凍融作用下土體無側(cè)限抗壓強度變化研究

張亞英

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心甘肅總隊)

在寒冷氣候條件下，土壤在反復(fù)的凍融作用下會發(fā)生物理和力學(xué)性質(zhì)的變化[1-2]。黃土是一種特殊的土壤類型，其廣泛分布于我國中西部地區(qū)，由于其具有較高的孔隙度和敏感性，故其在凍融作用下的力學(xué)性質(zhì)和滲透性變化較為顯著[3-4]。土體無側(cè)限抗壓強度是描述土壤在無側(cè)向壓力條件下所能承受的垂直壓力，是評價土壤力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，在路基、基礎(chǔ)設(shè)計和施工中十分關(guān)鍵。在凍融過程中，隨著溫度的變化，土壤中的水分遷移、相變、化學(xué)物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)等都會發(fā)生變化，這些變化進一步影響土壤的無側(cè)限抗壓強度和滲透性[5]。除此之外，對于在寒冷地區(qū)開展的工程項目，如建筑、道路和橋梁建設(shè)等，凍融作用可能會引起土壤力學(xué)性質(zhì)的變化，從而導(dǎo)致工程的安全性和穩(wěn)定性受到潛在風(fēng)險。周有祿等[6]以青海東部黃土為研究對象，開展了不同干密度和含水率下黃土凍融循環(huán)后的直剪試驗，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會使土體的強度指標(biāo)被劣化，削弱土體的抗剪強度，并構(gòu)建了土體抗剪強度和凍融循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系式，體現(xiàn)了凍融循環(huán)下黃土的抗剪強度劣化趨勢。楊更社等[7]通過開展凍融循環(huán)下黃土的核磁共振試驗和直剪試驗，分析了原狀黃土力學(xué)性質(zhì)和土體孔隙分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會增加土中細顆粒的數(shù)量，且大孔隙和中孔隙隨著凍融次數(shù)的增加而減少，小孔隙數(shù)量逐漸增多，土體的抗剪強度也呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。另外，凍融作用也會對黃土滲透系數(shù)造成較大的影響，因此，通過研究凍融作用下黃土無側(cè)限抗壓強度和滲透系數(shù)的變化，可以為寒冷地區(qū)工程項目的規(guī)劃和設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，以保障工程的安全性和穩(wěn)定性。

為了掌握凍融對土體的強度的破壞機理，通過設(shè)置不同凍融循環(huán)溫度和循環(huán)次數(shù)，開展了凍融循環(huán)下原狀黃土和重塑黃土的無側(cè)限抗壓強度試驗，為類似工程提供了指導(dǎo)與借鑒。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料

此次所用土體為取自某場地2m 深處的黃土，對其物理性質(zhì)進行測試，具體結(jié)果見表1所示。

表1 試驗用土基本物理性質(zhì)

對于無側(cè)限試樣，在試驗開始前，分別制備原狀黃土、重塑黃土試樣。在制作原狀黃土試樣時，借助削土器把挖取的原狀黃土土塊削成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，其大小為直徑39.1mm、高80mm，同時用保鮮膜密封包裹試樣，靜置24h，確保試樣中水分均勻。對于重塑黃土試樣，將大塊黃土進行碾碎，之后放入烘箱中烘干，設(shè)置烘箱溫度為108°C，持續(xù)烘8h，按照黃土的天然含水率配置其含水率，再放入桶中進行密封，在陰涼處靜置24h，確保水分和土樣混合均勻。靜置完畢后把土樣放進三瓣膜中，分層擊實土樣并作刮毛處理，確保每層土樣有較好的連接性，土樣不出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，最后在用保鮮膜密封土樣進行保存，等待試驗時使用。對于滲透試驗，此次僅分析原狀黃土在凍融循環(huán)作用下的滲透系數(shù)變化情況，借助削土器把挖取的原狀黃土土塊削成高40mm、直徑61.8mm 的圓柱試樣，同樣用保鮮膜對試樣進行包裹密封和靜置。

1.2 試驗方案

對于凍融循環(huán)試驗方案，試驗儀器為凍脹循環(huán)試驗箱，TMS9018-500 為其具體型號，通過此凍脹儀進行原狀、重塑黃土的凍融循環(huán)試驗，參考當(dāng)?shù)囟緶囟葘鋈跍囟仍O(shè)置為±19.2°C、±14.2°C 和±9.2°C，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)為8、6、4、2、0 次，凍結(jié)、融化時間均設(shè)置成12h。對于無側(cè)限抗壓強度試驗方案，所用試驗儀器為應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀，型號為YYW-2型，2mm/min為試驗加載速率，判斷試樣破壞的標(biāo)準(zhǔn)為黃土試樣在試驗過程中是否產(chǎn)生斜向剪裂，如果產(chǎn)生，即可停止試驗。對于滲透試驗方案，試驗儀器為變水頭滲透儀，每次凍融循環(huán)后即開展?jié)B透試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 分析原狀黃土試驗結(jié)果

