凍融作用對(duì)碎石土-結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特征影響分析

高曉萍

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西 西安 710000）

在季節(jié)性凍土區(qū)或多年凍土區(qū)的季節(jié)性活動(dòng)層中，周期性的凍融作用會(huì)不斷改變土壤-碎石混合物的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)[1-2]。對(duì)于淺層土石混合物，土與碎石之間的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)隨著凍結(jié)和融化而變化，這進(jìn)一步影響了接觸面的物理和力學(xué)性能[3-4]。特別是在反復(fù)凍融條件下，碎石土的剪切應(yīng)力-位移關(guān)系、強(qiáng)度變化以及接觸面是分析季節(jié)性凍土地區(qū)基礎(chǔ)工程承載力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在巖土工程結(jié)構(gòu)中，當(dāng)兩種連接的材料的變形特性區(qū)別非常大時(shí)，在一定的應(yīng)力條件下，兩者的接觸面將造成打滑、錯(cuò)動(dòng)或破裂的現(xiàn)象[5-6]。在共同承受外部載荷的過程中，土壤結(jié)構(gòu)充當(dāng)傳遞應(yīng)力和變形的介質(zhì)[7]。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

為研究?jī)鋈谘h(huán)作用下土石混合體-混凝土接觸面力學(xué)行為，基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查和工程施工報(bào)告[8]設(shè)定不同凍融循環(huán)時(shí)間、含石率下土石混合體-混凝土室內(nèi)直剪試驗(yàn)，明晰其強(qiáng)度劣化規(guī)律。

1.1 試樣制備

土石混合體-混凝土組合體試樣制備：①首先制備尺寸為直徑（內(nèi)徑）150 mm高度50 mm的圓柱體土石混合體樣，同時(shí)保證初始接觸面平整、光滑；②利用不銹鋼圓片將制備好的高為50 mm的圓柱體土石混合體樣移至直徑150 mm高度100 mm模具內(nèi)；③根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)澆混凝土混合比（水泥：沙子：碎石：水=1:2:1.5:4.5）稱量所需的水、水泥、碎石和沙子以配置混凝土漿；④將均勻混合的混凝土倒入裝有土石混合體試樣的模具盒中，并充分振動(dòng)。隨后養(yǎng)護(hù)14天（溫差±1 ℃），然后冷凍至指定溫度，將試樣包裹在保鮮膜中，并置于溫度可調(diào)的低溫測(cè)試箱中，以快速冷凍12小時(shí)（環(huán)境溫度設(shè)置為-25 ℃），并在室溫（15～25℃融化）下融化12小時(shí)。土顆粒物理參數(shù)見表1。

表1 土顆粒物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

接觸面剪切試驗(yàn)步驟如下：

（1）制作不同含水率、含石率條件的土石混合體試樣；（2）于土石混合體試樣上澆筑混凝土，恒溫養(yǎng)護(hù)14天；（3）將土石混合體-混凝土試樣置于溫度可調(diào)的低溫測(cè)試箱中，以快速冷凍12小時(shí)（環(huán)境溫度設(shè)置為-25 ℃），并在室溫（15～25℃融化）下融化12小時(shí)，以此來模擬一次凍融循環(huán)周期；（4）對(duì)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)；（5）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果整理與分析

2.1 凍融對(duì)接觸面剪切應(yīng)力-位移特征的影響

剪切破壞面由混凝土表面和覆蓋有一定厚度的土石混合物組成，表明剪切破壞前剪切應(yīng)力在土石混合物與混凝土接觸面之間傳遞，因此剪切破壞時(shí)會(huì)發(fā)生破壞面，破壞面在接觸面附近的土壤中，接觸面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線形狀主要取決于土石混合體與混凝土接觸面之間的相互作用，并且還受凍融循環(huán)次數(shù)及碎石含量的影響。

