高寒地區(qū)河道堤防土體材料凍融特性影響因素及凍融強(qiáng)度試驗(yàn)研究

姚治國

(新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

在設(shè)計(jì)修建河道堤防工程之時，會盡可能考慮采用工程場地附近分布范圍較廣的堆體材料，研究這類堆土材料對提高堤防工程設(shè)計(jì)具有重要作用，在一些高寒地區(qū)由于環(huán)境溫度較低，常常處于凍結(jié)溫度(0 ℃)以下，此時考慮堆土材料的凍融特性對保證工程質(zhì)量安全性具有重要意義[1-3]。國內(nèi)外已有一些專家學(xué)者通過土壤水分運(yùn)動模型推導(dǎo)，研究了土體在凍融環(huán)境下持水特性以及溫度傳遞效應(yīng)[4-6]。也有一些學(xué)者通過自主開發(fā)凍融循環(huán)試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)土體的室內(nèi)凍融試驗(yàn)，研究土體凍融過程中溫度傳遞與含水量變化，為推動寒冷地區(qū)工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)參考[7-9]。本文將結(jié)合具體堤防工程應(yīng)用背景，利用現(xiàn)場所取試樣，設(shè)計(jì)開展凍融特性試驗(yàn)與凍融后三軸應(yīng)力試驗(yàn)，獲得該堤防工程土體材料凍融特性與強(qiáng)度特征參數(shù)，為堤防工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

利用土體滲透測試儀器裝置，如圖1所示，試樣所在壓力艙內(nèi)可模擬不同外界溫度環(huán)境下土體的凍融循環(huán)，該試驗(yàn)系統(tǒng)溫度傳遞以低溫槽電阻絲作為載體，加壓裝置為液壓電腦程序控制，可實(shí)現(xiàn)最大壓力超過5000 kPa，所有測試傳感器均可實(shí)時采集數(shù)據(jù)，并傳輸至數(shù)據(jù)采集儀中，可模擬外界溫度在-30～90 ℃，試驗(yàn)前均對所有測試裝置已進(jìn)行標(biāo)定，誤差在0.05%RO。

圖1 土體滲透測試儀器裝置

根據(jù)堤防工程實(shí)際需求，設(shè)計(jì)考慮土體含水量、外界溫度、系統(tǒng)固結(jié)狀態(tài)三個方面因素，其中含水量根據(jù)工程現(xiàn)場土體普遍含水量18%、21%作為對比；外界溫度考慮地區(qū)環(huán)境，以-20 ℃、-28 ℃ 作為試驗(yàn)環(huán)境；系統(tǒng)固結(jié)狀態(tài)主要表征了土體內(nèi)孔隙打開與關(guān)閉狀態(tài)，反映了土體水分子吸收與流失狀態(tài)，設(shè)計(jì)有開放與封閉兩種狀態(tài)土對比[10-11]。

1.2 試驗(yàn)步驟

經(jīng)過試樣初步物理參數(shù)測量以及精加工后，制作出來符合凍融循環(huán)試驗(yàn)要求所用試樣后，養(yǎng)護(hù)24 h后，認(rèn)為初始土體材料均為各向同性，并按照以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)操作：

(1)新制作出來的試樣進(jìn)行干燥處理，使土中雜質(zhì)清除，并測定出來干燥含水量；將土體重塑，試樣密度達(dá)到與堤防工程實(shí)際密度一致狀態(tài)，并設(shè)定兩組不同含水量的試樣。

(2)安裝試樣，在壓力艙內(nèi)分層加裝試樣高度至120 cm，每次加裝厚度不超過6 cm，并且需要保證試樣表面不可見顯著孔隙體，每層加裝后的端面應(yīng)保證平整。

(3)安裝含水量、溫度測試傳感器，并且確保各個傳感器之間不要交織，影響量測精度，壓力艙外表面包括保溫材料，降低溫度損耗。

(4)首先調(diào)整低溫槽溫度至目標(biāo)溫度值，壓力室內(nèi)增加小幅壓力，壓力艙內(nèi)氣相均衡，水分流出視為土體水分融化，即一個凍融循環(huán)完成，依次重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 凍融特性影響分析

