凍融循環(huán)條件下膨脹土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

時 偉，張 亮，楊忠年，張瑩瑩，李國玉，劉學(xué)森

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島266033；2. 中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

人工配制膨脹土與原位膨脹土相比物理力學(xué)性質(zhì)更加均一，各項(xiàng)參數(shù)可控性更強(qiáng)，便于獲得，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成制備，廣泛應(yīng)用于邊坡工程等膨脹土模型試驗(yàn)中.與膨脹土相關(guān)的工程，如膨脹土邊坡工程在施工階段與使用過程中，膨脹土的膨脹性是其最顯著的工程特性，這一特性主要由膨脹土所含的粘土礦物種類與含量所決定[1-4].膨脹土具有塑形高，遇水膨脹，失水干縮的特性[5]，采用常規(guī)粒徑判斷礦物 為粘土礦物的方法不夠準(zhǔn)確，礦物成分標(biāo)定檢測是準(zhǔn)確的判斷方法[6].

凍融循環(huán)對膨脹土邊坡工程的穩(wěn)定性影響顯著.人工配制膨脹土所表現(xiàn)出的力學(xué)特性在凍融循環(huán)中要與原位膨脹土保持一致.膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)在凍融循環(huán)過程中的變化情況受到很多學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究.王超通過剪切試驗(yàn)測試經(jīng)歷不同凍融次數(shù)下膨脹土的抗剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈負(fù)相關(guān)，凍融循環(huán)會降低膨脹土抗剪強(qiáng)度[7].許雷通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)測試經(jīng)歷不同凍融次數(shù)下膨脹土的壓縮性，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈正相關(guān)[8].與之類似的是胡莫珍等人以軟粘土為研究對象，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的累積，土體的壓縮模量會呈現(xiàn)降低的趨勢[9].楊俊、童磊等通過剪切試驗(yàn)測試含砂量不同的膨脹土經(jīng)歷不同凍融次數(shù)下的抗剪強(qiáng)度，研究表明經(jīng)歷相同凍融循環(huán)次后，膨脹土含砂量越大，內(nèi)摩擦角越大，黏聚力越小[10].黃志全通過動三軸試驗(yàn)，觀測了不同的圍壓條件下膨脹土在動荷載施加過程中的應(yīng)變量(彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變)，通過分析滯回曲線，對膨脹土動應(yīng)變與動荷載關(guān)系進(jìn)行了闡述[11].膨脹土的膨脹性與其動力特性也存在著一定的聯(lián)系，毛成選取不同膨脹率的膨脹土進(jìn)行動三軸試驗(yàn)，分析了膨脹土的膨脹性與其動力特性的關(guān)系[12].目前關(guān)于膨脹土受凍融循環(huán)影響的國內(nèi)外研究，主要集中在膨脹土結(jié)構(gòu)性改變[13]、靜力特性變化[14-15]等，相對缺乏在凍融循環(huán)條件下，膨脹土動力特性的研究.

本文進(jìn)行膨脹土人工配制的樣本土是取自吉圖琿高速鐵路延吉段的原位膨脹土，主要研究內(nèi)容是進(jìn)行膨脹土的人工配制，并對人工配制膨脹土的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)與原位膨脹土進(jìn)行對比分析，確定最優(yōu)配比.研究凍融循環(huán)條件下人工配制膨脹土與原位膨脹土的靜力與動力特性，分析凍融循環(huán)對膨脹土各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，對比兩種土在試驗(yàn)過程中的差異情況，為人工配制膨脹土在模擬實(shí)際工程中應(yīng)用提供依據(jù).

1 膨脹土的礦物成分研究

1.1 X射線衍射分析原位膨脹土礦物成分

通過X射線衍射(XRD)試驗(yàn)對延吉膨脹土進(jìn)行礦物的成分及其含量分析.

