平面應(yīng)變條件下凍融循環(huán)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響

李寶平，平高權(quán)，張玉,2，楊倩

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021; 2.西安理工大學(xué) 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

凍土是特殊土體，可以分為瞬時(shí)凍土、季節(jié)性凍土以及多年凍土。凍土在中國(guó)西北地區(qū)分布廣泛，主要為季節(jié)性凍土。隨著中國(guó)西北地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)、高速公路和鐵路網(wǎng)越來(lái)越密集，農(nóng)業(yè)灌溉量增加，工程地質(zhì)環(huán)境越來(lái)越脆弱，在此過(guò)程中，凍融病害引發(fā)的問(wèn)題頻發(fā)。在實(shí)際工程中，平面應(yīng)變是土體經(jīng)常受到的一種應(yīng)力狀態(tài)，如填方路基和基坑等都屬于平面應(yīng)變受力狀態(tài)，而這些構(gòu)筑物在運(yùn)行中都會(huì)經(jīng)受凍融循環(huán)作用[1]。為了探索凍融在基礎(chǔ)工程中的影響，有必要研究平面應(yīng)變條件下凍融對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)的影響。

許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，其中，張玉等[2]對(duì)原狀黃土的平面應(yīng)變強(qiáng)度、變形特性及中主應(yīng)力變化的規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析。董曉宏等[3]通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)后的黃土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，得出凍融循環(huán)導(dǎo)致土樣內(nèi)水分遷移進(jìn)而影響其表面結(jié)構(gòu)，使得土樣表觀破壞程度隨含水率、干密度以及凍融循環(huán)次數(shù)的增大而增大。谷琪等[4]提出，并非所有0 ℃以下的土體在凍結(jié)過(guò)程中都會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象，在凍結(jié)過(guò)程中，土體中礦物質(zhì)發(fā)生冷縮，土體中水分發(fā)生凍脹。因而決定土體發(fā)生凍脹還是凍縮的是土體含水率的大小，在凍脹和凍縮之間存在一個(gè)使土體在凍結(jié)過(guò)程中不產(chǎn)生變化的臨界含水率。同時(shí)，分析了凍融循環(huán)過(guò)程中土體的變形及土體濕陷性規(guī)律，但未分析黃土的力學(xué)性質(zhì)及其強(qiáng)度的變化。羅愛(ài)忠等[5]探究了單軸應(yīng)力條件下不同初始結(jié)構(gòu)性黃土的結(jié)構(gòu)性變化特性，發(fā)現(xiàn)含水率不同試樣的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同；當(dāng)試樣的初始含水率達(dá)到一定值后，含水率的增大對(duì)黃土試樣的初始結(jié)構(gòu)性影響較明顯，對(duì)黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)指標(biāo)的影響相對(duì)較小。Ma[6]對(duì)比分析了不同含水率和圍壓下黃土常規(guī)三軸試驗(yàn)和平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)的差異，得出平面應(yīng)變條件下的土體強(qiáng)度明顯大于常規(guī)三軸條件。Wang等[7]通過(guò)對(duì)壓實(shí)細(xì)粒黏土進(jìn)行多次凍融循環(huán)，探究?jī)鋈谘h(huán)后土壤的物理力學(xué)特性的變化，發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的黏聚力降低，內(nèi)摩擦角增大。Li[8]進(jìn)行了密集和松散壓實(shí)黃土的凍融循環(huán)試驗(yàn)，但僅對(duì)凍融循環(huán)后黃土的物理性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，并未提出凍融循環(huán)對(duì)于凍土力學(xué)性能的影響。Bi等[9]對(duì)增濕黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得出試樣在凍融初期變形顯著，而后逐漸趨于穩(wěn)定。Alshibli等[10]通過(guò)對(duì)水泥漿固結(jié)高嶺土進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)和平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平面應(yīng)變條件下試件和常規(guī)三軸試件失效破壞的模式各不相同，且平面應(yīng)變?cè)嚇拥膹?qiáng)度明顯高于常規(guī)三軸試樣。

