濕干凍融耦合循環(huán)及干密度對(duì)膨脹土力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究

朱 洵，蔡正銀，黃英豪，張 晨，郭萬(wàn)里

（南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京 210024）

1 研究背景

在西北高寒地區(qū)，渠基土劣化是引起渠道邊坡破壞的根本原因［1］。例如位于北疆阿勒泰地區(qū)的長(zhǎng)距離供水渠道工程總干渠段，累計(jì)穿越膨脹土段約占總長(zhǎng)度的32%。在季節(jié)溫度的正負(fù)變化［2-3］及渠道歷年夏季通水、冬季停水的運(yùn)行方式共同作用下渠基膨脹土的力學(xué)性質(zhì)衰減明顯，對(duì)渠道的正常運(yùn)行影響嚴(yán)重。

膨脹土對(duì)外部環(huán)境變化非常敏感，是一種具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性的高塑性黏土［4-5］。惡劣的自然氣候作用會(huì)改變土顆粒間的連接結(jié)構(gòu)及排列方式，宏觀表現(xiàn)為膨脹土力學(xué)性能的弱化［6-7］。目前，已有眾多針對(duì)膨脹土力學(xué)性質(zhì)隨干濕循環(huán)、凍融循環(huán)變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。楊和平等［8］進(jìn)行了干濕循環(huán)作用下南寧膨脹土的直剪試驗(yàn)，并認(rèn)為膨脹土力學(xué)強(qiáng)度的衰減主要由黏聚力減低引起；袁俊平等［9］、呂海波等［10］則將干濕循環(huán)作用下膨脹土強(qiáng)度的衰減過(guò)程與裂隙的發(fā)育程度建立關(guān)系，提出裂隙的開展是造成膨脹土強(qiáng)度降低的主要原因；而Tang 等［11］通過(guò)固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)研究了吉林膨脹土在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用下的力學(xué)強(qiáng)度衰減規(guī)律。但考慮到高寒區(qū)現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境惡劣，屬于典型的干濕與凍融耦合循環(huán)作用，上述試驗(yàn)所施加的邊界較為單一，與實(shí)際耦合循環(huán)情況存在較大差異。

同樣，干密度作為衡量土體密實(shí)程度的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)影響顯著。葉萬(wàn)軍等［12］在對(duì)洛川和銅川地區(qū)原狀黃土進(jìn)凍融循環(huán)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，前者黏聚力隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，而后者則略有增加，并將這一現(xiàn)象歸因于試樣干密度的不同。劉文化等［13］指出，土體對(duì)干濕循環(huán)的響應(yīng)受其干密度的控制，同時(shí)強(qiáng)調(diào)在分析干濕循環(huán)作用下土體的強(qiáng)度規(guī)律時(shí)，應(yīng)著重考慮低干密度情況的影響。

鑒于此，選取北疆渠道沿線膨脹土為研究對(duì)象，開展了不同干密度膨脹土在干濕與凍融耦合作用下的三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)，研究了不同干密度土體隨耦合循環(huán)的變化過(guò)程，進(jìn)一步明確干密度對(duì)土體強(qiáng)度演化規(guī)律的影響。

2 試驗(yàn)材料與方案

圖1 土樣的顆粒分布曲線

2.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)土樣取自北疆渠道工程現(xiàn)場(chǎng)，取樣深度為1 m。土料在該區(qū)域具有代表性，為中脹縮等級(jí)的黃色膨脹土，基本物理性質(zhì)及礦物組成如表1所示，顆粒分布曲線可見圖1。

2.2 試樣制備根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》［14］，針對(duì)大型寒區(qū)渠道工程，當(dāng)采用壓實(shí)或強(qiáng)夯法提高基土密度時(shí)，其壓實(shí)度不得低于98%。但考慮到渠道自建成運(yùn)行至今近20年，基土壓實(shí)程度較初始狀態(tài)衰減明顯。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合渠道現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)結(jié)果，最終確定本次試驗(yàn)的制樣標(biāo)準(zhǔn)：在最優(yōu)含水率（wopt=24.1%）下配制壓實(shí)度為100%和95%的兩種試樣（依次對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)最理想工況及實(shí)際工況），對(duì)應(yīng)干密度分別為1.56 和1.48 g/cm3。

