凍融循環(huán)條件下原狀黃土強度損傷試驗研究*

劉　慧，楊更社，葉萬軍，魏　堯，田俊峰

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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凍融循環(huán)條件下原狀黃土強度損傷試驗研究*

劉慧，楊更社，葉萬軍，魏堯，田俊峰

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

受晝夜小周期及季節(jié)大周期交替氣溫循環(huán)作用的影響，黃土體的損傷對低溫黃土工程建設(shè)的影響不可忽視。凍融循環(huán)過程對黃土體原生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的改變，導(dǎo)致黃土物理力學(xué)性能劣化。開展陽曲高含水率黃土在凍融循環(huán)條件下的力學(xué)性能進行試驗研究，通過分析黃土原生結(jié)構(gòu)逐漸喪失和次生結(jié)構(gòu)逐漸形成的過程，探討了黃土體在加載和溫度等因素作用下的變形發(fā)展規(guī)律，提出以凍融循環(huán)次數(shù)表示凍融損傷，用彈性模量定義損傷變量，描述凍融循環(huán)后黃土強度損傷演化。所提出的方法為正確評價黃土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下?lián)p傷機理分析提供了科學(xué)依據(jù)。

黃土；凍融循環(huán)；損傷；彈性模量

0　引　言

黃土作為一種典型的結(jié)構(gòu)性土體，具有大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育、濕陷性等特殊性[1-4]。黃土的結(jié)構(gòu)性研究是深化認識黃土力學(xué)及工程特性的重要內(nèi)容之一，已有研究表明[5-8]，土顆粒之間的排列規(guī)則和聯(lián)接方式是決定黃土變形和結(jié)構(gòu)強度的主要因素。在溫度、水分及外部荷載等因素作用下，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)方式和排列規(guī)則發(fā)生改變，從而引起黃土原生結(jié)構(gòu)性的不可逆變化，引起構(gòu)筑物或者地基強度發(fā)生改變，進而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。在凍融循環(huán)過程中[9-11]，黃土體內(nèi)部的水分發(fā)生2次遷移：凍結(jié)過程水分向著冷源方向遷移，融解過程水分則逆向遷移。土顆粒的重新排列使土體的孔隙特征發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致土骨架特征發(fā)生相應(yīng)的改變，引起傳力骨架的結(jié)構(gòu)體系發(fā)生內(nèi)部位移，造成黃土結(jié)構(gòu)性的變化，宏觀上體現(xiàn)為黃土體力學(xué)性質(zhì)的變化；而在黃土的融解過程中，其強度難以恢復(fù)到土體凍結(jié)前的狀態(tài)?？梢?，凍融循環(huán)作用引起黃土強度損失，造成黃土凍融損傷。因此，研究黃土凍融前后強度損傷的變化規(guī)律對于揭示低溫黃土工程災(zāi)害發(fā)生機理有重要的理論價值。

目前，在黃土的物理力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)性方面，國內(nèi)外學(xué)者進行著一定的研究。方祥位等[12]利用和CT機配套的多功能土工三軸儀，對原狀Q2黃土在三軸剪切過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化進行了動態(tài)、定量和無損的量測，得到了軟化破壞土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的CT圖像和相應(yīng)的CT數(shù)據(jù)，從細觀上解釋了軟化破壞過程。王朝陽等[13]以損傷理論為基礎(chǔ)，建立了非飽和原狀黃土的非線性損傷本構(gòu)模型，模型可反映原狀非飽和黃土獨特的力學(xué)特性。羅愛忠等[14-15]在真三軸應(yīng)力路徑及增濕等復(fù)雜條件下，研究了結(jié)構(gòu)性黃土的結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律；揭示了損傷參數(shù)與剪應(yīng)變、含水率、固結(jié)壓力、中主應(yīng)力比之間的關(guān)系。劉志彬等[16]分析了黃土的電阻率溫度校正系數(shù)以及電流頻率對電阻率測量值的影響，對不同條件下壓實黃土的電阻率變化進行了一系列室內(nèi)試驗，研究了黃土的電阻率與其壓實特性間相互關(guān)系。徐湘田等[17]針對凍土工程中地基凍土體受力形式復(fù)雜常處于變應(yīng)力路徑、反復(fù)加卸載作用問題，開展了凍結(jié)黃土靜力條件下的三軸加卸載試驗與單調(diào)加載對比試驗，研究了2種應(yīng)力路徑下凍結(jié)黃土的變形和損傷特性。楊更社等[18]基于綜合結(jié)構(gòu)勢和構(gòu)度概念為理論基礎(chǔ)，對不同含水率黃土進行了不同凍融循環(huán)次數(shù)的無側(cè)限抗壓試驗研究，分析了凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)性黃土構(gòu)度指標(biāo)的影響。

