凍融循環(huán)下含水率對粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)影響試驗(yàn)

胡田飛，劉建坤，房建宏，徐安花，常 丹

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.青海省交通科學(xué)研究院 多年凍土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青海研究觀測基地，西寧810000)

凍融循環(huán)下含水率對粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)影響試驗(yàn)

胡田飛1,2，劉建坤1,2，房建宏2，徐安花2，常 丹1,2

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京100044；2.青海省交通科學(xué)研究院 多年凍土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青海研究觀測基地，西寧810000)

為研究初始含水率對土體力學(xué)性質(zhì)凍融循環(huán)效應(yīng)的影響規(guī)律，以青藏高原粉質(zhì)黏土為對象，進(jìn)行不同含水率、圍壓及凍融次數(shù)條件下的三軸試驗(yàn).結(jié)果表明：凍融循環(huán)使得不同初始含水率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于接近，低含水率試樣的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為劣化，在一定范圍內(nèi)，含水率越高，劣化效果越顯著；當(dāng)含水率增加至某一值后，一般為接近塑限時，凍融循環(huán)效應(yīng)則表現(xiàn)為強(qiáng)化;封閉條件下土體凍融循環(huán)中的水分遷移會引起含水率的增減分區(qū)分布，且初始含水率越高，水分遷移量越大;土體破壞強(qiáng)度隨含水率的增加以非線性規(guī)律減小，因此試樣凍融循環(huán)后含水率增大區(qū)和減小區(qū)的強(qiáng)度變化幅度不同，會引起破壞強(qiáng)度增大、減小及不變等3種不同的變化趨勢;凍融循環(huán)下土體力學(xué)性質(zhì)會受到干密度、水分重分布及土體結(jié)構(gòu)改變等多方面的影響，初始含水率和凍融次數(shù)不同，占主導(dǎo)地位的因素也不同，凍融循環(huán)效應(yīng)就相應(yīng)地呈現(xiàn)出多樣化特征.

凍融循環(huán)；含水率；粉質(zhì)黏土；破壞強(qiáng)度；非線性；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

土體的凍融循環(huán)實(shí)質(zhì)上是土中水受環(huán)境溫度正負(fù)交替的影響在固、液兩相間相互轉(zhuǎn)化的過程，一方面引起土體的附加變形，另一方面會引起土體物理力學(xué)性質(zhì)的改變，是各類凍土工程出現(xiàn)病害的主要原因之一[1].對于土體物理和力學(xué)性質(zhì)的凍融循環(huán)效應(yīng)，前者主要對干密度、含水率、滲透性及顆粒級配等常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行研究；后者主要以抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、動強(qiáng)度等指標(biāo)為研究對象，并以一些物理指標(biāo)及改良劑為變量分析其在不同條件下的變化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理[2-4].

其中，在凍土工程建設(shè)和工后運(yùn)營中，受工程行為、自然風(fēng)干、地下水、大氣降雨、融雪等因素的影響，土體含水率經(jīng)常偏離初始設(shè)計(jì)值而呈現(xiàn)動態(tài)變化特征，是凍融循環(huán)中最為常見的一個變量.土體的凍融循環(huán)效應(yīng)是由水分的遷移和相變引起的，因此初始含水率對凍融循環(huán)效應(yīng)的影響是一個值得關(guān)注的問題，目前已有一些相關(guān)的研究.王鐵行等[5]通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)非飽和黃土含水率較低時，凍融循環(huán)對黏聚力基本沒有影響，當(dāng)含水率較高時，黏聚力較凍融前降低，且凍融次數(shù)越多，降低值越大；不同含水率試樣的內(nèi)摩擦角經(jīng)凍融后均增大，且含水率越高，增加值越大.毛雪松等[6]認(rèn)為土體的回彈模量隨凍融次數(shù)的增加大體上呈衰減趨勢，且回彈模量的衰減幅度隨著含水率的減小而減小，而增濕過程中其強(qiáng)度衰減幅度基本保持不變.張輝等[7]對不同初始含水率黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明黏聚力隨凍融次數(shù)的增加呈指數(shù)形式減小，含水率越高，黏聚力減小幅度越大，內(nèi)摩擦角則略微增大.然而，也有一些研究的結(jié)論與上述規(guī)律不同.董曉宏等[8]通過重塑黃土的凍融試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)含水率越低，凍融循環(huán)的劣化作用越明顯.胡再強(qiáng)等[9]對不同初始含水率黃土進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明黏聚力隨凍融循環(huán)的降低幅度隨著含水率的增大而減小，當(dāng)含水率很高時，黏聚力下降不明顯；內(nèi)摩擦角則呈無規(guī)律的波浪型變化，總體有略微變小的趨勢.此外，Oztas等[10]觀察到凍融循環(huán)會引起地表高含水率土體的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)化現(xiàn)象.Viklander[11]和Qi等[12]則發(fā)現(xiàn)低壓實(shí)度土體的黏聚力和前期固結(jié)壓力在凍融循環(huán)之后有所增大.上述研究說明在不同的土性和試驗(yàn)條件下，凍融循環(huán)后壓實(shí)土的力學(xué)性質(zhì)可能出現(xiàn)劣化和強(qiáng)化兩種相反的效應(yīng)，且出現(xiàn)這一差異化的原因及兩者隨含水率的變化規(guī)律尚無一致結(jié)論.

