含水率和溫度影響下的高原土體力學(xué)特性試驗研究

王 瑞，郭聚坤, ，魏道凱, ，卞貴建，雷勝友，瓊 吉，張慶鑫

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.山東交通職業(yè)學(xué)院 公路與建筑系，山東 濰坊 261206； 3.日喀則市交通運輸局公路工程項目管理中心，西藏 日喀則 857021)

在我國青藏高原地區(qū)，分布著大片多年凍土、島狀多年凍土和高山多年凍土，地表均存在著冬凍夏融的凍結(jié)-融化層[1]。作為地基的凍結(jié)-融化層，負溫情況下，土中水充斥在土顆粒間凍結(jié)成冰，引起土體凍脹變形[2]，會造成建筑物的開裂和不穩(wěn)，溫度升高情況下，凍結(jié)土?xí)驕囟壬叨诨?，造成建筑物的不均勻沉降等問題。土的凍融狀態(tài)是影響青藏高原地區(qū)鐵路、公路等重大工程修建的關(guān)鍵因素[3]。為此，眾多學(xué)者做了大量研究。孫志忠等[4-7]對青藏高原地區(qū)路基穩(wěn)定性進行了分析；周亞龍等[8-9]對青藏高原地區(qū)樁與土體穩(wěn)定性進行了探討，并提供了合理的施工建議。充分認識青藏地區(qū)土體的物理力學(xué)性質(zhì)是該地區(qū)開展土木工程建設(shè)的重要前提。李順群等[10]基于試驗數(shù)據(jù)和統(tǒng)計學(xué)知識，對青藏高原土體力學(xué)性質(zhì)影響因素的顯著性進行了研究，指出溫度對青藏高原凍土力學(xué)性質(zhì)影響最為明顯。凍融循環(huán)作為一種特殊的強風(fēng)化作用形式，對土的物理力學(xué)性質(zhì)有著極強的影響。為了與工程實際情況相符合，眾多學(xué)者開展了凍融循環(huán)下的青藏高原凍土物理力學(xué)性質(zhì)的研究[11-14]。王大雁等[15]以青藏黏土為研究對象，經(jīng)過0～21 次完整凍融循環(huán)后進行了三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)凍融過程使土體從不穩(wěn)定態(tài)向動態(tài)穩(wěn)定態(tài)發(fā)展。常丹等[16]指出青藏粉砂土的力學(xué)性質(zhì)受凍融循環(huán)次數(shù)的影響較大，且在經(jīng)歷 7～9 次凍融循環(huán)后抗剪強度達到最小值。鄭鄖等[17]認為凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性影響的根本原因是凍融過程中水分相變、冰晶生長和水分遷移對土顆粒和孔隙產(chǎn)生了反作用力。Cao等[18]研究發(fā)現(xiàn)地下冰是由于土樣水分在凍融循環(huán)后向下遷移造成的。

為研究青藏高原土體的力學(xué)性質(zhì)，選取青藏高原日喀則地區(qū)土樣，利用自主研制的土體凍融循環(huán)剪切試驗儀，考慮試驗溫度和土體含水率兩種因素，對青藏高原土體壓縮過程的法向位移-時間關(guān)系、降溫過程中的凍結(jié)和凍脹、恒溫過程中的土體剪切特性進行分析。

