冰川冻土, 2023, 45(3): 1016-1025 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0077

寒区工程与灾害

冻融循环对青藏黏土抗剪强度影响试验研究

全晓娟,, 龚禹为, 汪波,, 钟官峰, 周尚武

西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031

Experimental study on the shear strength of Qinghai-Tibet clay under freeze-thaw cycles

QUAN Xiaojuan,, GONG Yuwei, WANG Bo,, ZHONG Guanfeng, ZHOU Shangwu

Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China

通讯作者: 汪波，教授，主要从事隧道与地下工程研究. E-mail： ahbowang@163.com

收稿日期: 2022-03-24   修回日期: 2022-07-04  

基金资助: 国家自然科学基金联合基金项目.  U2034205

Received: 2022-03-24   Revised: 2022-07-04  

作者简介 About authors

全晓娟，副教授，主要从事寒区隧道与地下工程研究.E-mail：quanxiaojuan@swjtu.edu.cn , E-mail：quanxiaojuan@swjtu.edu.cn

摘要

冻融作用会对土体结构和性质造成影响，在冻融作用下，不同类型土壤的抗剪强度变化呈现出不同规律。本文选取青藏高原具有代表性的黏土，开展不同初始含水率和不同冻融循环次数下的重塑土抗剪强度变化研究，结合压电陶瓷监测试验，探究冻融循环下青藏黏土抗剪强度指标的变化模式和规律。结果表明：在反复冻融作用下，青藏黏土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角随含水率增大呈阶梯下降；同一含水率的抗剪强度和黏聚力劣化曲线可以分为快速劣化和稳定两个阶段，内摩擦角呈先减小后增大的变化趋势；冻融循环过程中第1次循环对青藏黏土抗剪强度影响最为明显；采用压电陶瓷监测的应力波信号通过小波包分析可以得到真实信号振幅和应力波能量，二者均能反映青藏黏土抗剪强度的劣化趋势。本文提出的强度劣化指标能很好地反映青藏黏土抗剪强度的劣化程度，这在未来工程实际中有着一定的应用前景。

关键词： 冻融循环 ; 抗剪强度 ; 压电陶瓷智能骨料 ; 小波包分析

Abstract

The freeze-thaw cycle has certain affect on the soil structure and properties. According to the previous research， the shear strength of different types of soil under freeze-thaw cycles show different change patterns. In order to investigate the mechanical laws of Tibetan clay， the representative samples on the Qinghai - Tibet Plateau are taken to study the shear strength changes of remolded soil under different initial water contents and different freeze-thaw cycles by means of piezoceramic monitoring experiments. The results show that the shear strength， cohesion and internal friction angle of Qinghai-Tibet clay decrease in steps with the increase of water content. Under the same water content， the deterioration curves of shear strength and cohesion can be divided into two stages： rapid deterioration stage and stability stage， in which the internal friction angle decreases first and then increases. It is also noticeable that the first freeze-thaw cycle has the most obvious influence on the shear strength. Analyzed by wavelet packet method， the stress wave signal obtained by piezoelectric ceramics monitoring are converted to the real signal amplitude and stress wave energy， both of which could reflect the deterioration trend of the shear strength of Qinghai-Tibet clay. In summary， the strength deterioration index proposed in this paper can well reflect the deterioration degree of shear strength， which has certain reference in the future engineering practices.

Keywords： freeze-thaw cycles ; shear strength ; piezoceramic smart aggregates ; wavelet packet analysis

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本文引用格式

全晓娟, 龚禹为, 汪波, 钟官峰, 周尚武. 冻融循环对青藏黏土抗剪强度影响试验研究[J]. 冰川冻土, 2023, 45(3): 1016-1025 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0077

QUAN Xiaojuan, GONG Yuwei, WANG Bo, ZHONG Guanfeng, ZHOU Shangwu. Experimental study on the shear strength of Qinghai-Tibet clay under freeze-thaw cycles[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2023, 45(3): 1016-1025 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0077

0 引言

在我国，冻土总面积约占陆地总面积的75%，基本覆盖了大部分构筑物的修筑范围［1］。受全球气候变暖的影响，我国冻土出现了不同程度的退化现象，近半个世纪以来，青藏高原多年冻土面积由1.50×106 km2缩减为1.06×106 km2，缩减比例达到了30%［2-3］。由冻融循环作用引发的构筑物破坏和失稳成为了寒区工程建设的棘手问题，冻土的存在极大提高了工程运营及维护成本，降低了工程使用年限。

众所周知，受土体结构变化的影响，土体的变形模量和强度会呈现出不同的性质［4］。在冻融过程中，土颗粒的排列方式重组，联结方式发生变化，土体结构和物理力学性质随之改变［5-9］。由于土体抗剪强度是反映土体力学性质和衡量土壤可蚀性的重要指标［10-13］，故监测土体抗剪强度变化即可反映冻融循环对土体稳定性的影响程度［14-15］。目前，冻融循环对土壤抗剪强度影响规律的研究成果差异较大，不同学者采用黄土、黑土和黏土等不同类型的土体在不同条件及试验方法下，抗剪强度随着冻融循环次数增多出现了增大［16-17］、减小［18-19］和基本不变［20-21］三种情况。黏聚力和内摩擦角也表现出不同的变化趋势，有的学者认为在经过反复冻融后，土体内摩擦角增大、黏聚力降低［22-23］；而有的则认为黏聚力和内摩擦角均降低［24］；还有研究表明内摩擦角变化没有明显的规律［25］等等。综上，受制于土体性质、初始状态以及试验条件等的差异，冻融作用对土体性质的研究成果存在明显的分歧。为此，开展冻融循环作用对不同类型土体，特别是典型区域的代表性土体抗剪强度的影响性研究，就成为十分重要的课题。

