凍融循環(huán)作用下砂質(zhì)黃土強(qiáng)度劣化特性及影響因素研究

盧 智,謝 波,宋 飛,鄧軍濤*

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710043;2.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

我國(guó)黃土多分布于較高緯度地區(qū),季節(jié)性凍土發(fā)育,凍融作用導(dǎo)致黃土強(qiáng)度劣化常引起滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,研究?jī)鋈谧饔孟曼S土強(qiáng)度特性十分重要。前人關(guān)于凍融循環(huán)作用下土體強(qiáng)度的研究結(jié)論差異較大。有的研究認(rèn)為土體粘聚力隨凍融循環(huán)先減小后趨于穩(wěn)定,內(nèi)摩擦角無(wú)明顯變化[1-3],但有些研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用導(dǎo)致土體粘聚力減小,但內(nèi)摩擦角有所增大[4-6]。還有一些研究結(jié)論比較特殊,例如:Guo等[7]研究發(fā)現(xiàn)土體粘聚力隨凍融循環(huán)先減小后增大再減小,內(nèi)摩擦角先增大后減小并趨于穩(wěn)定;李麗等[8]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土體粘聚力隨凍融循環(huán)先增大然后趨于穩(wěn)定。凍結(jié)溫度也是影響凍融作用的關(guān)鍵因素,胡再?gòu)?qiáng)等[9]發(fā)現(xiàn)不同含水率土體粘聚力隨凍結(jié)溫度的降低而增大。張輝等[10]研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率原狀土體凍融后粘聚力與內(nèi)摩擦角的影響不明顯。Sun等[11]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)凍融后土體的粘聚力隨凍結(jié)溫度降低而減小,內(nèi)摩擦角受凍結(jié)溫度影響較小。此外有些研究還發(fā)現(xiàn)不同土體存在特殊的最不利冷卻溫度或最不利凍融溫度梯度,在此條件下土體的凍融力學(xué)性質(zhì)最差[12-13]。

目前針對(duì)砂黃土凍融力學(xué)性質(zhì)的研究較少,具體凍融特性尚不十分清楚,且試驗(yàn)條件少有同時(shí)考慮含水率、溫度及凍融次數(shù)。故本文以榆林市子洲縣砂黃土為研究對(duì)象,研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)、初始含水率及凍結(jié)溫度對(duì)其凍融強(qiáng)度的影響,以期為當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害防治及工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自榆林子洲某地Q3砂質(zhì)黃土,為充分體現(xiàn)凍融作用對(duì)土體的影響,試驗(yàn)用土需采取新鮮未凍融土體。子洲縣最大凍土深度為1.15 m,因此自地面2 m以下切取新鮮未凍融土體,測(cè)定其基本物理性質(zhì)指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果見表1。圖1為土體粒徑分布曲線,土中粉粒(0.005～0.075 mm)含量為79.78%,砂粒(>0.075 mm)含量為8.64%,物質(zhì)組成特點(diǎn)說(shuō)明研究區(qū)黃土為較典型砂黃土[14]。

圖1 土體粒徑分布曲線Fig.1 Soil particle size distribution curve

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Indexes of basic physical properties of soil

1.2 土樣制備

本次試驗(yàn)使用原狀土樣,制備方法參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,抗剪強(qiáng)度測(cè)定采用三軸剪切試驗(yàn),將原狀土體先削成比標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣稍大的土塊,再用切土器切削成尺寸為φ39.1 mm×80 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣,按規(guī)定取余土測(cè)定含水率。土樣含水率配置采用增濕法,配置完成后,為防止試驗(yàn)時(shí)與外界發(fā)生水分交換,使用保鮮膜完全包裹土樣密封,并將其放置在保濕皿中保濕24 h以上,使土樣中的水分分布均勻。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)分為兩部分,先對(duì)三軸試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),再對(duì)凍融后試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。

(1)凍融循環(huán)試驗(yàn):凍融試驗(yàn)設(shè)置為封閉環(huán)境下的多向快速凍結(jié)試驗(yàn),凍融時(shí)將試樣用密封袋密封。試樣含水率分別設(shè)置為天然含水率5.11%、塑限含水率15.8%及中間含水率10%。凍結(jié)溫度根據(jù)子洲縣近10年霜凍期最低氣溫及平均低溫分別設(shè)置為-25、-10 ℃。凍結(jié)過(guò)程在低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行,融化時(shí)將土樣放在室溫(29 ℃)條件下自然融化,凍結(jié)及融化時(shí)間均為12 h。根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn),土體力學(xué)性質(zhì)在凍融10次后基本穩(wěn)定,因此設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)(N)分別為0、1、4、7、10、14,凍融一輪為一次完整循環(huán)。