1 試驗前期準備

試驗設(shè)備為自主研制的土體凍融循環(huán)剪切試驗儀。該設(shè)備由法向系統(tǒng)、剪切系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計算機操作系統(tǒng)組成。法向荷載由SMC公司產(chǎn)的電氣比例閥調(diào)制氣缸來施加，并通過4個5 kN彈簧傳遞給土體，法向荷載傳感器最大量程為40 kN，精度為±1%，法向位移傳感器量程為 0～30 mm，精度為±1%。剪切力由0.75 kW的三菱伺服電機提供，最大剪切力為50 kN，水平荷載傳感器的最大量程為50 kN，精度±1%，剪切位移傳感器量程為0～50 mm，精度±1%。剪切盒分上下兩個部分，其中上剪切盒和下剪切盒的內(nèi)徑均為100 mm，高度均為60 mm。溫度控制系統(tǒng)示意見圖1，外置循環(huán)泵將一定溫度的液體通過循環(huán)管道進入上下剪切盒內(nèi)部，以實現(xiàn)土樣的升溫或降溫，溫度傳感器布置在土體內(nèi)部中間位置，以此進行土樣溫度的實時檢測。溫度控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度-20～70℃的施加。計算機操作系統(tǒng)控制法向力和剪切力的施加，實時記錄法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、剪切位移及法向位移等數(shù)據(jù)。

圖1 溫度控制系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of temperature control system

試驗所用土體選自青藏高原日喀則地區(qū)某工地，顏色為灰褐色，土體經(jīng)2 mm方孔篩篩余后作為試驗土樣，其物理力學(xué)性質(zhì)指標依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）[19]獲得。試驗土樣的級配曲線如圖2所示，土樣內(nèi)細粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的15%，且小于總質(zhì)量的50%，同時測得細粒組的液限為28.13%、塑性指數(shù)為12.17，可知該青藏高原土體為黏土質(zhì)砂，屬于粗粒土。經(jīng)擊實試驗測得試驗土樣的最大干密度為2.18 g/cm3，最佳含水率為8.55%，擊實曲線如圖3所示。

圖2 試驗土樣級配曲線Fig.2 Grading curve of test soil

圖3 試驗土樣擊實曲線Fig.3 Compaction curve of test soil

試驗考慮土體含水率和試驗溫度兩個因素，正交試驗方案如表1所示。為研究不同深度處土體的剪切特性，法向應(yīng)力取為300、600、900和1 200 kPa，試驗共計36組。

表1 正交試驗方案Tab.1 Scheme of orthogonal test

試驗時土樣分3次裝入剪切盒，每次裝樣完成后通過擊樣器對土樣進行擊實，擊實完成后對土樣表面拉毛，以保證上下層粘結(jié)緊實。裝樣完成后，將剪切盒放入設(shè)備保溫箱內(nèi)的試驗導(dǎo)軌上，施加法向應(yīng)力，固結(jié)時間設(shè)置為1.5 h，以保證重塑土的密實度與原狀土相近。通過循環(huán)泵將酒精送入剪切盒內(nèi)部的循環(huán)管道，待土樣溫度達到設(shè)定溫度30 min后開始試驗。試驗剪切速率設(shè)置為0.3 mm/min，最大剪切位移取為20 mm。

2 壓縮試驗結(jié)果分析

圖4展示了900 kPa下法向位移和時間的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)：（1）法向位移隨時間先急劇增大，隨后趨向穩(wěn)定，含水率越大，達到穩(wěn)定所用時間越長。（2）土體的壓縮量隨含水率的增大而增大，從含水率9%到12%的增加幅度較含水率從6%到9%要更大。（3）繪制壓縮時間1.5 h時的法向位移與法向應(yīng)力關(guān)系曲線（圖5），發(fā)現(xiàn)在同一含水率下，法向位移隨法向應(yīng)力的增加而增大，但增幅呈減小趨勢，二者可用雙曲線模型進行描述，計算式如下：

圖4 900 kPa下法向位移-時間關(guān)系Fig.4 Relationship between normal displacement and time at 900 kPa

圖5 法向位移-法向應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relationship between normal displacement and normal stress

式中：a和b為雙曲線參數(shù)。將式（1）標準化，得到式（2）：

通過式（2）可得σ/δν1.5h與σ的線性關(guān)系，參數(shù)a和b的值見表2。相關(guān)系數(shù)R2在0.995以上，擬合效果良好，參數(shù)a和b均隨土體含水率的增大而減小，但a在含水率從6%到9%的減小量大于含水率從9%到12%的減小量，b在含水率從6%到9%的減小量小于含水率從9%到12%的減小量。