为了更深入地探究冻融循环作用下土壤抗剪强度变化机理，本文采用一种切实有效的监测手段来开展相关研究。近年来，压电陶瓷智能骨料（SA）因其成本低、响应速度快、压电效应强等特点被广泛应用于结构健康监测［26］和损伤监测［27］。由于在冻融循环的过程中，土壤的渗透性和体积受到影响后产生的土壤裂缝与结构损伤类似，因此，压电陶瓷开始被逐渐应用于监测土壤的冻融过程［28-29］，通过监测穿过试样的应力波能量即可判断其内部结构的变化情况。本文选取青藏高原具有代表性的黏土为研究对象，通过室内冻融循环试验和土壤直剪试验，结合压电陶瓷监测试验，研究了不同初始含水率和不同冻融循环次数下青藏黏土抗剪强度的影响规律，并建立一种与土壤抗剪强度相关的评价指标，以期为青藏黏土地区工程建设中的冻融灾害防治提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1　试验材料及试样制备

本试验用土取自青藏高原某工程现场，为尽量减小现场冻融循环作用对试验结果的影响，在当地最大冻结深度以下1 m处取样。通过室内土性试验测定，其基本物理性能指标如表1所示。

表1   土的基本物理性质

Table 1  Basic physical properties of soil

最大干密度/（g·cm-3）最优含水率/%液限/%塑限/%塑性指数颗粒组成
≥0.075 mm≥0.005~0.075 mm<0.005 mm
1.861527.612.61518.31%67.42%14.27%

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考虑到原状土存在制取、运输等困难，本试验采用重塑土进行，结合《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）和剪切试验要求，配置目标含水率和密实度土样如图1（a）所示，其主要步骤如下：（1）称取适量过2 mm筛的自然风干土，测定其土壤含水率；（2）根据实测干密度和试验所用的环刀体积（61.8 mm×20 mm）计算所需的试验土样；（3）根据风干土含水率和设计初始含水率，计算所需加水量；（4）采用小型喷雾器均匀喷洒计算所得质量的蒸馏水，边喷洒边拌和；（5）将拌和均匀土样密封后静置24 h，确保水分充分、均匀分布；（6）利用击实设备分层多次击实试样，在每层击实完成后将表层刮毛，以减少土层间的不整合现象；（7）采用保鲜膜密贴包裹试样，以减少土壤水分散失，对试样编号后立即放入-15 ℃的低温冷冻箱内开始12 h的冻结试验。

图1

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图1   试验土样

Fig. 1   Soil samples for testing： freeze-thaw cycle samples （partial） （a）； piezoelectric ceramic monitoring sample （b）


此外，制备用于压电陶瓷监测试验的对照样品如图1（b）所示。在直剪试样的基础上，将两块压电陶瓷智能骨料（SA）分别作为驱动器和传感器紧贴于试样的两侧圆形端面，利用绝缘胶带将SA固定于端面中心处，确保信号的稳定产生和接收。由于试样较小，在冻融循环过程中产生的冻胀位移相对于传感器的位置变化可以忽略不计，因此，本试验假定传感器间距在冻融循环中保持不变。

1.2　冻融循环直剪试验方法

直剪试验设置3个不同的含水率，分别为12%、15%和18%。为模拟实际工程的反复冻融过程，参考工程现场近年来的温度实测数据，其冬季平均气温为-14.2 ℃，夏季平均气温为18.1 ℃，故将循环试验的冻结温度和融化温度分别设置为-15 ℃和20 ℃，循环时间以24 h为周期，冻结过程和融化过程均占12 h。试验共设计7个批次的平行组，循环次数分别为0、1、2、3、5、7、10次，其中第0次表示未进行冻融循环的对照试样。在制样过程中，选用直剪环刀作为制样工具，保证一次成型所有试样。循环过程中的试样变化如图2所示，可知试样在冻结过程中发生了明显的冻胀，融化过程呈现明显的消融现象，即冻融作用对土体结构会产生显著的影响。在完成既定次数的冻融循环后，立刻按照《土工试验技术手册》要求开展直剪试验，具体的试验设计见表2。

图2

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图2   冻融循环示意图

Fig. 2   Schematic diagram of freeze-thaw cycle


表2   冻融循环直剪试验设计

Table 2  Design of direct shear experiments under freeze-thaw cycles

供试土壤初始含水率冻融循环次数/次冻结温度/℃融化温度/℃
青藏黏土12%0、1、2、3、5、7、10-1520
15%0、1、2、3、5、7、10-1520
18%0、1、2、3、5、7、10-1520

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直剪试验设定剪切速率为0.8 mm·min-1，分别在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa四种垂直压力下进行剪切，待量力环中百分表指针不再前进或出现倒退现象时，表明试样已剪损，土样变形超过4 mm即认定为剪断，如若百分表未出现峰值，则待剪切变形达到6 mm时为止，记录剪损时的百分表读数和时间。

