凍融循環(huán)對岸坡土體力學(xué)特性影響分析

張磊

（塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

0 引言

在水利工程領(lǐng)域中，由于土體力學(xué)特性與水利設(shè)計(jì)息息相關(guān)，因而開展水利工程中土體力學(xué)特性研究很有必要[1-3]。剪切試驗(yàn)是研究土體抗剪特性的重要手段，設(shè)計(jì)直剪試驗(yàn)，獲得土體剪切荷載變形關(guān)系，為認(rèn)識(shí)土體抗剪破壞提供重要參考[4,5]。已有一些學(xué)者利用室內(nèi)試驗(yàn)儀器開展研究不同類型土體的剪切破壞特性，探討外因素對其剪切特性影響，進(jìn)而為工程應(yīng)用設(shè)計(jì)提供重要參考[6-8]。在我國西北等地區(qū)必須考慮凍融循環(huán)對土體材料影響特性，亦有一些學(xué)者專門研究了凍融循環(huán)試驗(yàn)下土體材料的力學(xué)特征影響特性，這些研究成果極大豐富了對土體凍融循環(huán)特性的認(rèn)識(shí)[9-11]。本文將基于室內(nèi)剪切試驗(yàn)與凍融循環(huán)試驗(yàn)，開展不同因素影響下土體剪切破壞影響特性分析，探討實(shí)際工程中該種土體材料抗剪特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)背景

某河道工程設(shè)計(jì)需新拓寬3.0m，為此需對原河道開展整治開挖，原河床斷面為半圓形，河底部高程為58.5m，需整治河道長度約為1.5km，起止樁號(hào)為1+252～2+752?，F(xiàn)河道工程中所遇一岸坡，該岸坡由于水土流失較嚴(yán)重，河道整治開挖岸坡一定程度會(huì)削弱其安全穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)部門考慮結(jié)合凍融循環(huán)開展岸坡土體力學(xué)影響特性研究，為河道岸坡開挖設(shè)計(jì)提供參考。

1.2 試驗(yàn)方案

由現(xiàn)場鉆孔獲得試驗(yàn)土樣，為粉質(zhì)壤土，由擊實(shí)曲線（圖1）可以看出現(xiàn)場擊實(shí)試驗(yàn)所獲得的最佳含水量為18%，根據(jù)室內(nèi)初步物理參數(shù)測試得知，該土樣天然含水量約為8.5%，土顆粒中以0.005～0.075mm為主，占比超過80%。為研究重塑土體拌和糯米漿后力學(xué)性質(zhì)差異，本文采用的糯米漿密度為1.04g/cm3；以土糯比（糯米漿質(zhì)量占比）參數(shù)作為制備摻糯米漿土體材料的指標(biāo)，根據(jù)不同土糯比參數(shù)配置形成重塑土體，糯米漿含量設(shè)定分別為0%（A方案）、10%（B方案）、5%（C方案）；另以目標(biāo)含水量為參照計(jì)算加入定量水，試驗(yàn)中含水量研究方案分別有14%（1號(hào)方案）、17%（2號(hào)方案）、20%（3號(hào)方案）；凍融循環(huán)試驗(yàn)按照0次（Ⅰ方案）、5次（Ⅱ方案）、10次（Ⅲ方案）、15次（Ⅳ方案）設(shè)計(jì)；試樣制備利用固定尺寸的制備容器，分5層，逐層壓實(shí)，保證試樣內(nèi)部晶體顆粒受力均勻，制作出滿足實(shí)驗(yàn)要求的試樣，后養(yǎng)護(hù)24h。

圖1 擊實(shí)曲線

2 土體抗剪強(qiáng)度影響特征分析

基于上述凍融循環(huán)后剪切試驗(yàn)，獲得不同含水量、糯米漿含量以及凍融循環(huán)次數(shù)下剪切試驗(yàn)力學(xué)特征，研究土體抗剪強(qiáng)度受之影響特性。