具體制樣步驟如下：首先測(cè)定過(guò)篩土的含水率，按試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的含水率及干密度（1.56 和1.48 g/cm3）依次稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水和土；采用噴霧器均勻的將蒸餾水加入土樣中，密封悶料24 h。隨后采用土工試驗(yàn)規(guī)范［15］中推薦的分層擊實(shí)法制備成直徑39.1 mm，高度80 mm 的三軸試樣。制備完成后用保鮮膜包裹待用。

2.3 試驗(yàn)方案膨脹土在經(jīng)歷多次濕干凍融耦合循環(huán)作用后，不同干密度試樣對(duì)應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)及其衰減規(guī)律均存在較大差異，故這里選擇試樣的干密度及循環(huán)次數(shù)作為兩個(gè)變量進(jìn)行研究。既有試驗(yàn)成果表明，在經(jīng)歷6～7 次循環(huán)后，膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定［16-18］，故將上述兩種干密度試樣所經(jīng)歷的最終循環(huán)次數(shù)均設(shè)計(jì)為7 次，分別在第0、1、3 及7 次循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 土樣的基本物性指標(biāo)及礦物組成

針對(duì)渠道現(xiàn)場(chǎng)由淺層到深部的熱質(zhì)交換過(guò)程，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的一套單向環(huán)境邊界加載裝置實(shí)現(xiàn)了試樣自上而下單向環(huán)境邊界的加載，如圖2所示。試樣首先采用定制尺寸的有機(jī)玻璃模具（對(duì)開模具內(nèi)徑40 mm，高83 mm）進(jìn)行固定；后逐個(gè)插入預(yù)先打孔的隔熱海綿中，其中隔熱海綿厚度123 mm，孔深83 mm，孔間距40 mm，具體隔熱層布置可見圖2中a-a’截面。最后在隔熱海綿上表面黏貼一層絕熱錫紙以增強(qiáng)隔熱效果。

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)干濕交替、凍融循環(huán)的惡劣自然氣候條件作用對(duì)渠基膨脹土力學(xué)特性的影響，以渠道現(xiàn)場(chǎng)全年平均地溫分布為基礎(chǔ)（見圖3），結(jié)合渠道通、停水日期及渠水凍結(jié)-融化分界溫度（0 ℃），將渠道所受環(huán)境邊界簡(jiǎn)化為濕-干-凍-融的連續(xù)狀態(tài)變化過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)控制渠基土在濕、干、凍、融四個(gè)階段結(jié)束時(shí)刻飽和度Sr的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)北疆渠道現(xiàn)場(chǎng)濕干與凍融耦合全過(guò)程的模擬。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了受濕干凍融耦合循環(huán)作用的膨脹土三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，環(huán)境邊界的具體簡(jiǎn)化步驟可參考文獻(xiàn)［19-21］，試驗(yàn)過(guò)程中的具體邊界施加過(guò)程見表2。

圖2 單向環(huán)境邊界加載裝置示意圖

采用三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)獲取不同干密度試樣經(jīng)歷多次濕干凍融耦合循環(huán)后的力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)共進(jìn)行8 組，試樣的干密度（ρd0）為1.48 g/cm3和1.56 g/cm3（對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度為95%及100%），在循環(huán)的第0、1、3 和7 次完成后進(jìn)行固結(jié)不排水試驗(yàn)，每組試樣的固結(jié)壓力依次為100、200、300 和400 kPa。待固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行等應(yīng)變剪切，至軸向應(yīng)變達(dá)到16%時(shí)停止剪切試驗(yàn)，剪切速率為0.08 mm/min。

