凍結(jié)溫度對凍融黃土力學(xué)特性的影響規(guī)律研究

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(西安科技大學(xué) a.建筑與土木工程學(xué)院; b.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054 )

1 研究背景

我國黃土廣泛分布在西北和華北地區(qū)，處于季節(jié)性凍土地區(qū)。季節(jié)性凍土地區(qū)的黃土構(gòu)筑物在其施工及運(yùn)營階段，將會不可避免地經(jīng)受凍融循環(huán)作用。凍融循環(huán)過程會強(qiáng)烈地改變土體的原生結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黃土物理力學(xué)特性出現(xiàn)劣化。凍融作用是季節(jié)性凍土地區(qū)黃土構(gòu)筑物工程性質(zhì)劣化的重要原因之一。

土體的凍融循環(huán)是凍土物理學(xué)和實(shí)際工程建設(shè)中的一個重要研究方向，試驗(yàn)結(jié)果表明：土體的粒度組成、含水率、重度、強(qiáng)度和滲透等都會因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用而發(fā)生改變[1-4]。楊更社等[5-6]運(yùn)用損傷力學(xué)的研究方法對凍融循環(huán)的土體進(jìn)行了CT掃描，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體CT數(shù)減小而方差增大；歷經(jīng)15次凍融循環(huán)后，土體CT數(shù)呈現(xiàn)平緩現(xiàn)象；依據(jù)構(gòu)度理念，提出了凍融循環(huán)狀態(tài)后的原狀-重塑黃土構(gòu)度變化趨勢，該趨勢可能是由于黃土的結(jié)構(gòu)性被凍融循環(huán)和土中水的綜合作用破壞的結(jié)果。葉萬軍等[7]進(jìn)行了洛川黃土的凍融循環(huán)試驗(yàn)，前幾次循環(huán)引發(fā)土體體積增大、含水率產(chǎn)生較大變化，凍脹力的產(chǎn)生和消失對土體產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞，凍融循環(huán)周期達(dá)到10次以后，土體物理力學(xué)狀態(tài)開始趨于穩(wěn)定。田俊峰等[8]通過壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會使土體的干密度、空隙比和體積均增加，壓縮系數(shù)變化值與凍融循環(huán)次數(shù)、含水率呈正相關(guān)。宋春霞等[9-10]對蘭州黃土做了一系列的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性質(zhì)在經(jīng)過一次凍融循環(huán)之后發(fā)生了明顯的變化，凍融循環(huán)造成不同干重度黃土試樣產(chǎn)生了強(qiáng)化和弱化的2種效果;試驗(yàn)對比分析了青藏黏土和蘭州黃土在經(jīng)受凍融循環(huán)后力學(xué)特性，得到凍融對青藏黏土的影響更大。王大雁等[11]研究了凍融循環(huán)條件中青藏黏土的物理力學(xué)特性的變化過程，得出土體由可變狀態(tài)發(fā)生連續(xù)不間斷的動態(tài)變化，最后趨向一個不變的變化過程中，反而數(shù)次的凍融循環(huán)作用致使土體的構(gòu)造性和穩(wěn)定特征產(chǎn)生了改變，將土體連續(xù)不間斷朝向新的動態(tài)平衡穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變總結(jié)概括為凍融循環(huán)作用。劉麗萍[12]通過物理力學(xué)試驗(yàn)對重塑土和人工結(jié)構(gòu)性的黃土進(jìn)行研究，得出黃土的初始干密度會對其特征有很大的影響。楊俊等[13]研究了風(fēng)化砂改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與風(fēng)化砂摻量、凍融循環(huán)次數(shù)之間的定性和定量關(guān)系。當(dāng)摻砂比例為10%時,風(fēng)化砂改良膨脹土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，在同一摻砂比例下,風(fēng)化砂改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小,其降低的幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大也呈減小的趨勢。蔣先剛[14]從含水率、圍壓、水泥含量、溫度等多方面的變化因素出發(fā)，分析總結(jié)了黃土力學(xué)特性變化規(guī)律。陳有亮等[15]在恒定應(yīng)力不同加載速率下試驗(yàn)研究了凍土的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度，由此得到了不同凍結(jié)溫度、不同加載速率下凍土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。發(fā)現(xiàn)應(yīng)變增長的速率導(dǎo)致無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度以冪函數(shù)增大；凍結(jié)溫度的降低導(dǎo)致無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)線性增大。

以上研究主要針對凍融后的試樣，開展了含水率、干密度及強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)測試，并分析了土體凍融后的力學(xué)變化規(guī)律與微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。試驗(yàn)過程中含水率主要以天然含水率進(jìn)行控制，凍結(jié)溫度往往設(shè)定為常量。本文將凍結(jié)溫度設(shè)定為5種工況(0，-5，-10，-15，-20 ℃)，分別測試了不同凍結(jié)溫度時土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及壓縮性等指標(biāo)，分析了凍結(jié)溫度對凍融黃土力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)簡介