尤其對于凍融循環(huán)強(qiáng)化現(xiàn)象，明確其內(nèi)在機(jī)理和產(chǎn)生條件具有重要的工程意義.董曉宏等[8]認(rèn)為水分的析出和散失會引起強(qiáng)化現(xiàn)象，但封閉條件下的水分散失屬于偶然因素.Zhang等[13]從微觀結(jié)構(gòu)角度認(rèn)為凍融循環(huán)使得土體內(nèi)部團(tuán)粒破碎和接觸點(diǎn)增多，進(jìn)而引起摩擦強(qiáng)度的提高.Qi等[12]和宋春霞等[14]認(rèn)為凍結(jié)過程中負(fù)孔隙水壓力對土體的超固結(jié)效應(yīng)也會引起強(qiáng)化現(xiàn)象.限于量測手段，上述解釋仍存在難以量化的不足，難以服務(wù)于工程實(shí)踐.在非飽和土力學(xué)中，含水率和干密度對土體強(qiáng)度的影響最為顯著，且強(qiáng)度與兩者之間一般不是簡單的線性關(guān)系[15-17].那么，即使凍融循環(huán)后土體的干密度和水分總質(zhì)量保持不變，水分遷移引起的含水率不均勻分布也會導(dǎo)致破壞強(qiáng)度的改變，但這一因素尚未被采用于凍融循環(huán)效應(yīng)的機(jī)理分析中.

針對這一問題，本文以初始含水率和凍融循環(huán)次數(shù)為主要變量對青藏高原粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸試驗(yàn)研究，進(jìn)一步明確不同含水率土體力學(xué)性質(zhì)隨凍融次數(shù)的變化過程及規(guī)律.結(jié)合凍融循環(huán)下試樣的水分重分布和體積變化特征，探討水分重分布和破壞強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系，及其與干密度對土體凍融循環(huán)效應(yīng)的耦合作用機(jī)制.

1 試驗(yàn)試樣與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為取自交通運(yùn)輸部多年凍土研究觀測基地表層的粉質(zhì)黏土，其顆粒分布曲線和基本物理性質(zhì)分別如圖1和表1所示.

圖1 土體顆粒分布曲線

液限/%塑限/%塑性指數(shù)最大干密度/(g·cm-3)最優(yōu)含水率/%相對密度28.017.710.31.82814.82.64

1.2 試樣制備

根據(jù)相關(guān)規(guī)范中填方路基的設(shè)計(jì)要求，本次試驗(yàn)的制樣標(biāo)準(zhǔn)為在壓實(shí)度95%條件下，配制含水率分別為最優(yōu)含水率wop和wop±2%的3種試樣.首先，將土料翻曬烘干后過2 mm篩，按照設(shè)計(jì)含水率加水拌合均勻.然后，采用分層擊實(shí)法，制備直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體試樣，干密度控制為1.737 g·cm-3.試樣制成后用塑料薄膜包裹密封，模擬無外界水源補(bǔ)給的封閉系統(tǒng).

