第一章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
黄土是拥有多孔柱状节理粉土，其颜色为黄色，形成环境较为干旱。我国黄土及黄土状沉积物面积约 64 万 km2，占总面积 6.6%。而黄土分布又主要集中在北方地区，相对于我国南方地区而言，这些地方温差较大且降雨量较少，在风力作用下黄土层逐渐增厚并且分布连续且完整[1]。并且很大一部分属于季节性冻土区，黄土自身的特性极易受到温度变化的影响。低温时，土体内部的水分结冰与土颗粒相互结合，在冰的影响下使黄土的强度急剧增加，在温度升高的情况下，黄土内部已经结冰的部分开始融化，造成黄土的原有结构发生变化，不但强度发生明显的降低，而且土体会发生明显的变形现象，会对上部建筑结构造成难以估量的损失。
黄土冻融循环这一过程在我国寒区经常是处在连续不间断的状态。冻结与融化之间的互相转换是由温度所决定的，从微观角度而言，决定土体结构特征的是土颗粒与土颗粒互相间的联结和排列状态，同时也决定着土体的变形大小。而从宏观角度研究的是其受到外界因素的影响下自身的抵抗干扰的能力。当温度、含水率等因素改变时，会导致土颗粒与土颗粒之间的联结方式发生变化，使其结构改变，强度也随之发生变化。伴随着黄土地区的基础建设的发展，黄土也成为了越来越多建筑物的基础（地基、路基、坝基等），当黄土的强度发生变化时，对其上部的构筑物有非常大的影响。
黄土具有丰富的碳酸盐钙类物质，颗粒基本以粉粒土为主要的构成部分，土颗粒与土颗粒之间的孔隙较为明显，黄土的含水率较高且具有湿陷性，易崩塌、渗透性强的特性。黄土非常容易受到水分的影响，从而导致其承载力出现明显的降低，黄土地基的相关工程出现质量问题的大多数都是因为承载力不够而产生的。大约有 75%的黄土又有湿陷性这一独特的性质，在水的影响下很容易发生下沉、塌陷，会使上部建筑在使用中更加容易受损甚至产生毁灭性破坏。对于西北黄土区域，我国的各种基础建设工程也会受到因黄土冻融循环导致建筑物受到破坏，因冻融循环而产生的灾害也是我国西北寒区基础建设工程面临的巨大困难。首先冻融循环会直接改变黄土的物理学性能，从而发生不均匀沉降及坍塌，其次黄土遇水后因为其特有的湿陷性会引起黄土的结构性发生变化，产生变形等对建筑工程不利的情况，而且由于季节性冻融循环的影响，会导致土体内部水分发生不断迁移和重新分布的状况，土颗粒也会在水分不断迁移的影响下进行重新分布，最终导致土体的结构破坏，强度急剧减小。近些年，伴随着国家对西部地区更加重视的同时，房屋、道路及桥梁等基础设施也迎来了更加迅速的建设，而黄土是以上基础设施建筑的主要基础，更加需要参与工程建设的各方人员对黄土的特性有着更加清楚的认知。
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1.2 国内外研究现状
冻融循环作用对寒区工程造成巨大破坏的原因就是因为在连续性的冻胀和 融沉的过程中，固态的冰和液态的水互相转换，水、盐粒子、热等多因素共同作用产生了冻胀和融沉的这一结果。同时也改变了黄土内部的容重、渗透性、强度参数等[2-5]，黄土经过冻融循环后，土体的结构特性和物理性质发生了变化，土颗粒与土颗粒之间的联结作用和排列关系也同样发生了变化[6-8]。而在冻融循环对土体的强度影响方面，研究结果也有着较大的差异性。YONG R N[9]认为经历冻融循环后土体的强度会增加，GANDAH L R[10]等通过研究发现土体经历冻融循环后强度会降低，田俊峰[11]通过对曲阳公路隧道的黄土进行冻融循环试验后发现，冻融循环对黄土的粘聚力和内摩擦角均有影响且都对着冻融循环次数的增加而减小。而 AOYAMA K[12]等人通过试验却认为冻融循环会使粘聚力出现明显的降低但对内摩擦角影响不大。
