高溫凍土剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究

朱鋒盼

(深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116)

青藏高原多年凍土面積約為1.5×106km2，約占中國多年凍土面積的70%[1]。高溫凍土[2]又稱塑性凍土，指含有較多的未凍水(常超過全部孔隙水的一半)而具有黏滯性和較大可壓縮性的凍土。高溫凍土溫度處于-2～-0.5℃，是一種由土、冰、未凍水和空氣等多相介質(zhì)組成的復(fù)合多孔材料，溫度的微小波動(dòng)，都會(huì)引起凍土中未凍水含量發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致凍土力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生明顯的變化[3]。研究表明，受全球變暖的影響，到2050年青藏高原的溫度將升高2.2～2.6℃[4]，溫度的升高勢(shì)必影響青藏高原凍土地區(qū)[5]。隨著西藏自治區(qū)進(jìn)一步的發(fā)展，需要基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，包括高速公路、輸電線路工程、管道工程[6]，這些工程的建設(shè)都涉及到高溫凍土的剪切力學(xué)特性。

W.D.Roggensack等[7]、H.А.Цытович[8]、吳紫汪等[9]、沈忠言等[10]通過研究得出，凍土的抗剪強(qiáng)度是由冰和土顆粒膠結(jié)后形成的黏聚力和內(nèi)摩擦角所組成。近年來，對(duì)高溫凍土的剪切力學(xué)開展了很多的研究。曲廣周等[11]對(duì)高溫凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了直剪蠕變?cè)囼?yàn)，得到了凍結(jié)粉質(zhì)黏土剪切蠕變曲線。黃元生等[12]進(jìn)行高溫凍土的直剪快剪的蠕變?cè)囼?yàn)，得到了不同土質(zhì)、含冰量以及密度類型的凍土剪切蠕變特性。張宏[13]研究了高溫凍結(jié)黃土單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和凍脹性隨溫度的變化規(guī)律。

基于此，本文取青藏地區(qū)3種典型原狀凍土(粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂)，室內(nèi)重塑為3種含冰量(飽冰、富冰、多冰)、2種不同密實(shí)程度(密實(shí)、松散)的試樣，開展-2℃條件下的凍土直剪試驗(yàn)，分析不同土性高溫凍土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性和強(qiáng)度變化規(guī)律，并探討影響抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的主要因素，為高溫凍土區(qū)工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)方案與試樣制備

1.1 試驗(yàn)方案

綜合考慮原狀土密度(ρ)、含冰量(質(zhì)量分?jǐn)?shù):w)實(shí)測(cè)結(jié)果以及《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ118-2011)，確定試驗(yàn)粉質(zhì)黏土含冰量分別為42%(飽冰)、28%(富冰)、22%(多冰)，相對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的干密度(ρd)分別為1.13、1.41、1.56 g/cm3(相對(duì)松散狀態(tài)下的干密度分別為0.92、1.17、1.31 g/cm3)；粉砂和細(xì)砂則采取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%(飽冰)、28%(富冰)、18%(多冰)的含冰量，相對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的干密度分別為1.06、1.21、1.33 g/cm3(相對(duì)松散狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的干密度分別為0.86、0.98、1.08 g/cm3)。土樣的顆粒級(jí)配如圖1所示，物理參數(shù)如表1所示。

表1 土樣其他物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of tested soil

圖1 土顆粒級(jí)配曲線圖Fig.1 Soil grain gradation graph

1.2 試樣制備

1.2.1 計(jì)算土、水、冰的質(zhì)量

根據(jù)欲制試樣的密度、含冰量，計(jì)算出制備一定數(shù)量試樣所需要的重塑土質(zhì)量、水的質(zhì)量和冰的質(zhì)量(冰質(zhì)量∶水質(zhì)量=2∶1，試驗(yàn)的過程中可根據(jù)實(shí)際操作的難易進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，但必須保證干土樣的濕潤(rùn)，否則速凍時(shí)很難保證土冰顆粒的粘結(jié))。

