川藏線季節(jié)性粗顆粒凍土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

朱 磊， 謝 強(qiáng)， 任新紅， 文江泉(. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 6003； . 西南交通大學(xué) 利茲學(xué)院，四川 成都 6003)

擬建川藏鐵路由于受川藏地區(qū)地理?xiàng)l件限制，線路通過大量的季節(jié)性粗顆粒凍土區(qū)域，目前對于川藏線這類季節(jié)性粗顆粒凍土抗剪強(qiáng)度的研究，可供參考的資料較少。國內(nèi)學(xué)者[1-9]從不同壓實(shí)度、含水率、粗粒含量及顆粒破碎等方面對粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的影響進(jìn)行大量試驗(yàn)，并取得了豐碩的研究成果。同時(shí)也有學(xué)者[10-11]對粗顆粒土在不同溫度作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。但對于川藏線這類季節(jié)性粗顆粒凍土在不同影響因素(如不同粗粒含量、不同含水率及不同凍結(jié)狀態(tài))作用下，其抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律的研究還不多。因此，研究川藏線季節(jié)性粗顆粒凍土抗剪強(qiáng)度特性，具有一定的工程意義和參考價(jià)值，為擬建川藏線工程參數(shù)選取及填料類型的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

擬建川藏鐵路沿線的季節(jié)性粗顆粒凍土主要以新都橋和理塘兩個(gè)地區(qū)的坡洪積物為代表。其中新都橋地區(qū)大部分以角礫土為主，部分地段存在圓礫土；理塘地區(qū)則以礫砂為主。本次試驗(yàn)選用新都橋地區(qū)的粗角礫和細(xì)角礫以及理塘地區(qū)的礫砂為研究對象，進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，3種土的級配曲線見圖1，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

(1) 試驗(yàn)儀器

由于土樣的粗顆粒特性，常規(guī)的直剪試驗(yàn)儀器不能滿足試樣的尺寸效應(yīng)。為了消除尺寸效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，須保證試樣直徑與最大顆粒粒徑之比至少在5倍以上[12-14]。試驗(yàn)采用自行研制的直徑300 mm的直剪儀進(jìn)行，見圖2。剪切筒直徑300 mm，高度200 mm，法向和水平向加載系統(tǒng)最大位移達(dá)100 mm，施加的法向荷載取50、100、150、200 kPa。