1.2.1 黄土物理学特性影响研究
黄土有着特殊的形成环境及地理位置，土体内部颗粒与颗粒之间的组成和排列顺序也导致黄土有着独特的结构特性。高国瑞[13]及雷祥义[14]分别通过电子显微镜对我国大部分地区的黄土进行微观方面的研究，得到了以下结论：影响黄土的主要结构是由黄土颗粒与内部掺杂着矿物颗粒的接触，土颗粒之间的排列组合和联结方式所确定。而其中最主要的因素是黄土颗粒与颗粒之间的排列组合方式。因此根据以上的互相关联，可以得出从微观角度出发，黄土的湿陷性、结构组成及颗粒之间的孔隙特征与黄土地区的工程的质量有极为紧密的关系。因此对黄土进行微观和宏观的综合研究，是对我国黄土地区的建设提供一个很有意义的研究方向。
对于黄土微观方面的探究，马富丽[15]等从松散结构及密实结构两个方面进行了较为全面的分析。土体结构骨架是由于有胶结作用存在，使粉颗粒吸附于较大颗粒外表面，会让土体内部结构逐渐形成空缺，导致较大孔隙的生成，大孔隙是湿陷性存在的决定性因素。
胡瑞林[16]通过自制固结装置，研究冲击荷载作用下黄土微观结构的变化规律，发现当夯击次数越多时，土体强度会缓慢增大，但是达到峰值后又会开始下降。通过分维描述后，得出土体的固结是孔隙和颗粒大小的调整，从微观角度而言是土体密度增大进而强度增加，而强度的下降段是因为黄土颗粒的不均匀发展及微观损伤的扩大而造成的。
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第二章 试验设计与方法
2.1 试验设计
2.1.1 试验原理
影响土体强度变化因素有很多，而黄土作为一种特殊的土体主要分布在我国西北部，在我国四季交替的季节特点下，黄土发生由冻结到融化再到冻结循环往复的过程。当黄土发生冻结时，土体内部的液体水变成冰使体积增大，因此造成了黄土内部土颗粒与颗粒之间的孔隙增大，体积也发生膨胀。而在冻结的时候，液体的水以固体冰的形式存在，导致土体的强度较高，虽然发生体积膨胀但一般不会直接使上部结构倒塌或倾覆。但外界温度升高，冻结土体开始融化时，融化过程中已经融化的水由于重力作用和温度梯度的影响下不断向下方运动。当外界较高温度持续一定时间后，冻结的黄土土体融化后内部因冻结产生的胶结物失去了其力学效应。黄土土体的内部颗粒便会在重力影响下发生下沉，进行重新分布，其孔隙及骨架结构都会因此而发生改变，进而其力学性质也发生相应的改变。因此在冻融循环地区进行工程建设时，要将土体因冻融产生的强度变化考虑在内。
黄土在发生冻融的过程中不同的含水率、冻融次数、冻结速度、冻融方式及冻结温度对黄土的强度造成不同的影响结果。本文主要研究不同含水率与不同冻融次数对土体强度的影响，将冻结速度、冻融方式及冻结温度都控制为同等条件，而且在试验过程中采取密闭环境，保持试验过程中试件的含水率不会发生改变。
2.1.2 试验设计方案
本试验采用的冻结方法为三向冻结，通过环境箱内部进行各个方向的冻结，冻结速度快且冻结彻底。在完成相应的冻融次数后取出试件进行三轴试验。对试件采用保鲜膜多层包裹并在接缝处用透明胶带粘贴，保证在试验过程中试块的密封不透水性。在进行三轴试验前要小心的剥去试件外部的胶带和保鲜膜，防止因此产生的围压。
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2.2 试验方法
2.2.1 试样制备
本文中试验采用土为重塑土，采用预湿法制备。制备过程严格按照《土工实验方法标准》（GB/T50123-1999）实施。在制备含水率为 15%、20%、25%、30% 的黄土时，用土壤温湿度速测仪随时监控，确保含水率达到设计值，放置 48h后进行制样。试样制作过程中采用人工击实的方法，因为黄土属于粘性土，按规定分 4 层夯实，每层夯实前需要对前面夯实的表面进行凿毛处理，防止试样从各交界面由于粘结力不足而产生断层现象，每层击实次数为 25 次。所用试件尺寸为φ39.1mm×80mm，制得标准试样后采用不透水保鲜膜多层包裹，接缝处用透明胶带粘贴，保证试样含水率不会发生变化。
