凍融循環(huán)和干濕交替對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究

周有祿,武小鵬,李 奮,劉賀業(yè),孟進(jìn)寶

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的實(shí)施，我國(guó)基礎(chǔ)工程的建設(shè)也隨之進(jìn)入了高潮時(shí)期，如西北地區(qū)的高速公路、高速鐵路及城市地鐵等。黃土區(qū)基礎(chǔ)工程的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中將會(huì)遇到季節(jié)性凍土區(qū)復(fù)雜氣候所導(dǎo)致的一系列工程病害和防治問(wèn)題。

凍融循環(huán)的研究表明，經(jīng)歷長(zhǎng)期凍融后土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)相反，黏聚力降低，內(nèi)摩擦角變大，且隨著冷端溫度的降低，凍融作用對(duì)其的影響逐漸增加，最終使土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變[1-3]。龐旭卿等[4]通過(guò)試驗(yàn)研究表明黃土強(qiáng)度參數(shù)隨凍融循環(huán)產(chǎn)生劣化，黃土的黏聚力開(kāi)始時(shí)凍融循環(huán)劣化效應(yīng)強(qiáng)烈，在經(jīng)過(guò)5～7次凍融循環(huán)后，黏聚力達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，當(dāng)含水率很高時(shí)黏聚力下降不明顯，內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)無(wú)明顯變化。齊吉琳等[5]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)可以改變土的力學(xué)性質(zhì)，凍融前后土的力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)特征都有一定的變化，而力學(xué)性質(zhì)的變化從某種程度上都可以從微觀結(jié)構(gòu)的定量改變中得到解釋。

干濕交替方面，段濤[6]通過(guò)對(duì)重塑黃土的干濕循環(huán)試驗(yàn)研究得出：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加土樣強(qiáng)度峰值逐漸降低，降低到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加土樣滲透系數(shù)逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。李麗等[7]研究表明：試樣的黏聚力和抗剪強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，其中內(nèi)摩擦角隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大，最終逐漸趨于穩(wěn)定。劉宏泰等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了干濕交替周期對(duì)重塑黃土的強(qiáng)度特性及滲透特性的影響規(guī)律。目前研究主要集中在單一因素對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響，而在季節(jié)性凍土區(qū)氣候環(huán)境更為復(fù)雜，土體要經(jīng)歷凍融循環(huán)和干濕交替共同作用。因此研究黃土在凍融和干濕共同作用下的力學(xué)性質(zhì)很有必要。

本文以青海東部民小(民和至小峽)公路K70+050處非飽和黃土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)模擬土體凍融循環(huán)、干濕交替以及兩者共同作用下的直剪試驗(yàn)，得到了凍融循環(huán)、干濕交替以及兩者共同作用后土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響及其變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 土樣制備

試驗(yàn)土樣取自青海東部黃土，土樣制備嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]要求。將所取土樣過(guò)0.5 mm的篩，將過(guò)篩土樣攪拌均勻并測(cè)量其含水率，土樣制備過(guò)程中干密度誤差控制在0.03 g/cm3范圍內(nèi)；土樣復(fù)測(cè)含水率與其要求含水率之差≤±1%。通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)的土樣的基本物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，土樣擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1。

表1 土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 土樣擊實(shí)曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為3部分，即不同凍融循環(huán)次數(shù)下的直剪試驗(yàn)、干濕交替后的直剪試驗(yàn)和兩者共同作用下的直剪試驗(yàn)。土樣均為高103 mm，底面直徑101 mm的圓柱體。將每種試驗(yàn)結(jié)束后的試樣環(huán)刀取樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

1)凍融循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)不同含水率和不同干密度土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)凍結(jié)溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃，凍融周期為24 h(凍結(jié)12 h，融化12 h)，分別進(jìn)行0,1,3,5次的凍融循環(huán)，隨后進(jìn)行直剪試驗(yàn)獲得黃土的強(qiáng)度參數(shù)，從而比較不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響。

