凍融循環(huán)下荊門膨脹土剪切試驗研究

朱斯伊 王志儉 曹 玲 邵杰鵬

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

膨脹土是一種廣泛分布于陸地的特殊土，具有典型的“三性”，即脹縮性，裂隙性和超固結(jié)性[1]，在膨脹土地區(qū)建造工程往往容易引發(fā)地基隆起、塌陷、邊坡滑塌等災(zāi)害，且發(fā)生的滑坡多為淺層緩坡，故而引起工程人的重視．針對膨脹土的特性，前人開展了大量的試驗研究，如Mohamed Khemissa等[2]進行了嚴(yán)重超固結(jié)膨脹粘土的一系列室內(nèi)試驗結(jié)果，分析了壓實和干濕循環(huán)對膨脹黏土力學(xué)參數(shù)的影響，建立了地下水位變化后土體運動的預(yù)測模型．楊和平等[3-6]對邊坡膨脹土開展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)不管原狀還是重塑樣經(jīng)干濕循環(huán)后的強度衰減主要是c值大幅降低，其Φ值雖也減小但降幅都不大；用雙直線能較好表征其抗剪強度特征，強度指標(biāo)宜按高、低應(yīng)力段分別獲??；膨脹土的抗剪強度受飽和度影響大，其抗剪指標(biāo)隨飽和度和含水量的變化而變化．邊加敏[7]研究了弱膨脹土的干濕循環(huán)直剪強度特征，提出應(yīng)采用低應(yīng)力下的強度參數(shù)作為膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析的參數(shù)．

近年來，也有少部分學(xué)者考慮到不同氣候地區(qū)的溫度差異，對膨脹土進行了凍融循環(huán)試驗研究，如Jun Luo等[8]對不飽和中膨脹粘土和粉質(zhì)粘土進行了凍結(jié)溫度試驗和分步凍結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)膨脹粘土的凍結(jié)點隨初始含水量變化很大，孔隙水的狀態(tài)和變化是決定非飽和膨脹粘土凍脹特性的關(guān)鍵因素．許雷[9-12]等對南陽膨脹土進行了研究，發(fā)現(xiàn)含水率對膨脹土力學(xué)性質(zhì)影響最明顯,含水率和凍結(jié)溫度間的交互作用對強度影響較為顯著；凍結(jié)溫度對膨脹土體積變化影響最大，膨脹土的體積變化表現(xiàn)為“凍縮融脹”特性．王鳳華等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)離子土壤固化劑加固后的膨脹土在凍融過程中土體溫度變化較為緩慢，不同位置處的土壤含水率變化較小，孔隙率較小，整體穩(wěn)定性較高．

以上學(xué)者通過不同方向?qū)ε蛎浲吝M行研究，為后人探索膨脹土性質(zhì)提供了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗．但迄今為止，對膨脹土經(jīng)歷凍融循環(huán)后的物理特性的研究還很少．本文以荊門膨脹土為研究對象，從不同含水率的角度出發(fā)，研究常規(guī)直剪條件下，不同含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)的重塑膨脹土經(jīng)歷凍融循環(huán)下的強度指標(biāo)變化，為偶發(fā)霜凍地區(qū)的膨脹土工程提供理論依據(jù)．

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自荊門某高速公路邊坡，其外觀為黃灰色，團塊狀、顆粒細(xì)膩、具滑感、遇水軟化崩解，自由膨脹率為60.67%，塑性指數(shù)20.99，屬于中等膨脹土，其基本物理特性見表1，粒徑累計曲線如圖1所示．

表1 膨脹土基本物理特性

圖1 膨脹土粒徑累計曲線

1.2 試樣制備

現(xiàn)場取回的膨脹土經(jīng)晾曬，碾散后過2 mm篩，測定其風(fēng)干含水率，配置15%、19%、23%(±0.05%)含水率土樣，燜料一晝夜，用壓樣法制作環(huán)刀試樣，試樣尺寸為Φ61.8 mm×20 mm，每組制作3個平行試樣，共制作了54個試樣．為了保證膨脹土的膨脹潛勢相同，試樣的干密度統(tǒng)一控制為1.4 g/cm3(±0.02 g/cm3)，并將制作好的試樣用保鮮膜包裹防止水分散失，養(yǎng)護1 d后進行凍融循環(huán)試驗．

1.3 凍融循環(huán)試驗

凍融試驗設(shè)定為冷凍室內(nèi)零下18℃下凍結(jié)12 h，然后取出在實驗室內(nèi)(平均溫度25℃)融化12 h，以此為一個凍融循環(huán)周期．記錄凍融循環(huán)次數(shù)，分別對不同含水率下的膨脹土進行0、1、2、4、8、12次凍融循環(huán)試驗．