如圖1所示，由W=18%，P=200 kPa條件下不同凍融次數(shù)組合體接觸面剪切應(yīng)力-位移關(guān)系典型曲線中可以得到接觸面力學(xué)行為在不同凍融次數(shù)（0、1、3、5、10）下與剪切應(yīng)力-位移呈同樣趨勢(shì)，它可以分為峰值前的剪切應(yīng)力快速增長(zhǎng)階段和峰值后的軟化階段和殘余穩(wěn)定階段。凍融后土石混合體與混凝土組合體在剪切過程中，到達(dá)某一位移后剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生較大的釋放，并且其釋放程度與含石率密切相關(guān)。含石率越大，其釋放程度越大。接觸面抗剪強(qiáng)度在碎石增加時(shí)呈指數(shù)增長(zhǎng)，并且在四個(gè)碎石含量條件下的殘余強(qiáng)度值非常接近。這表明，一旦接觸面發(fā)生剪切破壞，剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵作用就是內(nèi)摩擦角φ的值。隨著接觸面土石接觸狀態(tài)的完全破壞以及土顆粒和碎石的滑動(dòng)，接觸面進(jìn)入殘余穩(wěn)定階段，剪切應(yīng)力不再隨剪切位移的增加而發(fā)生明顯變化。

由不同凍融次數(shù)組合體接觸面剪切應(yīng)力-位移關(guān)系典型曲線還可以看出，相同含石率下，最大剪切應(yīng)力與凍融次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，究其原因主要是碎石土-混凝土接觸面初次受強(qiáng)烈的凍結(jié)和融化作用，從而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。部分孔隙開始形成，破壞了由顆粒間接接觸形成的初始化學(xué)鍵，從而導(dǎo)致組合體的剪切應(yīng)力逐漸降低。同時(shí)，凍融循環(huán)作為一種強(qiáng)風(fēng)化機(jī)制，在凍融過程中對(duì)土石混合體內(nèi)部孔隙產(chǎn)生增大和壓密的雙重作用，使得土石混合體試樣內(nèi)部顆粒間的排列向著更加粗糙、隨機(jī)的方向發(fā)展。在相同凍融次數(shù)下，最大剪切應(yīng)力與含石率呈正相關(guān)關(guān)系，主要原因是當(dāng)碎石含量低時(shí)，碎石懸浮在以土壤為主要成分的介質(zhì)中，碎石之間的距離比較大，在接觸面上只有少量的碎石可以提供“咬合力”。

圖1 不同凍融次數(shù)下18%含水率、不同含石率試樣剪切應(yīng)力-位移曲線

當(dāng)含石率較高時(shí)，上部土體達(dá)到最小孔隙比，混合體中有大量碎石，其中處于接觸面處的碎石具有更多咬合機(jī)會(huì)，可以提供更強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度，與上部混合體中的碎石相互作用可以承擔(dān)大部分剪切力。在碎石咬合和轉(zhuǎn)動(dòng)翻滾過程中土體充填于其孔隙中。尤其是在高應(yīng)力作用下，碎石咬合作用會(huì)更加明顯。除了上部土體中碎石咬合過程中不斷推擠與旋轉(zhuǎn)外，還有就是碎石部分嵌入下部混凝土中和水泥漿液滲入接觸面處都將提供較大咬合力，當(dāng)含石率較低時(shí)實(shí)際剪切面類似波浪上下起伏，當(dāng)含石率較大時(shí)，剪切面將出現(xiàn)大面積啃掘破壞。

