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摘要：
为了研究滑坡古土壤经过冻融循环后的微观结构变化及其与宏观力学性质的关联性，在宏观方面，进行了大量常规三轴试验;在微细观方面，进行了扫描电镜和核磁共振。结果表明：① 宏观方面体现为随着冻融次数的增加，在相同含水率下，应力应变曲线从软化型转变为硬化型并且土体的抗剪强度降低，说明冻融循环导致黄土结构产生劣化使其抗剪强度降低;随着含水率的增加，破坏偏差應力在一定程度下会呈现缓慢增加现象。② 在微观结构方面主要表现为颗粒发育，颗粒接触形式以面-面接触、面-边接触为主，微小孔隙占比较大，分布集中;随着冻融循环次数的增加，孔隙平均形状系数先减小后增加，而形态分布分形维数持续增大且在冻融循环15次后趋于平稳。③ 在细观尺度上，T2谱曲线主峰占据大部分，且伴随冻融循环次数的增加，T2峰值曲线明显降低，曲线宽度有小幅度增加，峰面积逐渐减小，初始冻融循环峰值降低幅度最大，说明初始循环对土样结构改变明显。
关 键 词：
古土壤细微观结构; 冻融循环; 扫描电镜; 三轴试验; 核磁共振
中图法分类号： U416.1
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.032
0 引 言
中国地域幅员辽阔，黄土广泛分布，且黄土类型分布全面，主要分布在陕西、山西、甘肃等地，工程应用很广[1]。由于黄土具有大孔隙、垂直节理以及湿陷性三大特点，所以使得对黄土的研究被众多学者所关注。现今黄土高原地貌已经成为陕北黄土的典型地貌，近年来，黄土地质灾害频发，特别是黄土滑坡，据相关资料记载，中国近1/3的滑坡发生在黄土地区[2]。随着一带一路建设的发展，西部建设也越来越快，人类开发利用的面积也越来越广，从而对黄土边坡进行的扰动也越来越多，以致引发了大量的滑坡地质灾害。陕北地区仅延安地区沿古土壤面滑坡灾害点就有139处[3-6]，而且陕北地区温差大，研究古土壤在冻融循环作用下的微细观结构及其力学特性，对开展该类滑坡的变形机理的研究具有一定的参考价值。
目前，对黄土的研究主要集中在力学特性及其微观结构方面[7-10]。周泓等[11]以富平重塑黄土为例，分析了在不同冻融循环次数下黄土物理力学性质指标的变化。倪万魁等[12]选取陕北洛川黄土，在不同冻融循环次数下对其进行了电镜扫描、单轴压缩以及三轴剪切试验，分析了冻融循环作用下黄土的微观结构及其力学性质的变化。庞旭卿等[13]在考虑含水率、温度、冻融循环次数等条件下对黄土开展了三轴剪切试验，并分析了这几种因素对黄土力学性质的影响，并在此基础上，提出了一种基于冻融循环的损伤模型。王铁行等[14]选取西安黄土，在考虑干密度及冻融循环次数的条件下，通过三轴试验对黄土的渗透性展开了分析，并结合电镜扫描在微观方面分析了2种因素对黄土渗透性的影响。叶万军等[15]选取延安市黄陵县黄土，通过扫描电镜、GDS三轴试验，分析了含水率及循环次数2种因素对黄土力学性质的影响。张奇莹等[16]通过不同和相同的垂直压力下的直剪试验，得出原状黄土具有剪切强度各向异性是因为沉积过程中土颗粒的不同排序所致。沙爱民等[17]利用扫描电镜和能谱仪，探索了湿陷性与微观结构的关系。综上可以看出，结合核磁共振、电镜扫描技术对土体进行分析测试方面的研究较少。
本文选取延安市一处滑坡体古土壤，基于三轴试验、扫描电镜以及核磁共振试验数据，分析了冻融循环作用下不同含水率、不同围压下古土壤的宏观力学特性及其微观结构的变化;同时还分析了宏观力学特性变化与微细观结构的响应规律及其破坏机制，研究成果可为实际工程防灾减灾提供一定的参考。
1 试验过程
1.1 试验材料
本文以延安市一处滑坡古土壤作为土样进行室内试验，所取样品为中更新世（ Q2 ）黄土古土壤地层序列中S1古土壤。
为了对土样的物理性质进行分析，将所取土样进行室内土工实验，以取得土样的基本物理性质指标，如表1所列。
1.2 试验装置
主要试验设备如下：
① 日立可变真空度热场发射扫描电镜;
② 英国GDS公司生产的标准非饱和土三轴试验系统;
③ NMRC12-010V 核磁共振孔隙分析仪。
1.3 试验方案
试验方案的设计是以古土壤为背景，研究古土壤在冻融循环作用下的微观结构变化情况，以及对强度劣化开展试验。
1.3.1 扫描电镜试验
为研究不同粒径范围内颗粒矿物组成的差异，利用日立可变真空度热场发射扫描电镜对古土壤进行面扫描，以分析其所含元素的成分。
对初始含水率下经过不同冻融循环次数的土样进行电镜扫描，经过冻融循环后选取1 cm3左右的试样，试样扫描前应充分干燥，在其表面进行喷金处理，使之能更好地反射信号。