上述研究對于黃土強度及損傷特性的認識起到了積極的促進作用，但是對于凍融環(huán)境下的黃土強度損傷特性的研究較少。文中通過進行不同凍融循環(huán)次數(shù)的黃土無側(cè)限單軸抗壓試驗，探討低溫環(huán)境下黃土的強度損傷規(guī)律。

1　試樣制備及試驗方法

1.1工程背景

文中依托山西平陽高速公路陽曲一號黃土公路隧道為工程背景，該隧道地處季節(jié)性凍土區(qū)，晝夜溫差大。隧道為單洞三車道，單洞開挖面積160 m2，跨度17 m，黃土圍巖含水率為14.42%～29.10%，由于含水率高且受凍融作用使隧時常出現(xiàn)塌方、掉拱等事故，含水率高且遇到融沉期將會導(dǎo)致土體強度大大減弱并且自穩(wěn)性差。

1.2試件選取

原狀土樣的制備依照GB/T 50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，首先將原狀土削樣至φ39.1 mm*80 mm，測定原狀土含水率，根據(jù)規(guī)范公式計算出所需加水量；將需加的水量滴至試樣上表面，靜置浸入后保鮮膜密封，置于密閉容器內(nèi)至少24 h，使含水量均勻，然后進行土樣制備，設(shè)計土樣分別制成14%，18%，22%，26%含水率。通過物理試驗測得原狀土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，見表1.

表1　土樣的物理力學(xué)指標(biāo)

1.3試驗方法

統(tǒng)計2000年至2015年期間陽曲地區(qū)冬季(12月、1月、2月)的月平均低溫(圖1)可知，陽曲地區(qū)12月、1月、2月的低溫平均分別為-13.6 ℃，-15.3 ℃，-10.6 ℃，整個冬季的低溫平均為-13.2 ℃，因此，選取凍結(jié)溫度為-15 ℃，融化溫度為15 ℃.

圖1　陽曲地區(qū)冬季各月平均溫度圖Fig.1　Average temperature chart of Yangqu area in Winter

將制備好不同含水量的土樣放置在RTP-175BU可程序高低溫試驗箱，設(shè)置溫度-15 ℃凍結(jié)12 h后，設(shè)置溫度15 ℃融化12 h，為1次凍融循環(huán)，分別得到1，3，5，10次凍融循環(huán)土樣。取出試樣后分別對其進行無側(cè)限單軸抗壓試驗。

2　試驗結(jié)果分析

2.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過無側(cè)限單軸抗壓試驗得到4種不同含水率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖2)。

圖2　不同含水率黃土無側(cè)限抗壓強度Fig.2　Unconfined compressive strength of loess under different moisture contents

由圖2可知，當(dāng)含水率等于22%時，曲線變化較為平緩，應(yīng)變較大，當(dāng)應(yīng)力達到峰值時，所對應(yīng)的應(yīng)變約為低含水率的2倍左右。當(dāng)含水率高于22%時(含水率為26%)，試件處于應(yīng)變硬化，軸向壓縮而徑向擴張(通常以應(yīng)變達到15%來定義試樣的破壞)；當(dāng)含水率低于22%(含水率為14%和18%)時為應(yīng)變軟化，曲線呈凸形且有峰值，試樣前期處于顆粒壓密階段，孔隙變??；之后曲線呈直線，土樣處于彈性變形階段，彈性模量在數(shù)值上等于該段直線的斜率；再后曲線呈波動上升，試樣出現(xiàn)屈服，土樣發(fā)生脹大，表面有微裂紋產(chǎn)生，繼而出現(xiàn)曲線峰值，此峰值即為試樣的無側(cè)限單軸抗壓強度值；最后呈下降趨勢，試樣裂紋迅速擴展，直至破壞，該曲線充分反映出試樣的變形破壞過程。