土壤的剪应力按照下式计算：

τ=10CRA

式中：τ为土壤的抗剪强度（kPa）；C为量力环校正系数（1.54 kN⋅m-1）；R为量力环测表读数（0.01 mm）；A为试样受力面积（cm2）。

土壤抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角通过式（2）表示：

τ=c+σtanφ

式中：τ为土壤的抗剪强度（kPa）；σ为垂直压力（kPa）；c为土壤的黏聚力（kPa）；φ为土壤的内摩擦角（°）。

由于每组试样均包含了4个不同的垂直压力，故可将不同垂直压力下的土壤抗剪强度进行加权处理，得到加权平均抗剪强度（在本文中统一用“抗剪强度”表示）：

τf=∑i=14τiσi∑i=14σi

式中：τf为土壤的加权平均抗剪强度（kPa）；σi为第i次加载的垂直压力（kPa）；τi为加载σi时对应的抗剪强度（kPa）。

通过对比以上试验参数，可以得到冻融循环对土壤强度的影响规律。

1.3　压电陶瓷监测试验方法

本试验使用的压电陶瓷智能骨料（SA）由锆钛酸铅（PZT）、绝缘外壳、屏蔽导线以及BNC接头组成，利用材料的正逆压电效应可以实现冻土监测中常用的主动传感法［30-32］。具体来说，正逆压电效应是指压电陶瓷材料可以实现机械能和电能互相转化的能力，主动传感法则是采用两块SA，分别作为信号驱动器和传感器，实现信号的产生和接收，并以此监测结构变化情况。如图3所示的监测系统，通过电子计算机的LabVIEW软件可以控制DAQ数据采集系统产生激励信号，经过信号放大器处理后传输至驱动器SA1，驱动器在逆压电效应下向土壤试样发射连续扫描的正弦信号，传感器SA2在压电效应下将接收的信号转换为电信号后反馈至电子计算机。受冻融循环的影响，土壤试样产生的结构变化会影响压电陶瓷间的应力波传播，利用上述系统对土壤的应力波进行监测分析，可以实现对土壤力学特性的监测［33-34］。其中，扫描正弦波参数如表3所示，其频率在1个周期内从0.1到1 000 kHz线性增加，幅值为5 V。

图3

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图3   主动传感法监测示意图

Fig. 3   Schematic diagram of active sensing method


表3   扫频正弦波参数表

Table 3  Swept frequency sine wave parameters

初始频率/kHz终止频率/kHz周期/s幅值/V
0.11 00015

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以含水率15%的试样为研究对象，制备与直剪试样相同的3组对照试样，用于安装压电陶瓷智能骨料。压电陶瓷监测试验以24 h为周期，待每次融化完成后测试其应力波信号，并对试样进行称重，设定循环次数从0~10次，具体试验设计见表4。

表4   冻融循环压电陶瓷监测试验设计

Table 4  Design of piezoceramic monitoring experiments under freeze-thaw cycles

初始含水率/%编号冻融循环次数/次冻结温度/℃融化温度/℃
15YD10、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10-1520
YD20、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10-1520
YD30、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10-1520

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2 直剪试验结果与分析

2.1　冻融作用对土壤抗剪强度的影响

根据表2方案开展试验，得到不同含水率条件下，冻融循环作用后土壤抗剪强度的变化趋势如图4。

图4

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图4   不同含水率下青藏黏土抗剪强度劣化趋势图

Fig. 4   Shear strength deterioration trend of Qinghai-Tibet clay at different water content


由图4可知，冻融后的青藏黏土强度随含水率增大呈现阶梯下降趋势，在同一含水率条件下，青藏黏土的强度劣化曲线呈现明显的非线性关系，劣化过程可以分为快速劣化阶段和稳定阶段。快速劣化阶段主要集中在前3次冻融循环中，其余均属于稳定阶段。相较于未经历冻融作用的试样，经历10次冻融循环后，12%、15%和18%这3组不同含水率试样的抗剪强度分别减小了5.25%、6.93%和7.12%，即不同初始含水率试样的抗剪强度下降比例较为接近，这说明冻融循环对不同含水率的抗剪强度影响规律相似；在影响速率上三组试样略有差异，含水率12%和15%的试样在3次冻融循环后达到稳定，而含水率18%的试样在2次冻融循环后基本稳定，说明随着含水率的升高，快速劣化需要的冻融循环次数越来越少。除此之外，第1次循环对三组试样的抗剪强度劣化影响效果显著，其第1次冻融循环后抗剪强度减小量分别占10次循环后总减小量的54.39%、45.30%和64.45%。在稳定阶段，土壤的强度趋于不变，基本不再发生劣化，此时土壤的主要劣化方向为变形等其他方面。

2.2　冻融作用对土壤黏聚力和内摩擦角的影响

绘制不同含水率条件下冻融作用对试样黏聚力的影响如图5，对内摩擦角的影响如图6。

图5

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图5   青藏黏土黏聚力变化趋势图

Fig. 5   Trend of cohesion of Qinghai-Tibet clay


图6

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图6   青藏黏土内摩擦角变化趋势图

Fig. 6   Trend of internal friction angle of Qinghai-Tibet clay


从图5可以看出，随着冻融循环次数的增加，不同含水率的青藏黏土黏聚力均呈现下降趋势。与抗剪强度的劣化曲线类似，黏聚力的变化也可分为快速劣化阶段和稳定阶段，其中快速劣化阶段涵盖了前5次的循环过程，其余为稳定阶段，二者的相似性也表明黏聚力是影响青藏黏土强度的关键因素。与未冻融的试样相比，经过10次冻融循环后12%、15%和18%这3组试样的黏聚力分别降低了17.94%、27.04%和38.24%，数值上分别降低了5.62 kPa、4.70 kPa、5.01 kPa，说明冻融循环对不同初始含水率条件下的黏聚力劣化程度相似。其中，第1次冻融循环对三组试样的黏聚力影响亦最为明显，分别占到了总减小量的32.79%、27.40%和46.15%，因此，首次冻融循环对试样的内部结构有着显著的影响。