(2)三軸剪切試驗(yàn):對(duì)凍融完成后的土樣立即進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),為避免固結(jié)過(guò)程影響凍融循環(huán)后土體的結(jié)構(gòu)特征,采用不固結(jié)不排水剪(UU)試驗(yàn)。圍壓按100、200、300 kPa設(shè)置,剪切速率為0.4 mm/min,剪切結(jié)束條件為土樣軸向應(yīng)變達(dá)到20%。試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案一覽表Tab.2 List of test programs

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試樣表觀特征

圖2為天然含水率土體及塑限含水率土體凍融循環(huán)后的表觀特征?？梢钥闯?在未經(jīng)凍結(jié)時(shí),兩種土表面均較為光滑平整,可見黃土的天然孔隙結(jié)構(gòu)。凍融7次后,土體表面均出現(xiàn)了顆粒脫離現(xiàn)象,局部可見較多脫離顆粒形成小團(tuán)粒。凍融14次后,兩種土樣表面都出現(xiàn)了較為明顯的破壞現(xiàn)象,裂隙擴(kuò)張,局部土粒剝離產(chǎn)生的凹坑逐漸擴(kuò)展、連通,相較于天然含水率土體,塑限含水率土體土粒剝離現(xiàn)象更為明顯,產(chǎn)生凹坑數(shù)量也更多。

圖2 試樣凍融后表觀特征Fig.2 Apparent characteristics of specimens after under freeze-thaw cycles

2.2 粘聚力

2.2.1 循環(huán)次數(shù)的影響

圖3(a)為-25 ℃凍結(jié)時(shí)不同含水率土體粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線,可見土體的粘聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先降低后有所回升。例如:含水率為5.11%時(shí),土體粘聚力在循環(huán)次數(shù)為1、4、7、10、14時(shí),下降量分別為3、4、2、3、-4 kPa;含水率為10%時(shí),下降量分別為13、8、5、13、-20 kPa;含水率為15.8%時(shí),下降量分別為6、3、0、0、0 kPa,可見同一含水率下,粘聚力在最初幾次凍融時(shí)下降量大,下降量隨循環(huán)次數(shù)增大而減小,且下降量基本在10次循環(huán)左右達(dá)到最大。

圖3 砂黃土凍融后粘聚力特征圖(-25 ℃)Fig.3 Statistical chart of cohesive forces after freezing and thawing of sandy loess (-25 ℃)

2.2.2 含水率及凍結(jié)溫度的影響

圖3(b)為-25 ℃凍結(jié)時(shí)粘聚力與含水率關(guān)系曲線?？梢?土體凍融后粘聚力隨含水率增大而減小,且含水率越大,粘聚力下降量越大,例如:N=4時(shí),含水率由5.11%增大至10%時(shí),粘聚力下降了5 kPa,由10%增大至15.8%時(shí),下降了21 kPa。天然含水率下,粘聚力隨循環(huán)次數(shù)增加變化明顯;含水率增大至塑限,粘聚力僅在首次凍融時(shí)減小,之后則無(wú)明顯變化。

如圖4可見凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率土體粘聚力的影響不同。以5.11%、10%含水率土體為例:當(dāng)含水率為5.11%時(shí),粘聚力隨著凍結(jié)溫度降低而增大;當(dāng)含水率為10%時(shí),粘聚力隨凍結(jié)溫度降低而減小。

圖4 不同凍結(jié)溫度下粘聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Cohesive forces versus number of freeze-thaw cycles relationship curves under different freezing temperatures

2.3 內(nèi)摩擦角

圖5為不同含水率土體內(nèi)內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線,可見,5.11%和15.8%含水率土體的內(nèi)摩擦角整體上略有下降,但是下降幅度不大,10%含水率土體內(nèi)摩擦角特征表現(xiàn)為不規(guī)則波動(dòng),整體無(wú)明顯變化。此外,同一循環(huán)次數(shù)下,內(nèi)摩擦角基本隨含水率的增大而減小。對(duì)比圖6(a)(b)能夠發(fā)現(xiàn),同一含水率土體的內(nèi)摩擦角在不同凍結(jié)溫度下數(shù)值十分接近,說(shuō)明凍結(jié)溫度對(duì)土體內(nèi)摩擦角無(wú)較大影響。