2.2凍融循環(huán)與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系分析

根據(jù)試驗所得各黃土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取各曲線峰值作為試件的無側(cè)限抗壓強度值，得到不同含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)試件的無側(cè)限抗壓強度(圖3)。

圖3　黃土試件凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig.3　Relationship between freezing-thawing cycle number and the unconfined compressive strength of loss samples

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)，在含水率不變情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件無側(cè)限抗壓強度值不斷減小，通過作試件凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線可見，在同一含水率下，一定凍融循環(huán)范圍內(nèi)試樣無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且呈線性相關(guān)關(guān)系，可表示為

q=A·N+B(10≥N≥1).

(1)

式中q為試樣的無側(cè)限抗壓強度值；N為凍融循環(huán)次數(shù)且10≥N≥1；A，B為擬合參數(shù)。

根據(jù)表2可知，凍融循環(huán)1次時，無側(cè)限單軸抗壓強度降低明顯。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，無側(cè)限單軸抗壓強度持續(xù)降低。歷經(jīng)10次凍融循環(huán)后，不同含水率黃土強度出現(xiàn)了不同程度的損傷，14%，18%，22%和26%含水率的黃土強度損傷分別為32.63%，31.22%，30.67%和35.29%.當(dāng)含水率低于天然含水率23.1%時，并且二者差值越大，受到凍融損傷后強度損失更大；當(dāng)含水率高于天然含水率時，強度損傷會顯著增大；處于天然含水率時，凍融作用后強度損傷最小?？梢姡瑑鋈谘h(huán)作用下，黃土含水率與天然含水量間的差值對于強度的變化有較大影響。

表2　不同含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣的無側(cè)限抗壓強度計算結(jié)果

2.3參數(shù)分析

擬合參數(shù)A表示線性擬合的減小速率，與試樣含水率的關(guān)系曲線如圖4所示。隨著試樣含水率的不斷增加，參數(shù)A的增大速率呈二次函數(shù)增長規(guī)律，即試樣含水率越大，其無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增長的速率越大。究其原因在于凍融作用破壞了土體內(nèi)部的原生結(jié)構(gòu)，土體更加容易發(fā)生微膨脹，孔隙變大，顆粒聯(lián)結(jié)能力減弱，導(dǎo)致黏聚力和咬合力變小，抵抗變形破壞的能力降低，從而降低了試樣的無側(cè)限抗壓強度值。

圖4　擬合參數(shù)A與試樣含水率的關(guān)系曲線Fig.4　Curve of the relationship between the fitting parameter A and the water content of the sample

擬合參數(shù)B表示試樣未凍狀態(tài)下的無側(cè)限抗壓強度值，與含水率的關(guān)系曲線如圖5所示。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大，參數(shù)B的下降速度增大，試樣無側(cè)限抗壓強度值隨著含水率的增加而衰減，主要原因是由于試樣含水率的增加致使孔隙水膜大量增加，水膜的潤滑作用降低了試樣土體的粘聚力和土顆粒之間的摩擦力，引起試樣無側(cè)限抗壓強度的降低。

圖5　擬合參數(shù)B與黃土試件含水率的關(guān)系曲線Fig.5　Curve of the relationship between the fitting parameter B and the water content of the sample

2.4公式驗證

采用凍融循環(huán)次數(shù)為8次時的不同含水率陽曲黃土的試驗數(shù)據(jù)對強度損傷擬合式進行驗證。驗證結(jié)果見表3.

q=(0.003 19w2-0.098 41w+0.329 52)×N-0.120 04w2+3.851 57w-15.896 29.