1.3.2 冻融循环试验
将含水率为16%、20%、24%的试样进行分类并放入-20 ℃的恒温冰箱进行冻结，之后在室温环境下进行融化，冻融循环次数为：0，1，5，10，15次和20次。
1.3.3 三轴压缩试验
在上述冻融循环次数下，分为6组，每组分3种含水率，每种含水率取4个试样。试样围压根据实际工况选择50，100，200，300 MPa 4种围压，剪切速率选取0.2 mm/min。
1.3.4 核磁共振实验（NMR）
对相同初始含水率不同冻融循环次数的试样做核磁共振实验，分为6组，每组2个试样，从而得到不同冻融循环次数的土样的T2谱分布。
2 试验结果及分析
2.1 冻融循环对古土壤抗剪强度的影响
图1为不同冻融循环次数、不同围压下的古土壤静三轴试验偏应力-应变变化曲线。图1中的q0表示某一应变ε时原状黄土的应力值σ1-σ3。 由图1可知：在未冻融情况下，应力应变曲线存在峰值，即应变软化阶段。在试验过程中，经过多次冻融循环后，应力应变曲线从软化型转变为硬化型，并且硬化幅度越来越明显。其主要原因是黄土在结构上具有大孔隙、垂直节理及湿陷性三大特点;未冻融时，在偏应力作用下先压缩土中孔隙，应变不断增大，当压缩到一定程度时，随着应变的不断增大，偏差应力不继续增长，这就是原状黄土的“压硬性”;而随着冻融循环的进行，冻胀力的产生破坏了土体原有的结构，破坏了原有的颗粒胶结，使土颗粒结构发生重组，强度产生劣化。从图1中也可以看出：在冻融循环次数和含水率均较大时，偏应力存在缓慢的增加。其原因主要是在冻融过程中，土体水分会产生迁移，土体表面和内部会形成温度梯度，融解过程中土体水分向土体表面迁移，伴随着水分的析出，土体含水率有所降低，从而导致黄土强度会产生小幅度增加。
同围压、同冻融周期下，随着含水率的增大，破坏时主应力差逐渐减小。这是由于随着围压的增加试样进行排水固结，土样内部孔隙随之减小，偏差应力随之增大，土体表现出“压硬性”;而随着土中水的增加，试验过程中，水在土粒当中起到了润滑作用，随着含水率的增大，润滑作用变得明显，使得土体更容易产生压缩变形，从而使主应力差减小。同含水率、同围压下，冻融循环次数的增大导致破坏时主应力差逐渐减小。其
原因是冻融循环作用使土体内外产生温差，从而发生水分迁移现象，并随着土中水的凍结会产生冻胀力，因而改变了土体的原始结构，造成土中孔隙的增多，破坏了原状团粒体，致使土体产生强度劣化。而伴随着主应力的增大，对土体不断的压缩又会导致土体孔隙的减小，使土体产生新的次生结构。相同含水率、同冻融周期下，随着围压的增大，峰值偏应力越来越大，斜率也越来越大，这是由于随着围压的增加试样固结排水，使得土体内空隙体积减小，土体密实，破坏强度越来越大。
2.2 不同放大倍数下古土壤的扫描电镜结果
2.2.1 扫描电镜的定性分析
将试验试样分别放大500，1 000，3 000倍和5 000倍，获得其扫描电镜图像，如图2所示。
从结果可以看出：土体呈扁平状，粘聚体结构，孔隙排列无规律，分布紊乱，土体中颗粒之前的附存形态多以面面接触或边面接触为主。孔隙形态多样，没有定向排列特性。
2.2.2 扫描电镜的定量分析
从图2可以看出：放大1 000倍的图像在整体和局部均能较好地显示出土体的微观特性，因此采用放大1 000倍的电镜扫描图片进行微观定量分析。图3为不同冻融循坏次数下试样的SEM图片。
对颗粒孔隙及裂隙图像采用 PCAS系统进行微观定量分析[18]。对SEM图像借助于软件进行矢量化处理后，分析其平均直径、平均形状系数以及形态分布分形维数在冻融循环过程中的变化规律，从而从微观层面来分析土体结构所产生的变化。
（1） 土样微观孔隙大小及所占百分比的变化。
由于土体颗粒的各向异性，从而颗粒间的孔隙也变得无特有痕迹线索，所以本文选取与孔隙具有等效面积的圆的直径来作为衡量标准[19]，如式（1）所示：
前人研究过程中，众多学者对孔隙结构进行过分类，本次研究选取雷祥义[20]对黄土微观孔隙的分类标定，对孔隙大小分为4类：大孔隙（D>32 μm）、中孔隙（8 μm≤D≤32 μm）、小孔隙（2 μm≤D<8 μm）、微孔隙（D<2 μm）。
借助于软件对SEM图像进行分析后，得到了不同次数冻融循环试样的不同孔隙平均直径的分布以及不同孔隙所占的百分比，如图4所示。
由图4可以看出：原状试样的微孔径占55%，小孔径占30%，微小孔隙占比为绝大部分，说明土体的渗透性较弱。
现实工况当中，随着气候的不断变化，土体会反复受到冻融循环过程的影响。
随着冻融循环次数的增多，微孔隙表现出了与循环次数呈正相关的变化;并且在第5次循环时，其值的变化相对显著;这是因为土体中的水分发生了冻胀，使得土体颗粒间的连接结构发生了改变，体积变大，土体的孔隙也变大。而在土体融化过程中，随着冰变为水，土颗粒由冻胀作用造成的大孔隙由于土颗粒的重力作用，致使颗粒结构的位置发生变化，部分颗粒下移，促使土样小孔隙变多，大孔隙减少。