1.4 直剪試驗

用四聯(lián)直剪儀對經(jīng)過凍融循環(huán)的試樣進行非飽和固結(jié)快剪試驗，固結(jié)荷載分別為100、200、300、400 kPa，設(shè)定剪切速率為0.8 mm/min，為防止水分蒸發(fā)，采用濕棉花覆蓋壓力板周圍．由于試樣在剪切過程中其強度一直在上升，沒有出現(xiàn)峰值，屬于典型的應(yīng)變硬化型曲線，故剪切至6 mm時停止試驗，并以6 mm時剪切強度作為破壞強度．

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)對膨脹土直剪強度影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)后膨脹土的照片如圖2所示．由圖可見，相較于干濕循環(huán)，凍融循環(huán)造成的裂隙較輕微．

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣照片

2.2 凍融循環(huán)下膨脹土剪應(yīng)力-剪位移曲線及擬合

由圖3可以看出，膨脹土在試驗中不出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化性狀[14]．但是大部分強度的增長發(fā)生在剪切位移2 mm之前(可以達(dá)到65%～85%的剪切強度)．當(dāng)剪切位移為0～1 mm時，剪切強度基本呈線性增長，說明此時膨脹土處于彈性階段，由土體整體結(jié)構(gòu)提供抗剪強度．在剪切位移持續(xù)發(fā)生的情況下，在1～2 mm之間，增長曲線出現(xiàn)拐點，說明土體開始接近極限強度，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，增長速度明顯變緩，土體進入塑性變形階段．在剪切位移達(dá)到2 mm之后，土體實際上已經(jīng)發(fā)生了部分剪切破壞，但是強度一直在上升，這是由于膨脹土本身的高粘聚性，呈現(xiàn)出很強的延展特性，其中垂直壓力越高表現(xiàn)的越明顯．隨著垂直荷載的增加，膨脹土的剪切面由疏松的斷裂形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣纳舷洛e位形態(tài)，剪切面油膩泛有光亮，似搓痕，剪切后試樣如圖4所示(從左到右試樣的固結(jié)壓力分別為100、200、300、400 kPa)．

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下剪應(yīng)力-位移曲線

圖4 剪切后試樣

剪應(yīng)力-剪位移曲線不斷上升可能有以下3個方面的原因：1)膨脹土沒有達(dá)到先期固結(jié)壓力，處于欠固結(jié)狀態(tài)，所以出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象[14]．2)膨脹土在剪切過程中水分逐漸散失，導(dǎo)致土體固結(jié)程度加大，進而出現(xiàn)剪切強度不斷上升．3)由于荊門膨脹土有成團的特性，不易斷裂，試樣在剪切過程中，剪切面上的土體一直相互嵌擠，在剪切面面積不斷減小的過程中，膨脹土被不斷壓密，導(dǎo)致其抗剪強度不斷上升．

將剪應(yīng)力-剪位移曲線通過origin軟件進行擬合，發(fā)現(xiàn)膨脹土在不同階段的剪應(yīng)力-剪位移曲線非常接近于指數(shù)函數(shù)曲線，其增長曲線的擬合公式為：

(1)

其中，τ為剪切強度(kPa)；Δl為剪切位移(mm)；τ0為理想峰值抗剪強度(kPa)；A為放大系數(shù)；n為衰變常數(shù)．

由origin的擬合結(jié)果，得到0.966

根據(jù)圖3中origin擬合的結(jié)果分析可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，A呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律；隨著垂直壓力的增加，A呈線性增加，符合抗剪強度曲線(如圖5所示)的線性規(guī)律．衰變常數(shù)n的值較小，在0.5～2的范圍內(nèi)波動，其值在凍融循環(huán)試驗過程中并無明顯規(guī)律，但是在不同垂直壓力P的作用下，衰變常數(shù)n隨垂直壓力P的增加呈曲線變化，接近于二次多項式曲線．

由于剪切位移為0時，剪切強度τ=τ0-A=0，即τ0=A，故將曲線修正為

(2)

又因為

(3)

故該曲線的準(zhǔn)線為τ=τ0，即當(dāng)剪切位移Δl持續(xù)增加的情況下，抗剪強度最終收斂于τ0，但是土工試驗規(guī)程中規(guī)定，對于剪應(yīng)力-剪位移曲線無明顯峰值的剪切試驗，剪切至位移Δl=6 mm時即停止了試驗，此時的剪切強度

(4)

說明剪切位移在6 mm時已經(jīng)非常接近真實值，故本試驗采用剪切位移6 mm時的剪切強度作為抗剪強度是合理的．

2.3 凍融循環(huán)試驗下膨脹土抗剪強度變化

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，3種不同含水率的膨脹土的抗剪強度與垂直壓力關(guān)系如圖5所示，抗剪強度與垂直壓力呈較好的線性關(guān)系．