2.1 糯米漿含量影響

圖2為含水量14%各凍融循環(huán)次數(shù)下不同糯米漿含量影響荷載變形的曲線圖。從圖2可看出，各凍融循環(huán)次數(shù)下均呈摻糯米漿土體峰值荷載高于純土體，即各凍融循環(huán)試驗(yàn)中均以糯米漿含量0%為最低，在凍融循環(huán)次數(shù)為5次時(shí)，糯米漿含量0%的峰值強(qiáng)度為67.05kPa，而含量5%、10%峰值荷載分別是前者的1.3倍、1.05倍；分析表明，糯米漿所具備的粘結(jié)性可一定程度提高土體各晶體結(jié)構(gòu)之間整體性，使分散的土顆粒粘結(jié)成整體，膠結(jié)性能更佳，抵抗剪切荷載能力更強(qiáng)，故而峰值強(qiáng)度均有提升。對比兩個(gè)摻糯米漿土體的荷載變形曲線可知，各凍融循環(huán)試驗(yàn)中峰值荷載均以糯米漿含量5%試樣為最高；分析表明，抗剪強(qiáng)度水平與摻糯米漿含量并不是正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)糯米漿含量過大時(shí)，糯米漿自身的潤滑性會(huì)降低晶體礦物之間的抗滑移摩擦性能，造成剪切破壞過程中晶體礦物易引起滑移破壞，強(qiáng)度相比低含量糯米漿土體降低，在凍融循環(huán)次數(shù)15次時(shí)，糯米漿含量5%的峰值荷載為含量10%的1.2倍。

圖2土體剪切荷載變形曲線（含水量14%）

圖3 為含水量20%下剪切荷載變形曲線，糯米漿含量對強(qiáng)度影響與前兩個(gè)含水量特征關(guān)系基本一致；從變形關(guān)系來看，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較小時(shí)，各糯米漿含量試樣變形曲線呈脆性特征，且隨剪切變形增大，各試樣時(shí)間差異較小，在殘余強(qiáng)度階段具有一致性，而凍融循環(huán)次數(shù)增多，試樣硬化特征顯著[12]，在硬化階段試樣強(qiáng)度差異顯著，凍融循環(huán)10次時(shí)糯米漿含量為0%殘余強(qiáng)度穩(wěn)定在51.00kPa,而糯米漿含量為5%、10%下增大了37.3%、21.6%。

圖3 土體剪切荷載變形曲線（含水量20%）

2.2 含水量影響

基于凍融循環(huán)試驗(yàn)獲得不同含水量剪切荷載變形曲線，本文以典型糯米漿含量5%試樣不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同含水量剪切試驗(yàn)結(jié)果開展分析，如圖4所示。相比糯米漿含量對土體強(qiáng)度影響具有最佳含量，土體含水量對抗剪強(qiáng)度影響為一致性，即負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)含水量愈高時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度（峰值荷載）愈小，在凍融循環(huán)5次時(shí)，含水量14%試樣的峰值荷載為85kPa，而含水量17%，20%峰值荷載相比前者降低了11.9%，17.4%；分析表明，當(dāng)土體含水量愈多，則會(huì)激發(fā)土體晶體顆粒之間潛在滑移能力，特別當(dāng)土體中含有糯米漿含量后，糯米漿自身所具有的潤滑性在較多水分子作用下，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響土體峰值荷載。另從變形特征可知，在各凍融循環(huán)試驗(yàn)下，試樣均表現(xiàn)脆性破壞特征，峰值荷載后期具有顯著下跌段，但凍融循環(huán)次數(shù)15次時(shí)，含水量17%，20%試樣具有硬化特征；分析表明，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較大時(shí)，愈能影響剪切宏觀裂紋的擴(kuò)展延伸，土體內(nèi)部含水量愈多，凍融循環(huán)試驗(yàn)后水分子與土體晶體顆粒結(jié)合度愈高，試樣發(fā)生宏觀裂紋失穩(wěn)難度愈大，可在峰值荷載后期持續(xù)應(yīng)變硬化。

