在一次洪水期間，大壩基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，壩體出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重威脅大壩的安全運(yùn)行。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工中，必須高度重視干濕和凍融循環(huán)交替作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，采取有效的加固措施，如采用土工合成材料加筋、灌漿等方法，提高土體的抗剪強(qiáng)度，確保工程的安全穩(wěn)定。5.2.2壓縮特性變化干濕和凍融循環(huán)交替作用對(duì)壓實(shí)黃土的壓縮特性也有明顯影響，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)得到不同交替循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)和壓縮模量變化情況，如圖28和圖29所示。從圖28可以看出，隨著干濕和凍融循環(huán)交替次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的壓縮系數(shù)逐漸增大。初始含水率為10%的試樣，壓縮系數(shù)從初始的0.14MPa?1左右增大到第9次交替循環(huán)后的0.30MPa?1左右；初始含水率為13.5%的試樣，壓縮系數(shù)從0.16MPa?1增大到0.33MPa?1左右；初始含水率為16%的試樣，壓縮系數(shù)從0.18MPa?1增大到0.35MPa?1左右。這是因?yàn)榻惶嫜h(huán)過(guò)程中，干濕循環(huán)使土體反復(fù)膨脹和收縮，破壞了土顆粒間的原有排列和連接；凍融循環(huán)中水分的凍結(jié)和融化產(chǎn)生的凍脹力和融沉作用進(jìn)一步加劇了土體結(jié)構(gòu)的破壞，使得土體孔隙比增大，土顆粒間排列更加疏松。在受到壓力時(shí)，孔隙更容易被壓縮，從而導(dǎo)致壓縮系數(shù)增大，土體在壓力作用下更容易發(fā)生變形。不同初始含水率的試樣，壓縮系數(shù)的變化幅度有所不同。初始含水率較高的試樣，壓縮系數(shù)增大的幅度相對(duì)較大。例如，初始含水率為16%的試樣，在經(jīng)過(guò)9次交替循環(huán)后，壓縮系數(shù)增大了0.17MPa?1；而初始含水率為10%的試樣，壓縮系數(shù)增大了0.16MPa?1。這是由于初始含水率較高的土體，在交替循環(huán)過(guò)程中，水分的變化和相變對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響更為強(qiáng)烈，土體的膨脹和收縮更加明顯，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的改變更為顯著，從而使得壓縮系數(shù)增大的幅度更大。壓縮模量與壓縮系數(shù)呈反比關(guān)系，從圖29可以看出，隨著干濕和凍融循環(huán)交替次數(shù)的增加，壓實(shí)黃土的壓縮模量逐漸減小。初始含水率為10%的試樣，壓縮模量從初始的12.5MPa左右減小到第9次交替循環(huán)后的7MPa左右；初始含水率為13.5%的試樣，壓縮模量從11MPa減小到6MPa左右；初始含水率為16%的試樣，壓縮模量從10MPa減小到5.5MPa左右。壓縮模量的減小意味著土體抵抗變形的能力降低，在相同的壓力作用下，土體的變形量會(huì)更大。壓縮特性的變化對(duì)黃土地區(qū)的工程有著重要影響。在道路工程中，路基土壓縮特性的改變會(huì)導(dǎo)致路面的平整度下降，增加行車(chē)的不舒適性和安全性隱患。由于干濕和凍融循環(huán)交替作用使路基土的壓縮系數(shù)增大，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，路基更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑洼、裂縫等病害。在建筑工程中，地基土壓縮特性的變化會(huì)影響建筑物的沉降量和穩(wěn)定性。如果不考慮交替循環(huán)對(duì)壓縮特性的影響，可能會(huì)導(dǎo)致建筑物的沉降過(guò)大，影響建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。因此，在黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)中，需要充分考慮干濕和凍融循環(huán)交替作用對(duì)壓縮特性的影響，合理確定地基的承載能力和沉降量，采取有效的地基處理措施，如強(qiáng)夯法、灰土擠密樁法等，以保證工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性。