1.3 試驗(yàn)方案

為明確初始含水率對粉質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)凍融循環(huán)效應(yīng)的影響，選擇含水率和凍融次數(shù)為試驗(yàn)變量，進(jìn)行兩個因素的全面試驗(yàn).3種含水率試樣的凍融次數(shù)均設(shè)計(jì)為0、1、3、6、9、12、15次.凍融循環(huán)試驗(yàn)為封閉條件下的三向凍結(jié)和融化試驗(yàn)，首先進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)箱環(huán)境溫度為-5 ℃，然后進(jìn)行融化試驗(yàn)，環(huán)境溫度為20 ℃.根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果，凍結(jié)和融化時間均設(shè)置為12 h，以保證試樣完全凍結(jié)和充分融化，此過程即為一次凍融循環(huán).之后循環(huán)往復(fù)，達(dá)到設(shè)計(jì)凍融次數(shù)后取出所需試樣進(jìn)行試驗(yàn)，其余繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán).為輔助說明試樣水分重分布對力學(xué)性質(zhì)的影響，另外進(jìn)行壓實(shí)度95%、含水率為wop±1%和wop±3%的三軸試驗(yàn).

凍融循環(huán)多發(fā)生在地基和路基的表層，由于壓實(shí)過程的超固結(jié)應(yīng)力歷史和行車荷載的瞬時性，低滲透性的粉質(zhì)黏土路基在融化階段一般來不及發(fā)生排水固結(jié)過程，因此三軸試驗(yàn)類型選擇為不固結(jié)、不排水(UU)試驗(yàn).試驗(yàn)儀器選用南京土壤儀器廠的TSZ-1型三軸儀，圍壓分別取50、100、150 kPa，軸向加載速率為0.4 mm/min，控制應(yīng)變?yōu)?0%.三軸試驗(yàn)方案見表1，共計(jì)75個試樣.

表2 三軸試驗(yàn)方案

此外，為確定初始含水率對土體凍融循環(huán)下水分遷移量的影響，測定3種試樣在徑向上的含水率分布特征隨上述6種凍融次數(shù)的變化規(guī)律，凍融循環(huán)試驗(yàn)條件保持不變，共計(jì)18個試樣.具體方法為將圓柱體試樣沿徑向五等分環(huán)切，采用烘干法測定各個位置土體的含水率.同時，采用蠟封法測定3種試樣經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后的體積變化量，各進(jìn)行3組試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，共計(jì)9個試樣.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同含水率、圍壓及凍融次數(shù)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2.由圖2(a)可見，相同軸向應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力隨含水率的減小或圍壓的升高而增大.含水率12.8%試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式呈應(yīng)變軟化型，破壞時出現(xiàn)明顯的破裂面，隨著含水率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系向硬化型轉(zhuǎn)變.同時，硬化程度隨圍壓的升高而增大，破壞形式由脆性向塑性過渡.由圖2(b)可見，凍融循環(huán)6次時，不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式均未發(fā)生改變，含水率12.8%和14.8%試樣的峰值強(qiáng)度有所減小，含水率越大，凍融循環(huán)影響越大；而含水率16.8%試樣各軸向應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力值則明顯增大，不同試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于接近.由圖2(c)可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，含水率16.8%試樣表現(xiàn)出與通常凍融循環(huán)劣化結(jié)果相反的效應(yīng)，隨著凍融次數(shù)的增加，試樣經(jīng)歷凍融循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線位置明顯高于凍融之前，極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有所增大，應(yīng)變軟化程度降低.

圖2 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 水分遷移特征

試樣凍融循環(huán)前后的質(zhì)量經(jīng)測量保持不變，說明無水分的補(bǔ)給和散失.切割凍結(jié)試樣可以發(fā)現(xiàn)表層的含冰量高于內(nèi)部，凍脹也相對顯著.由于土體溫度梯度大小與熱傳導(dǎo)距離成反比，且圓柱體試樣的側(cè)面積比底面積大，三向凍融環(huán)境下試樣徑向的含水率不均勻分布程度相比軸向要高[18].因此，本文側(cè)重于分析試樣徑向的水分重分布特征.

