不同凍結(jié)條件對(duì)膨脹土三軸剪切強(qiáng)度的影響

李芙蓉，趙劉群，牛 飛

（1.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；4.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

引言

我國的常年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)面積分別占國土面積的21.5 %和53.5 %[1]。華北平原季節(jié)性凍結(jié)膨脹土地層分布十分廣泛[2]。隨季節(jié)更替，膨脹土發(fā)生凍結(jié)溶沉作用對(duì)渠道邊坡工程而言是較大的不穩(wěn)定因素，膨脹土對(duì)地下水賦存狀態(tài)具有敏感性，土體體積發(fā)生膨脹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地層側(cè)向應(yīng)力增大和不均沉降現(xiàn)象[3]。此外，凍結(jié)膨脹土的飽和度、含冰量在季節(jié)變化時(shí)會(huì)發(fā)生較大變化[4]。這種變化使得土體的變形和膨脹應(yīng)力發(fā)生變異。因此,為保證凍結(jié)膨脹土分布地區(qū)邊坡、地基等工程建設(shè)的穩(wěn)定性與安全性，須對(duì)土體在不同試驗(yàn)條件下開展強(qiáng)度測試[5]。

凍土中的水分為凍結(jié)水與未凍結(jié)水，前人對(duì)季節(jié)性凍土的力學(xué)性質(zhì)與含水量、含冰量、圍壓級(jí)別和溫度等影響因素的關(guān)系開展了大量研究。Tsytovich和Sumgin[6]以凍結(jié)黏土在-12 ℃下的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了凍土強(qiáng)度與含水量關(guān)系的研究，得出凍土的強(qiáng)度先隨著初始含水量上升而增大，之后又逐漸減小的規(guī)律。 Shusherina和Bobkov[7]對(duì)接近于飽和的膨脹土在溫度范圍為-10～-55 ℃的條件下進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明強(qiáng)度隨著含水量增大而降低。 Enokido和Kameta基于凍土的三軸剪切試驗(yàn)，提出在恒定溫度、 恒定加載速率下，對(duì)于飽和度大于100 %的凍土，強(qiáng)度與干密度呈正相關(guān)的結(jié)論[8]。馬巍等[9]進(jìn)行了不同圍壓級(jí)別的凍土三軸剪切試驗(yàn)，給出了強(qiáng)度變化的第三個(gè)階段，即強(qiáng)度隨圍壓的降低受到抑制?；裘鞯萚10]就圍壓和含水率對(duì)凍土的綜合影響進(jìn)行了探究，獲取了凍土在高含冰量條件下的彈塑性模型。針對(duì)凍土的研究成果比較豐富，有針對(duì)微觀結(jié)構(gòu)[11]和宏觀力學(xué)特性[12]的研究，也有針對(duì)凍土力學(xué)特性變異機(jī)理[13]的研究。

本文以華北平原的膨脹土為對(duì)象，在三軸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上較系統(tǒng)地分析了凍結(jié)溫度、含冰量與圍壓級(jí)別因素對(duì)強(qiáng)度特性的影響，并討論了不同試驗(yàn)條件因素對(duì)強(qiáng)度的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的是采自山西省某護(hù)岸整治工程附近的膨脹土散土樣，該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境如圖1所示。

圖1 取樣點(diǎn)附近地貌

在對(duì)附近地層進(jìn)行地質(zhì)勘查的過程中，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)地層含有豐富的膨脹土。基本物理特性指標(biāo)如表1所示。該地區(qū)土樣呈灰色，塑性較低，天然飽和度高，強(qiáng)度低，具有較強(qiáng)的膨脹性，土樣的主要礦物成分包括：長石、石英以及由高嶺石、蒙脫石和伊利石構(gòu)成的黏土礦物。

表1 膨脹土的基本物理特性

1.2 試樣制備

本研究采用試樣為高度80 mm、直徑39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)重塑凍結(jié)膨脹土試樣開展剪切，操作步驟遵循《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999），采用實(shí)地取回來的散土進(jìn)行制樣，然后進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

重塑試樣的具體操作步驟相對(duì)復(fù)雜，以原狀土的物理性質(zhì)為依據(jù)，設(shè)計(jì)試樣的干密度為1.35 g/cm3。制樣步驟如下：先將散體泥巖曬干并粉碎，過2 mm的細(xì)篩；再將過篩后的試樣置于105 ℃的烘箱中烘干24 h；然后，向干燥散體樣中加入適量的水，配置的試樣飽和度為15 %、25 %、35 %、75 %和100 %，拌和均勻后放在保鮮袋里密封24 h，使水分在試樣內(nèi)分布均勻。最后將上訴散體樣放入制樣筒內(nèi)進(jìn)行壓制，分三次擊實(shí)試樣。制樣完成后將重塑樣放入溫控箱中在-30 ℃的環(huán)境中進(jìn)行多向凍結(jié)，48 h后脫模，制成直徑凍結(jié)膨脹土的試樣，并套入橡皮膜置于相應(yīng)溫度的凍土三軸剪切試驗(yàn)機(jī)中恒溫靜置12 h以上以備試驗(yàn)。

