凍融循環(huán)對(duì)膨脹土變形和力學(xué)特性的影響研究

陳 永，黃英豪，朱 洵，吳 敏，王 碩，朱 銳

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

膨脹土是一種富含蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物的高塑性黏土，具有裂隙性、強(qiáng)衰減性和強(qiáng)脹縮性等特點(diǎn)[1-2]。膨脹土亦稱脹縮性土，受外界正負(fù)溫度變化極易發(fā)生脹縮變形，進(jìn)而造成土體結(jié)構(gòu)的破壞和抗剪強(qiáng)度的急劇減弱，是工程界典型的“問(wèn)題土”。目前，已有眾多針對(duì)膨脹土特性的試驗(yàn)研究，楊和平等[3]對(duì)南寧膨脹土進(jìn)行了干濕循環(huán)作用后的直剪試驗(yàn)，指出土體抗剪強(qiáng)度的下降主要是因?yàn)楦蓾裱h(huán)次數(shù)的增加；朱洵等[4]通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)研究了不同干密度下膨脹土的力學(xué)性質(zhì)與濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，指出在濕干凍融耦合作用下膨脹土的體積變形和彈性模量等受干密度的影響較大；劉清秉等[5]通過(guò)室內(nèi)K0應(yīng)力狀態(tài)膨脹試驗(yàn)，認(rèn)為含水率越大，膨脹率越?。徊陶y等[6]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得，隨著含水率的升高土體強(qiáng)度先增加后減小，并存在最大強(qiáng)度。上述研究大多集中在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、含水率等單因素對(duì)膨脹土脹縮變形和力學(xué)性質(zhì)等方面的影響，而且局限于土體宏觀力學(xué)的研究，針對(duì)凍融循環(huán)與含水率之間的交互作用對(duì)膨脹土的脹縮變形和力學(xué)性質(zhì)的影響少有研究，土體微觀結(jié)構(gòu)的演化等微細(xì)觀機(jī)理與宏觀力學(xué)性質(zhì)相結(jié)合的研究也尚待開展。

基于此，本文以北疆阿勒泰地區(qū)某長(zhǎng)距離輸水渠道渠基膨脹土為研究對(duì)象，其膨脹土段工程約占渠道總長(zhǎng)的32%，渠道沿線的年平均地溫3.4 ℃，冬季極端低溫達(dá)?40.3 ℃，夏季平均氣溫約為20 ℃。這些因素共同作用形成了明顯的凍融循環(huán)過(guò)程，造成渠基膨脹土嚴(yán)重變形，嚴(yán)重影響渠道穩(wěn)定[7-8]。通過(guò)12%、16%和20%共3種不同含水率膨脹土試樣的體積變形試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和SEM電鏡掃描試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)作用下不同含水率的膨脹土的體積變形和力學(xué)性質(zhì)的演化規(guī)律，并將土體的性質(zhì)從宏微觀角度進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)一步明確凍融循環(huán)作用與含水率對(duì)脹縮變形、力學(xué)性質(zhì)及土體微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的影響。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用土料取自北疆長(zhǎng)距離輸水渠道建設(shè)工地，取樣深度約為1.5 m，土料在此深度具有代表性。土料呈黃色，通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得土料的基本物理性質(zhì)及礦物組成，如表1所示。土料的不均勻系數(shù)為 16，d10、d30、d50和d60分別為 0.001、0.005、0.010和 0.016 mm，曲率系數(shù)為 1.56，說(shuō)明土的級(jí)配良好。同時(shí)，土料的自由膨脹率為86%，具有中強(qiáng)膨脹性。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)及礦物組成Tab.1 Basic physical properties and mineral composition of expansive soil