圖3為試樣凍融循環(huán)后含水率沿徑向的重分布特征.由圖3(a)可見，經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，3種試樣的水分重分布趨勢一致，均表現(xiàn)為表層含水率高于內(nèi)部，形成增減分區(qū)分布現(xiàn)象，說明融化過程的水分回遷量小于凍結(jié)過程的正向遷移量.這是因?yàn)椋馏w的水分遷移與土水勢梯度和溫度梯度有關(guān)，并受到土性、邊界條件、凍結(jié)速度等因素的影響.在凍結(jié)過程中，試樣表層水分首先凍結(jié)并破壞原有的平衡狀態(tài)，引起內(nèi)部水分向凍結(jié)鋒面遷移，導(dǎo)致體積膨脹和干密度降低.對于同一種土，含水率相同時，土水勢隨干密度的降低而減小[19].而在融化過程中，試樣內(nèi)部溫度會相對快地達(dá)到一致，因此干密度分布的改變和溫度梯度的消失使得水分遷移強(qiáng)度相對較低.此外，初始含水率越大，試樣表層含水率增加值越大，即水分遷移量越大.土體水分遷移量與凍結(jié)鋒面在該位置的停留時間和溫度梯度有關(guān)，這說明在溫度梯度一定的條件下，含水率越大，凍結(jié)鋒面的前進(jìn)速度越小.

由圖3(b)可見，在初始的6次凍融循環(huán)內(nèi)，水分遷移量在持續(xù)地累積增加，這主要是由于表層含水率增大區(qū)使得凍結(jié)鋒面移動速度減小引起的.之后，土體結(jié)構(gòu)和水分遷移路徑進(jìn)入一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，水分正向和逆向的遷移量趨于相等，試樣各位置的含水率即開始保持基本不變.

圖3 試樣凍融循環(huán)后的水分重分布特征

Fig.3 Moisture redistribution characteristics of samples after freeze-thaw cycling

2.3 破壞強(qiáng)度

當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式為應(yīng)變軟化型時，取偏應(yīng)力峰值為破壞強(qiáng)度；為應(yīng)變硬化型時，則取軸向應(yīng)變15%對應(yīng)的偏應(yīng)力值.不同試驗(yàn)條件下試樣的破壞強(qiáng)度如表3所示，可以看出不同試樣對凍融循環(huán)的響應(yīng)特征有所區(qū)別.含水率12.8%和14.8%試樣破壞強(qiáng)度在凍融循環(huán)后均減小，且后者相對顯著，而含水率16.8%試樣破壞強(qiáng)度整體上表現(xiàn)為增大.圖4為凍融循環(huán)一次前后試樣破壞強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律，圍壓50 kPa時，含水率12.8%和14.8%試樣破壞強(qiáng)度的減小率分別為1.9%和6.0%，說明在這一范圍內(nèi)含水率的增大會加劇劣化效應(yīng)；含水率16.8%試樣破壞強(qiáng)度則比未凍融時增大8.0%.

表3凍融循環(huán)下試樣破壞強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Failure strength of samples after freeze-thaw cycling

kPa

圖4 含水率對試樣破壞強(qiáng)度凍融循環(huán)效應(yīng)的影響

Fig.4 Influence of moisture content on freeze-thaw cycling effect on failure strength

圖5為圍壓50 kPa條件下不同含水率試樣破壞強(qiáng)度變化率隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律.可以看出，含水率12.8%和14.8%試樣破壞強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加呈先減小、后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，最終值相比初始值分別減小4.0%和12.7%.這是因?yàn)?，?jīng)過多次凍融循環(huán)后，試樣的土體結(jié)構(gòu)和水分遷移會逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，破壞強(qiáng)度也由此趨于穩(wěn)定.同時，含水率12.8%試樣破壞強(qiáng)度在凍融6次之后基本保持穩(wěn)定，含水率14.8%試樣則約需要9次，說明含水率越高，凍融循環(huán)效應(yīng)的持續(xù)過程越長.不同的是，含水率16.8%試樣的破壞強(qiáng)度在1～6次凍融循環(huán)時出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，最終值相比初始值增大10.3%.