膨脹土的礦物組成主要有兩種，分別為非粘土礦物和粘土礦物，膨脹土中粘土礦物的種類取決于所在地域與其成土歷史.[16]

圖1為延吉原位膨脹土的X射線衍射圖譜，將原位膨脹土的X射線衍射圖譜與各類礦物標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜進(jìn)行比對，最終確定其主要礦物成分是蒙脫石、二氧化硅和鈉長石.根據(jù)對衍射峰強(qiáng)度與半高寬的定量計算，得出原位土三種主要礦物成分的占比(見表1).對其礦物組成進(jìn)行分析可知，原位土中蒙脫石含量占比最大.本次試驗(yàn)還對同一地段的其它幾個取樣點(diǎn)的土體進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明該地段原位膨脹土的礦物組成及其相對含量基本一致，故本文所展示的礦物組成及其相對含量具有代表性.

圖1 膨脹土的X射線衍射圖Fig.1 X ray diffraction of expensive soil

礦物名稱石英蒙脫石鈉長石百分含量%15.165.019.9

1.2 膨脹土基本土質(zhì)學(xué)性質(zhì)與人工配制

通過對延吉原位膨脹土進(jìn)行基本土工試驗(yàn)，測定其基本土質(zhì)學(xué)性質(zhì)，詳細(xì)結(jié)果見表2，本次試驗(yàn)研究的原位膨脹土是自由膨脹率為80%的中膨脹性土.根據(jù)原位土顆粒級分試驗(yàn)繪制其顆粒級配曲線(見圖 2)，粒徑小于0.005 mm的顆粒占10%，，粒徑在0.2～0.06 mm的顆粒占70%，該土體級配不良.

表2 膨脹土土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

針對原位膨脹土的礦物組成及其相對含量分析結(jié)果，以膨潤土礦石(蒙脫石礦物含量為80～90%)，鈉長石粉，石英粉為主要原料進(jìn)行膨脹土的人工配制，具體配制方案見表 3.

表3 膨脹土人工配制的配比方案

1.3 人工配制膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)與最優(yōu)配比

1.3.1 人工配制膨脹土自由膨脹率

由表4可知，人工配制膨脹土的膨脹性隨蒙脫石含量增大而提高，4號試樣自由膨脹率為78%，與原位膨脹土自由膨脹率最接近.

1.3.2 膨脹土膨脹力試驗(yàn)

為了將原位膨脹土與人工配制膨脹土的膨脹力進(jìn)行對比，在試樣配制時含水率均采用原位膨脹土天然含水率26.8%來制樣，壓實(shí)度均采用原位膨脹土天然干密度1.32 g/cm3來制樣.膨脹力測試在杠桿式固結(jié)儀上完成，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.將六組人工配制膨脹土的膨脹力隨時間的變化曲線與原位膨脹土進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn)，膨脹力隨時間的變化曲線呈現(xiàn)出試驗(yàn)開始階段變化迅速，試驗(yàn)后期逐漸趨于平穩(wěn).試驗(yàn)初期，人工配制膨脹土膨脹力變化速率隨蒙脫石含量增加顯著提高.膨脹力最終穩(wěn)定值第四組人工配制膨脹土與原位膨脹土最為接近.

圖2 膨脹力隨時間變化曲線Fig.2 Curve of time-varyingexpension

1.3.3 凍融循環(huán)條件下壓縮性試驗(yàn)

由于土體壓縮性受凍融循環(huán)影響較大，故對凍融循環(huán)條件下壓縮性進(jìn)行試驗(yàn)研究.為對原位膨脹土與人工配制膨脹土的壓縮性進(jìn)行對比，在試樣配制時含水率均控制在26.8%，壓實(shí)度以天然干密度1.32 g/cm3進(jìn)行控制.先將各組試樣置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)完成相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)后，開始進(jìn)行側(cè)限壓縮試驗(yàn)，將人工配制土與原位土的壓縮模量隨凍融次數(shù)的變化曲線繪制于圖3.