2.1 工程概況

本文以山西平陽高速公路陽曲一號黃土公路隧道為工程背景，隧道地處季節(jié)性凍土區(qū)，晝夜溫差大。統(tǒng)計2000—2015年期間陽曲地區(qū)冬季(12月、1月、2月)的月平均低溫分別為-13.6，-15.3，-10.6 ℃，整個冬季的低溫平均值為-13.2 ℃。隧道為單洞三車道，單洞開挖面積160 m2，跨度17 m。黃土圍巖含水率為14.42%～29.10%，由于含水率高且受凍融作用，隧道時常出現(xiàn)塌方、掉拱等事故，遇到融沉期土體強(qiáng)度大大減弱并且自穩(wěn)性差。試驗(yàn)所用土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)的方法進(jìn)行土樣的制備。陽曲地區(qū)黃土天然含水率為21.54%，試驗(yàn)得到最優(yōu)含水率為18%，基準(zhǔn)天然含水率為22%，差值定為4%以增加試驗(yàn)的差異性，從而將設(shè)計土樣制成14%，18%，22%，26%的含水率。試樣在最優(yōu)含水率下對應(yīng)的最大干密度為1.5 g/cm3，確保試樣的干密度相同、含水率不同，以防止雙變量的產(chǎn)生而引發(fā)較大誤差。

使用水膜轉(zhuǎn)移法改變現(xiàn)場取回的土樣的含水率，根據(jù)理論計算所配水量的多少，用注射器在試樣表面各處緩慢、均勻滴入預(yù)定的水量，然后把試樣放置在一密閉的容器里養(yǎng)護(hù)數(shù)天，使水分在水膜壓力的作用下逐漸轉(zhuǎn)移，最后均勻分布在試樣內(nèi)部。

將不同含水率的土樣放置在RTP-175BU可編程式高低溫試驗(yàn)箱，設(shè)置凍結(jié)溫度為0，-5，-10，-15，-20 ℃，凍結(jié)時間為12 h，隨后在15 ℃下融化12 h，然后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及壓縮性力學(xué)試驗(yàn)(圖1)。

圖1 黃土試樣Fig.1 Loess samples

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 凍結(jié)溫度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

在無側(cè)限單軸試驗(yàn)條件下，對4種含水率(w)黃土試樣進(jìn)行不同溫度下低溫凍結(jié)試驗(yàn)，通過相應(yīng)的含水率凍融樣的力學(xué)特性對比來研究凍結(jié)溫度對黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。

圖2為不同含水率試樣在經(jīng)歷不同凍結(jié)溫度的凍融循環(huán)后，無側(cè)限單軸抗壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 不同含水率試樣無側(cè)限單軸抗壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of loess samples of different moisture contents under unconfined uniaxial compression

由圖2可見：

(1)隨著凍結(jié)溫度的降低，不同含水率黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均減小，主要因?yàn)辄S土內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的聯(lián)接強(qiáng)度受到低溫影響從而發(fā)生弱化。凍結(jié)溫度越低，未凍水轉(zhuǎn)化成冰的比例就會越多，冰晶體體積的增大，將會直接擠壓土顆粒骨架，破壞效果相應(yīng)的越大，損傷值也就越大，導(dǎo)致強(qiáng)度下降明顯。

(2)14%和18%含水率的黃土應(yīng)力峰值出現(xiàn)在應(yīng)變?yōu)?.5%～2%處，22%含水率土樣的應(yīng)力峰值所對應(yīng)的應(yīng)變處于2%～4%，即應(yīng)力峰值出現(xiàn)得更晚；而26%含水率的土樣，黃土一直處于壓密階段，未出現(xiàn)應(yīng)力峰值，不同凍結(jié)溫度下的5條曲線接近重合，凍結(jié)溫度對該含水率土樣的影響較小。

(3)受到不同凍結(jié)溫度的影響，黃土試樣的無側(cè)限單軸強(qiáng)度峰值下降差值區(qū)別較大。14%含水率的試樣在0 ℃下降至-20 ℃時，溫度每下降5 ℃，相鄰低溫應(yīng)力差值為(3±0.5) kPa；18%和22%含水率試樣對應(yīng)的應(yīng)力差值分別為(2±0.5) kPa、(1±0.5)kPa；26%含水率試樣表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力軟化，無明顯的應(yīng)力峰值。

凍結(jié)溫度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖3。

圖3 凍結(jié)溫度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between freezing temperature and unconfined compressive strength

由圖3可見:14%,18%和22%含水率試樣在凍結(jié)溫度由0 ℃降低至-20 ℃時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出線性降低的趨勢,且下降幅度大致相同；而含水率為26%的試樣強(qiáng)度基本無變化。

