基于三軸凍融試驗的土體力學特征變化研究

蔡學博

（遼寧省沈陽市康平縣自然資源保護與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110500）

1 引言

研究土體材料力學特性對提升水利設計水平具有重要作用，而由于天然環(huán)境下土體受力狀態(tài)受到多方面因素影響，因而研究土體力學特征影響變化規(guī)律對實際水利工程運營設計很有必要[1,2]。余啟清[3]、王瑤[4]、高軍軍等[5]采用離散元仿真的手段，建立土體材料計算模型，設計不同運營荷載工況，分析土體材料應力場與變形場特征，為探討土體力學特性提供計算參考。室內(nèi)試驗作為可直接反應現(xiàn)場土體力學特征的研究手段，一些學者利用精密土工儀器，設計單軸、三軸、滲流等試驗方案，獲得室內(nèi)試驗條件下土體材料的力學變化，推動水利工程中對土體材料力學水平的認識[6,7]。本文根據(jù)水利工程現(xiàn)場實際填土料取樣，開展室內(nèi)三軸凍融循環(huán)試驗，為揭示土體材料力學特征影響特性提供重要依據(jù)。

2 試驗介紹

2.1 試驗背景

華北地區(qū)生活用水很大部分來自于南水北調(diào)工程，特別是在保定等地區(qū)冬天水資源很大程度上依賴于南水北調(diào)所儲蓄水資源，為此在地區(qū)內(nèi)建設有南水北調(diào)中轉(zhuǎn)調(diào)度樞紐，統(tǒng)籌調(diào)度水資源，確保水資源高效利用，該中轉(zhuǎn)水利樞紐工程主要以抽水泵站和蓄水池組成。由于華北地區(qū)冬天溫度較低，工程場地地表監(jiān)測最低溫度可達-15℃，這種環(huán)境對場地內(nèi)土層沉降變形、承載能力均是較大影響，考慮以上因素，應針對性的對泵站建設場地土體開展凍融影響下力學穩(wěn)定性研究。

2.2 試驗概況

凍融交替下土體力學特征變化很大程度上與土體含水量有關，土體含水量高低對土體凍融損傷程度影響較大，另一影響因素則為凍融交替次數(shù)，本文以上述兩因素設計三軸力學試驗。每次凍融交替試驗中的凍、融溫度均為-15℃、20℃，凍融交替次數(shù)設定為 0、2、4、6、8、12 次，根據(jù)工程場地內(nèi)土體含水量分布范圍，試驗中使用的土體試樣含水量分別為12%、14%、16%、18%、20%，三軸圍壓為 50 kPa、200 kPa，具體實驗方案如表1所示。以工程現(xiàn)場所鉆孔取出土樣在室內(nèi)精加工后，滿足三軸試驗要求，土體試樣直徑高度比保持為1∶2，尺寸為38～76 cm。

表1 各組試樣含水量與凍融交替參數(shù)表

本次實驗中凍融循環(huán)采用凍融交替試驗箱，加溫速率選擇為0.4℃/min，當達到目標溫度后，保溫2 h。三軸試驗儀采用TFB-型全自動程序控制液壓加載試驗機，變形控制加載速率為0.2 mm/min，安裝的軸向變形傳感器最大量程可達±10 mm，傳感器誤差不超過0.5%。

3 土體三軸力學特性影響性

3.1 含水量

經(jīng)試驗后獲得不同含水量土體應力應變曲線，如圖1所示。從圖中可看出，相同凍融交替次數(shù)下含水量與土體加載應力水平為負相關關系，在循環(huán)次數(shù)2次時，軸向應變4%下含水量12%的土體試樣加載應力為630.2 kPa，而含水量14%、16%、20%的土體試樣相同條件下的加載應力相比前者分別降低了11.1%、27.8%、58.7%。當土體初始含水量愈大，則試樣土顆粒骨架充滿水含量更多，在相同凍融交替試驗下水分子的凍結膨脹體積更廣，對土體內(nèi)部孔隙的穩(wěn)定性起著促進發(fā)育的作用，導致土顆粒骨架更具松散，故承載能力穩(wěn)定性大大降低，表現(xiàn)在三軸加載應力水平較低的現(xiàn)象。

圖1 不同含水量土體試樣應力應變曲線

從各土體試樣應力應變曲線表現(xiàn)亦可看出，當初始含水量愈小，則試樣線彈性變形階段應力應變增長斜率愈大，即含水量愈小的土體試樣線彈性模量愈大，在凍融循環(huán)6次試驗組中含水量為20%的試樣線彈性模量為49.1 kPa，而含水量為12%、16%的試樣線彈性模量相比前者分別增大了2.1倍、1.15倍；筆者經(jīng)統(tǒng)計得知當含水量降低2%，土體試樣線彈性模量平均增長了33.2%；從含水量影響土體三軸力學特征結果可知，當含水量愈大的土體，經(jīng)歷凍融交替后，線彈性變形能力大大降低，試樣更趨于塑性變形，顆粒骨架脆性變形破壞可能性大大降低，土體更會長期處于塑性變形區(qū)段內(nèi)。從塑性硬化變形階段應力應變曲線斜率可知，含水量較大的試樣變形模量愈大，凍融循環(huán)6次時的含水量20%試樣的變形模量為7.2 kPa，而含水量12%、16%土體試樣塑性階段變形模量相比前者降低了28.3%、63.4%，即土體初始含水量對土體塑性變形能力有促進作用。