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3.1 冻融循环对黄土结构的影响分析.......................... 18
3.2 不同围压下冻融循环次数对黄土强度的影响....................... 18
第四章 多因素作用下黄土抗剪强度的变化规律..................... 38
4.1 理论基础................................. 38
4.2 不同含水率对抗剪强度的影响.................... 38
第五章 总结与展望...................... 60
5.1 总结.......................... 60
5.2 展望.................... 61
第四章 多因素作用下黄土抗剪强度的变化规律
4.1 不同含水率对抗剪强度的影响
本文共制备了四种不同含水率的试样，每种含水率的试样又设计了由 0 次到30 次 7 种不同冻融循环次数，根据试验数据绘制的摩尔破坏强度包线如图4.1-4.28 所示。
4.1.1冻融 0 次含水率对抗剪强度的影响
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第五章 总结与展望
5.1 总结
本文以西安市长安区的黄土为研究对象，重点研究冻融循环次数和初始含水量对黄土三轴剪切强度的影响规律。首先对长安区高含水率黄土进行含水率、干密度及液塑限等基础物理试验，根据实际情况确定了冻结方式为三项冻结，冻结和融化温度分别为-10℃和 10℃，设计了 4 种不同含水率分别为 15%、20%、25%、30%，确定了不同的冻融循环次数分别为 0 次、1 次、3 次、5 次、10 次、20 次、30 次 7 种。将制备的试样先开展冻融循环试验后进行常规三轴剪切试验，对结果进行整理和分析，得出了不同不同冻融次数、不同含水率及不同围压对黄土强度的影响规律，主要有以下结论：
（1）当含水率及围压不变时，土体的强度会随着冻融循环次数的增加而减小，且第一次冻融循环对土体的强度影响最大，并随着冻融次数的增加其强度影响逐渐减弱，当冻融循环达到 30 次时黄土的强度基本处于稳定状态。
（2）当围压及冻融次数不变，黄土的轴向应力峰值会跟含水率的增多而变小。根据试验数据发现，当长安区黄土的含水率为 20%—25%之间时，黄土土体的轴向抗压强度差异明显大于其他含水率，经过分析可知该含水率区间受冻融循环影响后黄土的孔隙发生了较大变化，进一步影响土体结构，使黄土颗粒与颗粒间的连接作用变小，使强度变化较为显著。
（3）当冻融循环次数及含水率不变时，黄土的剪切强度减小速率却随着围压的增大而减小，这是由于围压的增加，使土体内部的较大颗粒破碎，颗粒之间的接触面的面积变大，相互的作用力增强，稳定性也增加。因此冻融次数及含水率的改变从而对土体结构性产生的影响会随着围压的增大而减弱。且当冻融循环达到稳定状态时，试验地黄土的强度为未冻融的 66%—80%。
（4）当冻融次数相同时，非饱和重塑黄土的粘聚力会随着含水率的增大而减小，随着冻融循环的次数增加，黄土的粘聚力逐渐降低。黄土在经过前 5 次冻融时，粘聚力衰减最多，当冻融循环到达 5~20 次时下降趋势趋于平缓但仍然较为明显，当冻融循环次数超过 30 次时冻融循环对土体粘聚力的影响达到最小接近稳定状态。
参考文献（略）