2.1 系統(tǒng)狀態(tài)

根據(jù)不同對比組試驗(yàn)所獲得土體凍融試驗(yàn)結(jié)果，圖2即為相同初始含水量、低溫槽溫度下，土體所處固結(jié)環(huán)境差異下的各層溫度特征曲線，其中高度零點(diǎn)位于土體頂端面。從圖中可看出，土體封閉系統(tǒng)環(huán)境下，在土層60 cm以下溫度隨時間變化曲線均為“U”型，即初期土體受低溫槽溫度傳遞，土體自身所具備的室溫逐漸下降，在愈靠近土體加裝下側(cè)，則土體下降愈快，其中土層高度15 cm由室溫24 ℃下降至4 ℃用時2.0 d，而土層高度30 cm、45 cm分別用時3.4 d、5.2 d，另從土層各高度溫度變化曲線可知，封閉環(huán)境下，在土層高度45 cm以下時，均會出現(xiàn)溫度降低至0 ℃以下，即土體會發(fā)生凍脹高度線位于45 cm處。對比土體內(nèi)部孔隙開放式環(huán)境下，其溫度變化曲線亦是在高度60 cm以下均為“U”型，凍脹高度線亦位于45 cm處，各高度溫度變化曲線幾乎并無顯著變化，例如，在系統(tǒng)開放式環(huán)境下高度30 cm處土體從室溫降低至0 ℃用時4.0 d，而封閉式環(huán)境下用時亦是如此，即土體內(nèi)部孔隙開放或封閉，對溫度傳遞變化并無顯著性影響，對土層凍脹高度亦無影響。

圖2 溫度-時間變化曲線(含水量18%、溫度-20 ℃)

圖3為兩種孔隙系統(tǒng)環(huán)境下含水量與時間關(guān)系曲線，從圖中可看出，在封閉式土體孔隙環(huán)境下，高度45 cm以上至頂端面，在凍結(jié)階段內(nèi)含水量均維持在8.6%，而愈靠近底端，含水量平穩(wěn)段量值愈高，高度60 cm處由于并未處于凍結(jié)，因而含水量較大，處于13.2%，在接近底部的高度90 cm、105 cm含水量基本與初始狀態(tài)一致。分析凍脹高度線以上土體含水量變化可知，在含水量下降階段，自頂端面往下，含水量下降時間越長，其中高度45 cm下降持續(xù)時長7 d，相比來說15 cm、30 cm分別僅用時3.0 d、5.0 d。分析表明，在土體達(dá)到凍結(jié)溫度后，內(nèi)部液態(tài)水分子逐漸流失，而凍結(jié)高度線逐漸由頂端延伸至高度45 cm處，需要溫度一定時間持續(xù)傳遞，故而呈現(xiàn)愈靠近下端含水量下降用時越長。對比開放式土體孔隙環(huán)境可知，凍脹高度線以上部位幾乎一致性表現(xiàn)，但在凍脹高度線以下，即接近土層底端高度處，含水量較之有所增大；封閉式環(huán)境下高度90 cm、105 cm含水量與初始含水量幾乎一致，但在開放式系統(tǒng)環(huán)境下含水量由初始狀態(tài)下均有一定程度增大，其中高度105 cm處增大幅度約為16.7%；分析表明出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于在開放式土體孔隙環(huán)境下，底端面可接受外界水分補(bǔ)充，由開放式孔隙運(yùn)動至土體內(nèi)部，產(chǎn)生含水量增大現(xiàn)象。

圖3 含水量-時間變化曲線(含水量18%、溫度-20 ℃)

2.2 低溫槽溫度

圖4為外界溫度在-28 ℃下土層溫度與含水量變化特征曲線，對比2.1節(jié)中-20 ℃外界溫度試驗(yàn)結(jié)果可知，溫度傳遞變化曲線走向基本與之一致，但凍脹高度線位于60 cm處，另凍脹高度線以下部位土層，僅高度120 cm處溫度并無變化，其中高度90 cm、105 cm處最低溫度分別可達(dá)11 ℃、18.3 ℃，土層溫度升高時間均位于第12天，相比外界溫度-20 ℃下滯后了3 d；分析是由于低溫槽低溫增大，將進(jìn)一步促進(jìn)低溫對土體凍結(jié)影響，增大凍結(jié)高度，升溫時間限制滯后。