圖5 凍融次數(shù)對試樣破壞強(qiáng)度的影響 (圍壓50 kPa)

Fig.5 Influence of number of freeze-thaw cycles on failure strength of samples (confining pressure of 50 kPa)

圖6為試樣凍融循環(huán)一次后的體積變化量和平均干密度隨含水率的變化規(guī)律.可以看出，試樣體積在凍融循環(huán)后均有所增大，且變形量隨含水率的增加而增大.相應(yīng)地，含水率越高，土體微觀結(jié)構(gòu)和干密度的變化幅度越大，引起的力學(xué)性質(zhì)劣化程度也越強(qiáng)烈.因此，可以排除文獻(xiàn)[12-14]中所述土體微觀結(jié)構(gòu)或宏觀干密度對文中含水率16.8%試樣破壞強(qiáng)度增大現(xiàn)象的影響.這也說明，本文出現(xiàn)的凍融循環(huán)強(qiáng)化現(xiàn)象和土體含水率與凍脹率正相關(guān)的一般規(guī)律是相悖的，因此這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是值得探討的.

圖6 試樣凍融循環(huán)一次后的體積和干密度變化量

Fig.6 Variation amount of volume and dry density of samples after one freeze-thaw cycle

2.4 凍融循環(huán)效應(yīng)的機(jī)理分析

三軸試驗(yàn)中，加載過程沿著圓柱體試樣的軸向進(jìn)行，而三向凍融條件下試樣的水分和干密度重分布主要發(fā)生在徑向上，因此忽略軸向不均勻性的影響，認(rèn)為試樣破壞強(qiáng)度是徑向不同位置土體強(qiáng)度的綜合體現(xiàn).由于非飽和土強(qiáng)度與含水率一般不是簡單的線性關(guān)系，那么即使凍融循環(huán)后試樣的水分總質(zhì)量和干密度保持不變，徑向含水率的增減分區(qū)分布也會引起破壞強(qiáng)度的改變.

圖7為不同圍壓下試樣破壞強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律.令含水率12.8%、14.8%和16.8%試樣與含水率±1%試樣破壞強(qiáng)度的變化斜率分別為k、l和m，對于下標(biāo)，圍壓50、100和150 kPa時分別標(biāo)記為A、B、C.以含水率12.8%試樣為例，在圍壓50 kPa時，其與含水率11.8%和13.8%試樣破壞強(qiáng)度值連線的斜率分別記為kA-1和kA-2，其余類同.由圖7(a)、7(b)可見，k1m2，即在15.8%～17.8%范圍內(nèi)，當(dāng)含水率增大時，破壞強(qiáng)度的降低幅度卻呈減小趨勢.這是因?yàn)?，含水率的持續(xù)增大使得土體中逐漸形成“自由水膜”，尤其當(dāng)接近塑限時，含水率繼續(xù)增大對土粒間阻力的改變很小.

圖7 試樣破壞強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律

Fig.7 Relationship between failure strength of samples versus moisture contents

根據(jù)圖7所示試驗(yàn)結(jié)果可知，含水率12.8%、14.8%和16.8%試樣含水率減小區(qū)和增大區(qū)的強(qiáng)度變化幅度是不同的.對于含水率12.8%和14.8%試樣，含水率減小區(qū)的強(qiáng)度變化幅度相比增大區(qū)的要小，由此水分重分布會引起試樣破壞強(qiáng)度的減小.但是，對于含水率16.8%試樣，含水率減小區(qū)的強(qiáng)度變化幅度相比增大區(qū)要大，會引起破壞強(qiáng)度的增大.如果含水率減小區(qū)和增大區(qū)強(qiáng)度變化幅度一致，則對試樣破壞強(qiáng)度無影響.同時，3種試樣凍融循環(huán)后的干密度均有所減小，因此水分重分布是含水率16.8%試樣出現(xiàn)凍融循環(huán)強(qiáng)化現(xiàn)象的主要原因.