1.2 試樣制備

將從工程現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回的土料進(jìn)行翻曬、自然風(fēng)干碾壓后過(guò)2 mm篩，測(cè)定過(guò)篩土的初始含水率為5.18%，然后根據(jù)試樣預(yù)設(shè)的含水率（按干土質(zhì)量的12%、16%和20%）用噴霧器向土中均勻地噴灑一定量的蒸餾水，攪拌15 min后，裝入密封袋悶料24 h，使水分分布均勻?？刂扑性嚇拥膲簩?shí)度為95%，即干密度均為1.62 g /cm3，含水率分別為12%、16%和20%，按照土工試驗(yàn)規(guī)范[9]，采用三層擊實(shí)法制樣，將土樣等量分3次填入制樣器，壓實(shí)后削平土樣表面，試樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm。將制備好的試樣用保鮮膜包裹并進(jìn)行分組編號(hào)，然后放入略大于試樣的密封袋中，確保試樣不與外界接觸，避免水分的散失和外界補(bǔ)給。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn) 渠道現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)歷的凍融循環(huán)過(guò)程本身較為復(fù)雜，室內(nèi)試驗(yàn)中難以完全模擬，參考文獻(xiàn)[10-11]中的方法，首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊界條件進(jìn)行概化。圖1為北疆渠道總干渠段沿線某氣象站觀測(cè)到的2013—2014年地表溫度分布，不難發(fā)現(xiàn)，全年平均氣溫低于0 ℃的時(shí)間約為4個(gè)月（2013-11-20—2014-03-19），此過(guò)程可視為土體經(jīng)歷了凍結(jié)作用；平均氣溫高于0 ℃的時(shí)間約為8個(gè)月（2014-03-19—2014-11-11），此過(guò)程可視為土體經(jīng)歷了融化作用。由上述渠道溫度變化最終確定室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)狀態(tài)的溫度是?22 ℃，持續(xù)時(shí)間為12 h；模擬現(xiàn)場(chǎng)融化狀態(tài)的溫度是22 ℃，時(shí)間是24 h。多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果[12-14]均發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行了大約7次凍融循環(huán)后，膨脹土的力學(xué)和物理性質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定，鑒于此結(jié)果，本文將試樣的最終凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)為7次。凍融循環(huán)試驗(yàn)采用可程式高低溫試驗(yàn)裝置進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

圖1 2013年11月—2014年11月渠道沿線地表氣溫分布曲線Fig.1 Surface temperature distribution curve along the channel from November 2013 to November 2014

1.3.2 體積變形試驗(yàn)為了探究?jī)鋈谘h(huán)過(guò)程中試樣的體積變形規(guī)律，每組試樣設(shè)置5個(gè)平行組，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)鼋Y(jié)和融化后試樣的直徑和高度。考慮到凍融循環(huán)過(guò)程中試樣變形的微小性和多向性[15]，參考蔡國(guó)慶等[15]的方法，對(duì)每個(gè)試樣分別進(jìn)行3次直徑測(cè)量與高度測(cè)量，然后各取平均值根據(jù)公式計(jì)算出試樣的體積。每次試樣尺寸測(cè)量結(jié)束后，用電子天平對(duì)其進(jìn)行稱重，對(duì)凍融循環(huán)過(guò)程中試樣的質(zhì)量變化情況進(jìn)行監(jiān)控，避免水分的散失和外界補(bǔ)給帶來(lái)的試驗(yàn)誤差。

1.3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 采用南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的石灰土無(wú)側(cè)限抗壓儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以此獲取不同含水率下膨脹土試樣經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后的力學(xué)指標(biāo)。分別對(duì)經(jīng)過(guò)0（初始狀態(tài)）、1、3和7次凍融循環(huán)作用后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，軸應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)停止剪切試驗(yàn)，剪切速率為1 mm/min。

1.3.4 SEM電鏡掃描試驗(yàn) 微觀試驗(yàn)采用中科院蘭州化學(xué)物理研究所的SU8020型冷場(chǎng)發(fā)射型掃描電鏡儀。對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣從中心處較典型的部位切取體積為5 mm×5 mm×5 mm大小的土樣，采用液氮真空冷卻干燥法[16]，最大限度地保證土體的原始孔隙與結(jié)構(gòu)特征。然后將其噴好金屬鍍膜連同基座一并放入掃描電鏡樣品區(qū)，通過(guò)調(diào)節(jié)試樣位置，在觀察區(qū)附近聚焦，選取具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行拍照，以探究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)不同含水率的試樣在微觀結(jié)構(gòu)方面的影響，掃描倍數(shù)設(shè)為100、500、1 000。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 體積變形特征

試樣在7次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失約為0.51%，除極少數(shù)土粒外，都為水分損失，這說(shuō)明此試驗(yàn)方法密封性較為良好。圖2為不同含水率試樣的體積變化率隨凍融循環(huán)作用的變化情況（膨脹狀態(tài)為正，收縮狀態(tài)為負(fù)），“F”表示試樣每次凍結(jié)完成，“T”表示試樣每次融化完成。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同含水率狀態(tài)下試樣的體積變形特征存在較大差異，含水率為 12%和16%的試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)為“凍縮融脹”，不同的是，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含水率12%的試樣體積變化幅度基本維持穩(wěn)定不變，而含水率16%的試樣體積變化幅度逐漸減小，3次循環(huán)后體積變化幅度基本趨于穩(wěn)定。含水率為20%的試樣呈現(xiàn)出完全相反的變化趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為“凍脹融縮”，且凍脹率要大于融縮率，除第1次融化時(shí)表現(xiàn)為“融脹”。含水率為12%、16%和20%的試樣體積變化率最大值分別出現(xiàn)在第2次、第1次和第3次凍結(jié)作用后，分別為?4.51%、?2.92%和5.67%，這從側(cè)面說(shuō)明了凍結(jié)作用是造成土體體積變形的主要原因?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著試樣含水率的增加，其整體體積變形規(guī)律由“凍縮融脹”向“凍脹融縮”轉(zhuǎn)變，所有試樣經(jīng)7次凍融循環(huán)結(jié)束后，體積均略有增加。