圖3 渠道通、停水日期及沿線全年地溫分布曲線（2014—2015年）

表2 濕干凍融耦合循環(huán)試驗(yàn)邊界條件

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線作為定性評(píng)價(jià)土體變形和強(qiáng)度特性最直觀的方法，受干密度、圍壓及循環(huán)次數(shù)的影響顯著。圖4為不同干密度、圍壓及濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（限于篇幅，僅列出部分循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線）。由圖4（a）可知，在圍壓100 kPa 條件下，不同干密度試樣在經(jīng)歷7 次循環(huán)后對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)存在較大差異，隨著干密度的增加，對(duì)應(yīng)土體的硬化特性有所減弱。7 次循環(huán)完成后兩種干密度試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線對(duì)循環(huán)次數(shù)的響應(yīng)大致相同，隨軸向應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力增長(zhǎng)速率均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。圖4（b）為不同濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分布曲線（限于篇幅，僅以干密度1.56 g/cm3試樣進(jìn)行說(shuō)明）。對(duì)于300 kPa 固結(jié)圍壓情況，不同循環(huán)次數(shù)作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)類似，但不同循環(huán)次數(shù)土體達(dá)到設(shè)定破壞應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值存在較大差異，具體表現(xiàn)為隨著循環(huán)次數(shù)的增加，達(dá)到設(shè)定破壞應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值逐漸降低。同樣，圍壓對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分布曲線的影響與循環(huán)次數(shù)類似，如圖4（c）所示。圍壓的變化僅對(duì)試樣達(dá)到設(shè)定破壞應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值產(chǎn)生影響，隨著圍壓的增加，不同循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定破壞應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值逐漸增大。

圖4 濕干凍融耦合循環(huán)作用下不同干密度試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2 體積變形特征不同干密度狀態(tài)下試樣的體積變形特征存在較大差異［22］。以試樣飽和作為單次耦合循環(huán)的起始及終止點(diǎn)（見圖3），在飽和條件下試樣內(nèi)部孔隙由水占據(jù)，其內(nèi)部孔隙體積可通過(guò)稱量循環(huán)前后飽和試樣的質(zhì)量近似換算［23-24］，最終可得到不同耦合循環(huán)次數(shù)作用下試樣的體積應(yīng)變，具體計(jì)算公式如下：

式中：εvi為第i 次耦合循環(huán)作用下試樣的體積應(yīng)變；mi為第i 次耦合循環(huán)作用后飽和試樣的質(zhì)量；m0為初始飽和試樣的質(zhì)量；V0為飽和試樣的初始體積（定值=96 cm3）；ρw為水的密度（近似取1 g/cm3）。試樣的體積應(yīng)變（εvi）由循環(huán)前后飽和試樣質(zhì)量差值決定，其正值為膨脹，負(fù)值為收縮。

圖5為不同干密度試樣在經(jīng)歷濕干凍融耦合作用下的體積應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。2 種干密度試樣在經(jīng)歷濕干凍融耦合后呈現(xiàn)出完全相反的變化趨勢(shì)：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，干密度1.56 g/cm3試樣的體積應(yīng)變始終為正值，即其整體處于膨脹狀態(tài)，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)應(yīng)的膨脹程度大致呈遞增趨勢(shì)，而干密度1.48 g/cm3試樣的應(yīng)變則均為負(fù)值（收縮狀態(tài)），試樣的收縮程度隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大。這說(shuō)明隨著試樣干密度的增加，其整體體積變形規(guī)律由收縮狀態(tài)向膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)化，宏觀表現(xiàn)為試樣內(nèi)部孔隙的增加。

圖5 濕干凍融耦合循環(huán)作用下試樣體應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖6 濕干凍融耦合循環(huán)作用下孔隙應(yīng)力系數(shù)A 分布

同時(shí)，考慮到本次試驗(yàn)在固結(jié)不排水條件下進(jìn)行，固結(jié)過(guò)程中試樣的排水量等于其整體的體積變形量。Hotineanu 等［18］指出凍融循環(huán)作用下生成的裂隙會(huì)增大土體的壓縮性，造成試樣體積變形量的增加。故可將固結(jié)階段試樣的排水量作為評(píng)價(jià)濕干凍融耦合循環(huán)下試樣內(nèi)部破壞程度的指標(biāo)，即試樣內(nèi)部的破壞程度越嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的固結(jié)排水量越大。表3為濕干凍融耦合循環(huán)作用下2 種干密度試樣在固結(jié)過(guò)程中的排水量分布。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2 種干密度試樣在不同圍壓下對(duì)應(yīng)的固結(jié)排水量均呈現(xiàn)出遞增的變化趨勢(shì)，其中圍壓σ3=100 kPa 對(duì)應(yīng)的固結(jié)排水量隨循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)幅度最大，較初始固結(jié)排水量分別增加了約1.1 倍（1.48 g/cm3）和1.64 倍（1.56 g/cm3），這表明在北疆渠道現(xiàn)場(chǎng)，渠基淺層土體更易受到濕干凍融耦合作用的影響。同時(shí)，對(duì)比2 種干密度試樣在固結(jié)過(guò)程中的固結(jié)排水量后發(fā)現(xiàn)，干密度1.48 g/cm3試樣對(duì)應(yīng)的固結(jié)排水量明顯高于干密度1.56 g/cm3試樣，說(shuō)明固結(jié)過(guò)程中的低干密度試樣的壓縮性要高于高干密度試樣，結(jié)合圖5中呈現(xiàn)的隨著試樣干密度增加，其整體體積變形規(guī)律由收縮特性向膨脹特性進(jìn)行轉(zhuǎn)化這一宏觀變形特性，這表明低干密度試樣的內(nèi)部破壞程度要強(qiáng)于高干密度情況，這也從側(cè)面證實(shí)了渠道現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增加基土壓實(shí)度來(lái)提高渠坡穩(wěn)定性方法的可行性。