圖6 不同含水率土體峰值強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)曲線(100 kPa)Fig.6 Shear strength versus number of number of cycles for soils under different moisture contents (100 kPa)

2.4 峰值強(qiáng)度

2.4.1 循環(huán)次數(shù)的影響

圖6是圍壓為100 kPa時(shí)不同含水率土體峰值強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線?？梢?土體的峰值強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小,凍融進(jìn)行到一定次數(shù)時(shí),土體峰值強(qiáng)度的下降趨勢(shì)逐漸減弱,甚至表現(xiàn)為有所回升。例如圖6(a)中,10%含水率土體在凍融次數(shù)為1、4、7、10、14次時(shí),峰值強(qiáng)度分別下降了27.07、39.14、2.44、17.31、-35.38 kPa,循環(huán)4次后下降量最大,之后下降趨勢(shì)減緩,循環(huán)14次時(shí)峰值強(qiáng)度有所回升。

2.4.2 含水率及凍結(jié)溫度的影響

由圖6可以看出,同一循環(huán)次數(shù)下,含水率越大,土體峰值強(qiáng)度越小,且凍融后峰值強(qiáng)度下降空間減小,例如圖6(a)中,含水率5.11%、10%、15.8%土體粘聚力最大值分別為355.48、299.59、194.47 kPa,最小值分別為208.89、213.63、137.79 kPa,較最大值分別下降了146.59、85.96、56.68 kPa。當(dāng)含水率達(dá)到15.8%時(shí),土體峰值強(qiáng)度整體較小。

對(duì)比圖6(a)(b)可以看出,凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率土體峰值強(qiáng)度的影響不同。例如5.11%含水率土體在-25 ℃和-10 ℃凍結(jié)時(shí),峰值強(qiáng)度降到最小所需的循環(huán)次數(shù)分別為14次、4次,即凍結(jié)溫度越高,峰值強(qiáng)度下降越快。而10%含水率土體在-25 ℃凍結(jié)時(shí),凍融4次后峰值強(qiáng)度便趨于穩(wěn)定,說(shuō)明凍結(jié)溫度越低,強(qiáng)度下降越快。

3 砂黃土凍融特征規(guī)律

3.1 土體表觀破壞特征分析

凍融循環(huán)作用使土體表面發(fā)生明顯破壞,如圖2所示,凍融循環(huán)次數(shù)越大,破壞作用越強(qiáng)烈。在土體凍融過(guò)程中,凍結(jié)時(shí)水分向冷端遷移,即由土體內(nèi)部向外層遷移,而融化時(shí),由于室溫較高,導(dǎo)致冰晶融化速率快,水分在土中的回遷速度較慢,最終導(dǎo)致水分的遷移量大于回遷量,如此多次循環(huán)后土體外層的水量增大,水分凍結(jié)形成的冰晶數(shù)量和體積較大,凍脹和融沉作用更加強(qiáng)烈,嚴(yán)重破壞土粒間聯(lián)結(jié),表現(xiàn)為土體表面的破壞現(xiàn)象。高含水率土體凍融后表面的破壞現(xiàn)象更甚于低含水率土體,這是因?yàn)楦吆蕦?dǎo)致凍融過(guò)程中遷移到土體外層的水量更大,因此凍融作用對(duì)其結(jié)構(gòu)破壞更加強(qiáng)烈。

3.2 土體粘聚力特征分析

同一含水率土體粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加先減小,凍融10次后粘聚力有所回升。這是因?yàn)樵诔跏純鋈陔A段,土體中的水分不斷凍結(jié)為冰晶,冰晶體快速形成,填充、擴(kuò)張孔隙,使土顆粒間聯(lián)結(jié)減弱,造成土體強(qiáng)度下降,隨著凍融作用的進(jìn)行,水分逐漸向土體外層遷移造成局部水分集中,土體內(nèi)冰晶體積不斷增大,對(duì)土結(jié)構(gòu)持續(xù)累加破壞,導(dǎo)致土體強(qiáng)度持續(xù)降低。凍融10次左右,土中未凍水含量降低,冰晶體積和數(shù)量已逐漸達(dá)到峰值,即水分凍結(jié)對(duì)土的凍脹破壞達(dá)到極限,強(qiáng)度下降趨勢(shì)減弱,而此時(shí)土體結(jié)構(gòu)松散,抵抗自身重力及融沉作用的能力降低,兩種作用疊加下使土顆粒間聯(lián)結(jié)有所增強(qiáng),促使土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所恢復(fù),因此粘聚力有所回升。但總體上,特別是短期凍融時(shí),凍融作用仍導(dǎo)致了土體粘聚力降低。