各組試樣的壓縮模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，證明凍融循環(huán)可以使土體的抗壓縮性降低，且蒙脫石含量越高，壓縮模量降低越快.人工配制膨脹土隨著蒙脫石含量的增加，壓縮性顯著提高，通過與原位土對比可知，在凍融循環(huán)條件下，4號與5號試樣的壓縮模量與原位膨脹土的壓縮模量變化曲線接近.

圖3 壓縮模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.3 Curve of compression modulus variation

根據(jù)對原位膨脹土與人工配制膨脹土在膨脹性、壓縮性以及凍融循環(huán)條件下的壓縮性變化規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，擬定以膨潤土70%、鈉長石17.1%、石英12.9%為礦物配比進(jìn)行膨脹土的人工配制.

2 凍融條件下土力學(xué)特性試驗(yàn)方案

凍融循環(huán)是影響深季節(jié)凍土區(qū)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的直接因素，本次試驗(yàn)考慮0～7次不同凍融次數(shù)下土體的靜力學(xué)與動力學(xué)試驗(yàn)研究.土體抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)累積的變化情況是寒區(qū)膨脹土工程的重要靜力學(xué)參數(shù)，通過溫控三軸儀可以進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)下的三軸剪切試驗(yàn)，本次凍融循環(huán)均在有圍壓條件下進(jìn)行.試驗(yàn)溫度循環(huán)范圍為-15～20 ℃.

由于本文針對凍融循環(huán)條件下膨脹土與原位土在施加動應(yīng)變的情況下進(jìn)行動剪切模量與阻尼比的研究.該試驗(yàn)通過溫控動三軸試驗(yàn)儀(見圖4),在圍壓為10 kPa(深季節(jié)凍土區(qū)凍深平均為1.6 m)的應(yīng)力狀態(tài)下對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣進(jìn)行動荷載施加，循環(huán)荷載采用正弦波波形，震動頻率為1 Hz，動荷載的施加采用應(yīng)變控制，每級循環(huán)10次.

圖4 溫控動三軸儀Fig.4 Temperature controlled dynamic triaxial apparatus

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 凍融循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度對比分析

由圖5可以看出，原位膨脹土與人工配制膨脹土的抗剪強(qiáng)度在凍融循環(huán)條件下均有顯著的改變.在圍壓條件相同的情況下，凍融循環(huán)次數(shù)的累積使土體抗剪強(qiáng)度降低(見圖5a)，具體表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角與粘聚力的減小.在圍壓條件不相同的情況下抗剪強(qiáng)度隨凍融次數(shù)累積而下降的速率不同，高圍壓條件下，抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)而下降的速率更快.

圖5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.5 Curves of shear strength parameters

由原位膨脹土粘聚力變化曲線可知，隨著凍融次數(shù)的增加，原位膨脹土粘聚力在前三次凍融循環(huán)過程中下降顯著，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)累加，原位膨脹土粘聚力在凍融循環(huán)條件下變化幅度越來越小(見圖5(b)).人工配制膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨凍融循環(huán)的變化規(guī)律呈現(xiàn)一致性，人工配制膨脹土粘聚力在凍融循環(huán)條件下的變化值高于原位膨脹土，變化速率高于原位膨脹土，人工配制膨脹土粘聚力隨凍融次數(shù)變化曲線的平順度更高.由圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，人工配制膨脹土內(nèi)摩擦角在凍融循環(huán)條件下的變化值低于原位膨脹土，變化速率高于原位膨脹土，人工配制膨脹土內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)變化與原位膨脹土相比更早趨于平穩(wěn).

3.2 凍融循環(huán)作用下動力特性對比

3.2.1 動剪切模量對比

由圖6可知，原位膨脹土和人工配制膨脹土的動剪切模量均受凍融循環(huán)影響顯著，控制動應(yīng)變相同時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的累積，兩者動剪切模量均表現(xiàn)為減小.這是由于凍融循環(huán)會破壞原有的土顆粒骨架結(jié)構(gòu)，使達(dá)到相同動應(yīng)變所需施加的動應(yīng)力減小，故動剪切模量降低.