以往的研究結(jié)果一般認(rèn)為，在封閉條件的凍融循環(huán)作用下，干密度變化是解釋土體力學(xué)性質(zhì)凍融循環(huán)效應(yīng)最為直觀的定量指標(biāo)，且這一因素通常不利于強(qiáng)度的保持[20].結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為干密度和水分重分布是影響土體凍融循環(huán)效應(yīng)的兩個主要因素，且兩者影響是同時存在的.對于壓實(shí)土，土體孔隙在水分凍結(jié)時增大，而在融化時一般無法完全恢復(fù)，從而引起干密度和破壞強(qiáng)度的減小.但是，水分重分布受初始含水率的影響則具有不確定性，根據(jù)含水率減小區(qū)和增大區(qū)強(qiáng)度變化幅度的不同，可能引起破壞強(qiáng)度增大、減小和不變3種不同的效果.當(dāng)干密度和水分重分布均起劣化作用時，破壞強(qiáng)度表現(xiàn)為逐漸減?。划?dāng)兩者效果相反時，占主導(dǎo)地位的因素不同，就會出現(xiàn)不同的變化趨勢.對于含水率16.8%試樣，在凍融初始階段，水分重分布的強(qiáng)化作用占主導(dǎo)地位，因此破壞強(qiáng)度首先表現(xiàn)為逐漸增大；當(dāng)水分遷移相對穩(wěn)定后，凍融循環(huán)仍會引起干密度的減小，此時劣化作用開始占主導(dǎo)地位，破壞強(qiáng)度轉(zhuǎn)而逐漸減小.

3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的凍融循環(huán)效應(yīng)

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值按應(yīng)力路徑法求取，以(σ1-σ3)/2為縱坐標(biāo)、(σ1+σ3)/2為橫坐標(biāo)繪制應(yīng)力圓，作通過各圓頂點(diǎn)的平均直線.根據(jù)直線傾角及其縱軸截距分別計(jì)算總內(nèi)摩擦角和總黏聚力：

φu=sin-1(tanα),

(1)

cu=d/cosφu.

(2)

式中：α為直線傾角，d為直線的縱軸截距.

3.1 黏聚力

凍融循環(huán)下3種含水率試樣黏聚力的試驗(yàn)結(jié)果見表4.圖8為黏聚力增量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律.可以看出，含水率12.8%和14.8%試樣黏聚力隨凍融次數(shù)的增加呈先減小,后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，兩者的最終減小率分別為4.8%和13.8%，說明含水率越高，黏聚力的減小幅度越大.含水率16.8%試樣黏聚力在凍融循環(huán)1～6次時逐漸增大，6～12次時逐漸減小，最終達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，相比初始值，峰值和最終值分別增大12.7%和6.6%.

表4 凍融循環(huán)下試樣黏聚力的試驗(yàn)結(jié)果

圖8 試樣黏聚力增量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律

Fig.8 Relationship between cohesion increment of samples versus number of freeze-thaw cycles

根據(jù)圖7計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化規(guī)律，結(jié)果見圖9.令黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化斜率分別為k和l，含水率12.8%、14.8%和16.8%試樣分別標(biāo)記為A、B、C，并與含水率±1%的試樣記為一組.以含水率12.8%試樣為例，其與11.8%和13.8%試樣黏聚力值連線的斜率分別記為kA-1和kA-2，其余類同.可以看出，黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而非線性減小.黏聚力隨含水率的變化幅度表現(xiàn)為kA-1kC-2，含水率對黏聚力的影響主要包括凝聚作用和潤滑作用，前者指水膜聯(lián)結(jié)，隨著水膜厚度的增大而減弱；后者反映顆粒的膠結(jié)程度.含水率超過15.8%后黏聚力有一相對顯著的陡降現(xiàn)象，是顆粒間凝聚作用基本喪失引起的，接近塑限之后，含水率對黏聚力的影響主要為潤滑作用，變化幅度由此相對變緩.

圖9 試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化規(guī)律

Fig.9 Relationship between cohesion and internal friction angle of samples versus moisture contents

那么，對于黏聚力的凍融循環(huán)效應(yīng)，由kA-1kC-2，說明水分重分布對含水率16.8%試樣黏聚力起強(qiáng)化作用.由此，含水率16.8%試樣在凍融循環(huán)1～6次時，水分重分布對黏聚力的強(qiáng)化作用相比干密度的劣化作用占優(yōu)勢，黏聚力綜合表現(xiàn)為逐漸增大；之后隨著水分遷移量的減小，干密度的劣化作用開始占主導(dǎo)地位，黏聚力轉(zhuǎn)而逐漸減小.