（2） 土样微观孔隙平均形状系数。
平均形状系数F[21]：
式中：Fi=PS，F为孔隙形态系数;P 为与孔隙等面积圆的周长，S为孔隙实际周长。
图5为不同冻融循环次数后平均形状系数的变化情况。由图5可知：随着冻融循环次数的增加，平均形状系数曲线变化规律为先减小后增大，而且循环5次以前减小幅度较大;在循环5次以后，曲线开始增大，在循环15次以后曲线趋于平缓。分析其原因：0～5次循环对土体的原生结构产生了较大冲击，土体颗粒的结构形状发生了较大改变，磨圆度变化大，而土体原状的团粒结构也发生了破坏，且破坏产生的附着碎屑开始离开团粒，这样就使得土体颗粒结构向混乱结构转化;在经过5次循环以后，结构的破坏进一步加剧，之前产生的破坏雏形开始进一步加剧，碎屑开始脱落，颗粒边缘形状开始产生新的结构，最终形成次生破坏结构。
（3） 形态分布分维数变化。
对于孔隙形态分布分形维数[22]等效面积、周长的线性关系采用下式计算：
LogP=D2×LogA+C（3）
式中：P为孔隙的等效周长;A为孔隙的等效面积;D为孔隙形态分布分形维数;C为拟合常数。
图6为循环次数与分析维数关系的曲线图。从图6可以看出：分形维数随着冻融循环次数的增加而增加，并且在第5次循环后出现了显著增加的态势;而在第15次循环后，其增加趋势趋于平稳。由此可以分析出土样在经历冻融循环过程中，土颗粒间的连接由于冻胀力作用发生破坏，致使胶结作用减弱，由原有胶结结构次生出的颗粒碎屑及冻结过程中团粒的散落而产生的新碎屑与原始土粒结构组成新的聚集体，这也是颗粒分形维数发生变化的原因。 2.3 基于核磁共振技术的孔隙结构分析
含水率为20%时试样在不同冻融循环次数下的T2谱曲线如图7所示。图7中呈现出1个较高的波峰与2个较低的波峰，高峰位置弛豫时间集中在 0.1～1.0 ms之间。伴随着冻融循环次数的增加，T2峰值曲线明显降低，曲线宽度有小幅度的增加，峰面积逐渐减小，初始冻融循环峰值降低幅度最大，说明初始循环对土样结构的改变明显，而且在冻融循环作用下土中有水析出。分析其原因：冻融条件下
，土体外部与内部形成了温度梯度，土体内部产生水分迁移，使土体水分场重新进行了分布;而在试样融解过程中，内部水分往外部迁移，水分开始从外部渗出，使得土样中的含水率降低。因此在能谱曲线上呈现出随着冻融循环次数的增加，峰谱面积随之减小。刚好从细观层面阐述了随着含水率的增加，一定程度上反而会出现抗剪强度小幅度增加的现象，与前面所述三轴试验结果相符。
在冻融作用下，原状试样的孔隙度增大，孔隙数增多，孔隙平均大小减小，成圆度减小，各向异性增强，孔隙面积分形维数增加，有利于孔隙增大、贯通，但不利于颗粒间的咬合力与摩擦力发挥，与上述进行的三轴试样结果相吻合。
3 结 论
（1） 由扫描电镜结果可知，在微观结构方面主要呈现为集粒发育，颗粒接触形式以面-面接触、面-边接触为主，微小孔隙占比较大，分布集中。
（2） 随着冻融循环次数的增加，古土壤微小孔隙所占比例逐渐增多，大中孔隙的含量逐渐减少，平均形状系数变化呈现为先减小后增加的变化趋势，分形维数逐渐增大。
（3） 随着冻融次数的增加，在相同含水率条件下，应力应变曲线从软化型转变为硬化型，并且土体的抗剪强度降低，说明冻融循环导致黄土结构产生了劣化，使其抗剪强度降低;随着含水率的增加，破坏偏差应力在一定程度上会呈现缓慢增加的现象。其原因主要是在冻融过程中，土体中的水分会产生迁移，土体表面和内部会形成温度梯度，而在融化过程中，土体中的水分向土体表面迁移，伴随着水分的析出，土体中的含水率有所降低，从而导致黄土强度会产生小幅度的增加。
（4） 在细观尺度上，T2谱曲线主峰占据了大部分，而且伴随着冻融循环次数的增加，T2峰值曲线明显降低，曲线宽度有小幅度的增加，峰面积逐渐减小，初始冻融循环峰值的降低幅度最大。说明初始循环对土样结构的改变明显，微观、细观和宏观对比结果具有一致性。
参考文献：
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（编辑：赵秋云）
引用本文：
白杨，陈义乾，张小辉.冻融循环下滑坡古土壤细微观结构及力学性能研究
[J].人民长江，2021，52（7）：192-197，203.
Study on changes of fine microstructure and macro-mechanical properties
of landslide paleosoil under freeze-thaw cycle
