補水條件下凍融對冬灌區(qū)飽和黃土抗剪強度的影響

潘 鵬 李 劍 劉 寧 郝佳興

（寧夏大學土木與水利工程學院 銀川 750021）

補水條件下凍融對冬灌區(qū)飽和黃土抗剪強度的影響

潘 鵬 李 劍 劉 寧 郝佳興

（寧夏大學土木與水利工程學院 銀川 750021）

針對冬灌區(qū)黃土工程凍害嚴重的問題，結合黃土的區(qū)域性特點以及當?shù)貧夂驐l件和不良的水文地質(zhì)情況，以初始干密度、凍融循環(huán)次數(shù)為因素，在開放補水條件下，采用單向凍融法研究了冬灌區(qū)飽和黃土抗剪強度的凍融效應，分析作用規(guī)律和機理。試驗結果表明：凍融使黃土的抗剪強度減小，凍融引起的粘聚力損失量和內(nèi)摩擦角損失量均在多次凍融后趨于穩(wěn)定，且初始干密度越大，達到穩(wěn)定所需的凍融循環(huán)次數(shù)越多；初始干密度越大，粘聚力損失量的增幅越大，而內(nèi)摩擦角損失量的增幅越小。建立了補水條件下粘聚力損失量、內(nèi)摩擦角損失量分別凍融次數(shù)、初始干密度的關系模型，相關性良好。

黃土；凍融循環(huán)；補水；抗剪強度

0 前言

寧夏地處蒙古冷空氣南下之要沖，冬季平均最低氣溫-28.4℃，晝夜溫差大。寧夏黃土具有粉粒性、凍脹敏感性、毛細水上升高度大等特點[1]。加之每年10月下旬開始冬灌，地下水位顯著升高，淺層土含水率增大，路基、渠道及其襯砌遭到嚴重凍脹破壞[1]。國內(nèi)外關于凍融效應對季節(jié)性凍土影響的研究已取得了不少成果，有較為統(tǒng)一的結論：凍融使土的模量降低[2]，滲透性增大[3]；使松散土的的體積和孔隙減小，使密實土的體積和孔隙增大[4]，團粒粒徑向均一性趨勢發(fā)展[3]；水及鹽分向冷端遷移[5]，且溫度梯度越大，凍融效應愈大等。但因土質(zhì)和試驗方法的不同有些結論差異很大：如Chuilin Y M等多數(shù)研究者表明凍融后土體強度降低[6]，有的卻發(fā)現(xiàn)強度增加[7]或者變化不大[8]。同時黃土的凍融效應具有明顯的區(qū)域性，如葉萬軍等發(fā)現(xiàn)凍融使洛川黃土凍脹、黏聚力下降，而銅川黃土凍縮、黏聚力升高[9]。針對寧夏黃土工程凍害嚴重的問題，結合當?shù)貒揽岬臍夂驐l件和不良的水文地質(zhì)環(huán)境，在補水條件下，開展寧夏冬灌區(qū)飽和黃土強度特性的凍融效應研究，對發(fā)展西部地區(qū)基礎建設具有重要意義。

1 材料與方法

1.1試驗材料

試驗所研究黃土取自寧夏同心，天然密度1.56g/cm3，含水率7.9%，土粒比重2.72，塑限17.3%，液限28.6%，塑性指數(shù)11.3。粒徑分布見圖1，主要為0.075mm～0.005mm的粉粒，占83.9%，黏粒含量較少，有少量的砂粒。

圖1 同心黃土的粒徑分布

圖2 試樣封護

1.2試驗方案

以初始干密度d和凍融循環(huán)次數(shù)F為因素，在開放補水系統(tǒng)條件下，試驗研究凍融循環(huán)對寧夏飽和黃土抗剪強度的影響規(guī)律。初始干密度d設1.25、1.35、1.45、1.55和1.65g/cm35個水平，凍融循環(huán)次數(shù)FN設0、3、7、12、20、30和50次7個水平。凍結溫度依據(jù)當?shù)囟嗄陿O端最低氣溫平均值設為-28.5℃，融化溫度設為20.0℃，每個凍融循環(huán)凍24h，融24h，融化后飽和。

1.3試驗方法

⑴試樣制備。將土樣風干，碾散，采用壓樣法成樣，嚴格依據(jù)土工試驗方法標準GB50123 1999用真空法抽氣飽和，成樣后立即密封以防止失水，試樣封護如圖2所示。

⑵補水凍融試驗。在環(huán)刀的側面和底面包裹保溫材料已保證單向凍融，在可控溫度的低溫試驗箱中進行凍融試驗。在每個凍融循環(huán)后抽氣飽和，維持試樣凍融后飽和以模擬補水。