1.2.2 稱量所需土、冰、水的質(zhì)量

a.重塑土預(yù)先放入冰柜中冷卻至負(fù)溫(避免土冰混合時(shí)正溫土樣融化冰顆粒)，稱量時(shí)精確至1 g。

b.將先前蒸餾水凍結(jié)的冰塊在冷庫中(冷庫的溫度設(shè)為-4 ℃)砸碎，并過1 mm的篩制成冰晶，稱量冰晶時(shí)精確至1 g。過篩后冰晶顆粒如圖2所示。

圖2 冰晶Fig.2 Picture showing ice crystal

c.為保證攪拌過程中水加入的均勻性，用噴壺噴灑水，同樣稱量時(shí)精確至1 g。

d.攪拌土、冰、水三者的混合物至潮濕狀。在冷庫中，將冰晶和預(yù)先冷卻的干土放入塑料盆中充分混合，再將一定質(zhì)量溫度接近0℃的蒸餾水噴灑加入冰-土混合物中，并不斷攪拌均勻至潮濕狀(手捏不分散，可成團(tuán)即可)。

e.擊實(shí)成樣。將根據(jù)環(huán)刀的容積將要求天然密度所需質(zhì)量的濕土(稱量時(shí)精確至0.1 g)倒入環(huán)刀內(nèi)，采用擊樣法，分3層擊實(shí)到所需密度(即環(huán)刀被填滿)。

f.凍結(jié)土樣。將制好的試樣用塑料密封袋封裝，并立即放入冰柜中(溫度為-10℃左右)快速凍結(jié)24 h以上。并將凍結(jié)時(shí)間達(dá)到24 h的重塑土試樣放入冷庫中(冷庫溫度為-2℃)，恒溫 48 h后進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)在多功能凍土模擬廳進(jìn)行，所有試驗(yàn)設(shè)備均在-2℃環(huán)境中進(jìn)行重新率定。試驗(yàn)采用EDJ-1型等應(yīng)變直剪儀，剛環(huán)量程1 MPa，剪切速率為0.8 mm/min，法向應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa。當(dāng)剪切位移達(dá)到6 mm時(shí)，認(rèn)為土樣已經(jīng)破壞，破壞的試樣如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后的試樣Fig.3 Picture showing sample after direct shear test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切位移-剪應(yīng)力曲線

2.1.1 密實(shí)狀態(tài)

典型密實(shí)狀態(tài)下凍土剪切位移(Δs)-剪應(yīng)力(τ)曲線形態(tài)如圖4所示。通過分析可知，對(duì)于所有的密實(shí)狀態(tài)下的重塑凍土，其Δs-τ關(guān)系曲線的一般形態(tài)可以描述為：在0 mm≤Δs<2 mm時(shí)，剪應(yīng)力隨剪切位移的增加急劇變大，曲線斜率初始段較大；在2 mm≤Δs≤4 mm時(shí)，剪應(yīng)力隨剪切位移增加的速率逐漸變小，剪應(yīng)力逐漸趨向于一個(gè)定值，這在Δs-τ關(guān)系曲線形態(tài)上表現(xiàn)為曲線變緩；在4 mm<Δs≤6 mm時(shí)，凍土將出現(xiàn)峰值強(qiáng)度τf，隨后隨著剪切位移的逐漸增大，剪應(yīng)力將穩(wěn)定一段時(shí)間最后逐漸變小，在Δs-τ關(guān)系曲線上表現(xiàn)為應(yīng)變軟化的特征。

在現(xiàn)有的研究成果中，對(duì)于應(yīng)變軟化型土體的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)學(xué)描述的函數(shù)形式比較多。其中何青峰等[14]通過對(duì)馬蘭黃土的室內(nèi)CU試驗(yàn)研究后提出，應(yīng)變軟化型土體建議采用如下指數(shù)函數(shù)進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系描述，即

圖4 典型密實(shí)狀態(tài)下凍土直剪Δs-τ曲線Fig.4 The shear displacement (Δs)-shear stress (τ) curves of frozen soil under dense state

σ1-σ3=a(1-e-b ε1)

(1)