土體凍融后的粘聚力隨初始含水率的增加而減小,且含水率越大,粘聚力下降幅度越大。天然含水率下,土體隨凍融進(jìn)行表現(xiàn)為明顯的累積破壞效應(yīng),粘聚力對(duì)循環(huán)次數(shù)有著明顯響應(yīng),含水率增大到塑限時(shí)則沒有這種表現(xiàn),這是因?yàn)橐环矫婧试龃髮?dǎo)致土中自由水含量增加,潤(rùn)滑作用及溶解作用弱化了粒間聯(lián)結(jié),使土體的原始強(qiáng)度下降,含水率越大,土體原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞越嚴(yán)重。另一方面在同一溫度下,含水率高的土體內(nèi)可形成的冰晶體積和數(shù)量都顯著增多,提升了土體凍脹破壞的效果,從而使凍融作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)增強(qiáng);在較少的凍融循環(huán)次數(shù)下土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度即降到最低,導(dǎo)致凍融累積破壞效應(yīng)不明顯。

不同凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率土體粘聚力影響不同,這與不同溫度下水分凍結(jié)速率和可遷移量有關(guān)。對(duì)于5.11%含水率土體而言,-10 ℃凍結(jié)時(shí),土體中水分的凍結(jié)速度較慢,使得水分有較多時(shí)間和空間向外層遷移,造成土中局部水量集中,凍脹及水軟化作用對(duì)土結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)也就更強(qiáng);而-25 ℃凍結(jié)時(shí),土體中水分凍結(jié)速度快,孔隙很快被封閉,水運(yùn)通道阻塞,水分遷移量和速度都較小,難以出現(xiàn)-10 ℃時(shí)的水分集中,形成的冰晶體積不大,凍脹破壞效應(yīng)不強(qiáng),故粘聚力在極低凍結(jié)溫度小反而較大。而10%含水率土體,雖然在-25 ℃凍結(jié)時(shí)水分遷移較慢,但其水分總量大,水分相對(duì)遷移量增加,并且大量自由水可直接凍結(jié)形成較大體積冰晶,使相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的冰晶體積和數(shù)量大于-10 ℃凍結(jié)時(shí),凍脹破壞效應(yīng)更強(qiáng),故粘聚力隨凍結(jié)溫度降低而減小,這也說(shuō)明高含水率土體在極端低溫凍融條件下更易導(dǎo)致土體強(qiáng)度劣化。含水率達(dá)到15.8%時(shí),在不同凍結(jié)溫度下,土體粘聚力均在首次凍融時(shí)下降最大,之后粘聚力則在一定范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定,與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系不大,這是因?yàn)榇撕氏?土中自由水含量很高,土體粘聚力的劣化主要是水對(duì)結(jié)構(gòu)的軟化作用導(dǎo)致,而凍融循環(huán)作用對(duì)其影響減弱。

3.3 土體內(nèi)摩擦角特征分析

土體內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而有所減小。這是因?yàn)樵瓲钔令w粒間接觸密實(shí),經(jīng)過(guò)凍融作用,土中孔隙凍脹擴(kuò)大,土顆粒之間接觸減少,因此導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低,在最初幾次凍融時(shí),變動(dòng)并不明顯,但隨著凍融累積破壞,結(jié)構(gòu)愈加疏松,內(nèi)摩擦角逐漸降低。土顆粒表面的結(jié)合水膜隨含水率增大而變厚,潤(rùn)滑作用使土粒表面的摩擦力降低,因此導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角隨含水率增大而減小。不同凍結(jié)溫度改變了水分的凍結(jié)速度,但并沒有改變土粒間結(jié)構(gòu)破壞的方式,因此土體內(nèi)摩擦角受凍結(jié)溫度影響小。