3.2 凍結(jié)溫度對抗剪強(qiáng)度的影響

針對不同凍結(jié)溫度下凍融土樣開展直剪試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)歷時3～5 min，法向壓力σ分別為100, 200, 400 kPa。試樣在3級壓力下的抗剪強(qiáng)度τ一般取應(yīng)力峰值強(qiáng)度或者應(yīng)變在15%時所對應(yīng)的應(yīng)力大小。試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)曲線見圖4。

圖4 不同含水率試樣直剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of direct shear test on loess samples of different moisture contents

圖5給出了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與凍結(jié)溫度及土樣含水率的關(guān)系。

圖5 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與凍結(jié)溫度及土樣含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship of shear strength indexes versus freezing temperature and moisture content of sample

由圖5(a)和圖5(c)可見，在凍結(jié)溫度降低過程中，不同含水率的黃土黏聚力總體上表現(xiàn)出下降趨勢。14%含水率的試樣在0 ℃凍結(jié)融化后的黏聚力為54.10 kPa，在溫度降至-20 ℃時凍結(jié)融化后黏聚力下降至46.40 kPa，下降值為7.7 kPa；含水率為18%，22%，26%的黃土從凍結(jié)溫度0 ℃降至-20 ℃時，黏聚力分別下降16.04，4.92，9.33 kPa。分析原因主要是低溫凍結(jié)黃土試樣后，土體顆粒間的水轉(zhuǎn)化成固態(tài)冰，冰的存在影響了顆粒內(nèi)部的聯(lián)接力。初始含水率越大，相應(yīng)形成的固態(tài)冰也就會越多，毀壞程度也越大，進(jìn)行土體直剪試驗(yàn)時，表現(xiàn)為黏聚力快速下降。

土樣內(nèi)摩擦角隨著凍結(jié)溫度的變化趨勢見圖5(b)。14%含水率的土樣0 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角為11.711°，-5 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角減小至10.934°，-10 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角增加至11.072°，-15 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角增加至11.128°，-20 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角減小至11.100°；18%含水率的土樣0 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角增加2.176°，-5 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角減小0.016°，-10 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角增加1.212°，-15 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角增加0.09°，-20 ℃凍結(jié)后內(nèi)摩擦角減小0.847°；22%含水率的土樣經(jīng)凍融后內(nèi)摩擦角增量分別為2.052°,1.266°,1.561°，0.834°，0.401°；26%含水率的土樣經(jīng)凍融后內(nèi)摩擦角增量分別為2.862°，1.396°，0.545°，-0.97°，-0.503°。不同含水率黃土隨著凍結(jié)溫度降低，每降低5 ℃，內(nèi)摩擦角變化值開始表現(xiàn)為減小趨勢，且隨著含水率的增加，變化值變得有正變負(fù)，變化范圍為0°～2°。

試驗(yàn)結(jié)果表明：由于含水率較低的土樣中土顆粒吸濕作用有限，在土顆粒外為薄膜水和結(jié)構(gòu)中主要是毛細(xì)水的情況下，凍融循環(huán)對土顆粒結(jié)構(gòu)的破壞作用有限；隨著含水率的提高，土顆粒之間的自由水量增加，在凍結(jié)過程中形成的冰晶體較大，體積膨脹明顯，土的結(jié)構(gòu)不足以限制其變形從而導(dǎo)致土中結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒重新排布，這個過程中對土顆粒之間的膠結(jié)性破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致黏聚力下降。

3.3 凍結(jié)溫度對壓縮性能的影響

不同凍結(jié)溫度凍融后對試樣開展壓縮試驗(yàn)，固結(jié)壓縮試驗(yàn)中采用垂直荷載分別為50，100，200，300 kPa。依據(jù)規(guī)范要求在指定時間記錄壓縮變形值，隨后通過壓縮理論計算公式得到壓縮曲線,見圖6。

圖6 不同含水率試樣壓縮試驗(yàn)曲線Fig.6 Curves of compression test on samples of different moisture contents

由圖6可見，各含水率土樣在5種凍結(jié)溫度下，在垂直壓力逐級增大的情況下，孔隙比均逐漸下降。在垂直壓力為50 ～300 kPa時，含水率為14%的黃土，隨凍結(jié)溫度降低，孔隙比下降率由4.91%增加至9.2%；含水率為18%的黃土，孔隙比下降由7.24%增加至9.4%；含水率為22%的黃土，孔隙比下降率基本持平在8%至10%之間；含水率為26%的黃土，孔隙比下降基本持平在14%至15%之間。由此可以看出，處于低含水率(14%,18%)時，毛細(xì)水及自由水含量低，由于水形成冰凍脹量較小及良好的土體結(jié)構(gòu)對凍脹的束縛，土樣孔隙比雖隨凍結(jié)溫度的下降而有所下降，但變化量相對不大。隨著含水率增大(22%,26%)，毛細(xì)水和自由水含量的增多直接影響水變?yōu)楸呐蛎浟肯鄳?yīng)增多，對土顆粒連結(jié)的損壞效果增大，因此在垂直荷載增大的過程中,土樣孔隙比隨凍結(jié)溫度的下降而降低的幅度就有所增加。凍結(jié)溫度的不同，改變了土體團(tuán)聚體的大小和穩(wěn)定性。溫度越低，土體顆粒間的冰晶體破壞了粒間的膠結(jié)，團(tuán)聚體遭受到的破壞能力就越強(qiáng)。凍融周期作用有效地將土體中大團(tuán)聚體破壞，形成大量的小團(tuán)聚體，從而導(dǎo)致黃土顆?？紫对龆?。