式中：a、b為試驗(yàn)參數(shù)，a=(σ1-σ3)ult為三軸強(qiáng)度的極限值。

然而，通過仔細(xì)比較發(fā)現(xiàn)，重塑凍土直剪時(shí)其Δs-τ關(guān)系曲線與馬蘭黃土CU剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線在形態(tài)上還是存在著明顯差別的，主要表現(xiàn)在凍土直剪時(shí)其Δs-τ曲線上剪應(yīng)力從0逐漸增大至穩(wěn)定值τf的形態(tài)較馬蘭黃土要更為平緩，剪應(yīng)力開始穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)變量達(dá)6.5%左右，較馬蘭黃土的要大。同時(shí)通過利用(1)式對(duì)凍土直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)值與計(jì)算值的偏差較大。因此，對(duì)重塑高溫密實(shí)凍土直剪的Δs-τ關(guān)系描述提出了如下改進(jìn)的指數(shù)函數(shù)形式

τ=a(1-e-b Δs2-c Δs)

(2)

式中：a、b、c均為試驗(yàn)參數(shù)，a=τf為直剪試驗(yàn)中抗剪強(qiáng)度值。

取直剪試驗(yàn)得到的凍土剪切強(qiáng)度的極限值a=τf，令R=τ/τf，將(2)式經(jīng)過變換可以得到

ln(1-R)=-bΔs2-cΔs

(3)

將直剪試驗(yàn)Δs-τ曲線峰值前的試驗(yàn)值τ繪在ln(1-R)-Δs坐標(biāo)系中，通過二次函數(shù)擬合得一條通過原點(diǎn)的二次拋物線，按擬合方程確定模型參數(shù)b、c值。

指數(shù)函數(shù)典型擬合曲線如圖5所示，圖中實(shí)心點(diǎn)代表試驗(yàn)值，空心點(diǎn)代表擬合值。

2.1.2 松散狀態(tài)

典型松散狀態(tài)下Δs-τ曲線形態(tài)如圖6所示。通過分析可知，松散狀態(tài)下凍土直剪的Δs-τ曲線形態(tài)與密實(shí)狀態(tài)下存在著很大區(qū)別。主要表現(xiàn)在2 mm≤Δs≤4 mm階段中曲線的斜率較密實(shí)狀態(tài)下相應(yīng)階段的都要大，亦即2 mm之后剪應(yīng)力隨剪切位移增加而增加的速率較密實(shí)狀態(tài)下衰減的要慢；同時(shí)在4 mm<Δs≤6 mm階段中，松散凍土直剪的Δs-τ曲線大多不出現(xiàn)臺(tái)階狀應(yīng)變屈服硬化，應(yīng)力仍以較大的速率隨剪切位移的增加逐漸增大，直至試樣最后破壞，在Δs-τ曲線形態(tài)上表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。

同時(shí)，通過比較不同含冰量松散凍土的Δs-τ曲線發(fā)現(xiàn)，隨著含冰量的減少，凍土直剪Δs-τ曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征更為明顯。這主要?dú)w因于隨含冰量的減少，土顆粒之間的膠結(jié)能力減弱，隨著剪切位移的增大剪應(yīng)力不出現(xiàn)屈服軟化階段而直接發(fā)生破壞。

圖5 利用指數(shù)函數(shù)擬合的曲線Fig.5 Curves fitted by an exponential function

圖6 典型松散狀態(tài)下凍土直剪Δs-τ曲線Fig.6 Δs-τ curves of frozen soil under loose state

重塑凍土松散狀態(tài)下Δs-τ曲線的形態(tài)基本上都呈應(yīng)變硬化型的雙曲線分布，因此，可以考慮用鄧肯-張雙曲線模型來描述其應(yīng)力-變形關(guān)系特征[15]。鄧肯-張雙曲線模型在直剪試驗(yàn)中的一般表達(dá)式如下

τ=Δs/(a+bΔs)

(4)

式中：τ為剪應(yīng)力；Δs為剪切位移；a、b為試驗(yàn)常數(shù)；a=1/Gi；Gi為初始剪切模量；b=1/τf。

(4)式也可以寫成

Δs/τ=a+bΔs

(5)

在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中點(diǎn)繪lg(Gi/pa)與lg(σ/pa)的關(guān)系，則近似為一直線。pa為大氣壓力，引入pa是為了使縱橫坐標(biāo)化為無因次量。直線的截距為lgK，斜率為n，于是有l(wèi)g(Gi/pa)=lgK+nlg(σ/pa)，由此得

Gi=Kpa(σ/pa)n

(6)