圖2 凍融循環(huán)過(guò)程中試樣體積變化曲線Fig.2 Sample volume change curve during freeze-thaw cycle

凍融循環(huán)作用對(duì)膨脹土試樣體積變形特征影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面由于水與冰的密度不同，固態(tài)冰的體積比等質(zhì)量液態(tài)水的體積大，當(dāng)凍結(jié)作用發(fā)生時(shí)，液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰，冰晶生長(zhǎng)體積膨脹，融化作用則為逆過(guò)程；另一方面在凍結(jié)作用過(guò)程中膨脹土顆粒會(huì)因失水發(fā)生收縮[17]，并且冰晶不斷地生長(zhǎng)對(duì)周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓，這將使土顆粒發(fā)生位移，使土顆粒間的孔隙變小，融化作用則為逆過(guò)程。試樣含水率較低時(shí)宏觀呈現(xiàn)出“凍縮融脹”，這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)時(shí)液態(tài)水相變成固態(tài)冰體積膨脹量小于膨脹土顆粒失水收縮量，融化時(shí)則正好相反。對(duì)于含水率較高的試樣，因?yàn)楹枯^大，在凍結(jié)時(shí)液態(tài)水相變成固態(tài)冰體積膨脹量要大于膨脹土顆粒失水收縮量，融化時(shí)則正好相反，因此宏觀表現(xiàn)為“凍脹融縮”。7次凍融循環(huán)結(jié)束后，所有試樣體積均略有增加可解釋為膨脹土試樣的初始干密度較大（壓實(shí)度95%），水相變成冰會(huì)使試樣產(chǎn)生體積膨脹的塑性變形，通常這種變形是不可逆的[18]。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3為不同含水率和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，其中NFT表示凍融循環(huán)次數(shù)。由圖3可知，本次試驗(yàn)中膨脹土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化型，凍融循環(huán)作用對(duì)膨脹土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性有著顯著影響，其中以第1次循環(huán)最為突出。試驗(yàn)過(guò)程中，不同含水率試樣對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)存在較大差異，具體表現(xiàn)為隨著含水率的增加試樣由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，破壞應(yīng)變也在逐漸增大，不同的是含水率12%、16%的試樣的破壞應(yīng)變隨凍融循環(huán)先減小后增大，而含水率20%的試樣卻與此相反。這是因?yàn)楹瘦^低時(shí)土體本身比較干硬，顆粒間膠結(jié)力較弱，試樣內(nèi)部的初始孔隙和裂縫較多，凍融循環(huán)次數(shù)的增加在一定程度提高了土體的韌性，從而導(dǎo)致破壞應(yīng)變略有增大。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve

2.3 力學(xué)強(qiáng)度衰減規(guī)律分析及回歸分析

2.3.1 力學(xué)強(qiáng)度衰減規(guī)律分析 對(duì)于一般應(yīng)變軟化型土，取其應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度[19]。圖4為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖4可以看出，第1次凍融循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度的衰減作用最大，可占整個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)的41.3%以上，這是因?yàn)樵趶?fù)雜的冰水相變和土粒脹縮變形的雙重影響下，土體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，孔隙分布發(fā)生變化，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體強(qiáng)度衰減逐漸減緩，第3次后趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)過(guò)程中，含水率越大，試樣的強(qiáng)度衰減幅度越大，7次循環(huán)結(jié)束后，含水率12%、16%和20%的試樣強(qiáng)度衰減率分別為31.9%、49.1%和67.7%，這是由于含水率越大的試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中受冰水相變及土粒脹縮變形等作用造成的結(jié)構(gòu)損傷越大。

圖4 qu隨凍融循作用的變化Fig.4 Changes of qu with freeze-thaw cycles

2.3.2 曲線回歸分析為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)類似于北疆寒區(qū)長(zhǎng)距離輸水渠道渠基膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響，對(duì)不同含水率試樣對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合曲線如圖4所示，函數(shù)式為：qu=A+Bexp(CNFT)。其中：qu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；A、B、C為與含水率大小有關(guān)的系數(shù)，其值見表2；NFT為凍融循環(huán)次數(shù)。

表2 函數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Function fitting result

