凍融循環(huán)作用對路基粉質(zhì)粘土抗剪強度的影響分析

蔣 慎

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

凍融循環(huán)作用對路基粉質(zhì)粘土抗剪強度的影響分析

蔣 慎

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

土的抗剪強度是反映土體對外界荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力的力學(xué)指標(biāo)，分析土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性關(guān)鍵是研究土體內(nèi)部薄弱界面的抗剪強度。以湖南地區(qū)某路基工程為背景，主要研究了不同含水率的粉質(zhì)粘土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗剪性能，得出凍融循環(huán)次數(shù)對土體抗剪性能的削弱規(guī)律。

路基工程； 粉質(zhì)粘土； 凍融循環(huán)； 抗剪強度

0 引言

土體在外荷載作用下，受到荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力，發(fā)生剪切變形，當(dāng)土體內(nèi)部所受的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強度時，土體就會沿著剪切作用面發(fā)生相對滑動，從而發(fā)生剪切破壞。此時，土體所能承受的最大剪應(yīng)力即土體的抗剪強度，它是由粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值兩個參數(shù)決定的，反映了土體對外界荷載產(chǎn)生剪應(yīng)力的極限抵抗能力。土體的剪切破壞是土體破壞的主要形式，所以抗剪強度這項力學(xué)指標(biāo)是研究土體力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，也是分析邊坡穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。然而國內(nèi)一些學(xué)者對此都有不同的研究，李琳[1]對3種不同塑性路基土剪切強度的影響，通過試驗，測定了不同凍融循環(huán)次數(shù)下3種土體的抗剪強度、粘聚力和內(nèi)摩阻力，進(jìn)行相關(guān)研究。許強等[2]對湖南黏土反復(fù)凍融循環(huán)后的強度試驗，分析了非飽和黏土在凍融循環(huán)作用下的強度變化特征，研究了非飽和狀態(tài)下不同含水量對強度和變形的影響規(guī)律，重點研究了凍融循環(huán)對抗剪強度的影響規(guī)律。李航等[3]為了研究凍融循環(huán)作用對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，建立了路基變形場及應(yīng)力場的三維數(shù)值計算模型，并得出凍融循環(huán)作用次數(shù)與路基邊坡安全系數(shù)的關(guān)系。本文以湖南地區(qū)某路基工程中粉質(zhì)粘土為研究對象，由于湖南當(dāng)?shù)囟咀畹蜌鉁卦? ℃左右，所以在冬季路基施工過程中，土體往往會經(jīng)受凍融循環(huán)的破壞，所以研究凍融循環(huán)作用對粉質(zhì)粘土抗剪強度的影響規(guī)律是十分必要的，為冬季路基施工提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 試驗原理及設(shè)計

土體主要包括了顆粒狀固體、水分及氣3種物質(zhì)，當(dāng)氣溫降低至0 ℃以下時，土體中的水分就會凍結(jié)，并將顆粒狀固體膠結(jié)成整體，從而土體將變成凍土狀態(tài)。凍土是一種分散體系，主要是由固體顆粒、冰包裹顆粒、未結(jié)冰水分、氣態(tài)包裹體組成，它的結(jié)構(gòu)特征要比普通土體復(fù)雜得多，因此凍土的物理力學(xué)性質(zhì)相對于普通土體差別也很大。在土體凍結(jié)的過程中，土體中的自由水最先發(fā)生凍結(jié)，形成冰晶體物質(zhì)，緊接著弱結(jié)合水也開始發(fā)生凍結(jié)，使得冰晶體物質(zhì)逐漸擴大，此時土體中的結(jié)合水膜也會相應(yīng)變薄，土顆粒之間的分子引力也相應(yīng)減小，同時由于水膜變薄體積變小，所以水膜中的離子濃度相對增大，導(dǎo)致了土體產(chǎn)生更多的滲透壓，同時土顆粒之間的分子引力也相應(yīng)減小，在兩者的共同作用下土體的體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生膠結(jié)凍脹力，直接影響土體的抗剪強度發(fā)生變化。當(dāng)溫度升高至0 ℃以上時，由于土體中冰晶體的融化，土體的體積開始縮小，在自身的重力作用下土體會固結(jié)排水產(chǎn)生一定的沉降，同時在土體內(nèi)部出現(xiàn)孔隙水壓力。本試驗取工程現(xiàn)場粉質(zhì)粘土作為試驗樣本，通過烘干后加定量的水制備5組不同含水率的試件(16%～24%，每組試件含水率遞增2%)，每組試件為8個，分別經(jīng)歷1～8次凍融循環(huán)，凍融的溫度范圍為-10～5 ℃，凍融循環(huán)的周期為24 h(凍結(jié)12 h，融化12 h)。將制成的試件分別在不同的垂直壓力下進(jìn)行抗剪強度試驗，得出不同含水率土體在凍融循環(huán)作用下抗剪強度的變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果

凍融試驗結(jié)果見表1。

表1 凍融試驗結(jié)果記錄表

續(xù)表1 凍融試驗結(jié)果記錄表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同含水率條件下不同凍融循環(huán)次數(shù)的土體黏聚力與內(nèi)摩擦角變化