另外，定義Rf=τ/τf為破壞比，反映直剪試樣強(qiáng)度發(fā)揮的程度。

根據(jù)重塑松散凍土直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過回歸擬合，得到鄧肯-張模型中c、φ、K、n、Rf五個(gè)參數(shù)值(表2)。

表2 松散凍土鄧肯-張模型參數(shù)值Table 2 Parameters of Duncan-Chang model for frozen soil under loose state

模型參數(shù)中c、φ值匯總于圖8中。

通過以上對(duì)高溫凍土直剪的Δs-τ曲線特征分析可以看出，高溫凍土直剪時(shí)，在密實(shí)狀態(tài)下應(yīng)力-變形曲線形態(tài)表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型特征；而在松散狀態(tài)下則表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型特征。利用指數(shù)模型和鄧肯-張模型可以分別對(duì)密實(shí)和松散狀態(tài)下高溫凍土直剪的應(yīng)力-變形曲線特征進(jìn)行描述。

2.1.3 原因分析

高溫凍土直剪時(shí)，在不同密實(shí)程度下所表現(xiàn)出來的應(yīng)力-變形曲線形態(tài)上的差異性，主要?dú)w因于不同密實(shí)程度下凍土的密度相差較大。

在密實(shí)狀態(tài)時(shí)，因試樣密度較大，制樣過程中被充分壓密，那么凍土試樣內(nèi)部的土顆粒在冰晶的膠結(jié)作用下相互緊挨，試樣內(nèi)部孔隙較少。直剪試驗(yàn)剛開始時(shí)，因試樣足夠密實(shí)其強(qiáng)度較高，在Δs-τ曲線形態(tài)上表現(xiàn)為剪應(yīng)力隨剪切位移的急劇增大；隨后因試樣內(nèi)部裂隙少，剪切面上貫通裂縫的發(fā)展比較困難，從而試樣出現(xiàn)被再度壓密的過程，剪應(yīng)力隨剪切位移的增加出現(xiàn)屈服硬化，在Δs-τ曲線形態(tài)上表現(xiàn)為剪應(yīng)力的平緩穩(wěn)定階段；隨著剪應(yīng)力的不斷施加，最終試樣被剪壞，表現(xiàn)為剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而變小，在Δs-τ曲線形態(tài)上表現(xiàn)為曲線末端的下降趨勢(shì)。

在松散狀態(tài)時(shí)，試樣密度較密實(shí)狀態(tài)下的要小，稍加緊壓環(huán)刀中的混合料即可填滿。據(jù)此可以推斷，松散凍土試樣內(nèi)部的孔隙較多，顆粒間距較大。直剪試驗(yàn)過程中，隨著剪應(yīng)力的不斷施加，在剪切面的最薄弱面上內(nèi)部孔隙將相互貫通形成通縫，最終導(dǎo)致試樣被剪壞；而不會(huì)出現(xiàn)試樣的再度壓密過程，在Δs-τ曲線形態(tài)上表現(xiàn)為剪應(yīng)力隨剪切位移的增加不斷增大，且不出現(xiàn)臺(tái)階狀的平緩穩(wěn)定階段，應(yīng)力-變形曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征。

2.2 抗剪強(qiáng)度

為消除試驗(yàn)過程中剪切面積不斷減小帶來的剪應(yīng)力計(jì)算誤差，采用(7)式對(duì)不同土性、含冰量、密度、溫度條件下的凍土剪切數(shù)據(jù)進(jìn)行修正

τ=CRA/A’

(7)

其中：τ為剪應(yīng)力修正值(kPa)；C為量力環(huán)系數(shù)；R為量力環(huán)讀數(shù)，0.01 mm；A為剪切盒面積，3 000 mm2；A’為實(shí)際剪切面積。采用半徑r為30.9 mm的標(biāo)準(zhǔn)直剪試樣，假設(shè)上下盒的相對(duì)位移(剪切位移)為Δs，則實(shí)際剪切面積

(8)

為了研究?jī)鐾恋目辜魪?qiáng)度，還繪制了-2℃條件下純冰的抗剪強(qiáng)度曲線(圖7)。從圖中可以得出，純冰在剪切位移為2.5 mm時(shí)發(fā)生脆性破壞，黏聚力為688 kPa，內(nèi)摩擦角為55.6°。