3.2 內(nèi)摩擦角

凍融循環(huán)下3種含水率試樣內(nèi)摩擦角的試驗(yàn)結(jié)果見表5.圖10為內(nèi)摩擦角增量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律.可以看出，3種試樣內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律各不相同，含水率12.8%試樣呈先減小、后趨于穩(wěn)定的規(guī)律.含水率14.8%試樣呈先減小、后增大、再減小的規(guī)律，且整體減小幅度相比含水率12.8%試樣要大.含水率16.8%試樣則呈先增大、后減小、再增大的規(guī)律，整體呈增大趨勢.

表5 凍融循環(huán)下試樣內(nèi)摩擦角的試驗(yàn)結(jié)果

圖10 試樣內(nèi)摩擦角增量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律

Fig.10 Relationship between internal friction angle increment of samples versus number of freeze-thaw cycles

關(guān)于凍融循環(huán)下土體內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律，已有文獻(xiàn)尚無相對一致的結(jié)論，僅認(rèn)為內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的變化不明顯，多呈波動性變化特征[5-9].本文認(rèn)為，內(nèi)摩擦角的波動特征是干密度和水分重分布綜合作用的結(jié)果，是有規(guī)律可循的.由圖9可知，lA-1lB-2，lC-1>lC-2，且含水率超過16.8%后，內(nèi)摩擦角的變化趨于平緩，原因在于含水率達(dá)到某一值后，粒間水膜對土顆粒的潤滑作用達(dá)到極限狀態(tài).因此，含水率12.8%試樣含水率減小區(qū)的內(nèi)摩擦角變化幅度相比含水率增大區(qū)要小，干密度和水分重分布均引起內(nèi)摩擦角的減小，且水分遷移量較小，由此內(nèi)摩擦角呈先減小、后穩(wěn)定的規(guī)律.但是，對于含水率14.8%和16.8%試樣，水分重分布會引起內(nèi)摩擦角的增大，且含水率越高，增大效應(yīng)越顯著，即干密度和水分重分布會分別引起試樣內(nèi)摩擦角的減小和增大.那么，對于含水率14.8%試樣的內(nèi)摩擦角，干密度的劣化作用首先占主導(dǎo)地位，水分重分布的強(qiáng)化作用在凍融循環(huán)6～12次時占主導(dǎo)地位，水分遷移穩(wěn)定之后干密度的降低仍在繼續(xù)，因此表現(xiàn)為先減小、后增大、再減小的規(guī)律.含水率16.8%試樣中干密度和水分重分布對內(nèi)摩擦角的交替控制作用則與含水率14.8%試樣相反，由此內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先增大、后減小、再增大的規(guī)律.

綜上所述，對于封閉條件下的非飽和土體，凍融循環(huán)的水分遷移和凍脹過程除引起土顆粒排列和連接方式以及干密度等指標(biāo)的改變外，水分重分布后含水率減小區(qū)和增大區(qū)的強(qiáng)度變化幅度不同，也會導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)的改變.因此，對于各種凍土工程，通過設(shè)置邊界條件等方法減弱凍融循環(huán)的不利影響，甚至促發(fā)和利用凍融循環(huán)強(qiáng)化作用是有實(shí)際意義的，其實(shí)質(zhì)是控制合理的水分遷移方向.例如，路基在凍融循環(huán)下以垂直方向?yàn)橹鞯乃诌w移，不僅導(dǎo)致垂向附加變形，而且容易形成水平的富水層，進(jìn)而引起路基在行車荷載下的劇烈破壞.那么，在增強(qiáng)路面隔熱性和改良路基填料的同時，還可以考慮通過改變路基兩側(cè)邊坡的水熱邊界條件使得以垂直方向?yàn)橹鞯乃诌w移向水平方向過渡，也能達(dá)到保護(hù)路基承載和變形性能的目的.