BAI Yang1，CHEN Yiqian1，ZHANG Xiaohui2
（1.College of Architecture and Civil Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China; 2.PowerChina Huadong Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China; 3.Machinery Industry Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710043，China）
Abstract：
In order to study the microstructural changes of landslides paleosoil subjected to freeze-thaw cycling process and their correlation with macro-mechanical properties，this paper conducted a large number of conventional triaxial tests in macroscopic view and scanning electron microscopy and nuclear magnetic resonancein microscopic view.The results show that from macroscopic aspect，as the number of freeze-thaw cycles increases，the stress-strain curve changes from softening type to hardening type and the soil shear strength decreases under the same moisture content，which means that the freeze-thaw cycle causes deterioration of the loess structure and reduction of shear strength.And with the increase of moisture content，the failure deviation stress will increase slowly in a certain degree.From microscopic aspects，the particles develop，and the particle contact forms are mainly surface-to-surface contact and surface-to-edge contact，and micro-pores distributes intensively accounting for a large proportion.As the number of freeze-thaw cycles increases，the average shape coefficient of the pore decreases firstly and then increases，while the fractal dimension of the morphological distribution continues to increase and tends to stabilize after 15 freeze-thaw cycles.On microscopic view，the main peak of the T2 spectrum curve occupies most of the curve，and as the number of freeze-thaw cycles increases，the T2 peak curve decreases significantly with a small increase in the curve width and a gradual decrease in the peak area，and the peak of the initial freeze-thaw cycle decreases the most，indicating that the initial cycle changes the soil structure significantly.
