凍融作用下高填方黃土抗剪強(qiáng)度劣化特性分析

孫杰龍 王弘起 李盛斌 李大衛(wèi) 邱明明

（1.延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安 716000；2.陜西建工第十三建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西延安 716000）

0 引言

在黃土丘陵溝壑區(qū)采用平山、填溝等方法治理水土流失時(shí)，會(huì)因土丘陵溝壑區(qū)特殊的工程環(huán)境和地質(zhì)條件形成高填方邊坡。而黃土丘陵溝壑區(qū)是半濕潤(rùn)半干旱區(qū)的過(guò)渡帶，氣溫年較差和日較差大，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。在這種季節(jié)性凍融作用下高填方邊坡黃土抗剪強(qiáng)度會(huì)發(fā)生劣化，導(dǎo)致高填方黃土邊坡失穩(wěn)，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。

凍融作用下黃土力學(xué)特性的研究成果較為豐碩[1-4]。倪萬(wàn)魁等[5]采用鏡掃描觀測(cè)、單軸壓縮試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)手段，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響。肖東輝等[6]對(duì)凍融循環(huán)作用下黃土孔隙率變化規(guī)律進(jìn)了研究。董曉宏等[7]對(duì)長(zhǎng)期凍融循環(huán)下黃土強(qiáng)度劣化特性規(guī)律進(jìn)行了研究。周 泓等[8]以陜西富平重塑黃土為研究對(duì)象，分析了不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下土體黏聚力的變化規(guī)律。張 澤等[9]以重塑黃土為研究對(duì)象，分析了凍融循環(huán)作用下黃土的孔隙特征。李國(guó)玉等[10]分析了凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)黃土的水分分布、變形以及干密度等工程地質(zhì)特性的影響。宋春霞等[11]以蘭州黃土為研究對(duì)象，分析了土的強(qiáng)度參數(shù)和前期固結(jié)壓力在凍融循環(huán)作用下的變化規(guī)律。龐旭卿等[12]在分析不同初始含水率、低溫溫度和凍融循環(huán)對(duì)黃土力學(xué)性質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，建立了凍融作用下黃土強(qiáng)度參數(shù)損傷模型。Viklander[13]基于凍融作用提出了殘余孔隙比的概念。雷勝友等[14]基于CT 掃描分析了原狀黃土三軸剪切、浸水濕陷試驗(yàn)過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。王朝陽(yáng)等[15]采用三軸CT 實(shí)時(shí)試驗(yàn)，對(duì)原狀黃土三軸剪切過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了分析。趙淑萍等[16]基于CT 單向壓縮試驗(yàn)研究了凍結(jié)重塑黃土損傷耗散勢(shì)，得到了試樣的屈服應(yīng)變、損傷應(yīng)變臨界值和破壞應(yīng)變臨界值。王鐵行等[17]對(duì)考慮含水率影響的非飽和原狀黃土凍融強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。王掌權(quán)等[18]對(duì)凍融作用下西安Q3原狀黃土強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了分析。折海成等[19]對(duì)增濕-凍融劣化原狀黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，得到了黃土在增濕和凍融情況下的壓縮變形特征。趙魯慶等[20]對(duì)凍融黃土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及分形特性進(jìn)行了研究。周春梅等[21]分析了干濕和凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土路用性能的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在黃土凍融力學(xué)特性方面取得了豐碩的研究成果，但凍融作用下高填方黃土抗剪強(qiáng)度劣化特性的研究還不多見。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文以延安新區(qū)高填方黃土為研究對(duì)象，開展凍融作用下高填方黃土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究，分析凍融作用下高填方黃土抗剪強(qiáng)度劣化特性，為黃土溝壑區(qū)高填方黃土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

在延安新區(qū)B4-06、B4-25 高填方場(chǎng)地取樣，取樣后按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）制成含水率分別為14%、12%、9%和7%的試樣，在制樣過(guò)程中控制試樣干密度為1.61 g/cm3，制備好的試樣如圖1 所示。

圖1 制備好的試樣

試樣制備完成后，開展凍融循環(huán)試驗(yàn)，將試樣放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)凍結(jié)48 h，然后在常溫下融化48 h，溫度變幅為-20～25 ℃；待試樣解凍后，采用DSJ-3型應(yīng)變控制式直剪儀（見圖2）開展剪切試驗(yàn)，剪切速率為2.4 mm/min，法向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。

圖2 低溫試驗(yàn)箱與直剪儀

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融循環(huán)對(duì)高填方黃土黏聚力影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)下高填方黃土黏聚力變化如圖3 所示。