5.3微觀結(jié)構(gòu)變化采用掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀（MIP）對(duì)干濕和凍融循環(huán)交替作用后的壓實(shí)黃土試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，以深入揭示其工程性質(zhì)劣化的內(nèi)在機(jī)制。通過(guò)SEM觀察不同交替循環(huán)次數(shù)后的黃土試樣微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)初始狀態(tài)下，壓實(shí)黃土顆粒排列緊密，土顆粒多呈棱角狀，顆粒間以面接觸和點(diǎn)接觸為主，孔隙主要為小孔徑孔隙，分布相對(duì)均勻，如圖30（a）所示。隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。經(jīng)過(guò)3次交替循環(huán)后，部分土顆粒間的連接開(kāi)始松動(dòng)，顆粒間出現(xiàn)微小裂縫，孔隙結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得復(fù)雜，一些小孔徑孔隙逐漸擴(kuò)大，同時(shí)出現(xiàn)了少量大孔隙，如圖30（b）所示。當(dāng)交替循環(huán)次數(shù)達(dá)到9次時(shí)，土顆粒間的連接被嚴(yán)重破壞，土顆粒呈現(xiàn)松散狀態(tài)，大孔隙數(shù)量明顯增多，孔隙分布極不均勻，形成了大量連通孔隙，土體結(jié)構(gòu)變得十分松散，如圖30（c）所示。在交替循環(huán)過(guò)程中，干濕循環(huán)使土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)在反復(fù)的干濕作用下逐漸弱化，顆粒間的連接力減??；凍融循環(huán)中冰的體積膨脹和融沉作用進(jìn)一步破壞了土顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)。在濕潤(rùn)階段，水分進(jìn)入土體使土顆粒表面結(jié)合水膜增厚，削弱了顆粒間的摩擦力和咬合力；在凍結(jié)階段，孔隙水結(jié)冰膨脹對(duì)土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用；融化階段，冰融化成水進(jìn)一步增強(qiáng)了土顆粒間的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致土顆粒間的連接更加松散。利用MIP對(duì)不同交替循環(huán)次數(shù)下黃土試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行分析，得到孔徑分布曲線和孔隙率等參數(shù)的變化情況，如圖31和圖32所示。從孔徑分布曲線可以看出，初始狀態(tài)下，黃土的孔徑主要集中在0.01-1μm范圍內(nèi)，以小孔徑為主。隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，孔徑分布曲線向大孔徑方向移動(dòng)，在1-10μm范圍內(nèi)的孔徑占比逐漸增加，表明大孔隙數(shù)量增多。這與SEM觀察結(jié)果相互印證，說(shuō)明干濕和凍融循環(huán)交替作用使得黃土的孔隙結(jié)構(gòu)向大孔隙方向發(fā)展。從孔隙率變化曲線可知，隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的孔隙率逐漸增大，從初始的36%左右增加到9次交替循環(huán)后的48%左右。這進(jìn)一步證明了交替循環(huán)對(duì)黃土孔隙結(jié)構(gòu)的破壞作用，使得土體的孔隙率增大，結(jié)構(gòu)變得更加疏松。微觀結(jié)構(gòu)的變化與宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間存在密切聯(lián)系。隨著交替循環(huán)導(dǎo)致黃土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙數(shù)量增多、孔隙尺寸增大以及土顆粒間連接的破壞，土體的結(jié)構(gòu)性逐漸減弱。土顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降，這與前文抗剪強(qiáng)度測(cè)試中粘聚力和內(nèi)摩擦角降低的結(jié)果一致。孔隙結(jié)構(gòu)的改變使得土體在受到壓力時(shí)更容易發(fā)生變形，壓縮性增加，這也與壓縮特性測(cè)試中壓縮系數(shù)增大、壓縮模量減小的結(jié)果相吻合。因此，干濕和凍融循環(huán)交替作用下壓實(shí)黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化是導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)劣化的重要內(nèi)在原因。