基于凍融界面對路基土體抗剪強度的影響研究

(湖南常德路橋建設(shè)集團有限公司, 湖南 常德 415000)

基于凍融界面對路基土體抗剪強度的影響研究

鄧愛平

(湖南常德路橋建設(shè)集團有限公司, 湖南 常德 415000)

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指標，以湖南地區(qū)某路基工程為背景，主要研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)以及不同含水量條件下，土體凍融界面處的抗剪強度，得出凍融界面強度隨影響因素的損傷程度，為地區(qū)性路基施工邊坡失穩(wěn)計算提供參考依據(jù)。

路基工程； 粉質(zhì)粘土； 凍融界面； 抗剪強度； 含水率

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，當土體內(nèi)部所受的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度時，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。凍融界面是土體中相對軟弱的界面，界面的抗剪強度在一定程度上決定了土體抵抗剪切變形的能力。因此，研究土體凍融界面的抗剪強度是十分必要的。近年來，我國諸多科研學者對凍融界面的抗剪強度進行了研究，并取得了顯著的科研成果。楊讓宏等[1]研究了凍融界面的變化對凍土區(qū)斜坡路堤的穩(wěn)定性影響，建立了凍融界面位置形態(tài)與路堤穩(wěn)定性的對應(yīng)關(guān)系；吳海燕[2]設(shè)計并制作了模擬凍融界面的凍土模型；趙剛等[3]通過試驗得出凍融循環(huán)過程中凍融界面會出現(xiàn)水分積聚，且含水量越大水分積聚現(xiàn)象越明顯；徐學燕等[4]給出了長期荷載作用下凍融界面抗剪強度的計算公式；葛琪[5]提出了抗剪強度隨凍融循環(huán)的損傷模型，并研究了凍融界面處抗剪強度參數(shù)的折減系數(shù)；吳志琴[6]對不同含水率的土體在不同凍結(jié)溫度下凍融后的力學性質(zhì)進行了研究并得出相關(guān)規(guī)律。 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?shù)囟咀畹蜌鉁卦? ℃左右，在冬季路基施工過程中，土體往往會形成凍融界面，所以研究凍融界面抗剪強度是十分必要的，為地區(qū)性冬季路基施工及邊坡穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。

1 試驗原理及設(shè)計

1.1 影響因子的選取

本試驗中選擇影響凍融循環(huán)前后土力學性質(zhì)變化的影響因素為含水量。土體含水率直接決定了凍結(jié)后未凍水的含量及凍結(jié)的速率，對土體造成結(jié)構(gòu)性的影響，所以不同含水量的土體凍融后力學性質(zhì)必然也不相同。因此，本試驗選擇含水量為影響因子，研究不同含水量土體凍融界面的力學性質(zhì)變化規(guī)律。

1.2 凍融界面的實現(xiàn)

凍融界面的實現(xiàn)是本試驗設(shè)計的關(guān)鍵點，也是研究土體凍融界面抗剪強度的先決條件。因此，試件制作時分上下2層制作，上層土用生理鹽水配比，下層土用普通自來水配比，上下2層土體積比為1∶1，由于生理鹽水的凍結(jié)點要比普通自來水低，所以在一定的冰凍溫度下，可以實現(xiàn)下層土體中的水分處于冰凍狀態(tài)，而上層土體中的水分保持融化狀態(tài)，達到凍融界面實現(xiàn)的目的。

1.3 試驗溫度的選取

由相關(guān)參考文獻可知，在正常大氣壓狀態(tài)下，生理鹽水的凍結(jié)點低于-3 ℃，而普通自來水的凍結(jié)點0 ℃，所以本試驗設(shè)置凍結(jié)溫度為-3 ℃，這樣就可以使上層的生理鹽水處于流動狀態(tài)，下層的普通自來水處于凍結(jié)狀態(tài)，實現(xiàn)凍融界面。

2 試驗結(jié)果

凍融界面抗剪強度試驗結(jié)果見表1。

表1 凍融界面抗剪強度試驗結(jié)果記錄表含水率/%凍融次數(shù)不同加載下的凍融界面抗剪強度/kPa50kPa100kPa150kPa200kPa1365531692856234850666482133314866427951643154676217735301447593741629143257471572744125516878248378507638134549865280623304806307823315463611761184302447593738528843157171362814165546927263396531662823435748160513324816307812315461600751330144258472720428843157071252734085436786263393524654724837350162482183354515671326464611754231844658873133034255647032242874155536915264396528661625237750362872383614826018205317428540