(2)

通過強度損傷擬合表達式計算的含水率為8%，14%，20%，26%，經(jīng)過8次凍融循環(huán)后的無側(cè)限單軸抗壓強度的計算值與試驗值基本吻合。說明強度損傷擬合表達式能夠反映陽曲較高含水率黃土無側(cè)限單軸抗壓強度隨凍融循環(huán)和含水率變化。對于凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增大的情況下，還需要后續(xù)試驗的數(shù)據(jù)驗證。

3　凍融循環(huán)損傷特性分析

3.1抗壓強度損傷

結(jié)構(gòu)性黃土在外部因素如溫度，水分和荷載作用下的結(jié)構(gòu)損傷過程實質(zhì)為黃土顆粒間原生結(jié)構(gòu)的改變，并伴隨土體變形擴展而產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)的變化過程，即結(jié)構(gòu)損傷過程(圖6)；在宏觀上顯現(xiàn)為黃土受到外荷載作用后，縱向產(chǎn)生壓縮，橫向擴展，土體出現(xiàn)微裂縫，變形至破壞的過程。

圖6　黃土結(jié)構(gòu)凍融損傷Fig.6　Freezing-thawing damage of loess structure

從細觀層次上，外部因素作用下，黃土土體內(nèi)的初始損傷不斷擴展變化，新的結(jié)構(gòu)強度不能補替原生結(jié)構(gòu)強度的損失時，引起土體的結(jié)構(gòu)性損傷，宏觀力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)為應(yīng)變隨應(yīng)力的增大而急劇增大。因此，可以用結(jié)構(gòu)性黃土的損傷程度來反映外荷作用下的原生結(jié)構(gòu)損傷而失去的承載能力。根據(jù)損傷力學(xué)理論，定義凍融循環(huán)作用下黃土強度損傷因子m為

m=R1/R0.

(3)

式中R1為黃土凍融循環(huán)后無側(cè)限單軸抗壓強度；R0為黃土未凍融循環(huán)時無側(cè)限單軸抗壓強度。

表4　不同凍融循環(huán)次數(shù)的黃土強度損傷因子計算結(jié)果

基于廣義最小二乘法得到無側(cè)限單軸抗壓強度損傷因子的擬合曲線方程，可表示為圖7.分別為

圖7　強度損傷因子隨凍融循環(huán)次數(shù)的擬合曲線Fig.7　Fitting curve of intensity damage factor with freezing-thawing cycles number

w=14%:m=0.960 7e-0.003 959N,R2=0.998 8;

w=18%:m=0.961 2e-0.002 638N,R2=0.965 6;

w=22%:m=0.953 2e-0.003 042N,R2=0.983 6;

w=26%:m=0.865 6e-0.003 215N,R2=0.997 6.

根據(jù)強度損傷因子隨凍融循環(huán)次數(shù)的擬合曲線(圖7)，凍融循環(huán)作用對不同含水率的黃土無側(cè)限單軸抗壓強度損傷因子的影響規(guī)律基本相同，含水率為18%和22%的強度損傷因子略高于含水率為14%的，大幅高于26%的，究其原因在于含水量為26%的土樣，超過天然含水率23.1%時，受凍脹力影響大，土體內(nèi)部產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，因而對黃土原生結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也大；而含水率14%的黃土，其孔隙水少量存在，在凍融作用下，產(chǎn)生于黃土微結(jié)構(gòu)上的凍脹力不足以改變其原生結(jié)構(gòu)；對于含水率18%和22%的土樣，凍融作用下引起的作用力通過土中水，間接傳遞至黃土原生結(jié)構(gòu)上，由于原生結(jié)構(gòu)本身具有的抵抗外部作用力的能力，使得土樣受到的結(jié)構(gòu)損傷有所減小。

3.2彈性模量損傷

凍融循環(huán)作用下黃土在外荷載的變形過程實質(zhì)上是原狀黃土初始損傷受擾動的演化過程，也是土體原生結(jié)構(gòu)強度逐漸喪失的過程，即結(jié)構(gòu)的損傷過程，這種結(jié)構(gòu)損傷與黃土的宏觀力學(xué)性質(zhì)之間具有緊密的關(guān)聯(lián)。在無側(cè)限單軸抗壓過程中應(yīng)力～應(yīng)變曲線的切線斜率變化反映出黃土結(jié)構(gòu)損傷的變化。因此，可用抗壓變形過程中彈性模量E的變化描述凍融循環(huán)作用下黃土損傷演化的宏觀力學(xué)行為，定義凍融損傷變量D為

D=1-E/E0.