从图6可以看到，在冻融循环作用下青藏黏土内摩擦角的变化规律对比抗剪强度和黏聚力有明显差异，随着冻融循环次数的增加，土壤内摩擦角出现了先减小后增大的趋势，整体来说，曲线呈现为不显著的增大趋势。相比未冻融的试样，前2次冻融循环作用后12%、15%和18%的3组试样的内摩擦角分别降低了1.40%、1.43%和1.04%。自第3次冻融循环开始，试样内摩擦角出现了明显的增大趋势，在第10次循环后，三组含水率下内摩擦角相比第2次循环后内摩擦角分别增大了3.64%、4.14%和3.46%，其中，第3次循环的增大最为明显，分别占到了总增大量的38.96%、35.07%和30.36%。

2.3　抗剪强度劣化规律分析

土体力学性质与其结构性状有着密切联系，而冻融过程中的冰水相变则是影响土体结构的根本因素［14］，在循环中，土体将会经历“稳定-不稳定-新稳定”的三个阶段［35］。为探究青藏黏土在冻融作用下产生强度劣化的原因，在前人研究基础上，本文从以下两个角度对土体微观结构变化进行解释分析（图7）。其一是受冻胀作用的影响［8，36-37］，初期冻结时，水分主要发生原位冻结，冰晶均匀分布在土颗粒间，膨大了原有的孔隙，但在融化阶段，冰水相变导致原本用于胶结支撑土壤骨架的冰晶消失，且膨大的孔隙无法复原，土颗粒间的接触点数量显著降低，进而土颗粒间胶结强度降低，土体强度出现劣化。而在反复冻融后，土颗粒大小、形状以及颗粒间孔隙逐渐达到新平衡，即土体的强度劣化趋势趋于平缓。其二是受微观裂缝影响［38］，冻融过程会引发土体内部产生裂纹和裂缝并不断发育，扩展了原有的孔隙和水分迁移通道，影响了土颗粒间的胶结强度，导致土体强度出现劣化。与抗剪强度和黏聚力变化不同的是，前2次循环后土体内摩擦角出现了小幅度降低，这是由于初期冻胀作用导致的孔隙膨大不利于摩擦力的发挥。随着循环次数的增加，土颗粒排列方式重组，颗粒间大孔隙数量减少而总孔隙数量增多，相应的接触点变多，使得内摩擦角逐渐增大［35，39］。值得注意的是，内摩擦角虽然呈现先减后增的趋势，但变化范围基本处于1°以内，可以认为在长期冻融作用下，内摩擦角的变化不大。

图7

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图7   青藏黏土强度劣化微观示意图

Fig. 7   Microscopic schematic diagram of soil strength deterioration


结合压电试验中对试样质量的监测分析，得到循环过程中土壤的质量变化（不含环刀及压电陶瓷质量）如表5所示。可知循环过程中土壤质量呈现出先快后慢的下降趋势，并随循环次数增加，单次循环后的质量减小量趋于稳定，经过10次循环后土壤平均质量减小了2.27%。这一方面是由于试样水分向表面迁移引发的微量散失［8］，另一方面则反映出冻融循环对土体结构存在破坏作用，即反复冻融循环会使土壤结构变松，土壤侵蚀量增加，质量降低，进而导致试样在含水率降低的情况下强度仍出现衰减。

表5   冻融循环中青藏黏土质量变化

Table 5  Quality changes of Qinghai-Tibet clay during freeze-thaw cycles

冻融循环次数012345678910
平均质量/g116.63116.12115.76115.59115.27115.01114.70114.48114.36114.19113.98
平均离差/g0.210.280.270.200.230.220.270.240.160.170.18

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除此之外，冻融作用对不同初始含水率试样的影响速率是不同的，18%含水率试样相较于15%和12%含水率试样在更少的冻融循环后达到了稳定状态，这是由于高含水率试样中水分迁移更为显著，冻胀作用形成的冰晶体积更大，对土体结构破坏更为严重，劣化速度也更快。而在同一含水率条件下，第1次冻融循环对土体强度影响最大，这主要是因为初始状态的土颗粒间胶结作用较强，初次冻结作用会显著破坏土体内部结构，且融化后无法复原，导致抗剪强度和黏聚力明显降低，该结论也与前人的研究结果是一致的［35，40］。

3 压电陶瓷试验结果与分析

3.1　小波包分析原理

由于压电陶瓷传感器采集到的信号是与激励扫描正弦波信号相关的宽频率范围的波，采用小波包分析可以根据预设的分解层数将信号分解成等宽频带的子信号，从而可以更好地分析高频信号，再将不同频段信号的能量累加，计算得到穿过土样应力波的总能量。

如图8所示，在信号处理过程中，传感器信号S通过n级小波包分解可以分解成为2 n 个信号X1,X2,⋅⋅⋅,X2n，用Ei,j表示分解后的信号能量，其中i表示时间索引，j为信号频带，m为采样数量，那么在j频带下的每个单独的信号集Xj可以表示为：

图8

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图8   小波包分析示意图

Fig. 8   Schematic diagram of wavelet packet analysis


Xj=xj,1,xj,2,⋅⋅⋅,xj,m

分解得到的信号能量可以定义为：

Ei,j=Xj22=xj,12+xj,22+⋯+xj,m2(j=1,2,⋯,2n)