(2) 試樣制備

對現(xiàn)場土樣進(jìn)行篩分，當(dāng)土樣中存在不滿足尺寸效應(yīng)的超粒徑顆粒時(shí)，采取相似級配法對超粒徑顆粒進(jìn)行處理。配制含水率時(shí)，按不同含水率要求對烘干土樣加水拌勻并浸潤12 h，保證試樣的含水率均勻一致。制樣時(shí)以壓實(shí)度0.95為控制標(biāo)準(zhǔn)。試樣凍結(jié)過程為在設(shè)計(jì)要求的負(fù)溫作用下凍結(jié)12 h，負(fù)溫的控制采用改進(jìn)的帶有溫控開關(guān)的大型冰柜進(jìn)行制冷，融化過程為在室溫20 ℃左右條件下融化12 h，此為一個(gè)凍融循環(huán)[15-16]。對試樣采取正交試驗(yàn)，研究不同粒徑及不同性質(zhì)土顆粒在不同含水率條件下，凍結(jié)狀態(tài)和融化狀態(tài)的工程性質(zhì)，具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)內(nèi)容見表2。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 凍融作用對抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，分別對不同含水率的粗角礫、細(xì)角礫和礫砂進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)的直剪試驗(yàn)，土體破壞時(shí)的峰值抗剪強(qiáng)度按照文獻(xiàn)[12]相關(guān)要求確定。試驗(yàn)結(jié)果表明，凍融作用對土體抗剪強(qiáng)度有一定的影響，其對粗粒土體抗剪強(qiáng)度影響的變化規(guī)律與土體含水率有關(guān)。主要分為3種情況：當(dāng)土體含水率較小時(shí)，凍結(jié)作用下土體中水所產(chǎn)生的凍脹率小于等于土體的孔隙率，凍融作用對土體的抗剪強(qiáng)度基本無影響；當(dāng)土體含水率未達(dá)到飽和時(shí)，凍融作用對土體的抗剪強(qiáng)度有一定的影響，并且隨含水率的增加，凍融作用對土體抗剪強(qiáng)度的影響幅度增大，隨凍融次數(shù)的增加，土體力學(xué)性質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)土體含水率大于或者等于飽和含水率時(shí)，凍融作用對土體抗剪強(qiáng)度的影響程度有限，并且較少的凍融次數(shù)下，土體抗剪強(qiáng)度很快趨于穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可見，粗角礫土的抗剪強(qiáng)度在凍融作用下逐漸降低，當(dāng)含水率為10%、15%時(shí)，6次凍融后土體的抗剪強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)含水率為20%時(shí)，3次凍融后土體的抗剪強(qiáng)度就趨于穩(wěn)定了。細(xì)角礫在凍融作用下土體的抗剪強(qiáng)度并非一直降低，當(dāng)含水率為10%時(shí)，凍融作用使土體的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；土體含水率為15%、20%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度持續(xù)減小，6次凍融后，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。礫砂在凍融作用下土體抗剪強(qiáng)度也并非一直減小，當(dāng)土體含水率為15%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；土體含水率為10%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度呈增大的趨勢，并在6次凍融后穩(wěn)定；土體含水率為20%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，6次凍融后趨于穩(wěn)定。結(jié)合表1擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，凍融作用對土體抗剪強(qiáng)度影響的變化規(guī)律還與土體的最優(yōu)含水率有關(guān)，當(dāng)土體含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，凍融作用使土體的抗剪強(qiáng)度在一定程度上有所增大，當(dāng)土體的含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，凍融作用使土體的抗剪強(qiáng)度降低。

2.2 溫度對抗剪強(qiáng)度的影響

為了研究溫度對土體抗剪強(qiáng)度的影響，對粗角礫、細(xì)角礫和礫砂分別在不同溫度下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，土體抗剪強(qiáng)度隨溫度變化曲線見圖4。在非凍結(jié)條件下，土體抗剪強(qiáng)度不受溫度影響，當(dāng)土體溫度為負(fù)溫時(shí)，由于土中孔隙水在負(fù)溫作用下凍結(jié)成孔隙冰，土體的抗剪強(qiáng)度除了顆粒間的咬合力和黏聚力外，還與土體中已凍結(jié)的孔隙冰含量有關(guān)。剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，在凍結(jié)條件下相同含水率的同一種土的抗剪強(qiáng)度隨溫度的降低而增大，主要是因?yàn)橥馏w中未凍水含量隨溫度的降低而減少，孔隙冰使顆粒間的黏結(jié)變?yōu)楸B接，提高了土體的黏聚力，進(jìn)而增大了土體的抗剪強(qiáng)度，但不同粒徑大小的土體表現(xiàn)出的變化規(guī)律各不相同。在含水率均為15%的條件下，凍結(jié)溫度從-5 ℃降為-10 ℃時(shí)，粗角礫的抗剪強(qiáng)度從730 kPa增加到744 kPa，粗角礫土體抗剪強(qiáng)度增加了6.8%；細(xì)角礫的抗剪強(qiáng)度從549 kPa增加到612 kPa，細(xì)角礫土體的抗剪強(qiáng)度增加了11.5%；礫砂的抗剪強(qiáng)度從381 kPa增加到464 kPa，礫砂的抗剪強(qiáng)度增加了21.8%。凍結(jié)溫度從-10 ℃降為-15 ℃時(shí)，粗角礫的抗剪強(qiáng)度從744 kPa增加到765 kPa，土體抗剪強(qiáng)度增加了2.8%；細(xì)角礫的抗剪強(qiáng)度從612 kPa增加到625 kPa，土體抗剪強(qiáng)度增加了2.1%；礫砂的抗剪強(qiáng)度從464 kPa增加到479 kPa，礫砂的抗剪強(qiáng)度增加了3.2%。從上述試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)條件下，顆粒越粗，孔隙中的未凍含水量越少，負(fù)溫對土體的抗剪強(qiáng)度影響越小。-15 ℃條件下，不同類型土體的抗剪強(qiáng)度變化基本趨于穩(wěn)定。