表2 σ/δν1.5h 與σ線性擬合結(jié)果Tab.2 Linear fitting results of σ/δν1.5h and σ

3 土的凍結(jié)及凍脹分析

本試驗所用土體為黏土質(zhì)砂，是砂顆粒和黏土的組合體。土力學(xué)[20]中指出黏土顆粒表面常帶有負電荷，水受到黏土顆粒表面電荷電場的作用，水分子和水化陽離子會向顆粒周圍聚集。根據(jù)水受到顆粒表面靜電引力強弱劃分為強結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水，其中強結(jié)合水和弱結(jié)合水緊密結(jié)合在黏土顆粒周圍，自由水存在于土體的孔隙中。對于砂顆粒而言，其表面電荷極其微弱，吸引水的能力遠遠不及黏土顆粒。因此，當有水分進入土體后，首先與黏土顆粒結(jié)合，在黏土顆粒表面依次形成強結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水，自由水出現(xiàn)后一部分被砂顆粒吸收，另一部分存在于砂顆粒表面和土中的孔隙。關(guān)于砂的吸水率，將試驗用土中的黏土洗除掉，對剩余砂顆粒烘干后用四分法取樣3 000 g，按照水工混凝土試驗規(guī)程[21]規(guī)定的試模法開展了砂顆粒飽和面干吸水率測定，測得砂顆粒飽和面干吸水率為0.34%，這說明本試驗用土中的砂顆?；静晃８鶕?jù)上述分析，本文認為水與試驗土體進行拌合本質(zhì)是與黏土的拌合，土體試驗含水率本質(zhì)為黏土含水率，通過土體級配可知黏土占比為34.35%，計算得6%、9%和12%的試驗土體含水率對應(yīng)的黏土含水率分別為17.47%、26.20%和34.93%。

含水率小于塑限時土中水的類型僅為強結(jié)合水，介于塑限和液限之間時為強結(jié)合水和弱結(jié)合水，大于液限時為強結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水，如圖6所示。本試驗黏土的塑限為15.96%，液限為28.13%，塑性指數(shù)為12.17，為粉質(zhì)黏土，A、B和C分別對應(yīng)試驗土體含水率6%、9%和12%，含水率6%和9%土體中水的類型為強結(jié)合水和弱結(jié)合水，含水率9%土體的弱結(jié)合水含量較含水率6%的更多，12%含水率土體中水的類型為強結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水。另外，自由水在0 ℃時即可凍結(jié)，弱結(jié)合水層的最外層在-0.5 ℃時可凍結(jié)，且凍結(jié)溫度隨著與土顆粒距離的減小逐漸降低，到達弱結(jié)合水層的內(nèi)層時需達到-30～-20 ℃方可凍結(jié)，而強結(jié)合水的冰點要達到-78 ℃[20]。文獻[22]對正凍土劃分為3個主要的水相變區(qū)，即劇烈相變區(qū)、過渡相變區(qū)及已凍結(jié)區(qū)，并給出了粉質(zhì)黏土的3個水相變區(qū)的溫度范圍，劇烈相變區(qū)為-2.0～0 ℃、過渡相變區(qū)為-5.0～-2.0 ℃、已凍結(jié)區(qū)為小于-5.0 ℃。根據(jù)上述分析可知，在劇烈相變區(qū)，含水率6%、9%土體中的部分弱結(jié)合水達到冰點，含水率12%土體中的自由水和部分弱結(jié)合水也達到冰點，這說明3種含水率土體在劇烈相變區(qū)均發(fā)生了凍結(jié)現(xiàn)象，隨著土體溫度的降低，試驗土體經(jīng)過過渡相變區(qū)進入已凍結(jié)區(qū)，在此過程中弱結(jié)合水被凍結(jié)的含量也隨之增加。發(fā)生上述現(xiàn)象的根本原因是土中水分在負溫條件下，未凍結(jié)區(qū)的水向凍結(jié)區(qū)遷移或積聚，且起始含水率的大小決定了結(jié)合水膜的厚度，從而決定了水與固體顆粒表面的結(jié)合能力，起始含水率越大，土體凍結(jié)效果越明顯。因此，含水率12%土體的凍結(jié)效果最好，含水率9%的次之，含水率6%的最小。