Key words：
microstructure of paleosoil;freeze-thaw cycle;scanning electron microscope;triaxial test;nuclear magnetic resonance
为了研究滑坡古土壤经过冻融循环后的微观结构变化及其与宏观力学性质的关联性，在宏观方面，进行了大量常规三轴试验;在微细观方面，进行了扫描电镜和核磁共振。结果表明：① 宏观方面体现为随着冻融次数的增加，在相同含水率下，应力应变曲线从软化型转变为硬化型并且土体的抗剪强度降低，说明冻融循环导致黄土结构产生劣化使其抗剪强度降低;随着含水率的增加，破坏偏差應力在一定程度下会呈现缓慢增加现象。② 在微观结构方面主要表现为颗粒发育，颗粒接触形式以面-面接触、面-边接触为主，微小孔隙占比较大，分布集中;随着冻融循环次数的增加，孔隙平均形状系数先减小后增加，而形态分布分形维数持续增大且在冻融循环15次后趋于平稳。③ 在细观尺度上，T2谱曲线主峰占据大部分，且伴随冻融循环次数的增加，T2峰值曲线明显降低，曲线宽度有小幅度增加，峰面积逐渐减小，初始冻融循环峰值降低幅度最大，说明初始循环对土样结构改变明显。
关 键 词：
古土壤细微观结构; 冻融循环; 扫描电镜; 三轴试验; 核磁共振
中图法分类号： U416.1
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.032
0 引 言
中国地域幅员辽阔，黄土广泛分布，且黄土类型分布全面，主要分布在陕西、山西、甘肃等地，工程应用很广[1]。由于黄土具有大孔隙、垂直节理以及湿陷性三大特点，所以使得对黄土的研究被众多学者所关注。现今黄土高原地貌已经成为陕北黄土的典型地貌，近年来，黄土地质灾害频发，特别是黄土滑坡，据相关资料记载，中国近1/3的滑坡发生在黄土地区[2]。随着一带一路建设的发展，西部建设也越来越快，人类开发利用的面积也越来越广，从而对黄土边坡进行的扰动也越来越多，以致引发了大量的滑坡地质灾害。陕北地区仅延安地区沿古土壤面滑坡灾害点就有139处[3-6]，而且陕北地区温差大，研究古土壤在冻融循环作用下的微细观结构及其力学特性，对开展该类滑坡的变形机理的研究具有一定的参考价值。
目前，对黄土的研究主要集中在力学特性及其微观结构方面[7-10]。周泓等[11]以富平重塑黄土为例，分析了在不同冻融循环次数下黄土物理力学性质指标的变化。倪万魁等[12]选取陕北洛川黄土，在不同冻融循环次数下对其进行了电镜扫描、单轴压缩以及三轴剪切试验，分析了冻融循环作用下黄土的微观结构及其力学性质的变化。庞旭卿等[13]在考虑含水率、温度、冻融循环次数等条件下对黄土开展了三轴剪切试验，并分析了这几种因素对黄土力学性质的影响，并在此基础上，提出了一种基于冻融循环的损伤模型。王铁行等[14]选取西安黄土，在考虑干密度及冻融循环次数的条件下，通过三轴试验对黄土的渗透性展开了分析，并结合电镜扫描在微观方面分析了2种因素对黄土渗透性的影响。叶万军等[15]选取延安市黄陵县黄土，通过扫描电镜、GDS三轴试验，分析了含水率及循环次数2种因素对黄土力学性质的影响。张奇莹等[16]通过不同和相同的垂直压力下的直剪试验，得出原状黄土具有剪切强度各向异性是因为沉积过程中土颗粒的不同排序所致。沙爱民等[17]利用扫描电镜和能谱仪，探索了湿陷性与微观结构的关系。综上可以看出，结合核磁共振、电镜扫描技术对土体进行分析测试方面的研究较少。
本文选取延安市一处滑坡体古土壤，基于三轴试验、扫描电镜以及核磁共振试验数据，分析了冻融循环作用下不同含水率、不同围压下古土壤的宏观力学特性及其微观结构的变化;同时还分析了宏观力学特性变化与微细观结构的响应规律及其破坏机制，研究成果可为实际工程防灾减灾提供一定的参考。
1 试验过程
1.1 试验材料
本文以延安市一处滑坡古土壤作为土样进行室内试验，所取样品为中更新世（ Q2 ）黄土古土壤地层序列中S1古土壤。
为了对土样的物理性质进行分析，将所取土样进行室内土工实验，以取得土样的基本物理性质指标，如表1所列。
1.2 试验装置
主要试验设备如下：
① 日立可变真空度热场发射扫描电镜;
② 英国GDS公司生产的标准非饱和土三轴试验系统;
③ NMRC12-010V 核磁共振孔隙分析仪。
1.3 试验方案
试验方案的设计是以古土壤为背景，研究古土壤在冻融循环作用下的微观结构变化情况，以及对强度劣化开展试验。
1.3.1 扫描电镜试验
为研究不同粒径范围内颗粒矿物组成的差异，利用日立可变真空度热场发射扫描电镜对古土壤进行面扫描，以分析其所含元素的成分。
对初始含水率下经过不同冻融循环次数的土样进行电镜扫描，经过冻融循环后选取1 cm3左右的试样，试样扫描前应充分干燥，在其表面进行喷金处理，使之能更好地反射信号。