3.2 凍融交替

圖2為不同凍融交替次數(shù)下土體試樣應力應變曲線特征。從圖中可看出，當循環(huán)次數(shù)在0～8次，凍融循環(huán)次數(shù)與土體加載應力水平為負相關關系，而循環(huán)次數(shù)超過8次，加載應力水平與循環(huán)次數(shù)為正相關關系；含水量14%試驗組中相同加載應變4%時凍融循環(huán)0次的加載應力為582.5 kPa，而循環(huán)4次、8次、12次后相同條件下的加載應力相比前者分別降低了28.8%、60.5%、53.6%，在循環(huán)12次時，加載應力水平相比8次時有一定幅度增長。分析認為，當凍融循環(huán)次數(shù)處于一定節(jié)點時，相同含水量的土體內(nèi)部的水晶體在較多凍融交替次數(shù)下，內(nèi)部孔隙經(jīng)歷一輪一輪的膨脹，對顆粒骨架的穩(wěn)定性是較大損傷，造成土體試樣的承載能力大大降低；但當凍融交替次數(shù)超過一定節(jié)點后，此時試樣內(nèi)部水分子不僅僅是在內(nèi)部形成了凍結晶體，在土體表面以及內(nèi)部均形成凍結層，一定程度上降低了土體含水量，推動試樣承載能力正向發(fā)展，因而造成加載應力水平遞增的現(xiàn)象。

圖2 不同凍融交替次數(shù)下土體試樣應力應變曲線

比較不同凍融循環(huán)下的土體變形特征可看出，三軸凍融循環(huán)下的兩階段變形均為“線彈性變形-塑性硬化變形”，變形轉(zhuǎn)變臨界節(jié)點應變值隨循環(huán)次數(shù)為先增后減變化，其中以凍融交替次數(shù)8次時拐點應變值為最大，含水量12%時該條件下的應變值為7.5%，而循環(huán)2次、4次、12次后拐點應變分別為3.4%、4.5%、3.8%，即循環(huán)次數(shù)不超過凍融循環(huán)臨界力學特征點，則凍融次數(shù)愈多，則土體線彈性變形與塑性硬化變形之間銜接節(jié)點愈滯后，而循環(huán)次數(shù)超過臨界力學特征點后，則兩階段的變形拐點有所提前。

4 抗剪強度特征

以三軸數(shù)據(jù)為依據(jù)獲得圖3所示抗剪強度變化特征，因硬化階段無顯著峰值點，以應變15%作為抗剪強度特征點。從圖3中可看出，相同凍融次數(shù)下，土體初始含水量越大，抗剪強度愈低，凍融交替次數(shù)4次時含水量12%抗剪強度為697.12 kPa，而含水量16%、20%試樣的抗剪強度相比前者降低了39.5%、56.3%，當循環(huán)至8次后，降低幅度又為32.4%、49.1%，表明凍融循環(huán)增多，對含水量抑制抗剪強度增長效應有所減弱；相同含水量下的抗剪強度與凍融次數(shù)呈先減后增變化，含水量18%試驗組中凍融循環(huán)0次時的抗剪強度為477.6 kPa，而循環(huán)4、6、8次后的抗剪強度相比前者分別降低了24.5%、36.3%、55.4%，而循環(huán)12次后抗剪強度又相比循環(huán)8次時增長了12.3%。從抗剪強度變化幅度特征可知，在含水量為12%，凍融循環(huán)0～8次時，每增長2次凍融交替，土體抗剪強度平均損耗了20.2%，而含水量增大至16%后，損耗幅度約為16.8%，甚至含水量增長至20%，強度損耗幅度進一步降低，僅為14.3%；表明在凍融影響力學特征臨界次數(shù)前，當含水量增大，則抗剪強度損耗幅度遞減。當凍融循環(huán)為8～12次后，含水量14%組中凍融循環(huán)增長2次，抗剪強度平均增大了7.2%，且各含水組中超過凍融循環(huán)臨界次數(shù)后的強度增長幅度基本接近。

圖3 抗剪強度隨凍融次數(shù)、含水量變化關系曲線

5 結論

（1）相同凍融交替次數(shù)下含水量與土體加載應力水平為負相關關系，相同凍融4次時含水量16%、20%試樣的抗剪強度相比含水量12%降低了39.5%、56.3%，但凍融次數(shù)增多，含水量抑制強度增長效應有所減弱。

（2）含水量愈小的土體線彈性模量愈大，含水量為12%、16%的試樣線彈性模量相比含水量20%試樣分別增大了2.1倍、1.15倍，但在塑性變形硬化階段的變形模量以含水量較大的試樣為最大，含水量12%、16%土體試樣塑性階段變形模量相比含水量20%降低了28.3%、63.4%。

（3）相同含水量下的抗剪強度與凍融次數(shù)呈先減后增變化，影響臨界次數(shù)為8次，循環(huán)0～8次時，每增長2次凍融，抗剪強度平均損耗了20.2%，且隨含水量增大，抗剪強度損耗幅度遞減；凍融8～12次時，每增長2次，強度平均增大了7.2%。

（4）三軸凍融循環(huán)下的土體變形為“線彈性變形-塑性硬化變形”兩階段，當凍融次數(shù)愈多，則兩階段變形銜接節(jié)點愈滯后，而循環(huán)次數(shù)超過臨界點后，則兩階段變形拐點有所提前，含水量12%時循環(huán) 0、2、4、6、8、12 次時拐點應變分別為 2.1%、3.4%、4.5%、5.6%、7.5%、3.8%。