4 結(jié) 論

1)試樣相同軸向應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力值隨著含水率的減小或圍壓的升高而逐漸增大，破壞形式由塑性向脆性轉(zhuǎn)變.凍融循環(huán)使不同初始含水率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于接近，同時降低應(yīng)變軟化程度.在一定范圍內(nèi)，土體的凍融循環(huán)劣化效應(yīng)會隨著初始含水率的增大而加劇，但當(dāng)含水率增大至接近塑限后，凍融循環(huán)會轉(zhuǎn)而起強(qiáng)化作用.

2)凍融循環(huán)過程中，由于土體干密度分布的改變和凍結(jié)、融化時溫度梯度的不同，土體內(nèi)部水分會向表層遷移聚集，形成含水率的增減分區(qū)分布現(xiàn)象.初始含水率越高，凍結(jié)鋒面向內(nèi)部的移動速度越小，水分遷移量越大.封閉條件下土體的水分分布在多次凍融循環(huán)后會達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).

3)由于土體力學(xué)性質(zhì)與含水率的非線性關(guān)系，凍融循環(huán)后含水率減小區(qū)和增大區(qū)強(qiáng)度變化幅度的不同也會引起破壞強(qiáng)度的改變.干密度和水分重分布對土體力學(xué)性質(zhì)凍融循環(huán)效應(yīng)的影響是同時存在的.根據(jù)初始含水率的不同，水分重分布可能起到強(qiáng)化、劣化或無影響等不同作用，高含水率有利于強(qiáng)化效果的出現(xiàn).由于土體含水率和凍融循環(huán)次數(shù)的不同，占主導(dǎo)地位的因素也不同，由此會引起破壞強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的多樣化變化規(guī)律.這一結(jié)論有助于解釋土體出現(xiàn)強(qiáng)化和劣化兩種相反凍融循環(huán)效應(yīng)的內(nèi)在原因，并可為凍土病害防治和合理利用凍融循環(huán)強(qiáng)化作用提供依據(jù).

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(編輯趙麗瑩)

Experimentalstudyontheeffectofmoisturecontentonmechanicalpropertiesofsiltyclaysubjectedtofreeze-thawcycling

HU Tianfei1,2, LIU Jiankun1,2, FANG Jianhong2, XU Anhua2, CHANG Dan1,2

(1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Transportation Industry Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Permafrost Regions-Qinghai Research Observation Base, Qinghai Research Institute of Transportation, Xining 810000, China)

To study the effect of moisture content on mechanical properties of soil subjected to freeze-thaw cycling, a series of triaxial tests were conducted under different confining pressures for samples which were made of silty clay from Qinghai-Tibet Plateau with different original moisture contents and had experienced various freeze-thaw cycles. The results show that the stress-strain curves of samples with different moisture contents tend to be similar after freeze-thaw cycling. The freeze-thaw cycling effect is uncertain because of the level of original moisture content. It is deteriorating for soil with low moisture content, and the deteriorating degree aggravates with the increase of moisture content within a certain range. When the moisture content is increased to a certain value which is generally close to the plastic limit, the effect is strengthening conversely. The water migration inside samples, which are subjected to freeze-thaw cycling in a closed system, leads to the redistribution of moisture content. The higher the original moisture content is, the larger the water migration amount is. The failure strength of soil decreases with the increase of moisture content in a nonlinear law, so the change amplitude of strength in the increase zone of moisture content is different with that of the decrease zone. The failure strength of sample may exhibit different tendencies including increase, decrease or remain unchanged. The mechanical properties of soil subjected to freeze-thaw cycling are affected by the dry density, moisture redistribution and soil structure simultaneously, but the dominant factor is changeable due to different moisture contents and number of freeze-thaw cycles, which makes the freeze-thaw cycling effect on soil diversified correspondingly.

Freeze-thaw cycling; moisture content; silty clay; failure strength; nonlinear law; shear strength index

10.11918/j.issn.0367-6234.201702062

U416

A

0367-6234(2017)12-0123-08

2017-02-24

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(重點(diǎn)平臺)項(xiàng)目(2014319363200)；國家自然科學(xué)基金(51378057, 41371081)

胡田飛(1988—)，男，博士研究生;

劉建坤(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

劉建坤，jkliu@bjtu.edu.cn