對(duì)平面應(yīng)變黃土或凍融作用對(duì)黃土的影響已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，早期主要研究其物理性質(zhì)，在實(shí)際工程中，直剪試驗(yàn)并不能準(zhǔn)確模擬其真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，故有必要研究平面條件下凍融循環(huán)對(duì)黃土力學(xué)特性的影響[11-14]。筆者利用改造后的XGT型真三軸儀[15]，以原狀黃土為研究對(duì)象，研究原狀黃土在凍融循環(huán)后的強(qiáng)度問(wèn)題，分析凍融減弱黃土結(jié)構(gòu)性的機(jī)理，研究?jī)鋈趯?duì)于原狀黃土強(qiáng)度的降低作用，得到原狀黃土隨凍融循環(huán)周期的劣化模型。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用原狀黃土取自西安咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)附近，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[16]規(guī)定的原狀黃土樣取法取得，取土深度為6～8 m，土樣屬于Q3黃土，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)得到黃土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 土樣的物理指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil samples

咸陽(yáng)地區(qū)冬季極端溫度為-20 ℃[17]，凍融循環(huán)試驗(yàn)以-20 ℃凍結(jié)12 h，室溫融化12 h為一次凍融循環(huán)周期，凍融周期為0、3、5、10次；然后將凍融后土體進(jìn)行平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)。試樣制備時(shí)，取大塊原狀土樣，將其削制成7 cm×7 cm×14 cm的試樣，通過(guò)水膜轉(zhuǎn)移法和自然風(fēng)干法使其含水率達(dá)到17.00%、21.00%、24.00%、28.00%，固結(jié)圍壓分別設(shè)置為50、100、200、300 kPa，以軸向應(yīng)變達(dá)到12%時(shí)為土樣破壞標(biāo)準(zhǔn)[18-20]，則試驗(yàn)結(jié)束，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 土樣試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Soil sample test parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理分析

對(duì)含水率為17.00%、21.00%、24.00%、28.00%的土樣各進(jìn)行0次、3次、5次、10次凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同凍融循環(huán)周期以及不同含水率對(duì)土樣表面的凍融破壞有著重要影響。

由圖1可以看出，含水率為17%的土樣在凍融0次時(shí)只有微量蟲孔且土樣密實(shí)；凍融3次后，土樣表面出現(xiàn)少量細(xì)小裂隙；凍融5次和凍融10次后，土樣裂隙數(shù)量增多且裂隙增大。這是由于在凍結(jié)過(guò)程中土樣表面開(kāi)始結(jié)晶，迫使土樣內(nèi)部水分不斷向土樣表面轉(zhuǎn)移，土體表面凍結(jié)冰晶不斷擴(kuò)大，并向土體內(nèi)部延伸。在融化過(guò)程中，土樣表面先開(kāi)始融化，并向土樣內(nèi)部擴(kuò)展，如此往復(fù)，土樣內(nèi)部逐步形成水分遷移通道。隨著凍融周期的增大，土樣中水分來(lái)回遷移的次數(shù)增多，連續(xù)沖刷土樣內(nèi)部，使得通道不斷增多、增大，從而使得土樣表面出現(xiàn)裂隙和蟲孔，且土樣破壞也越來(lái)越嚴(yán)重。

圖1 ω=17.00%土樣凍融循環(huán)后表面Fig.1 ω=17.00% surface of soil sample after

由圖2～圖4可看出：土樣在凍融0次時(shí)只有少量蟲孔，土樣密實(shí)；在凍融3次之后，土樣出現(xiàn)較多裂隙；凍融5次之后，土樣表面出現(xiàn)較密集的裂隙；凍融10次之后，土樣表面出現(xiàn)大且密集的裂隙，土樣表面破壞嚴(yán)重。其中，含水率為24.00%的土樣在凍融10次時(shí)和含水率為28.00%的土樣在凍融5次和凍融10次時(shí)，土樣表面均出現(xiàn)不同程度的水分沖刷痕跡。這是因?yàn)楦吆实耐馏w在融化時(shí)，土體表面冰晶先融化，融化的水分一部分沒(méi)有浸入到內(nèi)部，順著土體表面流動(dòng)，因此，造成土樣表面不同程度的水分沖刷痕跡。

圖2 ω=21.00%土樣凍融循環(huán)后表面Fig.2 ω=21.00% surface of soil sample after

圖3 ω=24.00%土樣凍融循環(huán)后表面Fig.3 ω=24.00% surface of soil sample after

由此可見(jiàn)，含水率一定時(shí)，土樣表面的破壞程度隨著凍融循環(huán)周期的增大而增大，說(shuō)明凍融循環(huán)周期是影響土樣破壞的一個(gè)主要因素。凍融周期一定時(shí)，含水率越大，土樣表面破壞越嚴(yán)重，說(shuō)明土樣初始含水率是影響凍融循環(huán)破壞的重要因素。