3.3 孔壓演化特征在進(jìn)行三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)時(shí)，土體的強(qiáng)度特征可由孔隙水壓力的變化反映［25］。Skempton［26］建議采用孔隙應(yīng)力系數(shù)A 表征不排水條件下偏應(yīng)力增量與孔隙水壓力增量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，故系數(shù)A 并非為定值［27］。本文選擇試樣破壞時(shí)（取軸向應(yīng)變?yōu)?6%作為破壞狀態(tài)）對(duì)應(yīng)的孔壓系數(shù)Af來(lái)研究不同濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)作用下不同干密膨脹土試樣的孔壓演化特征。

表3 濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)作用下試樣固結(jié)過(guò)程的排水量統(tǒng)計(jì)

圖6為2 種干密度試樣在濕干凍融耦合循環(huán)作用下的孔隙應(yīng)力系數(shù)A 分布。不同圍壓下，2 種干密度試樣對(duì)應(yīng)的孔隙應(yīng)力系數(shù)A 分布規(guī)律類似，隨循環(huán)次數(shù)的增加均呈現(xiàn)出逐漸遞增的變化規(guī)律，這是因?yàn)? 種干密度試樣在經(jīng)歷多次循環(huán)后土骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，減低了土骨架的剛度，使得在偏應(yīng)力作用下土骨架承擔(dān)的應(yīng)力相對(duì)減小，水承擔(dān)的應(yīng)力比例相對(duì)增大，最終造成孔隙應(yīng)力系數(shù)A 的增加，這也說(shuō)明循環(huán)次數(shù)的增加促進(jìn)了試樣在不排水條件下偏應(yīng)力向孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化。

對(duì)不同循環(huán)次數(shù)作用下試樣的孔隙應(yīng)力系數(shù)A 分別擬合后發(fā)現(xiàn)（見圖6），不同干密度試樣的孔隙應(yīng)力系數(shù)A 對(duì)循環(huán)次數(shù)的響應(yīng)存在差異：以4 次循環(huán)（NWDFT=4）為界，當(dāng)循環(huán)次數(shù)小于4 次時(shí)高干密度（1.56 g/cm3）試樣對(duì)應(yīng)孔隙應(yīng)力系數(shù)A 的增長(zhǎng)速率明顯高于低干密度（1.48 g/cm3）情況，這表明在前4次循環(huán)內(nèi)高干密度試樣的土骨架破壞程度弱于低干密度情況，造成前者土骨架在偏應(yīng)力作用下承擔(dān)應(yīng)力較大，宏觀表現(xiàn)為前者的孔隙應(yīng)力系數(shù)A 明顯低于后者；而當(dāng)循環(huán)次數(shù)高于4 次時(shí)對(duì)應(yīng)孔隙應(yīng)力系數(shù)的增長(zhǎng)速率則完全相反，故可初步將4 次循環(huán)（NWDFT=4）視為上述2 種不同干密度試樣內(nèi)部土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化點(diǎn)。但需要說(shuō)明的是，本次試驗(yàn)的樣本量較少，4 次循環(huán)作為土體內(nèi)部土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化點(diǎn)僅是針對(duì)本次試驗(yàn)兩個(gè)干密度情況的結(jié)果，其普適性需要后持試驗(yàn)進(jìn)一步的論證。