(4)

式中E0為初始彈性模量；E為變形過程中的彈性模量；D為凍融損傷變量。

圖8　凍融循環(huán)次數(shù)對彈性模量的影響Fig.8　Influence of freezing-thawing cycle number on the elastic modulus

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，在細觀上反映為土顆粒間鍵合強度。凍融循環(huán)次數(shù)對彈性模量的影響如圖8所示，含水率為14%的黃土在凍融1次，彈性模量顯著減小，隨后降低速率減??；其余3種含水率黃土彈性模量變化規(guī)律相同。含水率為14%的黃土的損傷變量最大，隨凍融次數(shù)的增大，損傷增長率最小51.35%；含水率為18%的黃土的損傷變量最小，隨凍融次數(shù)的增大，損傷增長率達到最大166.23%；含水率為22%與26%的黃土位于中間，這與損傷因子反映的情況一致。黃土中孔隙水對于彈性變形可能起到緩沖作用，凍融作用造成不可恢復(fù)的損傷，從而導(dǎo)致黃土強度減小，且強度變化大小因含水率的不同而不同。通過不同含水率黃土在受到凍融影響后彈性模量的改變量來反應(yīng)黃土強度的改變，能夠直觀準(zhǔn)確地描述凍融循環(huán)作用下低溫黃土損傷力學(xué)特性。

表5　凍融損傷變量

4　結(jié)　論

凍融循環(huán)是原狀黃土的力學(xué)性能的重要影響因素，通過進行不同含水率和凍融循環(huán)次數(shù)下，原狀黃土的無側(cè)限抗壓強度損傷試驗研究，對原狀黃土力學(xué)性能的損傷演化規(guī)律進行了探討。

1)通過進行1，3，5，10次凍融循環(huán)原狀黃土無側(cè)限單軸抗壓試驗，得到抗壓強度變化規(guī)律；

2)基于無側(cè)限單軸抗壓強度定義強度損傷因子，以及基于彈性模量定義凍融損傷變量，能夠準(zhǔn)確描述凍融循環(huán)作用下黃土損傷力學(xué)特性，反映出凍脹融化對土體細觀結(jié)構(gòu)的破壞程度、含水率對凍融損傷的影響幅度，為確定低溫區(qū)黃土工程建設(shè)損傷變量最小時的含水率提供科學(xué)依據(jù)；

3)文中開展的凍融循環(huán)試驗的最大凍融次數(shù)為10次，更多凍融循環(huán)作用下的黃土無側(cè)限單軸抗壓強度的試驗研究以及相關(guān)公式的驗證需進一步深入探討。文中僅對不同含水率黃土受凍融循環(huán)作用后的單軸抗壓強度變化進行了探討，黃土的物理性質(zhì)、干密度和水分遷移等其他因素及其耦合作用對其強度損傷影響還需進行系統(tǒng)深入研究。

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Experimental study on strength damage of undisturbed loess under freeze-thaw cycles condition

LIU Hui，YANG Geng-she，YE Wan-jun,WEI Yao，TIAN Jun-feng

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Affected by alternating temperature cycling because of day and night cycle and seasonal cycle，loess engineering at low temperature will inevitably undergo problem of damage.Freezing and thawing cycles produce irreversible change in primary structure of loess.Moreover，it causes deterioration of physical and mechanical properties of loess.Experiment of loess with high water content was carried out to study its mechanical properties.By analysis the process of gradual loss of primary structure and formation of secondary structure，discussion on the development of deformation is done under the combined effect of freeze-thaw cycles and loads.It is proposed that freeze-thaw damage can represented in number of freeze-thaw cycles，and damage variable can defined by modulus of elasticity to describe damage evolution of loess strength.The method proposed in this paper provides scientific basis for damage mechanism analysis of structure of loess under the action of freezing and thawing cycles.

loess；freeze-thaw cycles；damage；modulus of elasticity

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0505

1672-9315(2016)05-0633-07

2016-03-23責(zé)任編輯：李克永

國家自然科學(xué)基金(41272340, 41172262)；陜西省科技創(chuàng)新團隊(2014KCT-30)；中國博士后科學(xué)基金面上資助項目(2013M532070)

劉慧(1981-)，女，山東微山縣人，講師，E-mail:woaiwojialiu@126.com

P 642.14

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