3.4 土體峰值強(qiáng)度特征分析

土體峰值強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小。如圖6所示,峰值強(qiáng)度在最初幾次凍融后下降明顯,之后則處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間,圖6(b)中,凍融1次、4次時(shí),5.11%含水率土體峰值強(qiáng)度小于10%含水率土體,凍融7次后則相反。分析認(rèn)為:-10 ℃凍結(jié)時(shí),水分凍結(jié)速度慢,可發(fā)生明顯遷移,10%含水率土體內(nèi)孔隙水含量大,凍結(jié)時(shí)孔隙被冰封程度高,水分遷移受阻,但5.11%含水率則相反,因此其水分遷移速度快,水分較快集中,凍脹破壞較快使土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,凍融7次后,5.11%含水率土體凍脹破壞達(dá)到極限,強(qiáng)度開始回升,而10%含水率土體此時(shí)累積水分遷移量大,因此凍脹對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞超過(guò)5.11%含水率土體。這一點(diǎn)也說(shuō)明,較高溫凍結(jié)時(shí),土體內(nèi)水分可發(fā)生明顯遷移且與土體初始含水率密切相關(guān),含水率越小,水分遷移越快,凍融對(duì)土體結(jié)構(gòu)破壞速度越快。

與粘聚力變化特征相似,隨著土樣初始含水率增大,土體的峰值強(qiáng)度明顯減小,且含水率越大,峰值強(qiáng)度的總體下降量越小,凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率土體峰值強(qiáng)度的影響不同,這一點(diǎn)同樣與粘聚力變化特征相同。以上說(shuō)明凍融后土體強(qiáng)度下降的主要原因是粘聚力的劣化。

4 土體粘聚力劣化趨勢(shì)擬合

基于-25 ℃凍結(jié)條件下粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)、含水率的數(shù)量關(guān)系,得到它們的特征曲線如圖3所示,土體粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性函數(shù)關(guān)系,對(duì)粘聚力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析時(shí)發(fā)現(xiàn),擬合效果較好,具體如下:

C=a+b·exp(-k·N)

(1)

式中,C—粘聚力,kPa;N—凍融循環(huán)次數(shù);a、b、k—擬合參數(shù)。

不同含水率條件下粘聚力與循環(huán)次數(shù)的擬合參數(shù)具體數(shù)值見表3,除10%含水率土體外,相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9,擬合效果較好。

表3 粘聚力與循環(huán)次數(shù)的擬合參數(shù)值(-25 ℃)Tab.3 Fitting parameter values for cohesive forces versus number of cycles relationship (-25 ℃)

由表3可以看出,參數(shù)與含水率之間存在數(shù)學(xué)關(guān)系,因此,參數(shù)值a、b、k作為已知量,分析含水率的影響,擬合發(fā)現(xiàn)擬合參數(shù)與含水率w之間存在函數(shù)關(guān)系,具體見式(2)—(4)。

a=38.787 7-2.17w,R2=0.992 6

(2)

b=-38.937 4+12.665 4w-0.609 8w2,

R2=0.999 6

(3)

k=-0.081 6+0.070 6w2,R2=0.909 9

(4)

將參數(shù)擬合式代入式(1)中,可得-25 ℃凍融循環(huán)條件下粘聚力劣化的表達(dá)式如下:

C=38.787 7-2.17w+(-38.937 4+

12.665 4w-0.609 8w2)·exp(-

(-0.0181 6+0.070 6w2)·N)

(5)

5 結(jié)論

1)凍融循環(huán)作用導(dǎo)致砂黃土結(jié)構(gòu)破壞,且隨凍融循環(huán)次數(shù)增加或含水率增大而加劇。

2)砂黃土粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加先減小后有所回升、隨初始含水率增加而減小。凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率土體粘聚力影響不同,含水率為5.11%時(shí),粘聚力隨凍結(jié)溫度降低而增大;含水率為10%時(shí),粘聚力隨凍結(jié)溫度降低而減小;含水率為15.8%時(shí),凍融作用的影響較小。

3)土體內(nèi)摩擦角在凍融循環(huán)作用下有所減小,但總體下降量不大。

4)凍融循環(huán)作用導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降的主要原因是粘聚力的劣化。

5)高含水率極端低溫凍結(jié)及低含水率較高溫凍結(jié)兩種組合條件均加速了凍融循環(huán)作用對(duì)砂黃土強(qiáng)度的破壞。