3.4 彈性模量衰減規(guī)律土的彈性模量是表征其變形能力的一個(gè)重要指標(biāo)。參考Lee 等［28］研究成果，選擇軸向應(yīng)變1%時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力增量與軸向應(yīng)變?cè)隽康谋戎底鳛楸敬窝芯康膹椥阅Ａ?，即E=σ1.0%/ε1.0%。圖7為濕干凍融耦合循環(huán)作用下不同干密度試樣的彈性模量分布，其中紅色部分表示干密度1.56 g/cm3試樣的彈性模量，灰色部分則表示干密度1.48 g/cm3情況。不同圍壓下，2 種干密度試樣在經(jīng)歷多次濕干凍融耦合循環(huán)作用后的彈性模量分布規(guī)律類似，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，彈性模量衰減速率均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。至7 次循環(huán)結(jié)束，2 種干密度試樣彈性模量較初始狀態(tài)分別下降了約35.3%（1.48 g/cm3）和45.9%（1.56 g/cm3）。

圖7 濕干凍融耦合循環(huán)作用下不同干密度試樣的彈性模量分布

圖8 濕干凍融耦合循環(huán)作用下有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步研究干密度對(duì)膨脹土彈性模量衰減規(guī)律的影響，引入彈性模量衰減系數(shù)F，定義為每次耦合循環(huán)試樣彈性模量衰減量占總衰減量的比例，即：

式中：E0為試樣的初始彈性模量；Ei為試樣經(jīng)歷i 次循環(huán)對(duì)應(yīng)的彈性模量；（E0-Ei）max為試樣彈性模量的總衰減量。

表4為試樣在經(jīng)歷不同濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)作用下的彈性模量衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)。3 次循環(huán)作用后，低干密度（1.48 g/cm3）試樣對(duì)應(yīng)的彈性模量衰減系數(shù)F 明顯偏大（除圍壓σ3=100 kPa 情況），這說(shuō)明干密度影響試樣在經(jīng)歷濕干凍融耦合循環(huán)作用下彈性模量的衰減速率，試樣的干密度越大，對(duì)應(yīng)的彈性模量的衰減速率越慢，土體越難喪失承載能力。注意到，在圍壓σ3=100 kPa 下低干密度試樣對(duì)應(yīng)的彈性模量衰減系數(shù)相對(duì)較小，在1 次循環(huán)后甚至出現(xiàn)負(fù)值（-0.2），這說(shuō)明試樣在循環(huán)初期的彈性模量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是因?yàn)樵嚇拥母擅芏认鄬?duì)較低，試樣經(jīng)歷1 次濕干凍融耦合循環(huán)作用后體積呈收縮趨勢(shì)（見圖5），同時(shí)其內(nèi)部破壞程度相對(duì)較低（見表3），最終造成了1 次循環(huán)作用后試樣彈性模量的增加。

3.5 有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)衰減規(guī)律上述可知，濕干凍融耦合作用下不同干密度試樣內(nèi)部的土骨架結(jié)構(gòu)破壞明顯，宏觀表現(xiàn)為膨脹土力學(xué)特性的衰減。在實(shí)際工程中，對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確獲取基土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)［29-30］。

圖8為濕干凍融耦合作用下不同干密度試樣對(duì)應(yīng)的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。2 種干密度試樣對(duì)應(yīng)的有效黏聚力及有效內(nèi)摩擦角衰減規(guī)律類似，隨循環(huán)次數(shù)的增加均呈遞減趨勢(shì)。至7次循環(huán)結(jié)束，低干密度（1.48 g/cm3）試樣的有效黏聚力及有效內(nèi)摩擦角較初始狀態(tài)分別下降了約42.5%和14.9%；而高干密度（1.56 g/cm3）試樣則分別下降了約35%和24.7%。這說(shuō)明試樣干密度的增加對(duì)其有效黏聚力的衰減起到抑制效果，但對(duì)有效內(nèi)摩擦角的衰減卻起到加劇效果。

表4 濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)作用下試樣彈性模量衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)