圖4 ω=28.00%土樣凍融循環(huán)后表面Fig.4 ω=28.00% surface of soil sample after freeze-thaw

2.2 平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果及力學(xué)性質(zhì)分析

圖5為相同固結(jié)圍壓、相同含水率狀態(tài)下，不同凍融循環(huán)周期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

由圖5可知，土樣在相同含水率相同固結(jié)圍壓的情況下，土樣(σ1-σ3)-ε1曲線均為應(yīng)變硬化型。由曲線圖可以看出，在相同含水率相同固結(jié)圍壓下，土樣的(σ1-σ3)-ε1曲線隨著凍融周期的增大而降低，但(σ1-σ3)-ε1曲線的降低并非隨著凍融循環(huán)周期均勻下降；土樣的剪切強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小；隨著凍融周期的增大土樣剪切時(shí)的初始斜率越來(lái)越小，即土樣的初始模量隨著凍融周期的增大而降低；(σ1-σ3)-ε1曲線隨著固結(jié)圍壓的增大而減小，且減小趨勢(shì)隨著固結(jié)圍壓的增大而降低。

造成上述現(xiàn)象的原因是：在凍融循環(huán)過(guò)程中，土樣內(nèi)部形成水分轉(zhuǎn)移的通道，造成土樣內(nèi)部空隙增大，使得土樣強(qiáng)度減小，從而降低土樣的承載力，因此，土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不斷向下移動(dòng)，初始剪切斜率不斷減??；隨著凍融循環(huán)周期的增大，土樣內(nèi)外水分遷移通道已經(jīng)形成，凍融循環(huán)對(duì)土樣破壞就越不明顯，土樣在開(kāi)始凍融時(shí)，內(nèi)外部水分第1次遷移對(duì)土樣造成的破壞最大，因此，土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著凍融循環(huán)周期的增大，逐漸緩慢減??；隨著土樣含水率的增大，土樣在凍融循環(huán)時(shí)內(nèi)外水分流動(dòng)量增大，對(duì)土樣的的破壞也隨之增大，與大含水率土樣的(σ1-σ3)-ε1曲線相比較，較小含水率的土樣有明顯下降；基于固結(jié)排水試驗(yàn)，在固結(jié)過(guò)程中，隨著固結(jié)圍壓的增大，對(duì)土樣的壓密作用增大，凍融循環(huán)過(guò)程使土樣變得疏松，土樣在凍融循環(huán)造成的松散作用抵消了一部分固結(jié)圍壓對(duì)土樣的壓密作用，使得大圍壓應(yīng)力狀態(tài)下凍融循環(huán)對(duì)土樣的破壞作用不明顯。

3 原狀黃土抗剪強(qiáng)度特性的分析

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理，運(yùn)用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，通過(guò)其應(yīng)力摩爾圓以及強(qiáng)度包線，可以得到其黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，如表3所示。

總之，在專業(yè)課程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)專業(yè)課程思政，是黨和國(guó)家對(duì)高等教育提出的一個(gè)新要求，是非思政類的高等教育者的一項(xiàng)新使命。在具體的專業(yè)課程思政教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，任課教師還根據(jù)實(shí)際的教學(xué)成效不斷改進(jìn)，努力實(shí)現(xiàn)全程全方位育人的專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

由圖6可以看出，在相同凍融周期下，試樣的黏聚力c隨含水率的增大呈線性降低。這是因?yàn)?，隨著試樣含水率的增大，土體內(nèi)部自由水含量增大，溶解了土體之間的膠結(jié)物質(zhì)，使得土體顆粒間的膠結(jié)作用下降，并且對(duì)土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)也有一定程度的損害，由此造成試樣黏聚力c隨含水率的增大而降低。

圖6 不同凍融循環(huán)周期下含水率與黏聚力的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between moisture content and cohesion under different freeze-thaw

由圖7可知，在相同凍融周期下，試樣的內(nèi)摩擦角φ隨含水率的增大而呈現(xiàn)出直線下降趨勢(shì)。這是因?yàn)橥馏w顆粒之間的聯(lián)結(jié)水膜隨著含水率的增大而變厚，在土體受剪過(guò)程中，土顆粒間發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)時(shí)起到潤(rùn)滑作用，從而降低土體顆粒之間的摩擦力，使得內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大而降低。

圖7 不同凍融循環(huán)周期下內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between internal friction angle and water content under different freeze-thaw