1.3.2 冻融循环试验
将含水率为16%、20%、24%的试样进行分类并放入-20 ℃的恒温冰箱进行冻结，之后在室温环境下进行融化，冻融循环次数为：0，1，5，10，15次和20次。
1.3.3 三轴压缩试验
在上述冻融循环次数下，分为6组，每组分3种含水率，每种含水率取4个试样。试样围压根据实际工况选择50，100，200，300 MPa 4种围压，剪切速率选取0.2 mm/min。
1.3.4 核磁共振实验（NMR）
对相同初始含水率不同冻融循环次数的试样做核磁共振实验，分为6组，每组2个试样，从而得到不同冻融循环次数的土样的T2谱分布。
2 试验结果及分析
2.1 冻融循环对古土壤抗剪强度的影响
图1为不同冻融循环次数、不同围压下的古土壤静三轴试验偏应力-应变变化曲线。图1中的q0表示某一应变ε时原状黄土的应力值σ1-σ3。 由图1可知：在未冻融情况下，应力应变曲线存在峰值，即应变软化阶段。在试验过程中，经过多次冻融循环后，应力应变曲线从软化型转变为硬化型，并且硬化幅度越来越明显。其主要原因是黄土在结构上具有大孔隙、垂直节理及湿陷性三大特点;未冻融时，在偏应力作用下先压缩土中孔隙，应变不断增大，当压缩到一定程度时，随着应变的不断增大，偏差应力不继续增长，这就是原状黄土的“压硬性”;而随着冻融循环的进行，冻胀力的产生破坏了土体原有的结构，破坏了原有的颗粒胶结，使土颗粒结构发生重组，强度产生劣化。从图1中也可以看出：在冻融循环次数和含水率均较大时，偏应力存在缓慢的增加。其原因主要是在冻融过程中，土体水分会产生迁移，土体表面和内部会形成温度梯度，融解过程中土体水分向土体表面迁移，伴随着水分的析出，土体含水率有所降低，从而导致黄土强度会产生小幅度增加。
同围压、同冻融周期下，随着含水率的增大，破坏时主应力差逐渐减小。这是由于随着围压的增加试样进行排水固结，土样内部孔隙随之减小，偏差应力随之增大，土体表现出“压硬性”;而随着土中水的增加，试验过程中，水在土粒当中起到了润滑作用，随着含水率的增大，润滑作用变得明显，使得土体更容易产生压缩变形，从而使主应力差减小。同含水率、同围压下，冻融循环次数的增大导致破坏时主应力差逐渐减小。其
原因是冻融循环作用使土体内外产生温差，从而发生水分迁移现象，并随着土中水的凍结会产生冻胀力，因而改变了土体的原始结构，造成土中孔隙的增多，破坏了原状团粒体，致使土体产生强度劣化。而伴随着主应力的增大，对土体不断的压缩又会导致土体孔隙的减小，使土体产生新的次生结构。相同含水率、同冻融周期下，随着围压的增大，峰值偏应力越来越大，斜率也越来越大，这是由于随着围压的增加试样固结排水，使得土体内空隙体积减小，土体密实，破坏强度越来越大。
2.2 不同放大倍数下古土壤的扫描电镜结果
2.2.1 扫描电镜的定性分析
将试验试样分别放大500，1 000，3 000倍和5 000倍，获得其扫描电镜图像，如图2所示。
从结果可以看出：土体呈扁平状，粘聚体结构，孔隙排列无规律，分布紊乱，土体中颗粒之前的附存形态多以面面接触或边面接触为主。孔隙形态多样，没有定向排列特性。
2.2.2 扫描电镜的定量分析
从图2可以看出：放大1 000倍的图像在整体和局部均能较好地显示出土体的微观特性，因此采用放大1 000倍的电镜扫描图片进行微观定量分析。图3为不同冻融循坏次数下试样的SEM图片。
对颗粒孔隙及裂隙图像采用 PCAS系统进行微观定量分析[18]。对SEM图像借助于软件进行矢量化处理后，分析其平均直径、平均形状系数以及形态分布分形维数在冻融循环过程中的变化规律，从而从微观层面来分析土体结构所产生的变化。
（1） 土样微观孔隙大小及所占百分比的变化。
由于土体颗粒的各向异性，从而颗粒间的孔隙也变得无特有痕迹线索，所以本文选取与孔隙具有等效面积的圆的直径来作为衡量标准[19]，如式（1）所示：
前人研究过程中，众多学者对孔隙结构进行过分类，本次研究选取雷祥义[20]对黄土微观孔隙的分类标定，对孔隙大小分为4类：大孔隙（D>32 μm）、中孔隙（8 μm≤D≤32 μm）、小孔隙（2 μm≤D<8 μm）、微孔隙（D<2 μm）。
借助于软件对SEM图像进行分析后，得到了不同次数冻融循环试样的不同孔隙平均直径的分布以及不同孔隙所占的百分比，如图4所示。
由图4可以看出：原状试样的微孔径占55%，小孔径占30%，微小孔隙占比为绝大部分，说明土体的渗透性较弱。
现实工况当中，随着气候的不断变化，土体会反复受到冻融循环过程的影响。
随着冻融循环次数的增多，微孔隙表现出了与循环次数呈正相关的变化;并且在第5次循环时，其值的变化相对显著;这是因为土体中的水分发生了冻胀，使得土体颗粒间的连接结构发生了改变，体积变大，土体的孔隙也变大。而在土体融化过程中，随着冰变为水，土颗粒由冻胀作用造成的大孔隙由于土颗粒的重力作用，致使颗粒结构的位置发生变化，部分颗粒下移，促使土样小孔隙变多，大孔隙减少。