2.3 粗粒含量對抗剪強(qiáng)度的影響

文獻(xiàn)[17-18]指出，在粗顆粒土的工程應(yīng)用中，通常以粒徑5 mm作為粗、細(xì)顆粒的分界，以大于5 mm顆粒的含量P5(P5指土體中粒徑大于5 mm的顆粒質(zhì)量占土體總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))作為粗粒含量進(jìn)行討論。一般認(rèn)為粗顆粒土的抗剪強(qiáng)度主要由細(xì)顆粒本身強(qiáng)度、粗顆粒間的強(qiáng)度、粗和細(xì)顆粒間的強(qiáng)度組成。本試驗(yàn)中，粗角礫P5的含量為70.2%，超過70%，其抗剪強(qiáng)度主要取決于粗顆粒間的強(qiáng)度；細(xì)角礫P5的含量為42.3%，介于30%～70%間，土體的抗剪強(qiáng)度主要由粗、細(xì)料間的共同作用決定；礫砂P5的含量為14.8%，小于30%，土體的抗剪強(qiáng)度主要決定于細(xì)料。非凍結(jié)狀態(tài)下，相同含水率的土體抗剪強(qiáng)度的大小順序依次為粗角礫>細(xì)角礫>礫砂，說明土體的抗剪強(qiáng)度主要由粗顆粒的大小及顆粒含量確定的，顆粒粒徑越大、粗粒含量越多，土體的抗剪強(qiáng)度越大。凍結(jié)狀態(tài)下，由于孔隙冰的介入，土體的抗剪強(qiáng)度不僅僅取決于粗粒含量及顆粒大小，還受土體中孔隙冰多少的因素影響，由圖3、圖4可見，土體中粗粒含量越多，土體抗剪強(qiáng)度的增幅越不明顯。

2.4 含水率對抗剪強(qiáng)度的影響

對粗角礫、細(xì)角礫和礫砂分別在不同含水率狀態(tài)下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，土體抗剪強(qiáng)度隨含水率變化試驗(yàn)曲線見圖5、圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，非凍結(jié)狀態(tài)下，隨土體含水率的增加，土體的抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出降低的變化趨勢。對于粗角礫而言，土體的抗剪強(qiáng)度主要以粗顆粒間的強(qiáng)度為主，土體含水率的增加對其摩擦角的影響較大，水在顆粒間主要起潤滑的作用，減小了顆粒間的咬合力，使土體的摩擦角減小,當(dāng)含水率從10%增加到20%時(shí)，粗角礫的摩擦角降低21.3%，黏聚力降低了3.4%，黏聚力的變化不顯著。對于細(xì)角礫，含水率的增加對土體的摩擦角和黏聚力均不同程度的減小，含水量的增加導(dǎo)致結(jié)合水膜的增厚，顆粒間的吸引力減小，粗、細(xì)顆粒間的咬合力在水的潤滑作用下也不同程度的減小，摩擦角降低了16.5%，黏聚力降低了13.2%。對于礫砂，由于其細(xì)粒含量較多，含水率的增加導(dǎo)致土粒之間的距離增大，使土顆粒間的吸引力減小，土體的黏聚力大幅降低，黏聚力降低了23.1%，摩擦角降低了9.6%。