⑶抗剪強度試驗。采用快剪試驗方法，應用應變控制式電動直剪儀，在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa 4個垂直壓力下，測定土樣在不同凍融循環(huán)后的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。

2 結果與分析

2.1試驗結果

為方便研究，將試樣未經(jīng)凍融時的粘聚力與凍融后的粘聚力的差值記為粘聚力損失量cd，各干密度試樣的粘聚力損失量cd與凍融循環(huán)次數(shù)F的關系曲線示于圖3。由圖3可以看出：各干密度試樣的粘聚力損失量均為正值，表現(xiàn)為凍融使試樣的粘聚力降低；cd隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且最終均趨于某一穩(wěn)定值；初始干密度越大，cd達到穩(wěn)定值所需的凍融次數(shù)越多且cd增加幅度越大。

機理分析：凍融使土體凍脹，密實度減小、粘聚力降低；開放條件下凍融，每次凍融后均有水的補給，每次凍融后試樣凍脹、孔隙增加，而水的補給會不斷填充至孔隙中，因此初始干密度大的試樣粘聚力損失量大，所有試樣最終因達到殘余孔隙比而凍脹穩(wěn)定[4]。

同樣將試樣未經(jīng)凍融時的內(nèi)摩擦角與凍融后的內(nèi)摩擦角的差值記為內(nèi)摩擦角損失量φd，各干密度試樣的內(nèi)摩擦角損失量φd與凍融循環(huán)次數(shù)F的關系曲線示于圖4?？梢钥闯觯焊鞲擅芏仍嚇拥膬?nèi)摩擦角損失量均為正值，表現(xiàn)為凍融使試樣的內(nèi)摩擦角降低，但內(nèi)摩擦角損失量不大；φd隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且最終均趨于某一穩(wěn)定值；初始干密度越大，φd達到穩(wěn)定值所需的凍融次數(shù)越多，但最終內(nèi)摩擦角損失量越小。

2.1模型建立

粘聚力損失量cd、內(nèi)摩擦角損失量φd與凍融循環(huán)次數(shù)F均呈良好的雙曲線關系。

式中：k1、k2和cu、φu均為待定擬合系數(shù)。cu、φu的意義是F趨向于無窮時cd、φd的極值。

用最小二乘法分別得出粘聚力損失量、內(nèi)摩擦角損失量關系模型中待定參數(shù)與初始干密度的回歸關系，示于表1，其中相關性系數(shù)R2均大于0.9，可見用雙曲線擬合飽和黃土粘聚力損失量cd、內(nèi)摩擦角損失量φd與凍融次數(shù)的關系，具有良好的相關性。

表1 擬合系數(shù)

3 結論

(1)在開放補水條件下，凍融循環(huán)使冬灌區(qū)黃土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均減小。粘聚力損失量和內(nèi)摩擦角損失量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且最終均趨于某一穩(wěn)定值。

(2)在開放補水條件下，初始干密度越大，粘聚力損失量和內(nèi)摩擦角損失量達到穩(wěn)定值所需的凍融循環(huán)次數(shù)越多，粘聚力損失量增幅越大，內(nèi)摩擦角損失量增幅越小。

(3)建立的粘聚力損失量、內(nèi)摩擦角損失量與凍融循環(huán)次數(shù)的關系模型相關性好。

[1]薛塞光.寧夏寒冷地區(qū)骨干渠道砌護技術研究[J].人民黃河,2012,34(1)：96-98.

[2]Simonsen E, Janoo V C, Isacsson U. Resilient Properties of Unbound Road Materials during Seasonal Frost Conditions[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2002,16(1)：28-50.

[3]連江波,張愛軍,郭敏霞,等.反復凍融循環(huán)對黃土孔隙比及滲透性的影響[J].人民長江,2010,41(12)：55-58.

[4]Viklander Peter. Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze-thaw [J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998, 35(3)： 471-477.

[5]陳乃嘉,宋培源,李嘉瑞凍融作用下的土壤水鹽運移特征研究[J].節(jié)水灌溉, 2014,(5)：52-54.

[6]常丹,劉建坤,李旭.凍融循環(huán)下粉砂土屈服及強度特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報, 2015,34(8)：1721-1728.

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[8]Christopher S, Christopher G. Freeze-Thaw Effects on Boston Blue Clay[J]. Journal of Engineering and Applied Science, Soil Improvement for Big Digs, 1998,(81)：161-176

[9]葉萬軍,楊更社,彭建兵,等.凍融循環(huán)導致洛川黃土邊坡剝落病害產(chǎn)生機制的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2012,31(1)：199-205.

TU443

A

1007-6344（2017）05-0302-02

潘鵬(1993-)，男，寧夏銀川人，研究生，主要研究巖土性質(zhì)