（2） 土样微观孔隙平均形状系数。
平均形状系数F[21]：
式中：Fi=PS，F为孔隙形态系数;P 为与孔隙等面积圆的周长，S为孔隙实际周长。
图5为不同冻融循环次数后平均形状系数的变化情况。由图5可知：随着冻融循环次数的增加，平均形状系数曲线变化规律为先减小后增大，而且循环5次以前减小幅度较大;在循环5次以后，曲线开始增大，在循环15次以后曲线趋于平缓。分析其原因：0～5次循环对土体的原生结构产生了较大冲击，土体颗粒的结构形状发生了较大改变，磨圆度变化大，而土体原状的团粒结构也发生了破坏，且破坏产生的附着碎屑开始离开团粒，这样就使得土体颗粒结构向混乱结构转化;在经过5次循环以后，结构的破坏进一步加剧，之前产生的破坏雏形开始进一步加剧，碎屑开始脱落，颗粒边缘形状开始产生新的结构，最终形成次生破坏结构。
（3） 形态分布分维数变化。
对于孔隙形态分布分形维数[22]等效面积、周长的线性关系采用下式计算：
LogP=D2×LogA+C（3）
式中：P为孔隙的等效周长;A为孔隙的等效面积;D为孔隙形态分布分形维数;C为拟合常数。
图6为循环次数与分析维数关系的曲线图。从图6可以看出：分形维数随着冻融循环次数的增加而增加，并且在第5次循环后出现了显著增加的态势;而在第15次循环后，其增加趋势趋于平稳。由此可以分析出土样在经历冻融循环过程中，土颗粒间的连接由于冻胀力作用发生破坏，致使胶结作用减弱，由原有胶结结构次生出的颗粒碎屑及冻结过程中团粒的散落而产生的新碎屑与原始土粒结构组成新的聚集体，这也是颗粒分形维数发生变化的原因。 2.3 基于核磁共振技术的孔隙结构分析
含水率为20%时试样在不同冻融循环次数下的T2谱曲线如图7所示。图7中呈现出1个较高的波峰与2个较低的波峰，高峰位置弛豫时间集中在 0.1～1.0 ms之间。伴随着冻融循环次数的增加，T2峰值曲线明显降低，曲线宽度有小幅度的增加，峰面积逐渐减小，初始冻融循环峰值降低幅度最大，说明初始循环对土样结构的改变明显，而且在冻融循环作用下土中有水析出。分析其原因：冻融条件下
，土体外部与内部形成了温度梯度，土体内部产生水分迁移，使土体水分场重新进行了分布;而在试样融解过程中，内部水分往外部迁移，水分开始从外部渗出，使得土样中的含水率降低。因此在能谱曲线上呈现出随着冻融循环次数的增加，峰谱面积随之减小。刚好从细观层面阐述了随着含水率的增加，一定程度上反而会出现抗剪强度小幅度增加的现象，与前面所述三轴试验结果相符。
在冻融作用下，原状试样的孔隙度增大，孔隙数增多，孔隙平均大小减小，成圆度减小，各向异性增强，孔隙面积分形维数增加，有利于孔隙增大、贯通，但不利于颗粒间的咬合力与摩擦力发挥，与上述进行的三轴试样结果相吻合。
3 结 论
（1） 由扫描电镜结果可知，在微观结构方面主要呈现为集粒发育，颗粒接触形式以面-面接触、面-边接触为主，微小孔隙占比较大，分布集中。
（2） 随着冻融循环次数的增加，古土壤微小孔隙所占比例逐渐增多，大中孔隙的含量逐渐减少，平均形状系数变化呈现为先减小后增加的变化趋势，分形维数逐渐增大。
（3） 随着冻融次数的增加，在相同含水率条件下，应力应变曲线从软化型转变为硬化型，并且土体的抗剪强度降低，说明冻融循环导致黄土结构产生了劣化，使其抗剪强度降低;随着含水率的增加，破坏偏差应力在一定程度上会呈现缓慢增加的现象。其原因主要是在冻融过程中，土体中的水分会产生迁移，土体表面和内部会形成温度梯度，而在融化过程中，土体中的水分向土体表面迁移，伴随着水分的析出，土体中的含水率有所降低，从而导致黄土强度会产生小幅度的增加。
（4） 在细观尺度上，T2谱曲线主峰占据了大部分，而且伴随着冻融循环次数的增加，T2峰值曲线明显降低，曲线宽度有小幅度的增加，峰面积逐渐减小，初始冻融循环峰值的降低幅度最大。说明初始循环对土样结构的改变明显，微观、细观和宏观对比结果具有一致性。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：
白杨，陈义乾，张小辉.冻融循环下滑坡古土壤细微观结构及力学性能研究
[J].人民长江，2021，52（7）：192-197，203.
Study on changes of fine microstructure and macro-mechanical properties
of landslide paleosoil under freeze-thaw cycle
BAI Yang1，CHEN Yiqian1，ZHANG Xiaohui2