圖4 凍融特征參數(shù)變化曲線(封閉系統(tǒng)、含水量18%、溫度-28 ℃)

對比含水量曲線可知，凍脹高度線以上部位土層在凍結(jié)階段內(nèi)含水量達(dá)9.7%，相比溫度-20 ℃下有所增大，另凍脹高度線以上部位土層15 cm、30 cm、45 cm的含水量下降至穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時長為2 d、3 d、6 d，相比另一溫度對比組，持續(xù)時間顯著縮短；分析表明，低溫槽溫度愈低(低溫增大)，增進(jìn)凍結(jié)速率，溫度傳遞至底端面效率加快，且在凍脹高度線以內(nèi)，在水分子還未流失至下底端時可能即已完成凍結(jié)，故而水分子還殘留在凍結(jié)區(qū)段土層內(nèi)，故而穩(wěn)定段含水量較高。

2.3 初始含水量

圖5為其他參數(shù)與2.2節(jié)一致情況下，僅初始含水量改變?yōu)?1%時土層溫度、含水量變化曲線。從圖中可看出，凍脹高度線并未發(fā)生變化，但初始含水量增大，一定程度縮減了凍脹溫度平穩(wěn)階段持續(xù)時長，土層高度30 cm處溫度平穩(wěn)段持續(xù)時長為3 d，相比初始含水量為18%下減少了1 d；分析是由于含水量增大，在凍脹高度線以上低溫傳遞速率會有所減緩，傳遞時長亦會拉長，故導(dǎo)致壓縮溫度平穩(wěn)階段持續(xù)時長。從含水量變化可知，在凍脹高度線以上部位凍結(jié)階段內(nèi)含水量幾乎并未發(fā)生較大改變，均為9.6%，土層15 cm、30 cm、45 cm的含水量下降至穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時長為3 d、4 d、7 d，相比含水量18%下均有一定程度延長，即初始含水量影響凍結(jié)速率，含水量愈高，凍結(jié)速率減緩，為對溫度傳遞、含水量降低，均會有一定遲緩影響。

圖5 凍融特征參數(shù)變化曲線(封閉系統(tǒng)、含水量21%、溫度-28 ℃)

3 堤防土體凍融強(qiáng)度分析

3.1 試驗(yàn)介紹

堤防土體材料凍融強(qiáng)度采用GDS三軸剪切儀，可測試凍融循環(huán)試樣后強(qiáng)度特征，可實(shí)現(xiàn)三軸加載，并以液壓精確加載，精確獲得土體材料加載破壞過程中應(yīng)力應(yīng)變特征。強(qiáng)度含水量對比參數(shù)選擇最優(yōu)含水量10%，并設(shè)置兩個對比量8%、12%，凍融循環(huán)次數(shù)考慮為1次、3次、5次、7次，融化溫度均為室溫，凍結(jié)溫度分四個梯次對比。試驗(yàn)加載以應(yīng)變控制，速率為0.1%，設(shè)定試驗(yàn)圍壓分別為0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa。