1.3 凍土三軸剪切試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用的是由成都電力自動(dòng)化設(shè)備廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式凍土三軸剪切儀，在剪切過程中，位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)均由電腦自動(dòng)采集。本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水的剪切模式。安裝好試樣之后，根據(jù)對(duì)試樣按照100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓級(jí)別進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)過程持續(xù)48 h再進(jìn)行剪切，剪切速率設(shè)置0.08 mm/min。試驗(yàn)時(shí)，將試樣快速裝入壓力腔，通過預(yù)冷的液壓油提供溫度和圍壓環(huán)境，設(shè)置油溫并調(diào)節(jié)至目標(biāo)溫度，在溫度波動(dòng)范圍小于±0.1 °C條件下開展恒溫軸向加載，直至變形達(dá)到20 %。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 剪切破壞形式

經(jīng)過凍結(jié)后的試樣在三軸荷載作用下發(fā)生剪切破壞時(shí)，試樣沒有出現(xiàn)明顯脆性斷裂現(xiàn)象。從試樣表面格子網(wǎng)的變化形狀可以看出破壞時(shí)，在試樣中部形成貫穿的塑形剪切帶，剪切帶與試樣徑向大致保持 60°的角度。從破壞后的試樣還可以看出發(fā)生破壞時(shí)，土樣中間區(qū)域出現(xiàn)剪切帶，而兩端則保持較好的形態(tài)。

圖2 凍土的剪切破壞形式

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 典型的凍土破壞曲線

如圖3所示，一般凍土破壞曲線可以根據(jù)達(dá)到破壞強(qiáng)度形式分為應(yīng)變軟化與應(yīng)變硬化兩種類別。其中，軟化型曲線在達(dá)到峰值之后，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L而下降，取峰值應(yīng)力值作為試樣強(qiáng)度；硬化型曲線應(yīng)力隨應(yīng)變持續(xù)增長，取試驗(yàn)的軸向應(yīng)變?yōu)?0 %對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為強(qiáng)度值。

圖4所示的是不同溫度下各圍壓級(jí)別對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)：在加載過程中，-5 ℃以上溫度環(huán)境中的凍土應(yīng)力應(yīng)變曲線均保持為硬化型，-5 ℃以下溫度環(huán)境中的凍土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均保持為軟化型。隨著凍結(jié)溫度降低，凍土的強(qiáng)度值逐漸增大。溫度對(duì)于凍土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響與土體中凍結(jié)水所占比例和冰膠結(jié)鍵的強(qiáng)度有關(guān)[14]。環(huán)境溫度越低，凍土內(nèi)孔隙水凍結(jié)比例越高，使冰膠結(jié)鍵的強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致凍土彈性模量的升高，進(jìn)而提高了凍土整體強(qiáng)度。

圖4 不同溫度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5所示的是在-2 ℃的試驗(yàn)條件下，飽和度分別為0.3、0.6和0.95的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在-2 ℃的溫度下，試樣的強(qiáng)度曲線均為應(yīng)變硬化型，且隨試樣飽和度下降，凍土的強(qiáng)度值也保持下降趨勢，該現(xiàn)象與牛亞強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果保持一致[14]。飽和度對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響與土體中孔隙水結(jié)冰后的含冰量有關(guān)。飽和度越高，孔隙水越多，在凍結(jié)后含冰量越大，進(jìn)而使得土體冰膠結(jié)作用越強(qiáng)，強(qiáng)度也隨著提高。

圖5 不同飽和度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

依各試樣破壞類型，分別取得凍結(jié)膨脹土的強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表2和表3，分析l試樣的強(qiáng)度與凍結(jié)溫度、 圍壓和飽和度的關(guān)系。飽和度分別為 0.3、0.6和0.98換算為含水率θ=15 %、30 %和49 %。

表2 不同溫度下三軸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果（初始含水率15 %）

表3 不同含水率下三軸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果（凍結(jié)溫度t=-20 ℃）

3.1 圍壓對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

固結(jié)圍壓對(duì)試樣的強(qiáng)度關(guān)系表現(xiàn)出線性負(fù)相關(guān)的特點(diǎn)。受初始含水量和干密度的影響，界限圍壓的具體數(shù)值會(huì)有不同。前人所總結(jié)的不同含水量的試樣強(qiáng)度隨圍壓的三種變化形式可能是由于含水量的不同導(dǎo)致界限圍壓不同。隨著初始含水量的升高，初始干密度逐漸降低，界限圍壓逐漸降低，本實(shí)驗(yàn)采取的圍壓級(jí)別大于界限圍壓。

3.2 凍結(jié)溫度對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

由表2、表3可以看出，低溫狀態(tài)下試樣的強(qiáng)度明顯大于高溫狀態(tài)的試樣強(qiáng)度。體現(xiàn)了凍結(jié)膨脹土的溫度敏感性。負(fù)溫升高導(dǎo)致凍土強(qiáng)度降低，這一規(guī)律已被廣泛證實(shí)[15]。凍土由于冰包裹體和未凍粘滯水的存在，表現(xiàn)出與融土十分不同力學(xué)性質(zhì)。通常認(rèn)為凍土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由粒間分子鍵結(jié)力（范德華力），結(jié)構(gòu)鍵結(jié)力和冰膠結(jié)鍵結(jié)力三種鍵結(jié)力組成，其中冰膠結(jié)鍵結(jié)力對(duì)凍結(jié)膨脹土強(qiáng)度起控制作用。因此，凍結(jié)溫度對(duì)強(qiáng)度的提升效應(yīng)主要是因?yàn)橥林形磧鏊疁p少及冰膠結(jié)鍵的增強(qiáng)。