圖5 抗剪強度曲線

經(jīng)歷凍融循環(huán)后，各級垂直壓力下的膨脹土的抗剪強度的變化如圖6所示．由圖可見，在凍融循環(huán)的作用下，膨脹土的抗剪強度整體上呈衰減趨勢，而且含水率越低，衰減幅度越大．高含水率(19%、23%含水率)的土樣在凍融循環(huán)過程中，抗剪強度出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢．含水率低的膨脹土在經(jīng)歷2次凍融循環(huán)后，強度幾乎不變；而含水率較高的膨脹土，需要經(jīng)歷8次凍融循環(huán)后方可基本達(dá)到穩(wěn)定，這說明，不同含水率下，膨脹土經(jīng)歷凍融循環(huán)造成的破壞是不一致的．在低含水率時，垂直壓力對膨脹土強度衰減的抑制作用明顯，垂直壓力越大，經(jīng)歷凍融循環(huán)之后膨脹土抗剪強度衰減速度越快．但是隨著含水率的上升，垂直壓力對抗剪強度的衰減速率影響并不十分顯著，當(dāng)接近最佳含水率時(即含水率為23%時)，不同垂直壓力下的衰減曲線幾乎平行，說明含水率較大時，膨脹土抗剪強度的衰減速度由凍融循環(huán)起主導(dǎo)作用．

圖6 膨脹土抗剪強度變化

2.4 凍融循環(huán)試驗下膨脹土c、φ值的變化

由圖7可以看出，含水率為15%的膨脹土粘聚力明顯大于含水率為19%和23%的膨脹土．

圖7 不同含水率膨脹土抗剪強度指標(biāo)對比

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含水率為15%的膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢，而含水率為19%與23%的膨脹土的粘聚力呈先增大后減小的趨勢，內(nèi)摩擦角則呈整體下降趨勢．其中含水率為15%的試樣粘聚力逐漸降低，內(nèi)摩擦角也整體呈下降趨勢，而且第1次和第2次下降幅度較大，分別下降了2.5°和4.27°，在兩次凍融循環(huán)過后，膨脹土的內(nèi)摩擦角幾乎不變．而含水率為19%的試樣，在第1次凍融循環(huán)后，其粘聚力增長了5.42 kPa，而后開始下降，經(jīng)過12次凍融循環(huán)后，粘聚力共下降了11.25 kPa；其內(nèi)摩擦角則呈下降趨勢，經(jīng)過12次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角共下降了5.33°．含水率為23%的試樣在凍融循環(huán)過程中，粘聚力由30.39 kPa下降至10.80 kPa，而內(nèi)摩擦角由4.76°下降至2.26°；雖然相比之下，23%含水率下的膨脹土內(nèi)摩擦角降幅較小，但這是由于此時含水率接近最佳含水率(22.8%)，膨脹土受水潤滑作用大，膨脹土本身的內(nèi)摩擦角小所致．

部分試樣的有效粘聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，不同于許雷等[10-12]作出的粘聚力逐漸下降的結(jié)論，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢．這是由于本實驗采用封閉式系統(tǒng)，防止水分散發(fā)，而許雷等采用開放系統(tǒng)，水分散失嚴(yán)重的緣故．在第1次凍融循環(huán)過程中，粘聚力出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，其主要原因是水分的遷移帶動部分土粒，使土粒更加均勻，釋放了由于壓樣過程中的不均勻壓力，所以第1次凍融循環(huán)后膨脹土的粘聚力上升．根據(jù)溫度梯度理論，土樣與外界溫度梯度越大，水分遷移的速率越快[15]．由于室內(nèi)融化溫度為25℃，而冷凍溫度達(dá)到了-18℃，在溫度梯度達(dá)到43℃的情況下，膨脹土特性變化明顯．而從第2次凍融循環(huán)開始，膨脹土的粘聚力開始衰減，說明凍融循環(huán)破壞了土粒結(jié)構(gòu)，土粒的黏聚性下降，整體性逐漸下降．凍融循環(huán)2次以后，膨脹土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均不斷下降．這表明，凍融循環(huán)在整體上會降低土體的抗剪強度，其中對土體粘聚力的削減程度較大，而內(nèi)摩擦角的降低幅度較?。?/p>

3 結(jié)果與建議

1)膨脹土在剪切試驗過程中不出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化性狀[14]，提出膨脹土應(yīng)變硬化型曲線可以用指數(shù)函數(shù)擬合，相關(guān)性良好，并且提出修正后的剪應(yīng)力-剪位移曲線公式，提出對于應(yīng)變硬化型曲線，取6 mm時的剪切強度作為抗剪強度是合理的．

2)在凍融循環(huán)的作用下，膨脹土的抗剪強度整體上呈衰減趨勢，而且含水率越低，衰減幅度越大．在低含水率時，垂直壓力對膨脹土強度衰減的抑制作用明顯，但是含水率較大時，膨脹土抗剪強度的衰減速度由凍融循環(huán)起主導(dǎo)作用．

3)在凍融循環(huán)的作用下，當(dāng)膨脹土的含水率較低時，其粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈逐漸減小的趨勢；當(dāng)含水率較高時，膨脹土的有效粘聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢．

4)建議開展微細(xì)觀試驗，從微細(xì)觀角度進行對比分析，揭示其抗剪指標(biāo)變化的內(nèi)在規(guī)律．