凍土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果如圖8所示。

已有研究[16-18]表明：凍土在低壓條件下強(qiáng)度變化規(guī)律(σ<7 MPa)仍符合摩爾-庫倫準(zhǔn)則，而在較高壓力條件下(σ>7 MPa)則符合拋物線準(zhǔn)則[3]。本文試驗(yàn)壓力σ≤400 kPa，故可以通過摩爾-庫倫準(zhǔn)則獲取不同土性高溫凍土內(nèi)摩擦角和黏聚力隨密度、含冰量的變化規(guī)律。

2.2.1 內(nèi)摩擦角

相對(duì)松散狀態(tài)下，不同土性高溫凍土內(nèi)摩擦角隨含冰量的增加呈先減小后增加趨勢(shì)。相對(duì)密實(shí)條件下，凍結(jié)粉質(zhì)黏土、凍結(jié)粉砂的內(nèi)摩擦角也表現(xiàn)出類似的規(guī)律，但不同土性之間內(nèi)摩擦角先減小后增加的趨勢(shì)略有差異，而凍結(jié)細(xì)砂的內(nèi)摩擦角隨含冰量的增加逐漸增加。即：當(dāng)含冰量(w)<28%時(shí)，隨土性中砂粒(粒徑為0.075～2 mm)含量的增加，內(nèi)摩擦角逐漸增加；當(dāng)含冰量>28%時(shí)，隨含冰量的增加，內(nèi)摩擦角也逐漸增加。

圖7 純冰的Δs-τ曲線Fig.7 Δs-τ curves of pure ice

相同含冰量下凍結(jié)粉質(zhì)黏土和凍結(jié)細(xì)砂的內(nèi)摩擦角隨密度的增加而逐漸增加，而凍結(jié)粉砂則剛好相反。另外從圖7中還可以看出：在相對(duì)密實(shí)條件下，當(dāng)密度相同時(shí)，凍結(jié)細(xì)砂的內(nèi)摩擦角要大于凍結(jié)粉砂的內(nèi)摩擦角。這是由于相同含冰量下細(xì)砂中的砂粒含量要高于粉砂，剪切過程中土顆粒與冰晶之間的摩擦加劇。由此推斷，當(dāng)含冰量繼續(xù)增加時(shí)，凍結(jié)細(xì)砂的內(nèi)摩擦角將超過凍結(jié)粉質(zhì)黏土，也就是說隨含冰量的不斷增加，密度對(duì)高溫凍土內(nèi)摩擦角的影響程度變小。因此，相對(duì)密實(shí)狀態(tài)下，當(dāng)含冰量較低時(shí)(w<28%)，凍結(jié)粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角大于細(xì)砂和粉砂，而細(xì)砂的內(nèi)摩擦角又大于粉砂；較高含冰量條件下(w>28%)，凍結(jié)細(xì)砂的內(nèi)摩擦角超過凍結(jié)粉質(zhì)黏土，且二者的內(nèi)摩擦角均大于凍結(jié)粉砂。

圖8 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Fig.8 Shear strength parameters

2.2.2 黏聚力

不同土性高溫凍土黏聚力隨密度、含冰量變化規(guī)律呈現(xiàn)出3種趨勢(shì)，即：持續(xù)增加，先增加后減小和先減小后增加，但規(guī)律性并不明顯。結(jié)合圖7可以獲知，當(dāng)含冰量較低時(shí)(w<28%)，凍結(jié)粉質(zhì)黏土的黏聚力大于細(xì)砂和粉砂，而細(xì)砂的黏聚力又大于粉砂；較高含冰量條件下(w>28%)，凍結(jié)細(xì)砂的黏聚力超過凍結(jié)粉質(zhì)黏土，且二者的黏聚力均大于凍結(jié)粉砂。

2.3 抗剪強(qiáng)度影響因素分析

2.3.1 土性

凍土的抗剪強(qiáng)度與土顆粒成分關(guān)系十分密切，當(dāng)含冰量和密度相同，密實(shí)條件下，凍結(jié)細(xì)砂的黏聚力均要高于粉砂。其原因在于細(xì)砂顆粒級(jí)配中粒徑>0.075 mm的粗粒的體積分?jǐn)?shù)達(dá)91.6%，高于粉砂顆粒級(jí)配中的粗粒的體積分?jǐn)?shù)(61.3%)，粗顆粒含量的增加導(dǎo)致凍結(jié)細(xì)砂的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于凍結(jié)粉砂。