2)干濕交替試驗(yàn)。對(duì)不同含水率的土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，每個(gè)含水率土樣制備2個(gè)，含水率分別為5%，15%，25%，土樣增濕時(shí)為保證土樣水分分布均勻，將增濕后土樣靜置24 h以上，干濕試驗(yàn)過(guò)程中含水率通過(guò)定時(shí)稱取土樣重量來(lái)實(shí)現(xiàn)。干濕循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)為0，1，3，5次。

3)凍融干濕共同作用試驗(yàn)。對(duì)不同含水率的土樣先后交替進(jìn)行凍融循環(huán)和干濕交替循環(huán)，當(dāng)土樣滿足試驗(yàn)所要求的凍融和干濕交替循環(huán)次數(shù)(0，1，3，5次)時(shí)進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融循環(huán)條件下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化

取干密度為1.65 g/cm3，含水率分別為5%,15%,25%和含水率為15%，干密度分別為1.55，1.65，1.75 g/cm3的6組黃土土樣進(jìn)行凍融循環(huán)。不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同含水率時(shí)，干密度為1.65 g/cm3土樣的強(qiáng)度參數(shù)變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同含水率時(shí)土樣的強(qiáng)度參數(shù)變化曲線

由圖2(a)可知，當(dāng)干密度為1.65 g/cm3時(shí)，土樣含水率越低，其黏聚力越大，經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后，不同含水率的土樣黏聚力都有所降低，且降低的幅度隨著含水率的增大而減小。這是由于凍融循環(huán)對(duì)土結(jié)構(gòu)的破壞越來(lái)越強(qiáng)烈，黏聚力降到最低值也比較快。由此可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加土樣黏聚力最終將趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

由圖2(b)可知，當(dāng)干密度為1.65 g/cm3時(shí)，含水率為5%和15%的土樣在1～3次凍融循環(huán)過(guò)程中內(nèi)摩擦角有所減小，在經(jīng)過(guò)3～5次凍融后內(nèi)摩擦角又有所增大。含水率為25%的土樣隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出線性減小趨勢(shì)，但減小程度不大。所有土樣經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角都有所減小，但減小幅度不大，即凍融循環(huán)對(duì)土樣的內(nèi)摩擦角影響不顯著。

不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同干密度時(shí)，含水率為15%土樣的強(qiáng)度參數(shù)變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 不同干密度時(shí)土樣的強(qiáng)度參數(shù)變化曲線

由圖3(a)可知，當(dāng)土樣含水率為15%時(shí)，不同干密度土樣在凍融循環(huán)過(guò)程中黏聚力都有所減小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加黏聚力減小趨勢(shì)變緩。由于干密度較大時(shí)土樣中的水膜與土顆粒的接觸緊密，水膜相變對(duì)土單元的影響較大，所以前幾次凍融循環(huán)對(duì)土樣的黏聚力影響較大；但隨著干密度的減小，土中孔隙變大，在凍結(jié)過(guò)程中冰晶有足夠的空間膨脹，水膜相變對(duì)土結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱，所以凍融循環(huán)對(duì)黏聚力的影響也逐漸減弱。

由圖3(b)可知，當(dāng)土樣含水率為15%時(shí)，不同干密度下的土樣在經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角降低幅度不大。

圖2(b)和圖3(b)表明，無(wú)論在凍融前還是凍融后，內(nèi)摩擦角隨土樣含水率的增大或干密度的減小而減小。這主要是由于影響內(nèi)摩擦角的主要因素是土顆粒之間的接觸面積和接觸方式，土樣在制備時(shí)這些性質(zhì)已經(jīng)確定，故凍融循環(huán)不會(huì)改變這個(gè)趨勢(shì)。

2.2 干濕交替條件下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化

干濕交替條件下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4(a)可知，土樣黏聚力均隨含水率的增大而減小，當(dāng)含水率從5%逐漸增加到25%時(shí)，0次干濕交替時(shí)的原狀黃土黏聚力增加了12 kPa，經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后，其黏聚力增加了約6 kPa。當(dāng)土樣含水率較高時(shí)，隨含水率的增大，黏聚力減小趨勢(shì)緩慢；當(dāng)含水率在5%～15%時(shí)，隨著土樣含水率的逐漸增大，黏聚力減小趨勢(shì)變快，表明土樣的黏聚力在低含水率時(shí)比在高含水率時(shí)敏感。由圖4(b)可知，在0次干濕交替時(shí)，土樣的內(nèi)摩擦角隨含水率的減小呈非線性增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)5次干濕交替后土樣的內(nèi)摩擦角與0次干濕交替時(shí)具有相似的規(guī)律，內(nèi)摩擦角也隨著含水率的減小逐漸增大，土樣含水率為25%時(shí)干濕交替前后基本保持不變。