濕干凍融耦合循環(huán)對(duì)膨脹土黏聚力的影響主要體現(xiàn)以下兩個(gè)方面［31］：一方面膨脹土特殊的黏土礦物組成，使得試樣在失水條件下內(nèi)部孔隙逐漸閉合（收縮），土骨架強(qiáng)度逐漸增加，造成試樣整體黏聚力的增加；另一方面試樣在經(jīng)歷干燥和凍結(jié)過(guò)程中，由于基質(zhì)吸力變化［32］、冰水相變［33］及分凝冰穿刺［34］等作用造成試樣內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，破壞了試樣的完整性，造成土體強(qiáng)度的降低。故濕干凍融耦合循環(huán)作用對(duì)試樣黏聚力的影響由上述兩個(gè)方面因素的疊加效果決定。隨著試樣干密度的增加，其整體因失水產(chǎn)生的收縮程度逐漸降低，而試樣的開裂程度逐漸下降，從而得到試樣干密度的增加會(huì)抑制其有效黏聚力的衰減這一結(jié)果。同樣，濕干凍融耦合循環(huán)造成的膨脹土有效內(nèi)摩擦角下降這一結(jié)論也可由上述角度進(jìn)行解釋。但無(wú)法對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果中顯示的“試樣干密度的增加加劇了其有效黏聚力的衰減”這一結(jié)論進(jìn)行說(shuō)明。從微觀角度出發(fā)［35］，土體的內(nèi)摩擦角可表征土顆粒間的摩擦特性，包括由于顆粒表面粗糙不平而引起的滑動(dòng)摩擦，以及由于細(xì)顆粒的嵌入、連鎖和脫離咬合等狀態(tài)所產(chǎn)生的咬合摩擦。筆者在先期的裂隙試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)［19］，凍融過(guò)程易造成試樣內(nèi)部裂隙發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為長(zhǎng)裂隙向短裂隙的轉(zhuǎn)化。低干密度試樣對(duì)應(yīng)的內(nèi)部裂隙發(fā)育程度明顯強(qiáng)于高干密度試樣（見表3），在經(jīng)歷凍融過(guò)程后可認(rèn)為前者內(nèi)部的短裂隙數(shù)目多于后者，則增加的短裂隙易嵌入相鄰的土顆粒中，削弱了顆粒間的咬合摩擦作用，造成低干密度試樣有效內(nèi)摩擦角的衰減幅度小于干密度較高情況。

為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)對(duì)此類北疆高寒地區(qū)膨脹土抗剪強(qiáng)度之指標(biāo)的影響，對(duì)不同干密度試樣對(duì)于的有效黏聚力及有效內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)的變化情況進(jìn)行函數(shù)擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用指數(shù)函數(shù)的擬合效果較好，具體擬合函數(shù)見下式：

初始干密度為1.48 g/cm3：

初始干密度為1.56 g/cm3：

其中：c′為有效黏聚力；?′為有效內(nèi)摩擦角；N 為循環(huán)次數(shù)。

4 結(jié)論

本文利用自行設(shè)計(jì)的單向環(huán)境邊界加載裝置，對(duì)濕干凍融耦合循環(huán)作用下不同干密度土體進(jìn)行了三軸固結(jié)不排水壓縮試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）在較低圍壓（σ3= 100 kPa）下，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)變硬化程度隨干密度的增加而逐漸降低；濕干凍融耦合循環(huán)對(duì)試樣偏應(yīng)力峰值的影響逐漸降低；而圍壓僅對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中的偏應(yīng)力峰值產(chǎn)生影響，隨著圍壓的增加，不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力峰值逐漸增大。

（2）濕干凍融耦合循環(huán)作用下干密度較高試樣的整體體積呈增大趨勢(shì)，而干密度較低試樣則呈降低趨勢(shì)；渠基淺層土體更易受到濕干凍融耦合作用的影響，在較低圍壓（σ3= 100 kPa）下，不同干密度試樣對(duì)應(yīng)的固結(jié)排水量隨循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)幅度最大，較初始固結(jié)排水量分別增加了約1.1倍（1.48 g/cm3）和1.64 倍（1.56 g/cm3）。

（3）濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)的增加促進(jìn)了試樣在不排水條件下偏應(yīng)力向孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化；以4次循環(huán)作為不同干密度試樣內(nèi)部土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化點(diǎn)，在前4 次循環(huán)內(nèi)高干密度試樣的土骨架破壞程度弱于低干密度情況，而循環(huán)次數(shù)高于4 次時(shí)則相反。

（4）干密度影響試樣在經(jīng)歷濕干凍融耦合循環(huán)作用下彈性模量的衰減速率，試樣的干密度越大，對(duì)應(yīng)的彈性模量的衰減速率越慢，土體越難喪失承載能力；試樣干密度的增加對(duì)其有效黏聚力的衰減起到抑制效果，但對(duì)有效內(nèi)摩擦角的衰減卻起到加劇效果。