圖6 不同含水率土體與所含水類型對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between soil with different water contents and water types

試驗及工程實踐[1]表明，并非所有含水土體凍結(jié)都會產(chǎn)生凍脹，只有超過起脹含水率時，凍脹才會發(fā)生。當土體受壓穩(wěn)定后，黏性土的起脹含水率與塑限含水率存在密切關(guān)系，《凍土力學(xué)》[1]指出起脹含水率與塑限含水率比較接近，考慮到本文試驗土體含水率對應(yīng)的黏土含水率均大于黏土塑限，這說明試驗土體的3種含水率均大于起脹含水率，土體會產(chǎn)生凍脹力，但能否產(chǎn)生起脹現(xiàn)象還與試驗施加的法向荷載有關(guān)，若法向荷載大于凍脹力，就不會發(fā)生土體凍脹現(xiàn)象。本文以法向應(yīng)力900 kPa下法向位移和溫度的關(guān)系（圖7）為例，分析不同含水率的土樣從0 ℃變化至-12 ℃過程中法向位移變化規(guī)律?？梢钥闯觯汉?%和9%的土體法向位移隨溫度的降低而增大，含水率12%的土體法向位移隨溫度的降低先增大后減小，說明含水率12%的土體發(fā)生了凍脹現(xiàn)象，含水率6%和9%的土體在降溫過程中未產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。

圖7 900 kPa下法向位移-溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between normal displacement and temperature at 900 kPa

綜合上述分析，將含水率12%的土體在不同法向應(yīng)力下法向位移隨溫度的變化規(guī)律為例對土體的凍脹現(xiàn)象進行分析，土體的法向位移和溫度關(guān)系如圖8所示，土體凍脹量及凍脹溫度和法向應(yīng)力關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯觯海?）法向位移隨著溫度的降低出現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，說明不同法向應(yīng)力下的土體均產(chǎn)生了凍脹現(xiàn)象。（2）土體發(fā)生凍脹時的溫度集中在-3～-2℃范圍內(nèi)，且此溫度隨法向應(yīng)力的增加而降低。（3）土體從凍結(jié)溫度至-12℃過程中產(chǎn)生的凍脹量隨法向應(yīng)力的增大而減小，這是由于法向應(yīng)力的增加，增大了土顆粒之間的接觸應(yīng)力，影響了土體中水分相態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖8 含水率12%土體法向位移-溫度關(guān)系Fig.8 Relationship between normal displacement and temperature of soil with water content of 12%

圖9 含水率12%土體凍脹量及凍脹溫度與法向應(yīng)力關(guān)系Fig.9 Relationship between frost heave and frost heave temperature and normal stress of soil with water content of 12%

4 剪切試驗結(jié)果分析

4.1 剪切應(yīng)力、法向位移與剪切位移關(guān)系

剪切應(yīng)力-剪切位移及法向位移-剪切位移關(guān)系曲線如圖10所示，法向位移增加表示剪縮，法向位移減小表示剪脹。

圖10 剪切應(yīng)力-剪切位移及法向位移-剪切位移曲線Fig.10 Curves of shear stress-shear displacement and normal displacement-shear displacement