凍結(jié)狀態(tài)下，土體的抗剪強(qiáng)度主要由土中的孔隙冰、顆粒之間的黏聚力和咬合力、粗顆粒本身強(qiáng)度等共同確定。隨含水率的增加，土體中的孔隙冰含量增多導(dǎo)致土體的黏聚力急劇增加，但由于孔隙中冰水相變膨脹，導(dǎo)致土顆粒之間的咬合力降低，土體的摩擦角呈減小的變化趨勢。當(dāng)凍結(jié)溫度為-15 ℃，含水率從10%增加到20%時(shí)，粗角礫的黏聚力從639 kPa增加到1 040 kPa，黏聚力增加了62.8%，摩擦角從28.6°減小到25.2°，摩擦角降低了12%；細(xì)角礫黏聚力從519 kPa增加到814 kPa，黏聚力增加了57%，摩擦角從24.4°降低到20.1°，摩擦角降低了17.6%；礫砂黏聚力從379 kPa增加到550 kPa，黏聚力增加了45%，摩擦角從18.7°降低到14.6°，摩擦角降低了22%。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果分析，含水率對不同土體在不同狀態(tài)下的影響不同。在非凍結(jié)狀態(tài)下，隨土體含水率的增加，其抗剪強(qiáng)度降低，粗粒含量越多，含水率對其摩擦角的影響越大，反之則主要影響其黏聚力的大小。在凍結(jié)狀態(tài)下，隨含水率的增加，土體的黏聚力有所增加，摩擦角呈減小的變化規(guī)律，顆粒越粗，孔隙中的水在負(fù)溫作用下凍結(jié)越充分，黏聚力的增加幅度越大，細(xì)粒含量越多，未凍結(jié)的水分越多，從而導(dǎo)致土體的摩擦角在未凍水和孔隙冰的潤滑作用下呈現(xiàn)減小的趨勢。

3 結(jié)論

(1) 凍融作用對土體抗剪強(qiáng)度的影響變化規(guī)律與土體的最優(yōu)含水率有關(guān)，當(dāng)土體含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，凍融作用使土體的抗剪強(qiáng)度在一定程度上有所增大，當(dāng)土體的含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，凍融作用使土體的抗剪強(qiáng)度降低。川藏線季節(jié)性粗顆粒凍土經(jīng)過6次凍融作用，其力學(xué)性質(zhì)基本穩(wěn)定。

(2) 在-15 ℃的凍結(jié)條件下，粗顆粒凍土的抗剪強(qiáng)度變化基本趨于穩(wěn)定。其他條件相同的情況下，顆粒越粗，負(fù)溫對土體的抗剪強(qiáng)度影響越小。

(3) 非凍結(jié)狀態(tài)下，土體抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而降低。對于粗粒含量越多的土體主要表現(xiàn)在摩擦角的減小，反之則體現(xiàn)在黏聚力的減小。

(4) 凍結(jié)狀態(tài)下，隨含水率的增加，土體的黏聚力有所增加，摩擦角呈減小的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李振，李鵬.粗粒土直接剪切試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律[J].防滲技術(shù)，2002，8(1)：11-14.

LI Zhen，LI Peng. The Variety Regulation of Gravel Soil Shear Strength Index During the Direct Shear Test[J].Technique of Seepage Control,2002,8(1):11-14.

[2] 魏厚振，汪稔，胡明鑒，等.蔣家溝礫石土不同含水率直剪強(qiáng)度特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008，22(5)：221-224.

WEI Houzhen ，WANG Ren，HU Mingjian，et al.Strength Behaviour of Gravelly Soil With Different Water Content in Jiangjiagou Ravine[J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,22(5):221-224.

[3] 薛亞東, 岳磊, 李碩標(biāo). 含水率對土石混合體力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2015, 23(1):21-29.

XUE Yadong，YUE Lei，LI Shuobiao.Experimental Study on Mechanical Properties of Soil Rock Mixture Containing Water[J].Journal of Engineering Geology, 2015, 23(1):21-29.

[4] 趙川, 石晉旭, 唐紅梅. 三峽庫區(qū)土石比對土體強(qiáng)度參數(shù)影響規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 公路, 2006(11):32-35.

ZHAO Chuan，SHI Jinxu，TANG Hongmei.Experimental Study on the Influence of Soil Rock Ratio on Strength Parameters of Three Gorges Reservoir[J].Highway, 2006(11):32-35.

[5] 郭慶國.關(guān)于粗粒土抗剪強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，1987(5)：59-65.