时间i时刻的能量矢量则定义为：

Ei=Ei,1,Ei,2,⋯,Ei,2n

由此，可以得到传感器在时间i时刻的总能量为：

Ei=∑Ei,1+Ei,2+⋯+Ei,2n

由此，压电陶瓷可以通过监测应力波信号在试样中的传播效率来实现对土体结构及力学性质的描述。

3.2　冻融循环过程的时域分析

因压电陶瓷主动传感法监测到的信号与土壤密度、刚度以及压电陶瓷智能骨料自身的力学、几何性质相关，故三组试样得到的时域图像略有差异，在此以YD1为例，开展时域信号分析。将0~10次冻融循环结束后一个扫描正弦波周期内压电陶瓷传感器监测得到的信号绘制如图9所示，可知信号幅值呈现非线性降低趋势，且第1次循环对信号幅值的衰减影响最为明显，其一阶共振频率峰幅值由0.0189 V降低至0.0094 V，降幅达到了50.18%，占10次循环幅值总减小量的65.31%；而在反复冻融循环后，二阶共振频率峰消失，一阶共振频率峰幅值逐渐降低并趋于稳定，这一过程与土体强度劣化趋势一致。

图9

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图9   冻融循环时域分析图

Fig. 9   Time domain diagram


分析产生信号衰减的原因，是由于驱动器产生的应力波信号按照波形特征可以分为横波和纵波，其中横波只能在固体介质中传播，而纵波可以在固液气三相介质中传播。在冻融循环前，土体刚度更大，孔隙分布均匀，土体结构相对稳定，因而传感器可以接收更多信号；在冻融循环中，受冻胀作用和裂缝发育的影响，土体结构发生重组，小孔隙增多，水分迁移通道扩展，信号在穿过液气相介质后出现了明显减弱，导致传感器接收到的信号出现衰减。由初次循环后信号衰减最明显可知，该过程对土体结构影响最为显著，这与直剪试验所得结论相印证。随着循环次数增加，土体结构达到新平衡，此时传感器监测得到的信号逐步稳定。

3.3　冻融循环过程的信号真实幅值和共振频率分析

图10是压电陶瓷传感器监测到的信号通过傅里叶变换得到信号的真实幅值，其振幅大小可以间接反映应力波穿过土壤样品中固体介质的含量。从图中可以明显看出，未进行冻融循环时，信号有明显的一阶和二阶共振频率，其中一阶共振频率峰幅值达到5.99×10-5 V。在第1次冻融循环后，一阶、二阶共振频率峰幅值显著降低，其中一阶共振频率峰幅值降至2.93×10-5 V，降幅达到51.04%。3次循环后，二阶共振频率基本消失，仅有一阶共振频率峰幅值在反复循环后逐渐降低并稳定。由此可见，受冻融作用影响，土颗粒间孔隙变大和裂缝产生，导致应力波穿过的固相介质相对变少，土壤刚度降低，真实幅值随之降低，这一过程在反复循环后趋于稳定。

图10

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图10   冻融循环过程信号真实幅值图

Fig. 10   The true amplitude of the signal


3.4　冻融循环过程的能量矢量分析

对YD1监测得到的信号进行小波包分解，可以得到每次循环结束后穿过土壤的应力波能量，类似地，对YD2和YD3进行分解分析，绘制3组平行样的应力波能量的变化图。从图11可以看出，能量矢量的变化趋势与土壤抗剪强度和黏聚力劣化趋势类似，均呈现出非线性的降低。其中第1次冻融循环对能量的劣化影响最为明显，三组试样的能量劣化值分别为5.06 V2、3.78 V2和4.33 V2，降幅分别为80.35%、69.88%和75.23%，占能量劣化总值的84.50%、77.07%和83.07%，能量变化在第3次循环后逐渐趋于平缓。除此之外，三个平行样的能量值有着一定的差异，这是由压电陶瓷自身性质决定的，但变化趋势基本一致，说明冻融循环对平行试样的能量影响程度是类似的。

图11

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图11   冻融循环过程信号能量矢量图

Fig. 11   Signal energy vector diagram


3.5　抗剪强度劣化指标建立

为定性衡量青藏黏土抗剪强度劣化程度与压电信号能量变化的关系，基于信号能量建立青藏黏土的抗剪强度归一化劣化指标，将其定义如下：

SSDIiE=Ei-EminEmax-Emin

式中：SSDIiE表示第i次冻融循环后的归一化劣化指标；Emax和Emin分别表示冻融循环过程中（包括循环前）信号能量的最大值和最小值。将试验数据代入上式，绘制得到三组试样的抗剪强度劣化指标如下图12。

图12

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图12   不同冻融循环次数下的抗剪强度劣化指标

Fig. 12   Shear strength deterioration indexes under different number of freeze-thaw cycles


在未开展冻融循环时，根据定义的抗剪强度劣化指标公式可知，0次循环对应的劣化指标为1，表示没有产生强度劣化。随着冻融循环次数的增加，SSDI值逐渐减小，表示土壤抗剪强度的劣化程度逐渐增加，在第3次冻融循环后，SSDI值趋于稳定，此时的抗剪强度劣化程度也基本稳定。将三组SSDI值变化趋势与直剪试验的抗剪强度变化曲线进行对比，得到其相关性分别为91.56%、94.51%和92.25%，可见二者显著相关。由此可见，基于信号能量定义的抗剪强度劣化指标SSDI可以很好地反映冻融循环过程中青藏黏土的强度劣化程度。值得注意的是，由于压电陶瓷监测得到的信号与其自身的压电效应相关，故在相同的循环次数下，计算得到的SSDI值有所差异，但变化趋势是一致的。综上，压电陶瓷为土壤强度性质研究提供了新手段，这在未来的实际工程中具有不错的应用前景。