根據(jù)壓縮曲線計算出試樣的壓縮系數(shù)，并建立壓縮系數(shù)與凍結(jié)溫度、含水率之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 壓縮系數(shù)與凍結(jié)溫度、含水率的關(guān)系Fig.7 Relationship of compression coefficient versus freezing temperature and moisture content

不同凍結(jié)溫度下，黃土的壓縮系數(shù)呈現(xiàn)出不規(guī)律性,隨著凍結(jié)溫度的降低，壓縮系數(shù)時增時減。圖7(a)為壓應(yīng)力范圍在0～300 kPa下壓縮系數(shù)隨凍結(jié)溫度的變化曲線。由圖7(a)可以看出：壓縮系數(shù)的變化呈現(xiàn)波浪性的增大或者減小，可能是由于較小凍結(jié)溫度差作用的影響。

通過圖7(b)對比4種含水率土樣的壓縮變形系數(shù)可見：含水率14%的土樣，在-15～0 ℃時壓縮系數(shù)變化浮動不大，但在-20 ℃時壓縮系數(shù)有了約1.5倍的增長，究其原因可能是低含水率黃土在-15～0 ℃時下存在較多的不能凍結(jié)的孔隙水和薄膜水，對壓縮系數(shù)影響較小，而當(dāng)溫度下降到某一極值(如-20 ℃)后，水分的凍結(jié)產(chǎn)生了較大的影響；含水率18%的土樣，在凍結(jié)溫度下降的過程中，壓縮系數(shù)較均勻地增大；含水率22%的土樣，在凍結(jié)溫度下降的過程中，壓縮系數(shù)較均勻地下降，但相比18%的土樣，相鄰凍結(jié)溫度下壓縮系數(shù)的差值比含水率18%的土樣大；含水率26%的土樣，在凍結(jié)溫度下降的過程中，出現(xiàn)了變化浮動多集中在±0.05 MPa-1之間的現(xiàn)象，高含水率中影響較多的是土中自由水的因素，尚未影響土顆粒間的薄膜水，所以高含水率對黃土的壓縮系數(shù)影響較小。

4 結(jié)論與展望

(1)高含水率黃土歷經(jīng)不同凍結(jié)溫度后，不同含水率黃土試件的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度均減小，溫度越低，未凍水轉(zhuǎn)化為冰的比例越大，擠壓土顆粒骨架就越緊密，土的結(jié)構(gòu)破壞得越大，其損傷值就越大，導(dǎo)致黃土融化后強(qiáng)度下降就越快；但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水率高過某一臨界值時，凍結(jié)溫度的改變將不會對黃土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度造成較大影響。

(2)不同含水率的土樣黏聚力都呈現(xiàn)出隨負(fù)溫的降低而略微下降，同樣在含水率達(dá)到某一值后，黏聚力值的改變也變得微??；黃土試件的內(nèi)摩擦角變化呈現(xiàn)先減小后增加，變化量約為0°～2°。

(3)14%和26%的含水率黃土的壓縮系數(shù)在-20 ℃凍結(jié)后的增幅都出現(xiàn)0.1 MPa-1以上的增長，其余低溫情況下變化幅度比較微弱，表明在不大的凍結(jié)溫度變幅對壓縮系數(shù)影響較小；而18%和22%含水率黃土的壓縮系數(shù)會隨著凍結(jié)溫度的下降呈現(xiàn)出較均勻的波動變化，壓縮系數(shù)在相鄰負(fù)溫情況下(即溫差為5 ℃)的波動值不超過±0.1 MPa-1。

試驗(yàn)設(shè)定的凍結(jié)溫度較固定，未進(jìn)行多種溫度梯度下的凍融試驗(yàn)，繼而未分析冷凍狀態(tài)下黃土強(qiáng)度；只在宏觀上對凍融循環(huán)下黃土強(qiáng)度變化進(jìn)行了試驗(yàn)總結(jié)性分析，而針對黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凍融前后微觀上的變化還需要后續(xù)進(jìn)一步研究分析。