由圖8可知，含水率一定時(shí)，黏聚力c隨著凍融循環(huán)周期N的增大而呈指數(shù)減小。在凍融初期，試樣的黏聚力c降低較快，后期隨著凍融周期N的增大，黏聚力c降低值逐漸減小，最終趨于某一穩(wěn)定值，其原因與土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨凍融循環(huán)周期N的增大而降低一樣。

圖8 黏聚力c與凍融循環(huán)周期N之間的曲線關(guān)系Fig.8 Curve relationship of cohesionc with respect to freeze-thaw cycle period

由圖9可知，含水率一定時(shí)，摩擦角φ隨著凍融循環(huán)周期N的增大呈線性降低，且變化幅度均在3°以內(nèi)。

圖9 內(nèi)摩擦角φ與凍融循環(huán)周期N之間的曲線Fig.9 Curve of internal friction angle φ with respect to freeze-thaw cycle period

由圖8、圖9可以看出，黏聚力c隨凍融循環(huán)周期N的增大呈指數(shù)減小趨勢(shì)；黏聚力c隨著含水率ω的增大呈線性降低趨勢(shì)。

因此，以凍融循環(huán)周期N對(duì)黏聚力c的影響為主建立其劣化模型；則黏聚力c與凍融循環(huán)周期N的假設(shè)關(guān)系式為

c=e(aN2+bN+d)

(2)

式中：c為原狀黃土的粘聚力；N為原狀黃土凍融循環(huán)周期；a、b、d為與含水率ω有關(guān)的擬合參數(shù)。

擬合分析結(jié)果如表4及圖10所示。

表4 曲線擬合結(jié)果Table 4 Curve fitting results

圖10 擬合曲線

由圖10和表4可知，擬合曲線與試驗(yàn)中曲線擬合狀態(tài)良好，并且其擬合優(yōu)度R2均在0.99以上，更定量說(shuō)明曲線擬合狀態(tài)良好。

圖11為擬合參數(shù)a、b、d與含水率ω的曲線關(guān)系。由圖11可知，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線擬合優(yōu)度R2均大于0.99，曲線擬合良好，原狀黃土隨凍融循環(huán)周期的劣化模型中，該劣化模型是基于凍融循環(huán)劣化思想構(gòu)建的指數(shù)函數(shù)，形式雖較為復(fù)雜，但該模型與其核心參數(shù)凍融循環(huán)次數(shù)N和含水率ω匹配度較高；與含水率ω有關(guān)的擬合參數(shù)a、b、d表達(dá)形式雖復(fù)雜，但擬合曲線狀態(tài)良好，匹配程度高；該劣化模型能較好地預(yù)測(cè)黃土經(jīng)凍融后的強(qiáng)度衰減關(guān)系，對(duì)已知含水率的黃土經(jīng)凍融后的力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，有很好的效果。

a=-0.000 008ω3+0.000 6ω2-0.012 6ω+0.095 9

(3)

b=-0.000 5ω2+0.015 1ω-0.182 4

(4)

d=-0.000 9ω3+0.059 7ω2-1.363 3ω+14.589

(5)

圖11 擬合參數(shù)與含水率ω曲線Fig.11 Fitting parameters and water content

4 結(jié)論

1)凍融循環(huán)條件下的原狀黃土，試樣表面破壞程度隨著凍融循環(huán)周期N的增大而增大；隨著含水率ω的增大，凍融循環(huán)對(duì)原狀黃土試樣的表面破壞越顯著。

2)土樣的抗剪強(qiáng)度隨著凍融周期的增大而降低，隨著含水率的增大而減小，隨著固結(jié)圍壓的增大而減小，且減小趨勢(shì)隨著固結(jié)圍壓的增大而降低。其中，高含水率、低圍壓下，凍融循環(huán)對(duì)土樣的破壞作用較為明顯；土樣的初始模量隨著凍融周期的增大而降低。

3)不同凍融循環(huán)周期下，土樣的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均隨含水率的增大呈線性降低；含水率一定時(shí)，黏聚力c隨著凍融循環(huán)周期N的增大呈指數(shù)減小；內(nèi)摩擦角φ隨著凍融循環(huán)周期N的增大呈線性降低，且變化幅度均在3°以內(nèi)。

4)以凍融循環(huán)周期N對(duì)黏聚力c的影響為主建立其劣化模型，原狀黃土隨凍融循環(huán)周期的劣化模型如式(2)～式(5)。