4 结论

本文通过对青藏高原某工程黏土试样进行冻融循环后的直剪试验和压电陶瓷监测试验，研究了冻融循环对青藏黏土的抗剪强度、黏聚力及内摩擦角的影响，得出了以下结论：

（1）冻融循环后的青藏黏土抗剪强度和黏聚力随含水率增大呈现明显的阶梯下降趋势，对同一含水率下强度劣化过程可以分为快速劣化阶段和稳定阶段。经历10次冻融循环的12%、15%和18%的3组不同含水率试样的抗剪强度分别减小了5.25%、6.93%和7.12%，黏聚力分别降低了17.94%、27.04%和38.24%，这是由于冻融循环过程中膨大了土颗粒间孔隙，同时产生了微观裂缝，破坏了土颗粒间原有的胶结方式，导致黏聚力降低，进而影响抗剪强度。

（2）冻融循环后青藏黏土内摩擦角随含水率增大呈现阶梯下降，在同一含水率下出现了先减小后增大的趋势，整体来说，曲线呈现为不显著的增大趋势，其数值上无明显变化，波动范围基本处于在1°以内，因此，可以认为在长期冻融作用下，土体内摩擦角的变化不大。

（3）第1次循环对青藏黏土强度影响最为明显，12%、15%和18%的3组不同含水率试样的抗剪强度减小量分别占10次循环后总减小量的54.39%、45.30%和64.45%，黏聚力减小量则占10次循环总减小量的32.79%、27.40%和46.15%。

（4）对压电陶瓷传感器监测到的信号进行时域分析和小波包分析，得到的信号幅值和能量都能较好反映土壤的强度劣化趋势。

（5）依托信号能量建立的抗剪强度劣化指标SSDI值可以很好地 反映青藏黏土的强度劣化程度，三组数据与抗剪强度劣化的相关性分别达到了91.56%、94.51%和92.25%，这为未来土壤强度研究提供了新的方法。

参考文献

Feng Decheng， Lin Bo， Zhang Feng， et al.

A review of freeze-thaw effects on soil geotechnical properties

［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2017， 47（2）： 111-127.

[本文引用: 1]

冯德成， 林波， 张锋， 等.

冻融作用对土的工程性质影响的研究进展

［J］. 中国科学（技术科学）， 2017， 47（2）： 111-127.

[本文引用: 1]

Cheng Guodong， Jin Huijun.

Groundwater in the permafrost regions on the Qinghai-Tibet Plateau and it changes

［J］. Hydrogeology and Engineering Geology， 2013， 40（1）： 1-11.

[本文引用: 1]

程国栋， 金会军.

青藏高原多年冻土区地下水及其变化

［J］. 水文地质工程地质， 2013， 40（1）： 1-11.

[本文引用: 1]

Ma Junjie， Li Ren， Liu Hongchao， et al.

A review on the development of study on hydrothermal characteristics of active layer in permafrost areas in Qinghai-Tibet Plateau

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（1）： 195-204.

[本文引用: 1]

马俊杰， 李韧， 刘宏超， 等.

青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

［J］. 冰川冻土， 2020， 42（1）： 195-204.

[本文引用: 1]

Wang Weina， Zhi Xilan， Mao Xuesong， et al.

Experimental study of resilience modulus of subgrade soilunder circles of freezing and thawing

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2010， 32（5）： 954-959

[本文引用: 1]

王威娜， 支喜兰， 毛雪松， 等.

冻融循环作用下路基土回弹模量试验研究

［J］. 冰川冻土， 2010， 32（5）： 954-959

[本文引用: 1]

Qi Jilin， Zhang Jianming， Zhu Yuanlin.

Influence of freezing-thawing on soil structure and its soil mechanics significance

［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003， 22（）： 2690-2694.

[本文引用: 1]

齐吉琳， 张建明， 朱元林.

冻融作用对土结构性影响的土力学意义

［J］. 岩石力学与工程学报， 2003， 22（）： 2690-2694.

[本文引用: 1]

Wang Quan， Ma Wei， Zhang Ze， et al.

Research on the secondary collapse properties of loess under freeze-thaw cycle

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2013， 35（2）： 376-382.

王泉， 马巍， 张泽， 等.

冻融循环对黄土二次湿陷特性的影响研究

［J］. 冰川冻土， 2013， 35（2）： 376-382.

Fang Lili， Qi Jilin， Ma Wei.

Freeze-thaw induced changes in soil structure and its relationship with variations in strength

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2012， 34（2）： 435-440.

方丽莉， 齐吉琳， 马巍.

冻融作用对土结构性的影响及其导致的强度变化

［J］. 冰川冻土， 2012， 34（2）： 435-440.

Dong Xiaohong， Zhang Aijun， Lian Jiangbo， et al.

Study of shear strength deterioration of loess under repeated freezing-thawing cycles

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2010， 32（4）： 767-772.

[本文引用: 2]

董晓宏， 张爱军， 连江波， 等.

反复冻融下黄土抗剪强度劣化的试验研究

［J］. 冰川冻土， 2010， 32（4）： 767-772.

[本文引用: 2]

Mu Yanhu， Ma Wei， Li Guoyu， et al.