圖3 黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

由圖3 可知，黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，主要是由于凍結(jié)過(guò)程中土顆粒周圍的結(jié)合水膜結(jié)晶引起的體積膨脹對(duì)土顆粒產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致土顆粒間的聯(lián)結(jié)遭到破壞，進(jìn)而引發(fā)黃土結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度劣化，黏聚力逐漸減小。干密度相同時(shí)，含水率越小黏聚力越大，這是因?yàn)楹试龃髸?huì)使黃土顆粒間的結(jié)合水膜增厚，導(dǎo)致黃土黏聚力減??；第4 次凍融后黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷增量達(dá)到最大，之后隨著凍融繼續(xù)進(jìn)行，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷增量逐漸減小。凍融作用下含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，主要是因?yàn)楦擅芏认嗤瑫r(shí)，黃土的含水率越小時(shí)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，因而在凍融作用下黏聚力的劣化幅值就越大。

2.2 凍融循環(huán)對(duì)高填方黃土內(nèi)摩擦角影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)下高填方黃土內(nèi)摩擦角變化如圖4 所示。由圖4 可知，高填方黃土內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)呈波浪形變化趨勢(shì)，波動(dòng)范圍基本處于6°以內(nèi)，無(wú)明顯的規(guī)律性，主要是因?yàn)閮?nèi)摩擦角反映的是土體顆粒間的聯(lián)結(jié)方式，而凍融作用對(duì)其影響相對(duì)較小。

圖4 內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)關(guān)系曲線

3 凍融作用下高填方黃土黏聚力損傷劣化模型

由前述試驗(yàn)結(jié)果可知，凍融后高填方黃土黏聚力衰減規(guī)律比較明顯，為了探求高填方黃土在凍融作用下的損傷劣化規(guī)律，定義凍融損傷系數(shù)kc為：

式中：c0為未凍融時(shí)黏聚力，kPa；cn為n次凍融后黏聚力，kPa。

高填方黃土黏聚力損傷系數(shù)與凍融次數(shù)的變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 黏聚力損傷系數(shù)與凍融次數(shù)關(guān)系曲線

由圖5 可知，高填方黃土凍融損傷系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，但在第4 次凍融后增大幅值減小，凍融損傷系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)呈三次多項(xiàng)式變化規(guī)律；且隨含水率增大，高填方黃土凍融損傷系數(shù)增大，這是由于在干密度相同的情況下，在凍結(jié)作用下含水率越大，產(chǎn)生的凍脹作用就越強(qiáng)，對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞作用就越大，凍融損傷隨之增強(qiáng)。

由圖3 可知，黏聚力和凍融次數(shù)符合三次多項(xiàng)式衰減關(guān)系，可用式（2）所示的三次多項(xiàng)式擬合分析。

式中：c為黏聚力，kPa；n為凍融次數(shù)；a、b、d、f為擬合參數(shù)，如表1 所示。

表1 擬合參數(shù)1

考慮含水率的影響，以表1 中的a、b、d、f為已知參數(shù)進(jìn)行擬合分析，如圖6 所示。

圖6 含水率與擬合參數(shù)關(guān)系曲線

由圖6 可知，參數(shù)a、b、d、f與含水率的關(guān)系可用式（3）-式（6）表示，擬合結(jié)果見表2。

表2 擬合參數(shù)2

將式（3）-式（6）代入式（2）可得高填方黃土黏聚力與含水率、凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，如式（7）所示。

利用獨(dú)立試驗(yàn)數(shù)據(jù)（含水率15%）對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證（見圖7）。由圖7 可知，由計(jì)算模型得到的數(shù)值與試驗(yàn)得到的數(shù)值誤差較小，說(shuō)明計(jì)算模型式（7）能較好地描述凍融作用下高填方黃土黏聚力劣化特性。

圖7 計(jì)算模型驗(yàn)證

4 結(jié)論

（1）凍融作用下高填方黃土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減??；凍融作用下高填方黃土含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，內(nèi)摩擦角沒(méi)有明顯規(guī)律性變化。

（2）干密度相同時(shí)，高填方黃土含水率越小黏聚力越大；第4 次凍融后高填方黃土黏聚力損傷增量達(dá)到最大，之后隨著凍融繼續(xù)進(jìn)行，高填方黃土黏聚力損傷增量逐漸減小。

（3）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了高填方黃土劣化特征，給出了高填方黃土黏聚力劣化模型表達(dá)式，并利用獨(dú)立試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型能較好地描述凍融作用下高填方黃土黏聚力劣化特征。