粉質(zhì)黏土顆粒級(jí)配中粒徑>0.05 mm的粗粒的體積分?jǐn)?shù)僅為15.5%。在含冰量及密度相同的條件下，其內(nèi)摩擦角應(yīng)小于二者；但因粉質(zhì)黏土的密度較粉砂和細(xì)砂要大，從而導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角未必總是小于粉砂和細(xì)砂。多冰狀態(tài)時(shí)，在同一含冰量的情況下，粉質(zhì)黏土的密度要高于粉砂和細(xì)砂，從而其內(nèi)摩擦角、黏聚力要大于粉砂和細(xì)砂，也即隨著密度差值的增大(0.06～0.33 g/cm3)，在含冰量相同時(shí)，粉質(zhì)黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸表現(xiàn)出超過粉砂和細(xì)砂的趨勢(shì)。

2.3.2 含冰量

粉砂和細(xì)砂在不同含冰量狀態(tài)下，其密度值接近，不同含冰量下的密度差異不大于0.03 g/cm3，從而控制其剪切強(qiáng)度的最主要因素為含冰量。

粉質(zhì)黏土因不同含冰量試樣之間的密度值同樣差異較大(變化幅度達(dá)0.3 g/cm3)，在含冰量和密度二者之間的相互影響下，使得凍結(jié)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度隨密度或含冰量的變化規(guī)律不明顯。但在含冰量接近塑限(15.6%)時(shí)，試樣密度最大，其內(nèi)摩擦角亦達(dá)到峰值。

2.3.3 密度

對(duì)于粉質(zhì)黏土和細(xì)砂，不同土類在密實(shí)狀態(tài)下的剪切強(qiáng)度均大于松散狀態(tài)下的強(qiáng)度，即相同含冰量下剪切強(qiáng)度受控于密度。而對(duì)于粉砂，含冰量相同時(shí)，松散狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角要大于密實(shí)狀態(tài)。

3 結(jié)論及展望

a.高溫凍土直剪時(shí)，在密實(shí)狀態(tài)下其應(yīng)力-變形曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，而在松散狀態(tài)下則為應(yīng)變硬化，可以分別利用指數(shù)模型和鄧肯-張雙曲線模型來描述高溫凍土直剪應(yīng)力-變形曲線。

b.在含冰量和密度相同的條件下，凍結(jié)細(xì)砂的剪切強(qiáng)度要高于凍結(jié)粉砂的強(qiáng)度；凍結(jié)粉砂的強(qiáng)度又要高于凍結(jié)粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度。但當(dāng)凍結(jié)粉質(zhì)黏土密度大于粉砂和細(xì)砂時(shí)，將出現(xiàn)強(qiáng)度高于粉砂和細(xì)砂的現(xiàn)象。

c.在密實(shí)狀態(tài)時(shí)，凍結(jié)粉砂和細(xì)砂的黏聚力隨含冰量的增加而增加；而在松散狀態(tài)時(shí)，隨含冰量的增加，其黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦角卻逐漸變小。因粉質(zhì)黏土在不同含冰量時(shí)密度差異亦較大，無論密實(shí)或松散狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度隨含冰量或密度變化的規(guī)律不是很明顯；但在含冰量接近塑限時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值。

d.對(duì)于粉質(zhì)黏土和細(xì)砂來說，在同一土性、同一含冰量的條件下，密實(shí)狀態(tài)下凍土直剪的強(qiáng)度指標(biāo)均要高于松散狀態(tài)時(shí)的指標(biāo)值。

本文僅對(duì)青藏地區(qū)3種不同土性高溫凍土進(jìn)行了不同影響因素下的試驗(yàn)研究，除此之外還應(yīng)開展更為寬泛溫度、含冰量以及密度條件下的剪切試驗(yàn)，并采取細(xì)觀力學(xué)對(duì)不同土性剪切強(qiáng)度發(fā)揮機(jī)理進(jìn)行研究，從而較全面地揭示高溫凍土在不同試驗(yàn)條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律及影響因素。