Quantitative analysis of impacts of freeze-thaw cycles upon microstructure of compacted loess

［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 33（12）： 1919-1925.

[本文引用: 1]

穆彦虎， 马巍， 李国玉， 等.

冻融作用对压实黄土结构影响的微观定量研究

［J］. 岩土工程学报， 2011， 33（12）： 1919-1925.

[本文引用: 1]

Jiang Zehui.

Challenges and innovative development of land degradation control under global change

［J］. World Forestry Research， 2013， 26（6）： 1-4.

[本文引用: 1]

江泽慧.

全球变化背景下土地退化防治的挑战与创新发展

［J］. 世界林业研究， 2013， 26（6）： 1-4.

[本文引用: 1]

Lin Pengfei， Zhang Xiaoping， Liu Erjia， et al.

Responses of the water and sediment behavior to vegetation restoration in tipical catchments on the loess plateau

［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2015， 29（1）： 1-6.

蔺鹏飞， 张晓萍， 刘二佳， 等.

黄土高原典型流域水沙关系对退耕还林（草）的响应

［J］. 水土保持学报， 2015， 29（1）： 1-6.

Zhang Chong， Wang Jing， Lei Tianwang， et al.

Spatiotemporal evolution of vegetation cover and surface humidity since implementing the grain for green project in the loess plateau

［J］. Arid Zone Research， 2018， 35（6）： 1468-1476.

张翀， 王静， 雷田旺， 等.

退耕还林工程以来黄土高原植被覆盖与地表湿润状况时空演变

［J］. 干旱区研究， 2018， 35（6）： 1468-1476.

Li Guorong， Li Xilai， Chen Wenting， et al.

Experimental study on soil erosion rule of degraded grassland in source area of the Yellow River

［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2017， 31（5）： 51-55， 63.

[本文引用: 1]

李国荣， 李希来， 陈文婷， 等.

黄河源区退化草地水土流失规律

［J］. 水土保持学报， 2017， 31（5）： 51-55， 63.

[本文引用: 1]

Zheng Yun， Ma Wei， Bing Hui.

Impact of freezing and thawing cycles on structure of soils and its mechanism analysis by laboratory testing

［J］. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36（5）： 1282-1287， 1294.

[本文引用: 2]

郑郧， 马巍， 邴慧.

冻融循环对土结构性影响的试验研究及影响机制分析

［J］. 岩土力学， 2015， 36（5）： 1282-1287， 1294.

[本文引用: 2]

Zhang Ze， Ma Wei， Qi Jilin.

Structure evolution and mechanism of engineering properties change of soils under effect of freeze-thaw cycle

［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2013， 43（6）： 1904-1914.

[本文引用: 1]

张泽， 马巍， 齐吉琳.

冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理

［J］. 吉林大学学报（地球科学版）， 2013， 43（6）： 1904-1914.

[本文引用: 1]

Yong R N， Boonsinsuk P， Yin C W P.

Alter nation of soil behavior after cyclic freezing and thawing

［C］//Proceedings of 4th International Symposium on Ground Freezing. Rotterdam， the Netherlands： A A Balkema， 1985： 187-195.

[本文引用: 1]

Ono T， Mitachi T.

Computer controlled triaxial freeze-thaw-shear apparatus

［C］//Proceedings of 8th International Symposium on Ground Freezing. Rotterdam， the Netherlands： A A Balkema， 1997： 335-339.

[本文引用: 1]

Wang Renhe， Zhang Shiyin， Qin Guoxiu.

Studies of the engineering properties of freezing thawed soil

［J］. Journal of Huainan Institute of Technology （Natural Science）， 2001， 21（4）： 35-37， 46.

[本文引用: 1]

汪仁和， 张世银， 秦国秀.

冻融土工程特性的试验研究

［J］. 淮南工业学院学报（自然科学版）， 2001， 21（4）： 35-37， 46.

[本文引用: 1]

Song Chunxia， Qi Jilin， Liu Fengyin.

Influence of freeze-thaw on mechanical properties of Lanzhou loess

［J］. Rock and Soil Mechanics， 2008， 29（4）： 1077-1080， 1086.

[本文引用: 1]

宋春霞， 齐吉琳， 刘奉银.

冻融作用对兰州黄土力学性质的影响

［J］. 岩土力学， 2008， 29（4）： 1077-1080， 1086.

[本文引用: 1]

Chuvilin Y M， Yazynin O M.

Frozen soil macro-and micro-structure formation

［C］//5th International Conference on Permafrost. Trondheim： Tapir Publishers， 1988： 320-323.

[本文引用: 1]

Bondarenko G I， Sadovsky A V.

Water content effect of the thawing clay soils on shear strength

［C］//Proceedings of 7th International Symposium on Ground Freezing. Rotterdam， Netherlands： A A Balkema， 1991： 123-127.

[本文引用: 1]

Qi Jilin， Ma Wei.

Influence of freezing-thawing on strength of overconsolidated soils

［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2006， 28（12）： 2082-2086.

[本文引用: 1]

齐吉琳， 马巍.

冻融作用对超固结土强度的影响

［J］. 岩土工程学报， 2006， 28（12）： 2082-2086.

[本文引用: 1]

Zhou Zhijun， Zhong Shifu， Liang Han.

Test research on change law of highway performance at loess are influenced by number of freeze-thaw cycles

［J］. Journal of Chang’an University （Natural Science Edition）， 2013， 33（4）： 1-6.

[本文引用: 1]

周志军， 钟世福， 梁涵.