3.2 強(qiáng)度分析

限于篇幅，本文以凍結(jié)強(qiáng)度作為反映凍融特征的強(qiáng)度參數(shù)，并給出不同含水量、凍結(jié)溫度的物理參數(shù)下試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖7所示。從圖中可看出，各含水量下應(yīng)力應(yīng)變曲線基本一致性走向變化，但從量值上來看，含水量愈低，則峰值偏應(yīng)力愈低，含水量8%時峰值偏應(yīng)力為1362.3 kPa，含水量12%相比增長了9.5%。凍結(jié)溫度愈高，則峰值偏應(yīng)力愈大，且峰值應(yīng)力后應(yīng)變曲線下跌更特征，即愈趨于脆性剪切破壞，土體脆性得到增強(qiáng)；而在凍結(jié)溫度為-3 ℃時峰值偏應(yīng)力為1054.2 kPa，峰值應(yīng)變?yōu)?2%，在之后偏應(yīng)力下降幅度不超過4%，塑性變形較強(qiáng)，硬化特征較顯著，相比來說，凍結(jié)溫度-10 ℃峰值偏應(yīng)力增大了80.4%，其峰值應(yīng)變?yōu)?.2%，破壞形式主要為脆性破壞特征。分析表明，含水量愈高，則土體內(nèi)流場占比愈大，固相場占比愈低，當(dāng)凍融循環(huán)后，土體流場轉(zhuǎn)變?yōu)橛补滔鄨?，增?qiáng)土體晶體礦物穩(wěn)定性，而土體強(qiáng)度直接承載為其內(nèi)部晶體礦物結(jié)構(gòu)，流場、固相場一減一增，勢必會提高土體材料凍結(jié)強(qiáng)度；當(dāng)凍結(jié)溫度愈大時，土體內(nèi)水相更易于凍結(jié)，水相場在不流失情況下，不僅會較快形成固態(tài)，且土體凍結(jié)體積占比更多，對土體架構(gòu)穩(wěn)定性具有增強(qiáng)作用，增強(qiáng)承載應(yīng)力；但不可忽視，固相場占比增大，會促進(jìn)土體材料趨于脆性材料，在偏應(yīng)力加載下，呈現(xiàn)顯著峰后應(yīng)力下跌現(xiàn)象。

圖7(a)為試驗(yàn)過程中不同圍壓組應(yīng)力應(yīng)變曲線，與其他土體材料類似[12-13]，圍壓增大土體材料強(qiáng)度，在圍壓150 kPa時峰值偏應(yīng)力為1681.3 kPa，相比另兩個圍壓100 kPa、50 kPa分別增大了20.3%、29.5%。對比三個圍壓試驗(yàn)所獲得剪應(yīng)力參數(shù)q，如圖7(b)所示，符合M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則，其中含水量8%時抗剪參數(shù)分別為222 kPa、40°，含水量增大，抗剪參數(shù)均會一定程度增大，其中含水量10%相比前者黏聚力稍增大了3.1%。

圖6 應(yīng)力應(yīng)變曲線(圍壓均為100 kPa)

圖7 應(yīng)力應(yīng)變與P-q曲線(凍結(jié)溫度-5 ℃)

4 結(jié) 論

針對某高寒地區(qū)內(nèi)陸河堤防工程土體材料，設(shè)計(jì)開展凍融試驗(yàn)與三軸強(qiáng)度測試，獲得了土體凍融特性與凍融后強(qiáng)度特征，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)研究了影響土體凍融特性的系統(tǒng)狀態(tài)因素，溫度隨時間變化為“U”型，內(nèi)部孔隙狀態(tài)對溫度傳遞影響較弱，在封閉或開放系統(tǒng)中土層凍脹高度均為45 cm；系統(tǒng)開放下，凍脹高度以下土層相比封閉式系統(tǒng)含水量均有一定程度增大，高度105 cm處增大幅度約為16.7%。

(2)分析了影響土體凍融特性的低溫溫度與初始含水量因素，低溫溫度影響土層凍脹高度線，溫度-28 ℃下位于60 cm，升溫時間亦有所滯后；凍結(jié)階段含水量相比增大，凍脹高度線以上部位土層溫度下降段持續(xù)時長縮短；初始含水量增大，并不影響凍脹線高度，但縮短凍結(jié)階段溫度穩(wěn)定時長，且凍脹高度線以上土層溫度下降段持續(xù)時長延長。

(3)研究了凍融循環(huán)后試樣三軸強(qiáng)度參數(shù)，含水量、低溫槽凍結(jié)溫度均與峰值應(yīng)力呈正相關(guān)，同一圍壓與凍結(jié)低溫下，含水量12%峰值偏應(yīng)力相比含水量8%增長了9.5%，凍結(jié)溫度-10 ℃峰值偏應(yīng)力相比-3 ℃增大了80.4%，且峰后應(yīng)變脆性破壞特征顯著；圍壓增大土體承載強(qiáng)度，含水量增大，會提高抗剪參數(shù)值。