GUO Qingguo. Experimental Study on Shear Strength of Coarse Grained Soil[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1987(5)：59-65.

[6] 魏松, 朱俊高, 錢七虎,等. 粗粒料顆粒破碎三軸試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2009, 31(4):533-538.

WEI Song，ZHU Jungao，QIAN Qihu,et al. Particle Breakage of Coarse-grained Materials in Triaxial Tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(4):533-538.

[7] 王光進(jìn), 楊春和, 張超,等. 粗粒含量對散體巖土顆粒破碎及強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(12):3649-3654.

WANG Guangjin，YANG Chunhe，ZHANG Chao,et al.Experimental Research on Particle Breakage and Strength Characteristics of Rock and Soil Materials with Different Coarse-grain Contents[J].Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(12):3649-3654.

[8] 王鵬程, 劉建坤, 李旭,等. 直剪條件下碎石集料力學(xué)特性研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014,36(2):103-108.

WANG Pengcheng,LIU Jiankun,LI Xu,et al.Mechanical Behavior of Crushed Stone Aggregate Subjected to Direct Shear Conditions[J].Journal of the China Railway Society, 2014,36(2):103-108.

[9] 陳堅(jiān), 羅強(qiáng), 陳占,等. 客運(yùn)專線基床底層礫石土填料物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2011, 33(7):91-97.

CHEN Jian,LUO Qiang,CHEN Zhan, et al.Experimental Research on Physical and Mechanical Properties of Gravelly Soil Filling the Base Course of the Subgrade Bed of Passenger Dedicated Line[J]. Journal of the China Railway Society, 2011,33(7):91-97.

[10] 卜建清, 王天亮. 凍融及細(xì)粒含量對粗粒土力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(4):608-614.

BU Jianqing,WANG Tianliang.Influences of Freeze-thaw and Fines Content on Mechanical Properties of Coarse-grained Soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(4):608-614.

[11] 王青志, 朱鑫鑫, 劉建坤,等. 寒區(qū)高速鐵路路基粗顆粒填料大型直剪試驗(yàn)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2016, 38(8):102-109.

WANG Qingzhi,ZHU Xinxin,LIU Jiankun, et al.Experimental Study on Direct Shear Tests of Coarse-grained Fillings of High-speed Railway Subgrade in Cold Region[J]. Journal of the China Railway Society, 2016, 38(8):102-109.

[12] 中華人民共和國水利部. SL 237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京: 中國水利水電出版社，1999.

[13] INDRARATNA B,WIJEWARDENA L S S,BALASU-BRAMANIAM A S.Large-scale Trialxial Testing of Grey Wacke Rockfill[J].Geotechnique,1993,43(1):37-51.

[14] MARSAL R J.Mechanical Properties of Rockfill[J].Em-bankment-dam Engineering,1975,12(4):109-200.

[15] 王靜. 季凍區(qū)路基土凍融循環(huán)后力學(xué)特性研究及微觀機(jī)理分析[D]. 長春：吉林大學(xué), 2012：31-33.

[16] 王天亮, 王揚(yáng), 劉建坤. 凍融作用下石灰土填料的力學(xué)特性研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014,36(2):109-115.

WANG Tianliang,WANG Yang,LIU Jiankun.Mechanical Properties of Lime-modified Soil under Repeated Freezing and Thawing[J]. Journal of the China Railway Society, 2014,36(2):109-115.

[17] 郭慶國. 粗顆粒土的工程特性及應(yīng)用[M]. 鄭州：黃河水利出版社，1991：10-13.

[18] 陳堅(jiān)，羅強(qiáng)，張良，等.高速鐵路基床表層級配碎石填料土體結(jié)構(gòu)類型試驗(yàn)分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015,37(11)：82-88.

CHEN Jian,LUO Qiang,ZHANG Liang,et al.Experimental Analysis on Soil Structure Type of Graded Gravelly Soil Filling Surface Layer of Subgrade of High-speed Railway[J]. Journal of the China Railway Society, 2015,37(11):82-88.