由圖10可見：

（1）剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系：①試驗開始階段，剪切應(yīng)力隨剪切位移的增大而增加，二者呈正相關(guān)關(guān)系，達到峰值剪切應(yīng)力后，除12 ℃土體的個別試驗曲線外，剪切應(yīng)力隨剪切位移的增大出現(xiàn)不同程度的軟化，-12 ℃的土體軟化程度最大，在試驗中后期剪切應(yīng)力-位移曲線趨于平穩(wěn)，出現(xiàn)殘余剪切應(yīng)力。②本文將峰值剪切應(yīng)力對應(yīng)的剪切位移命名為特征剪切位移，發(fā)現(xiàn)特征剪切位移基本隨法向應(yīng)力的增大而增加，-12 ℃土體的特征剪切位移主要集中在1～3 mm，0 ℃和12 ℃土體的特征剪切位移主要集中在5～10 mm。

（2）法向位移-剪切位移關(guān)系：①對于12 ℃的土體，在不同含水率下表現(xiàn)出不同的體變特性，含水率6%的土體在300和600 kPa下法向位移隨剪切位移的增大而減小，表現(xiàn)出以剪脹為特征的體變，這是因為土體含水率較低，水在土體中存在的類型主要為強結(jié)合水，弱結(jié)合水較少，黏土顆粒接近固體顆粒，變形較小，且土體內(nèi)含有大量的砂顆粒，界面附近的顆粒因受到剪切力和較小的法向力作用產(chǎn)生了明顯的轉(zhuǎn)動和翻滾現(xiàn)象，這也是低含水率下內(nèi)摩擦角比較大的原因，在900和1 200 kPa下法向位移隨剪切位移的增大而增加，表現(xiàn)出以剪縮為主要特征的體變，說明法向力的增大限制了顆粒的轉(zhuǎn)動和翻滾。含水率9%的土體與含水率6%的土體相比，剪脹特性減弱，剪縮特性增強，這是因為隨著土體含水率的增加，弱結(jié)合水的含量增加，提高了黏土顆粒塑性變形的能力，減弱了顆粒間的咬合力和摩擦力，提高了顆粒間的黏聚力，從而減小了顆粒轉(zhuǎn)動和翻滾的能力，所以含水率9%的土體表現(xiàn)出以剪縮為主的體變特性。含水率12%的土體在各法向應(yīng)力下法向位移隨剪切位移的增大而增加，完全表現(xiàn)為以剪縮為特征的體變，這是因為水在土中存在的類型出現(xiàn)了自由水，減小了顆粒之間的咬合作用，從抗剪強度指標上看，內(nèi)摩擦角和黏聚力相比于9%含水率的土體更小，因此在法向力作用下顆粒滾動和相互錯動的能力減弱，土體表現(xiàn)出比9%含水率土體更顯著的剪縮體變。②對于0 ℃的土體，在不同含水率和不同法向力下表現(xiàn)出的體變特性與12 ℃的土體基本一致，這是因為含水率6%和9%土體中水的類型僅為結(jié)合水，沒有達到其冰點，含水率12%土體中水的類型雖然有自由水，但達到冰點的水量較少，由此引起土體的凍脹量也不顯著，所以對土體的體變特性影響較小。從12 ℃和0 ℃土體的法向位移變化來看，主要集中在-0.5～0.5 mm，二者比較接近，這說明正溫的變化對土體狀態(tài)影響較小，二者的抗剪強度指標比較接近就是對此現(xiàn)象很好的證明。③對于-12 ℃的土體，不同試驗條件下均表現(xiàn)出以剪脹為特征的體變，法向位移的變化主要集中在0～-4 mm，比較12 ℃和0 ℃的土體，-12 ℃土體的體變量要大得多，其剪脹量隨法向應(yīng)力的增大而減小，隨含水率的增加而增大，這是因為在-12 ℃的負溫條件下，各含水率的土體內(nèi)均有水產(chǎn)生了凍結(jié)，且凍結(jié)量隨含水率的增大而增加，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因前述已分析，水的凍結(jié)增強了黏土顆粒的固體特性，減小了其變形特性，加大了黏土顆粒和砂顆粒的轉(zhuǎn)動和翻滾，使得土體表現(xiàn)出很明顯的剪脹體變。