圖6 剪切強(qiáng)度隨飽和度的變化曲線

從圖6可以看出粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和凍結(jié)溫度t具有良好的擬合關(guān)系，且均隨溫度值t升高而呈下降趨勢。其中粘聚力和溫度保持線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角和溫度保持多項(xiàng)式的二次函數(shù)關(guān)系。具體關(guān)系如式（1）和式（2）所示。

3.3 初始含水量對(duì)強(qiáng)度影響

如圖7所示，初始含水量對(duì)試樣強(qiáng)度指標(biāo)的影響表現(xiàn)為，θ=15 %～30 %時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度迅速降低，θ=50 %時(shí)，試樣的抗剪強(qiáng)度稍有上升，θ=30 %是強(qiáng)度的最不利含水率。此現(xiàn)象與馬小杰[15]等得出的規(guī)律一致。

究其原因，土體中初始含水率θ增加，一方面使凍土中冰相增多，固體顆粒含量增大；另一方面使凍土干密度降低，且水膜的潤滑作用使得顆粒間的鍵合力降低。凍土的抗剪強(qiáng)度主要由土顆粒承擔(dān)，隨著含水量的升高，土顆粒含量減小，承擔(dān)荷載的面積減小，凍土強(qiáng)度降低。而當(dāng)初始含水率增大到某個(gè)值后，土顆粒的影響效應(yīng)已經(jīng)減至最小，此時(shí)若繼續(xù)增大初始含水率，凍土強(qiáng)度的變化不大。進(jìn)一步增大初始含水量后，未凍水含量減小，凍土中的冰相逐漸占據(jù)主要地位，與土顆粒共同組成固體顆粒承擔(dān)荷載作用。

圖7 凍土強(qiáng)度指標(biāo)與含水量的關(guān)系

從圖7可以看出粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和初始含水率具有良好的擬合關(guān)系，且隨含水率θ升高，粘聚力和內(nèi)摩擦力均保持多項(xiàng)式的二次函數(shù)關(guān)系。具體關(guān)系如式（3）和式（4）所示。

3.4 抗剪強(qiáng)度表達(dá)式

在三軸剪切試驗(yàn)中，凍土的抗剪強(qiáng)度主要是由黏聚力與內(nèi)摩擦角組成，受并且受到初始含水率、圍壓與凍結(jié)溫度的影響，在一定邊界條件下，抗剪強(qiáng)度符合摩爾-庫倫定律：

式中：c(θ,t)為黏聚力，MPa；σ為正應(yīng)力（與圍壓大小有關(guān)），MPa；φ(θ,t)為內(nèi)摩擦角，°。

不同圍壓級(jí)別下，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨初始含水量、溫度變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致凍土的抗剪強(qiáng)度液出現(xiàn)不同程度的變化。c(θ,t)與φ(θ,t)隨凍結(jié)溫度和初始含水率變化的關(guān)系如式（1）～（4）所示，將公式代入強(qiáng)度表示式（5），即可得到最終的凍結(jié)膨脹土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式。

4 結(jié)語

通過對(duì)凍土區(qū)膨脹土在不同溫度、初始含水量和圍壓下開展三軸剪切試驗(yàn)，分析了不同條件下凍土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度特征，得到以下結(jié)論：

1）在加載過程中，-5 ℃以上的凍土應(yīng)力應(yīng)變曲線均保持為應(yīng)變硬化型，-5 ℃以下的凍土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均保持為應(yīng)變軟化型，且隨著環(huán)境溫度降低，凍結(jié)膨脹土的應(yīng)力值逐漸增大。

2）隨凍結(jié)溫度升高，粘聚力和凍結(jié)溫度保持線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角和溫度保持多項(xiàng)式的二次函數(shù)關(guān)系；隨含水率升高，粘聚力和內(nèi)摩擦力均保持多項(xiàng)式的二次函數(shù)關(guān)系，最不利含水率為30 %左右。

3）凍結(jié)溫度對(duì)凍結(jié)膨脹土強(qiáng)度的提升作用與凍結(jié)水所占比例和冰膠結(jié)鍵強(qiáng)度有關(guān)；隨著初始含水率升高，試樣抗剪強(qiáng)度先減后增，這是未凍水的潤滑效應(yīng)和凍結(jié)水發(fā)揮承載能力相互作用的結(jié)果。

4）凍結(jié)膨脹土力學(xué)行為符合摩爾庫倫準(zhǔn)則，抗剪強(qiáng)度主要是由黏聚力與內(nèi)摩擦角組成，受并且受到初始含水率與凍結(jié)溫度的影響。