探究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)于軟土路基強(qiáng)度的影響

張崇康 邱泰瑞 孫僑甫

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引言

軟土地基是工程中的常見(jiàn)問(wèn)題，其抗剪強(qiáng)度直接決定了施工難度以及工程質(zhì)量。而我國(guó)國(guó)土面積的53.3%又處于季凍區(qū)，位于季凍區(qū)的土基會(huì)隨著氣候自然周期的變化發(fā)生凍融循環(huán)，對(duì)于土顆粒之間形成的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，因而導(dǎo)致土體的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等受到影響產(chǎn)生改變。因此凍融循環(huán)對(duì)于土體強(qiáng)度的影響一直以來(lái)都是眾多專家學(xué)者的熱門研究方向。江宗斌等[1]通過(guò)三軸試驗(yàn)，對(duì)凍融過(guò)程特性的變化進(jìn)行了研究。王平等[2]從微觀角度進(jìn)行分析，得到凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c有較大影響的結(jié)論。何靜科等[3]選取了東三省的路基黏土作為實(shí)驗(yàn)材料，探究發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)趨于平穩(wěn)。劉寒冰等[4]進(jìn)行了多元非線性擬合，以塑性指數(shù)、圍壓大小、凍融循環(huán)周期作為參變量，確定了上述參變量對(duì)于剪切強(qiáng)度峰值的影響，并且擬合效果非常好。丁智等[5]通過(guò)電鏡試驗(yàn)，從微觀角度對(duì)凍融循環(huán)之后的軟土土樣的孔隙特征進(jìn)行詳細(xì)分析。崔宏環(huán)等[6]基于大量數(shù)據(jù)建立本構(gòu)模型，可以較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)凍融循環(huán)作用下路基土的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，對(duì)處于季凍區(qū)的工程施工提供了一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)步驟

1.1 試驗(yàn)用土

本次采用的土樣是取自于內(nèi)蒙古東部地區(qū)的軟土，嚴(yán)格依照J(rèn)TG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程，測(cè)定試驗(yàn)用土詳細(xì)的參數(shù)，其結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)土樣物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)步驟

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得土樣的最佳含水率為23.31%，但由于實(shí)際土體所處季凍性區(qū)域常年含水率高于此值，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際地理?xiàng)l件，選定32%作為試驗(yàn)試件的含水率，可以較好的模擬出當(dāng)?shù)貙?shí)際的狀況。采用0次,1次,3次,6次,10次,15次作為凍融循環(huán)次數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境將制備好的試件放入-20 ℃的溫控箱中凍結(jié)12 h，然后取出放入+10 ℃的溫控箱融化12 h，作為凍融循環(huán)的一個(gè)周期。由于土體實(shí)際受力是三向受壓為主，因此采用三軸試驗(yàn)可以更好的模擬土體的實(shí)際受力狀態(tài)，采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU)可以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，其圍壓分別采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ-6型全自動(dòng)三軸儀作為試驗(yàn)儀器。通過(guò)三軸試驗(yàn)我們能得到摩爾應(yīng)力圓，內(nèi)摩擦角φ，粘聚力c以及剪切峰值，如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

從圖2的趨勢(shì)可以得出，凍融循環(huán)周期對(duì)于粘聚力c的作用效果顯著，隨凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)粘聚力c也逐漸上升，其大小趨近于未凍融土體的數(shù)值。

從圖3曲線形式可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)，內(nèi)摩擦角φ表現(xiàn)為先遞增后遞減再遞增的變化形式，且在凍融循環(huán)周期為6的附近達(dá)到最小極值。當(dāng)凍融周期達(dá)到15時(shí)，其內(nèi)摩擦角φ已經(jīng)超過(guò)了未凍融之前的數(shù)值。其變化趨勢(shì)與薛楠[7]的結(jié)論基本吻合。

綜合圖4中的線形變化，伴隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，在不同圍壓下的剪切峰值均出現(xiàn)了先增大后減小再增大的趨勢(shì)，其剪切峰值逐漸趨向于未凍結(jié)之前的土樣，其變化規(guī)律與內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律大致相同，且在凍融循環(huán)周期為6時(shí)剪切峰值達(dá)到最小值，這與王平等[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是相同的。隨環(huán)向壓力的增長(zhǎng)，剪切強(qiáng)度峰值在每個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)都表現(xiàn)為增強(qiáng)。這與劉寒冰等[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是相同的，其變化規(guī)律符合實(shí)際。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

隨著凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)，不同圍壓下的土樣試件的剪切峰值及力學(xué)指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c總趨勢(shì)是逐漸趨于平穩(wěn)，并趨近于未進(jìn)行凍融循環(huán)的土體強(qiáng)度以及指標(biāo)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是，當(dāng)產(chǎn)生凍融循環(huán)時(shí)，位于土體孔隙之間的水產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生體積膨脹，打破了原本土體建立的骨架結(jié)構(gòu)體系相對(duì)穩(wěn)定的形式，所以最初發(fā)生凍融狀態(tài)時(shí)，對(duì)土體力學(xué)性能的作用效果最大，但隨著凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)，試件內(nèi)部土顆粒重新發(fā)生排列，使其逐漸達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此凍融循環(huán)后期孔隙水壓力對(duì)于強(qiáng)度影響變小。

3 結(jié)語(yǔ)

1)粘聚力c隨著凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)而增大，并漸漸趨向于未進(jìn)行凍融的試件。

2)內(nèi)摩擦角φ受凍融循環(huán)周期的作用效果顯著，并隨著凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出先遞增后遞減再遞增的線形走向。

3)相同圍壓條件下，土樣剪切峰值的整體趨勢(shì)呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化，其線形趨勢(shì)與內(nèi)摩擦角φ的線形趨勢(shì)相近，且拐點(diǎn)都基本位于凍融周期為6的附近。隨試件圍壓的增加，每個(gè)凍融循環(huán)周期下試件的剪切強(qiáng)度均產(chǎn)生增長(zhǎng)。

4)土樣剪切峰值受凍融循環(huán)的干擾效果顯著，且隨凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)逐漸趨于平穩(wěn)，并有趨近于未進(jìn)行凍融循環(huán)土樣的剪切峰值及其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的趨向。

5)伴隨凍融循環(huán)周期的增加，該土樣的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均有趨向于未凍融之前土樣的趨勢(shì)。當(dāng)凍融現(xiàn)象發(fā)生前幾次時(shí)，土顆粒穩(wěn)定骨架體系受影響較大，隨凍融循環(huán)周期的增長(zhǎng)，土體重新排列，結(jié)構(gòu)重新整合，使其漸漸達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，故其剪切峰值、內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c均趨向于穩(wěn)定，并向未進(jìn)行凍融循環(huán)的土體強(qiáng)度靠近。