圖4土體剪切荷載變形曲線（糯米漿含量5%）

2.3 凍融循環(huán)次數(shù)影響

圖5 為含水量20%下不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣剪切荷載變形曲線，整體上呈現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)愈多，則剪切荷載水平愈低：在含水量20%、糯米漿含量10%，凍融循環(huán)0次時(shí)峰值荷載為74.24kPa，而凍融循環(huán)10次、15次相比前者分別降低了11.3%，28.7%；當(dāng)在同一含水量糯米漿含量為5%時(shí)，凍融循環(huán)10次，15次峰值荷載相比0次時(shí)降低幅度分別為18.3%，35.6%。分析表明，在最優(yōu)糯米漿含量下，凍融循環(huán)次數(shù)對峰值荷載影響更為敏感。另當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增多時(shí)，試樣變形愈趨于應(yīng)變硬化，即土體凍融循環(huán)次數(shù)影響試樣峰值荷載后變形特征，分析是由于凍融循環(huán)次數(shù)增大，造成水分子可殘留的冰晶體對土顆?？紫短畛鋲好茏饔酶鼜?qiáng)，削弱了宏觀大裂紋的延伸效應(yīng)，產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

3 土體坑剪參數(shù)

圖5凍融循環(huán)影響下土體剪切變形曲線（含水量20%）

圖6 為糯米漿含量5%不同含水量試樣在各凍融循環(huán)次數(shù)下抗剪特征參數(shù)變化曲線。從圖6可知，在含水量影響下，粘聚力參數(shù)與含水量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)凍融循環(huán)10次時(shí)，含水量14%的粘聚力為47.4kPa，而含水量17%，20%相比前者分別降低了16.5%，33.8%；另一方面各含水量下粘聚力參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸降低，即粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)為負(fù)相關(guān)變化。另一個(gè)內(nèi)摩擦角抗剪特征參數(shù)隨含水量變化并無顯著關(guān)系，但相同凍融循環(huán)次數(shù)下各含水量試樣內(nèi)摩擦角差異較小，即含水量對土體內(nèi)摩擦角影響較小。相等含水量下試樣內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)呈先增后減，內(nèi)摩擦角最大屬凍融循環(huán)次數(shù)5次、10次，17%含水量試樣循環(huán)次數(shù)10次下內(nèi)摩擦角為23.2°，為循環(huán)次數(shù)0次的1.15倍。

圖6抗剪特征參數(shù)受含水量、凍融循環(huán)次數(shù)影響變形曲線（糯米漿含量5%）

圖7 為不同糯米漿含量影響下抗剪特征參數(shù)變化曲線。從圖7可以看出，摻糯米漿土體粘聚力總高于純土體，而摻糯米漿土體中粘聚力最大又以糯米漿含量5%下為最高；另一方面，相同糯米漿含量下土體粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸降低，此現(xiàn)象亦與圖7（a）中一致。內(nèi)摩擦力在有凍融循環(huán)次數(shù)下，均以糯米漿含量5%為最高，凍融循環(huán)10次時(shí)糯米漿含量5%的內(nèi)摩擦角為23.09°，其相比含量10%，0%分別高了9.2%，1.9%。受凍融循環(huán)次數(shù)影響，同一糯米漿含量下的試樣內(nèi)摩擦角呈先增后減變化，以凍融循環(huán)5，10次時(shí)內(nèi)摩擦角較高，無摻加糯米漿土體的內(nèi)摩擦角受凍融循環(huán)次數(shù)影響較小。

圖7 抗剪特征參數(shù)受糯米漿含量、凍融循環(huán)次數(shù)影響變形曲線（含水量17%）

4 結(jié)論

1）摻糯米漿土體峰值荷載高于純土體，且各含水量下均以糯米漿含量5%試樣峰值荷載為最大，摻糯米漿土體峰值荷載后期處于脆性特征，且延塑性變形較強(qiáng)。

2）含水量與土體剪切峰值荷載為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在凍融循環(huán)5次下，含水量17%，20%峰值荷載相比含量14%降低了11.9%，17.4%；高凍融循環(huán)次數(shù)及高含水量下，土體變形趨于應(yīng)變硬化型。

3）凍融循環(huán)次數(shù)對土體剪切強(qiáng)度具有抑制效應(yīng)，相同糯米漿含量與含水量下凍融循環(huán)10次、15次相比循環(huán)0次時(shí)峰值荷載分別降低了11.3%、28.7%；凍融循環(huán)次數(shù)影響試樣峰值荷載后變形特征，循環(huán)次數(shù)愈多，則土體愈趨于應(yīng)變硬化特征。

4）粘聚力參數(shù)與含水量、凍融循環(huán)次數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，以摻糯米漿含量5%土體粘聚力最高；內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)呈先增后減，但各含水量下土體內(nèi)摩擦角基本均維持在22.5°。