綜合圖4與表2可以發(fā)現(xiàn)，在同一含水率下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的自然指數(shù)呈明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。系數(shù)A+B為初始狀態(tài)下（0次循環(huán)）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的理論值，系數(shù)C則反映了某一含水率下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而降低的速率。系數(shù)A+B的值隨含水率的增加而減小，這說(shuō)明試樣的含水率越小，初始狀態(tài)下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。系數(shù)C的絕對(duì)值隨含水率的增加也表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明受凍融循環(huán)作用影響，含水率越大試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減幅度越大。3組數(shù)據(jù)中R2均接近1，說(shuō)明采用上述函數(shù)的擬合效果較好，函數(shù)式較為準(zhǔn)確。

2.4 土體微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律

圖5為100倍電鏡掃描后的圖像，可以看出，初始狀態(tài)下（0次循環(huán)）土顆粒之間膠結(jié)聯(lián)結(jié)形成整體，土樣表現(xiàn)為整體性較好，試樣經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后試樣孔隙開始發(fā)育，7次凍融循環(huán)后的孔隙明顯大于1次的孔隙，且7次凍融循環(huán)后土體內(nèi)部形成了明顯的貫通裂隙。對(duì)比1 000倍下的電鏡圖像（如圖6所示）可以發(fā)現(xiàn)，含水率越高土體的裂隙均寬越大，這說(shuō)明土體含水率越大，土體微觀結(jié)構(gòu)受凍融循環(huán)作用的影響越大。

圖5 凍融循環(huán)1、7次后含水率為20%的膨脹土SEM照片（100倍）Fig.5 SEM photo of expansive soil with 20% moisture content under a magnification of 100 times after freeze-thaw cycle of 0, 1, 7 times

圖6 凍融循環(huán)7次后含水率為12%、16%、20%的膨脹土SEM照片（1 000倍）Fig.6 SEM photo of expansive soil with moisture content of 12%, 16%, 20% after 7 freeze-thaw cycles under 1 000 times magnification

通過(guò)圖像處理軟件對(duì)電鏡掃描后的圖像進(jìn)行定量分析，可以提取土體孔隙相關(guān)參數(shù)，例如顆粒的形態(tài)、孔隙大小、面積等，如圖7所示。

圖7 SEM圖像處理過(guò)程Fig.7 Processing of SEM image

參考文獻(xiàn)[20]選擇合適的閾值對(duì)100倍下的圖像進(jìn)行二值化處理，并降噪分割孔隙，得到了不同凍融次數(shù)后的孔隙大小。如圖8所示，土樣的面孔隙率（土體某平面上孔隙所占的比例）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，3次循環(huán)后增加的趨勢(shì)逐漸減緩，至7次循環(huán)結(jié)束后，3種含水率的土樣面孔隙率分別增加了0.087、0.110和0.155，宏觀上表現(xiàn)為凍融循環(huán)作用對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的劣化影響，即相同凍融循環(huán)次數(shù)下，土體含水率越大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減得越快。同時(shí)可見，試驗(yàn)前期，含水率越高，土體面孔隙率增加得越快。這是由于含水率越大，液態(tài)水相變?yōu)楸Р?duì)周圍土顆粒產(chǎn)生的破壞力也越大，則凍融循環(huán)后土體微觀結(jié)構(gòu)的改變?cè)矫黠@。

圖8 面孔隙率隨凍融循環(huán)的變化Fig.8 Surface porosity changes with freeze-thaw cycles

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以凍融循環(huán)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)3種不同含水率的膨脹土試樣進(jìn)行了體積變形試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和SEM電鏡掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)研究主要結(jié)論如下：

（1）隨含水率的增加，試樣的體積變形由凍縮融脹向凍脹融縮轉(zhuǎn)變；整個(gè)凍融試驗(yàn)過(guò)程中，試樣體積變化最大值均發(fā)生在凍結(jié)作用后；3次循環(huán)后試樣體積變形趨于穩(wěn)定，7次循環(huán)后試樣體積略有增加。

（2）應(yīng)力應(yīng)變曲線特性與含水率大小和凍融循環(huán)次數(shù)都有較大的關(guān)系，隨著含水率的增加，試樣由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，破壞應(yīng)變也在逐漸增大。試樣的含水率越大，凍融循環(huán)試驗(yàn)后土體力學(xué)強(qiáng)度衰減幅度越大。

（3）在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而增大；在同一含水率下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，其中以第1次循環(huán)最為明顯，3次后趨于穩(wěn)定。函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)呈明顯的自然指數(shù)關(guān)系。

（4）從微觀圖像上可以看出，整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中，土體的面孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，隨含水率的增加逐漸減小。凍融循環(huán)作用使土體內(nèi)部微觀孔隙增大，導(dǎo)致宏觀上力學(xué)性能的衰減。通過(guò)提出一種高效的改良措施，減弱凍融循環(huán)作用對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生劣化作用，這也是后續(xù)需要開展的工作。