3 試驗結(jié)果分析

1) 不同豎向荷載條件下土體抗剪強度隨含水率與凍融次數(shù)的變化，見圖1。

圖1 不同含水率對凍融界面抗剪強度的影響

從圖1中可以看出，隨凍融次數(shù)的增加含凍融界面的試件抗剪強度減小，并且含水率越大的相應(yīng)的抗剪強度越小。

2) 凍融界面對土體抗剪強度參數(shù)的影響，見圖2。

圖2 凍融界面對土體抗剪強度參數(shù)的影響

從圖2中可以看出，在以上幾組試件的抗剪強度試驗結(jié)果中，存在凍融界面的土體粘聚力及內(nèi)摩擦角均為最小，抗剪強度值最低，約為普通土樣試件的70%，而且強度低于該種普通土樣經(jīng)歷一次凍融循環(huán)作用后的抗剪強度值。在極端冰雪條件下，存在凍融界面的土體的強度最低，其凍融界面可能存在導致邊坡沿此面滑動。

3) 含水量及凍融次數(shù)對凍融界面土體抗剪強度參數(shù)的影響，見圖3。

圖3 含水量及凍融次數(shù)對凍融界面土體抗剪強度參數(shù)的影響

從圖3中可以看出，隨含水量逐漸增大，存在凍融界面的土體抗剪強度參數(shù)c呈明顯的下降態(tài)勢，當含水量從16%增大到22%時，c值降低了約30%，這也是土體抗剪強度降低明顯的主要原因?？辜魪姸葏?shù)內(nèi)摩擦角φ的整體趨勢也隨之損傷，當含水量從16%增大到22%時，內(nèi)摩擦角φ也降低30%。從土體結(jié)構(gòu)本身分析，當含水量越高時，土體內(nèi)部的級配結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土應(yīng)力傳遞的方式從顆粒之間的相互作用變?yōu)橥ㄟ^孔隙水介質(zhì)傳遞，土顆粒之間咬合作用降低，這樣就導致了土顆粒之間的粘聚力降低。

4) 凍融界面路基邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

利用路基邊坡穩(wěn)定性計算方法，分別得出普通土和含凍融界面土體在凍融循環(huán)作用后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，見圖4。

圖4 路基邊坡安全系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

如圖4所示，在凍融循環(huán)過程中，路基邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)都呈現(xiàn)下降的趨勢，這主要是由于凍融循環(huán)過程中土體抗剪強度降低造成的。普通土體邊坡安全系數(shù)下降趨勢均勻，且有出現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢；含凍融界面的土體邊坡在第1次凍融循環(huán)中安全系數(shù)下降較大，后續(xù)下降速率也均大于普通土體，因此在計算含凍融界面土體邊坡穩(wěn)定性時，必須考慮凍融界面對土體抗剪強度的影響。

4 結(jié)論

1) 隨凍融次數(shù)的增加含凍融界面的試件抗剪強度減小，并且含水率越大的相應(yīng)的抗剪強度越小。

2) 存在凍融界面的土體粘聚力及內(nèi)摩擦角均為最小，抗剪強度值最低，約為普通土樣試件的70%，凍融界面的存在可能導致邊坡沿此面滑動。

3) 隨含水量逐漸增大，存在凍融界面的土體抗剪強度參數(shù)c呈明顯的下降態(tài)勢，內(nèi)摩擦角φ值也明顯降低，這與普通土體在凍融循環(huán)過程中內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加而增加是不相同的。

4)存在凍融界面的土體邊坡安全系數(shù)下降速率較普通土體邊坡更快，且在第1次凍融循環(huán)過程中安全系數(shù)下降較大，在計算含凍融界面土體邊坡穩(wěn)定性時，必須考慮凍融界面對土體抗剪強度的影響。

[1] 楊讓宏, 朱本珍.凍融交界面變化對于多年凍土區(qū)斜坡路堤穩(wěn)定性的影響分析[J].蘭州交通大學學報, 2010,29(3):1-6.

[2] 吳海燕.模擬凍融界面的凍土模型實驗研究[D].成都：西南交通大學, 2007.

[3] 趙剛, 陶夏新, 劉兵. 重塑土凍融過程中水分遷移試驗研究[J].中南大學學報(自然科學版), 2009, 40(2):519-525.

[4] 徐學燕,丁靖康.凍融界面土體的長期抗剪強度指標確定[J].哈爾濱建筑大學學報, 1992(3):37-42.

[5] 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, 2010.

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

1008-844X(2017)03-0091-03

U 416.1

A

2017-02-17

鄧愛平(1980-)，男，工程師，主要從事道路與橋梁施工及項目管理。