冻融循环次数对黄土路用性能影响规律的试验

［J］. 长安大学学报（自然科学版）， 2013， 33（4）： 1-6.

[本文引用: 1]

Chang Dan， Liu Jiankun， Li Xu， et al.

Experiment study of effects of freezing-thawing cycles on mechanical properties of Qinghat-Tibet silty sand

［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014， 33（7）： 1496-1502.

[本文引用: 1]

常丹， 刘建坤， 李旭， 等.

冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究

［J］. 岩石力学与工程学报， 2014， 33（7）： 1496-1502.

[本文引用: 1]

Wang Dayan， Ma Wei， Chang Xiaoxiao， et al.

Physico-mechanical properties changes of Qinghai-Tibet clay due to cyclic freezing and thawing

［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（23）： 4313-4319.

[本文引用: 1]

王大雁， 马巍， 常小晓， 等.

冻融循环作用对青藏黏土物理力学性质的影响

［J］. 岩石力学与工程学报， 2005， 24（23）： 4313-4319.

[本文引用: 1]

Mallardo V， Sharif Khodaei Z， Aliabadi F M H.

A Bayesian approach for sensor optimisation in impact identification

［J］. Materials （Basel， Switzerland）， 2016， 9（11）： 946.

[本文引用: 1]

Zhai Quan， Zhang Jicheng， Xiao Jiahao， et al.

Feasibility of piezoceramic transducer-enabled active sensing for the monitoring cross-shaped concrete filled steel tubular （CCFST） columns under cyclic loading

［J］. Measurement， 2021， 182： 109646.

[本文引用: 1]

Kong Qingzhao， Wang Ruolin， Song Gangbing， et al.

Monitoring the soil freeze-thaw process using piezoceramic-based smart aggregate

［J］. Journal of Cold Regions Engineering， 2014， 28（2）： 06014001.

[本文引用: 1]

Wang Ruolin， Zhu Daopei， Liu Xiaoyan， et al.

Monitoring the freeze-thaw process of soil with different moisture contents using piezoceramic transducers

［J］. Smart Materials and Structures， 2015， 24（5）： 057003.

[本文引用: 1]

Park S， Kim J W， Lee C， et al.

Impedance-based wireless debonding condition monitoring of CFRP laminated concrete structures

［J］. NDT & E International， 2011， 44（2）： 232-238.

[本文引用: 1]

Liu Peng， Wang Weilun， Chen Ying， et al.

Concrete damage diagnosis using electromechanical impedance technique

［J］. Construction and Building Materials， 2017， 136： 450-455.

Xu Jing， Wang Chenyu， Li Hongnan， et al.

Health monitoring of bolted spherical joint connection based on active sensing technique using piezoceramic transducers

［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2018， 18（6）： 1727.

[本文引用: 1]

Song G， Mo Y， Otero K， et al.

Health monitoring and rehabilitation of a concrete structure using intelligent materials

［J］. Smart Materials and Structures， 2006， 15： 309-314.

[本文引用: 1]

Li Peng， Gu Haichang， Song Gangbing， et al.

Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers

［J］. Smart Materials and Structures， 2007， 16（4）： 959-968.

[本文引用: 1]

Zuo Xiaofeng， Wang Lei， Zheng Fenli， et al.

Effects of freeze-thaw cycles and soil properties on mollisol shear strength in Chinese black soil region

［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2020， 34（2）： 30-35， 42.

[本文引用: 3]

左小锋， 王磊， 郑粉莉， 等.

冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响

［J］. 水土保持学报， 2020， 34（2）： 30-35， 42.

[本文引用: 3]

Ye Wanjun， Liu Kuan， Yang Gengshe， et al.

Experimental study on shear strength deterioration of loess under freeze-thaw cycling

［J］. Science Technology and Engineering， 2018， 18（3）： 313-318.

[本文引用: 1]

叶万军， 刘宽， 杨更社， 等.

冻融循环作用下黄土抗剪强度劣化试验研究

［J］. 科学技术与工程， 2018， 18（3）： 313-318.

[本文引用: 1]

Ni Wankui， Shi Huaqiang.

Influence of freezing-thawing cycles on micro-structure and shear strength of loess

［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2014， 36（4）： 922-927.

[本文引用: 1]

倪万魁， 师华强.

冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响

［J］. 冰川冻土， 2014， 36（4）： 922-927.

[本文引用: 1]

Ning Jun， Wang Yuhua， Zhang Congmin.

Influence of initial water content and freeze-thaw cycles on microstructure of loess

［J］. Science Technology and Engineering， 2018， 18（5）： 285-290.

[本文引用: 1]

宁俊， 王玉花， 张聪敏.

初始含水量及冻融循环对黄土微结构的影响

［J］. 科学技术与工程， 2018， 18（5）： 285-290.

[本文引用: 1]

Han Chunpeng， He Yulong， Shen Yangfan， et al.

Experi mental study on factors of shear strength of fiber soils u nder the freeze-thaw cycle

［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2015， 12（2）： 275-281.

[本文引用: 1]

韩春鹏， 何钰龙， 申杨凡， 等.

冻融作用下纤维土抗剪强度影响因素试验研究

［J］. 铁道科学与工程学报， 2015， 12（2）： 275-281.

[本文引用: 1]

Tian J F， Ye W J， Yang G S.

The analysis of effects on shear strength characteristics of loess by moisture content changes and freeze-thaw circle

［M］//Transit Development in Rock Mechanics. La Paz， Florida， USA： CRC Press， 2014： 433-438.

[本文引用: 1]

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