從圖1中可以看出，在不同的含水率條件下，黏聚力隨凍融次數(shù)增加而減小，且其減小的速率逐漸減小。凍融8次以后，其黏聚力大約減小38%。而其內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加而增大。土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角出現(xiàn)上述這種變化規(guī)律的主要原因是由于土體在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，土體結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞，使得土顆粒之間的膠結(jié)力和咬合作用減小，所以導(dǎo)致黏聚力減?。涣硪环矫?，由于凍融循環(huán)使得體積減小，孔隙率減少，土體變得更加密實，所以土顆粒之間的接觸增多，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角變大。同時由于凍融循環(huán)過程中土體結(jié)構(gòu)離散化，土顆粒之間的排列方式更加不規(guī)則，這也會導(dǎo)致內(nèi)摩擦角的增大。

圖1 不同凍融次數(shù)對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)對抗剪強度的影響

從圖2中可以看出，在不同含水率條件下，土體的抗剪強度隨凍融次數(shù)的增加而減小，并且含水率越高的土體凍融循環(huán)后相對應(yīng)的抗剪強度越小。土體的抗剪強度出現(xiàn)上述這種變化規(guī)律的主要原因是由于土體在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，黏聚力基本呈線性減小的趨勢，內(nèi)摩擦角雖然有所增大但幅度較小。根據(jù)庫倫定律τ=σtanφ+c可知，抗剪強度是由黏聚力c和內(nèi)摩擦角兩個參數(shù)決定的，由于黏聚力c值的減小幅度大于tanφ值的增大幅度，所以在總體上看土體的抗剪強度隨凍融次數(shù)的增加而呈減小的趨勢。另一方面，當(dāng)土體含水率較高時，在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后土體的體積變化更明顯，導(dǎo)致顆粒間的黏聚力更小，所以含水率越高的土體凍融循環(huán)后相對應(yīng)的抗剪強度越小。

圖2 不同含水率及凍融次數(shù)對抗剪強度影響

3.3 不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下不同含水率的土體黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化

從圖3中可以看出在不同凍融次數(shù)條件下，隨著含水率的增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角都有不同程度的減小，隨凍融次數(shù)增加內(nèi)摩擦角減小的幅度相對粘聚力減小的幅度小。土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角出現(xiàn)上述這種變化規(guī)律的主要原因是由于土體的凍融循環(huán)主要是土體中水分的凍脹和融沉過程，當(dāng)土體含水率較高時，土體在凍融循環(huán)后結(jié)構(gòu)破壞得更嚴(yán)重，體積變化更明顯，所以在不同凍融次數(shù)條件下，隨著含水率的增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角都有不同程度的減小。

圖3 不同含水率對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

4 結(jié)論

1) 凍融循環(huán)作用改變土體力學(xué)性質(zhì)的主要原因是改變土的結(jié)構(gòu)性,即破壞了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力，使土顆粒得以重新排列。土體在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，土體結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞，使得土顆粒之間的膠結(jié)力和咬合作用減小，所以黏聚力隨凍融次數(shù)增加而減?。挥捎趦鋈谘h(huán)使得體積減小，孔隙率減少，土體變得更加密實，所以土顆粒之間的接觸增多，同時由于凍融循環(huán)過程中土體結(jié)構(gòu)離散化，土顆粒之間的排列方式更加不規(guī)則，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加而增大。

2) 土體在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，黏聚力基本呈線性減小的趨勢，內(nèi)摩擦角雖然有所增大但幅度較小。根據(jù)庫倫定律τ=σtanφ+c可知，抗剪強度是由黏聚力c和內(nèi)摩擦角兩個參數(shù)決定的，由于黏聚力c值的減小幅度大于tanφ值的增大幅度，所以在總體上看土體的抗剪強度隨凍融次數(shù)的增加而減小。

3) 土體的凍融循環(huán)主要是土體中水分的凍脹和融沉過程，當(dāng)土體含水率較高時，土體在凍融循環(huán)后結(jié)構(gòu)破壞得更嚴(yán)重，體積變化更明顯，所以在不同凍融次數(shù)條件下，隨著含水率的增加，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均有不同程度的減小。

[1] 李琳.凍融循環(huán)對路基土剪切強度的影響研究[J].湖南交通科技, 2015, 41(2):28-30.

[2] 許強,吳禮舟,張蓮花.凍融循環(huán)作用下非飽和黏土的抗剪強度試驗[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自科版), 2011, 38(3):334-338.

[3] 王麗黎,高志華,金龍,等.凍融循環(huán)對含碎石黏土抗剪強度參數(shù)的影響研究[J].路基工程, 2016(3):108-112.

[4] 王大雁,馬巍,常小曉,等.凍融循環(huán)作用對青藏粘土物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005, 24(23):4313-4319.

[5] 馮勇,何建新,劉亮,等.凍融循環(huán)作用下細(xì)粒土抗剪強度特性試驗研究[J].冰川凍土, 2008, 30(6):1013-1017.

[6] 吳志琴. 凍融循環(huán)作用對粉質(zhì)粘土抗剪強度指標(biāo)影響的研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué), 2012.

[7] 徐學(xué)燕,丁靖康.凍融界面土體的長期抗剪強度指標(biāo)確定[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報, 1992(3):37-42.

[8] 葛琪.基于凍融界面強度損傷的季凍區(qū)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[D].長春：吉林大學(xué), 2010.

1008-844X(2017)02-0059-04

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