2.2 凍融對(duì)接觸面黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響

由于土石混合體與混凝土的剛度相差很大，特別是土石混合體具有特殊結(jié)構(gòu)性，因此分析兩者相互作用時(shí)不能單純地考慮各自的性質(zhì)，必須對(duì)兩者接觸面上剪力的傳遞機(jī)理進(jìn)行分析。土石混合體中碎石含量是影響土石混合體—混凝土接觸面抗剪性能的最主要因素之一。圖2顯示了在不同碎石含量下試樣的黏聚力c與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線。接觸面的黏聚力c隨著碎石含量的變化而顯示出不同的變化，試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)后黏聚力值呈現(xiàn)急速下降后又稍微有所起伏，這與凍融循環(huán)下土石混合體碎石骨架劣化重組密切相關(guān)。經(jīng)過1次循環(huán)后這種劣化現(xiàn)象發(fā)展緩慢，黏聚力c降低速度明顯減慢。從曲線上可以看出，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，黏聚力c有小幅度的增加，這是因?yàn)橥馏w膨脹收縮一定次數(shù)后其總體骨架發(fā)生塌落，骨架間孔隙減少細(xì)粒土之間的接觸點(diǎn)增加，破碎的土顆粒包裹碎石以及細(xì)粒土在法向壓力下與混凝土面黏結(jié)緊密，在剪切過程中黏聚力有所提升。隨后在此基礎(chǔ)上，土體在凍融循環(huán)下繼續(xù)劣化，黏聚力c繼續(xù)減小并趨于穩(wěn)定。接觸面上的強(qiáng)度參數(shù)不僅僅取決于土石混合體或混凝土本身，而是由土石混合體、混凝土相互作用共同控制的。

凍融會(huì)通過改變土壤-碎石混合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及土壤-碎石混合物與混凝土表面顆粒之間的連接來影響接觸表面的力學(xué)性能。試樣內(nèi)摩擦角φ與不同碎石含量比率下的凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖2所示，可以看出：不同含石率試樣的內(nèi)摩擦角φ在經(jīng)歷1次凍融后有個(gè)增大的過程，這是因?yàn)?次凍融后粗土顆粒就出現(xiàn)微裂縫，其與混凝土接觸面黏結(jié)力也相應(yīng)降低，此時(shí)，摩擦角φ主要由碎石承擔(dān)，但在凍融后，由于土中水的凍結(jié)，使土壤體積膨脹，從而對(duì)土壤產(chǎn)生壓實(shí)作用。土石混合物與混凝土之間的咬合力增強(qiáng)了土石混合物與混凝土表面之間的連接。之后，接觸表面的強(qiáng)度參數(shù)隨著凍融時(shí)間的增多而降低，并且該降低量逐漸減小，最終穩(wěn)定。

圖2 黏聚力、內(nèi)摩擦角隨含石率變化關(guān)系曲線

這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)畢竟是一種強(qiáng)烈的風(fēng)化現(xiàn)象，并且對(duì)碎石土的破壞也不容忽視。粗粒土骨架在凍融循環(huán)下經(jīng)過凍脹消融發(fā)生劣化，粗粒土產(chǎn)生微裂縫甚至破碎分解，黏附在碎石表面的土顆粒破碎后，細(xì)小顆粒土由于骨架變形產(chǎn)生的擠壓而緊緊包裹在碎石表面，碎石此時(shí)棱角不再尖銳，進(jìn)而與混凝土的咬合及嵌固能力減弱，在剪切過程中出現(xiàn)較明顯的滑移段，內(nèi)摩擦角φ同時(shí)也相應(yīng)減小。由于碎石土與混凝土之間的作用力是相互的，因此上述變化將改變土顆粒的分布，從而削弱土顆?？蚣苤g的連接，并導(dǎo)致土石混合料與混凝土之間的咬合摩擦和滑動(dòng)摩擦力逐漸降低并最終穩(wěn)定。特別是對(duì)于接觸表面的摩擦角，它主要受土壤顆粒與混凝土之間的接觸面積以及土壤顆粒形狀的影響。經(jīng)過幾次凍融循環(huán)后，土壤顆粒與混凝土之間的接觸面積和土壤顆粒的形狀趨于穩(wěn)定。因此，接觸表面的摩擦角逐漸趨于基本不變。

3 結(jié)論

凍融作用對(duì)碎石土-混凝土界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角有不同的貢獻(xiàn)。對(duì)試樣的黏聚力有更大的影響?zhàn)ぞ哿Φ淖兓?guī)律和剪切強(qiáng)度的趨勢(shì)大致相同，1～3次凍融表現(xiàn)出急劇降低的趨勢(shì)，3～5次時(shí)有小幅度增加，5～10次時(shí)緩慢下降。且隨含石率增加，黏聚力有明顯提高。含石率越高，內(nèi)摩擦角越小，且隨著凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。