六、工程性質(zhì)劣化機(jī)理分析6.1物理作用機(jī)理在干濕循環(huán)過(guò)程中，水分的吸附與解吸以及體積的脹縮是導(dǎo)致壓實(shí)黃土工程性質(zhì)劣化的重要物理作用。當(dāng)土體處于濕潤(rùn)階段時(shí)，水分通過(guò)毛細(xì)作用和土顆粒表面的吸附力進(jìn)入土體孔隙中。土顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，顆粒間的斥力增大，導(dǎo)致土體發(fā)生膨脹。從微觀角度來(lái)看，水分的進(jìn)入使得土顆粒間的距離增大，一些原本緊密接觸的顆粒被撐開(kāi)，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在濕潤(rùn)過(guò)程中，土顆粒表面的親水基團(tuán)與水分子相互作用，形成水化膜，這不僅增加了顆粒間的距離，還削弱了顆粒間的摩擦力和咬合力。當(dāng)土體進(jìn)入干燥階段，水分逐漸蒸發(fā)，土顆粒表面的結(jié)合水膜變薄，顆粒間的有效應(yīng)力增大，土體開(kāi)始收縮。在干燥過(guò)程中，由于水分的蒸發(fā)，土顆粒間的連接力增強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致土體內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，這些微裂縫不斷擴(kuò)展和連通，進(jìn)一步破壞了土體的結(jié)構(gòu)，使得孔隙比增大，抗剪強(qiáng)度降低。凍融循環(huán)過(guò)程中，冰晶的生長(zhǎng)與融化以及水分的遷移對(duì)壓實(shí)黃土的工程性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)土體溫度降至0℃以下時(shí)，孔隙中的水分開(kāi)始凍結(jié)成冰，冰晶生長(zhǎng)體積膨脹約9%，對(duì)周?chē)耐令w粒產(chǎn)生凍脹力。這種凍脹力會(huì)使土顆粒間的距離增大，破壞土顆粒間的原有連接，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。從微觀結(jié)構(gòu)上看，冰晶的生長(zhǎng)會(huì)擠壓周?chē)耐令w粒，使顆粒發(fā)生位移和重新排列，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。在凍結(jié)過(guò)程中，土顆粒表面的吸附水也會(huì)結(jié)冰，進(jìn)一步增大了土顆粒間的距離，削弱了顆粒間的膠結(jié)作用。當(dāng)溫度回升至0℃以上，冰開(kāi)始融化成水，土體發(fā)生融沉。融沉過(guò)程中，土體的體積減小，但由于土顆粒間的連接已經(jīng)受到破壞，土體無(wú)法完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，導(dǎo)致孔隙比增大，土體結(jié)構(gòu)變得更加松散。凍融循環(huán)過(guò)程中還伴隨著水分的遷移。在溫度梯度的作用下，水分會(huì)從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，這種遷移會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部水分分布不均勻，進(jìn)一步加劇了土體結(jié)構(gòu)的破壞。水分的遷移還會(huì)攜帶一些細(xì)小的土顆粒，使得孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)。在干濕和凍融循環(huán)交替作用下，物理作用的疊加效應(yīng)更加明顯。干濕循環(huán)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞，使得土體在凍融循環(huán)過(guò)程中更容易受到冰晶生長(zhǎng)和融化的影響。干濕循環(huán)產(chǎn)生的微裂縫為水分的遷移提供了通道，加劇了凍融循環(huán)過(guò)程中的水分遷移和土體結(jié)構(gòu)破壞。凍融循環(huán)造成的土體結(jié)構(gòu)松散也會(huì)使得干濕循環(huán)過(guò)程中的水分吸附和解吸更加容易，進(jìn)一步加速了土體結(jié)構(gòu)的劣化。這種物理作用的疊加效應(yīng)使得壓實(shí)黃土的孔隙比顯著增大，抗剪強(qiáng)度大幅降低，壓縮性明顯增加，工程性質(zhì)嚴(yán)重劣化。6.2化學(xué)作用機(jī)理在干濕和凍融循環(huán)過(guò)程中，壓實(shí)黃土內(nèi)部發(fā)生著一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)對(duì)其工程性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。黃土中含有多種礦