繪制所有土體在不同法向應(yīng)力下峰值剪切應(yīng)力、殘余剪切應(yīng)力與溫度的關(guān)系，如圖11和12所示。可以看出：（1）在相同溫度下，峰值剪切應(yīng)力隨含水率的增大出現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，含水率9%土體的峰值剪切應(yīng)力最大，這是因為9%的土體含水率與最佳含水率8.55%最接近，其土體密實程度較6%和12%的更大。在相同含水率下，0 ℃和12 ℃土體的峰值剪切應(yīng)力比較接近，-12 ℃土體的峰值剪切應(yīng)力要遠大于0 ℃和12 ℃土體對的峰值剪切應(yīng)力，這是由于在試驗溫度-12 ℃時，3種含水率的土體均出現(xiàn)了凍結(jié)現(xiàn)象，土體達到剪切破壞所需要的剪切力更大。（2）殘余剪切應(yīng)力隨法向應(yīng)力的增大而增加，各含水率下土體殘余剪切應(yīng)力沒有明顯的變化規(guī)律。12 ℃和0 ℃土體的殘余剪切應(yīng)力比較接近，較-12 ℃土體的要小。

圖11 峰值剪切應(yīng)力-溫度關(guān)系Fig.11 Relationship between peak shear stress and temperature

圖12 殘余剪切應(yīng)力-溫度關(guān)系Fig.12 Relationship between residual shear stress and temperature

4.2 抗剪強度指標分析

內(nèi)摩擦角φ和溫度t關(guān)系如圖13所示，黏聚力c和溫度ω關(guān)系如圖14所示?？梢钥闯觯海?）內(nèi)摩擦角隨含水率和溫度的增大而減小，含水率6%、9%和12%的土體內(nèi)摩擦角分別集中在33°～42°、33°～35°和31°～34°。（2）在相同溫度下，黏聚力在土體含水率9%時最大，即最佳含水率附近最大，在相同含水率下，黏聚力隨溫度的升高而降低，含水率6%、9%和12%的土體黏聚力分別集中在40～370 kPa、140～1 560 kPa和 30～1 290 kPa。

圖13 內(nèi)摩擦角-溫度關(guān)系Fig.13 Relationship between internal friction angle and temperature

圖14 黏聚力-溫度關(guān)系Fig.14 Relationship between cohesion and temperature

5 結(jié) 語

（1）在土樣壓縮的初始階段，法向位移與時間呈線性關(guān)系，之后增速變緩并趨于穩(wěn)定，土體的壓縮量隨含水率的增加而增大，土體壓縮量和法向應(yīng)力符合雙曲線關(guān)系。不同含水率的土體從0 ℃降至-12 ℃過程中均產(chǎn)生了凍結(jié)現(xiàn)象。含水率12%的土體發(fā)生凍脹時的溫度集中在-3～-2 ℃范圍內(nèi)，且此溫度隨法向應(yīng)力的增加而減小。

（2）剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線主要由硬化階段和軟化階段構(gòu)成。-12 ℃土體剪切應(yīng)力的軟化程度遠大于0 ℃和12 ℃的土體。峰值剪切應(yīng)力在最佳含水率附近最大，-12 ℃土體的峰值剪切應(yīng)力和殘余剪切應(yīng)力均大于0 ℃和12 ℃的土體。

（3）12 ℃和0 ℃土體的法向位移變化規(guī)律基本一致，在6%和9%含水率下表現(xiàn)為低壓下以剪脹為主，高壓下以剪縮為主，12%含水率的土體完全以剪縮為主。-12 ℃的土體在不同試驗條件下均表現(xiàn)出剪脹特性。

（4）土體內(nèi)摩擦角隨含水率和溫度的增大而減小。黏聚力隨溫度的升高而減小，在土體最佳含水率附近最大。