圖4 干濕交替條件下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化曲線

2.3 凍融循環(huán)和干濕交替共同作用下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化

圖5 凍融干濕共同作用下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化曲線

凍融循環(huán)和干濕交替共同作用下土樣強(qiáng)度參數(shù)變化曲線見(jiàn)圖5。由圖5(a)可知，在經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)和干濕交替共同作用下含水率為5%和15%的土樣黏聚力分別下降了26 kPa和19.7 kPa，而含水率為25%的土樣經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)和干濕交替共同作用后黏聚力下降幅度不大，并在第3次共同作用后趨于穩(wěn)定。由圖5(b)可知，土樣的內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)和干濕交替次數(shù)的增多均稍有減小，但減小程度不大。從本次試驗(yàn)可以看出，凍融循環(huán)和干濕交替共同作用對(duì)內(nèi)摩擦角的影響開(kāi)始逐漸減小隨后又變大，浮動(dòng)范圍在1°～2.5°，總體有略微變小的趨勢(shì)，可以認(rèn)為內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)和干濕交替共用作用次數(shù)的增加在長(zhǎng)期范圍內(nèi)變化不大。

3 結(jié)論

1)不同含水率土樣在凍融循環(huán)條件下其黏聚力在前3次凍融循環(huán)劣化比較強(qiáng)烈，隨著含水率的增加降低幅度在減小，當(dāng)含水率很高時(shí)黏聚力下降不明顯。凍融循環(huán)對(duì)土樣的內(nèi)摩擦角影響不顯著。

2)不同干密度土樣在凍融循環(huán)過(guò)程中黏聚力都有所減小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加黏聚力最終趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加略有減小。

3)土樣黏聚力隨含水率的增大而減小，且黏聚力在低含水率時(shí)比在高含水率時(shí)敏感;隨著干濕交替次數(shù)的增加土樣黏聚力呈減小趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定。內(nèi)摩擦角隨著含水率的減小而增大，當(dāng)含水率增加到一定程度時(shí)經(jīng)過(guò)多次干濕交替后土樣內(nèi)摩擦角將不再變化。

4)凍融循環(huán)和干濕交替共同作用對(duì)土樣的破壞程度大于單純的凍融循環(huán)或干濕循環(huán)作用。

[1]宋春霞.凍融作用對(duì)土物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[2]趙永峰,謝強(qiáng),王子江,等.川藏鐵路季節(jié)性凍土區(qū)粗顆粒土邊坡溫度場(chǎng)特征[J].鐵道建筑,2017,57(5):95-99.

[3]章文姣,王志強(qiáng),宋碧亞.凍融循環(huán)對(duì)粉質(zhì)黏土工程特性的影響[J].鐵道建筑，2014,54(7):121-123.

[4]龐旭卿,胡再?gòu)?qiáng),劉寅.凍融循環(huán)作用對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)損傷的試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,13(4):669-674.

[5]齊吉琳,張建明,朱元林.凍融作用對(duì)土結(jié)構(gòu)性影響的土力學(xué)意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(增2):2690-2694.

[6]段濤.干濕循環(huán)情況下黃土強(qiáng)度劣化特性研究[D].咸陽(yáng):西北農(nóng)林科技大學(xué),2009.

[7]李麗,張坤,張青龍,等.干濕和凍融循環(huán)作用下黃土強(qiáng)度劣化特性試驗(yàn)研究[J].冰川凍土,2016,38(4):1142-1149.

[8]劉宏泰，張愛(ài)軍，段濤，等.干濕循環(huán)對(duì)重塑黃土強(qiáng)度和滲透性的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010(4):38-42.

[9]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T 50123—1999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2000.

(責(zé)任審編 劉 莉)