圖6 不同累積凍融次數(shù)下Gd-εe關(guān)系曲線Fig.6 Curves of Gd-εe under different freeze-thaw cycles

由圖6(a)可以看出，原位膨脹土動剪切模量在首次經(jīng)歷凍融循環(huán)后下降的比重最大，在這之后，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加原位膨脹土動剪切模量減小的速率明顯降低，在經(jīng)歷三次凍融循環(huán)后動剪切模量降低的速率逐漸趨于穩(wěn)定.通過對比圖6b人工配制膨脹土Gd-εe關(guān)系曲線可知，人工配制膨脹土在未經(jīng)歷凍融循環(huán)時動剪切模量略高于原位膨脹土，在前三次凍融循環(huán)過程中，人工配制膨脹土隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的下降速率與原位膨脹土接近，在第三次凍融循環(huán)后動剪切模量降低速率并未出現(xiàn)明顯衰減，而是到第四次凍融循環(huán)才開始出現(xiàn)明顯下降趨勢，相比于原位膨脹土，推遲了一個凍融循環(huán)周期，致使經(jīng)過5次凍融循環(huán)后人工配制膨脹土的動剪切模量低于原位膨脹土.

3.2.2 動阻尼比對比

由圖7可知，凍融循環(huán)對原位膨脹土和人工配制膨脹土的阻尼比均有明顯影響，動應(yīng)變相同條件下，阻尼比隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增加.

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下λ-lnεe關(guān)系曲線Fig.7 Curves of λ-lnεe under different freeze-thaw

分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是凍融作用下土體的凍脹融沉破壞了原有的土體結(jié)構(gòu)，使土體內(nèi)部產(chǎn)生微小裂隙，當(dāng)動荷載施加時，裂隙阻礙了動力波在土體中的傳遞，消耗了部分能量，故阻尼比提高.

由圖7(a)可以看出，原位膨脹土阻尼比改變的最大值發(fā)生在第一次凍融循環(huán)，第一次凍融循環(huán)后阻尼比隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加變化量相對較小，且升高速率較穩(wěn)定.通過對比圖7(b)人工配制膨脹土λ-εe關(guān)系曲線可知，人工配制膨脹土阻尼比在首次經(jīng)歷凍融循環(huán)后下降的比重最大，之后凍融循環(huán)過程中阻尼比隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的改變量略高于原位膨脹土，其變化速率較穩(wěn)定，變化情況與人工配制膨脹土表現(xiàn)出規(guī)律一致性.

5 結(jié)論

(1)原位土的靜力特性方面，內(nèi)摩擦角與粘聚力與凍融循環(huán)次累積數(shù)變化曲線有明顯波動，但在多次凍融循環(huán)累積后總體趨勢呈現(xiàn)降低.動力特性方面，阻尼比最大變量發(fā)生在第一次凍融循環(huán)，動剪切模量在前三次凍融循環(huán)變化較快，之后趨于穩(wěn)定.

(2)凍融循環(huán)對膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)有顯著的影響，人工配制膨脹土與原位膨脹土變化規(guī)律具有一致性，在凍融循環(huán)條件下，兩者前期各項(xiàng)參數(shù)變化較快，隨著凍融次數(shù)的累積，均逐漸趨于穩(wěn)定.

(3)人工配制膨脹土因其恒定的礦物成分與固定的顆粒級配，各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)變化的規(guī)律性與原位膨脹土相比更加明顯.比后課發(fā)現(xiàn)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的累積，兩者動力學(xué)特性變化規(guī)律存在細(xì)微差異，具體表現(xiàn)為：人工配制膨脹土與原位膨脹土相比，在凍融循環(huán)初期，動剪切模量降低速率更快，趨于穩(wěn)定的周期更長；在阻尼比方面，人工配制膨脹土的變化量高于原位土，作為模型試驗(yàn)中使用的材料時應(yīng)考慮兩者差異.