（1.College of Architecture and Civil Engineering，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China; 2.PowerChina Huadong Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China; 3.Machinery Industry Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710043，China）
Abstract：
In order to study the microstructural changes of landslides paleosoil subjected to freeze-thaw cycling process and their correlation with macro-mechanical properties，this paper conducted a large number of conventional triaxial tests in macroscopic view and scanning electron microscopy and nuclear magnetic resonancein microscopic view.The results show that from macroscopic aspect，as the number of freeze-thaw cycles increases，the stress-strain curve changes from softening type to hardening type and the soil shear strength decreases under the same moisture content，which means that the freeze-thaw cycle causes deterioration of the loess structure and reduction of shear strength.And with the increase of moisture content，the failure deviation stress will increase slowly in a certain degree.From microscopic aspects，the particles develop，and the particle contact forms are mainly surface-to-surface contact and surface-to-edge contact，and micro-pores distributes intensively accounting for a large proportion.As the number of freeze-thaw cycles increases，the average shape coefficient of the pore decreases firstly and then increases，while the fractal dimension of the morphological distribution continues to increase and tends to stabilize after 15 freeze-thaw cycles.On microscopic view，the main peak of the T2 spectrum curve occupies most of the curve，and as the number of freeze-thaw cycles increases，the T2 peak curve decreases significantly with a small increase in the curve width and a gradual decrease in the peak area，and the peak of the initial freeze-thaw cycle decreases the most，indicating that the initial cycle changes the soil structure significantly.
Key words：
microstructure of paleosoil;freeze-thaw cycle;scanning electron microscope;triaxial test;nuclear magnetic resonance