如表2 所示僅為原狀黃土在±14.2°C 循環(huán)溫度下不同凍融循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢（在此僅展示±14.2°C循環(huán)溫度、±19.2°C和±9.2°C循環(huán)溫度未展示）。從試驗結(jié)果能夠得到，在不同凍融溫度下，隨著提高凍融循環(huán)次數(shù)，原狀黃土無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)為持續(xù)降低趨勢，具體表現(xiàn)為±19.2°C、±14.2°C和±9.2°C 凍融溫度下，原狀黃土無側(cè)限抗壓強度在第2 次凍融循環(huán)時分別降低至34kPa、36kPa、46kPa，而隨著凍融次數(shù)增加至8 次時，其無側(cè)限抗壓強度再次降低至25kPa、28kPa、40kPa。原狀黃土在沒有經(jīng)過凍融循環(huán)時的無側(cè)限抗壓強度為65kPa，不同凍融循環(huán)溫度時原狀黃土的無側(cè)限峰值強度與其相比分別降低了近38.5%（±9.2°C）、59.6%（±14.2°C）、61%（±19.2°C），上下波動范圍廣，這表示凍融循環(huán)后黃土原本土體結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞，降低了土體的抗壓強度。如表3 所示，通過對比不同凍融循環(huán)溫度、凍融次數(shù)下原狀黃土的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢，能看出隨著凍融循環(huán)溫度的降低，黃土抗壓強度的損失程度也越來越大。這是因為土體在未經(jīng)過凍融循環(huán)時，土中顆粒大部分為大顆粒，僅有小部分為小顆粒，同時顆粒棱角明顯，大顆粒之間大部分為面-面接觸并形成骨架，小顆粒進行填充，形成骨架-密實結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過凍融循環(huán)后，大顆粒被破壞形成小顆粒，大顆粒數(shù)量降低且小顆粒數(shù)量增大，土體骨架被破壞，增大了顆粒間的距離，弱化了顆粒間的連接，原來大顆粒的面-面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c-面接觸形式，原狀土體結(jié)構(gòu)被破壞，形成次生結(jié)構(gòu)，降低了土顆粒間的粘結(jié)性能，使結(jié)構(gòu)變得較為疏松。

表2 循環(huán)溫度為±14.2°C時原狀黃土無側(cè)限應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢

表3 各循環(huán)溫度下原狀黃土無側(cè)限抗壓強度

2.2 分析重塑黃土試驗結(jié)果

重塑黃土在±14.2°C 循環(huán)溫度下不同凍融循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢。從試驗結(jié)果能夠看出，當(dāng)凍融溫度相同時，隨著持續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù)，重塑土的無側(cè)限抗壓強度與原狀黃土的變化趨勢相似，都呈現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律，在第2 次凍融循環(huán)時重塑黃土的無側(cè)限抗壓強度依次為17.1kPa（±19.2°C）、17.2kPa（±14.2°C）、16.9kPa（±14.2°C），與未經(jīng)過凍融循環(huán)的重塑黃土抗壓強度（17.5kPa）相差不大，而隨著凍融次數(shù)增加至8 次時，其無側(cè)限抗壓強度降低至13.8kPa、13kPa、15kPa。與未經(jīng)過凍融時的原狀黃土無側(cè)限抗壓強度相比（17.5kPa），在各凍融循環(huán)溫度下其峰值強度分別減小了近21%（±19.2°C）、25.7%（±14.2°C）、14.7%（±9.2°C）。通過對比不同凍融循環(huán)溫度下、凍融次數(shù)原狀黃土的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢，能看出隨著凍融循環(huán)溫度的降低，黃土抗壓強度的損失程度同樣越來越大。這與原狀黃土在不同凍融循環(huán)溫度下、凍融次數(shù)下抗壓強度發(fā)生變化的原因相同，均是由土體骨架被破壞導(dǎo)致的。但與原狀黃土不同，重塑黃土0 次凍融循環(huán)時的無側(cè)限抗壓強度與各次凍融循環(huán)后的強度差距較小，每次循環(huán)后的強度波動范圍在2～8kPa 內(nèi)，這是由于重塑黃土在重塑過程中已經(jīng)破壞了原狀黃土的骨架結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了變化，故未經(jīng)過凍融循環(huán)的重塑黃土與2～8 次凍融循環(huán)下重塑黃土的無側(cè)限抗壓強度相差較小。

2.3 原狀黃土滲透性受凍融循環(huán)的影響

結(jié)合滲透試驗結(jié)果能夠看出，原狀黃土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提高，其滲透系數(shù)逐漸增大，且在經(jīng)過4 次凍融循環(huán)后提高幅度較大，在4 次后滲透系數(shù)提高幅度逐漸減小，最終保持穩(wěn)定。在凍融次數(shù)為0 時，3.23×10-5cm·s-1為黃土的滲透系數(shù)，在經(jīng)過2次凍融循環(huán)后其滲透系數(shù)提高到7.23×10-5cm·s-1，增大幅度為3.97×10-5cm·s-1；在經(jīng)過4 次凍融循環(huán)后其滲透系數(shù)提高到1.3×10-4cm·s-1，提高了近5.73×10-6cm·s-1；其滲透系數(shù)在經(jīng)過6次凍融循環(huán)后僅僅提高了2.81×10-6cm·s-1，這說明黃土的滲透系數(shù)在經(jīng)歷4 次凍融循環(huán)后不會有大幅度的增大，基本不會受到凍融循環(huán)的影響。這是由于在前幾次凍融循環(huán)過程中，凍脹作用使黃土內(nèi)部形成大部分細小裂縫，提高了土體孔隙率，擴大了水分遷移通道，大大增加了土體的滲透系數(shù)，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提高，土體結(jié)構(gòu)漸漸保持穩(wěn)定，孔隙數(shù)量不再增加，故滲透系數(shù)逐漸保持穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為了掌握凍融對土體的強度的破壞機理，通過設(shè)置不同凍融循環(huán)溫度和循環(huán)次數(shù)，開展了凍融循環(huán)下原狀黃土和重塑黃土的無側(cè)限抗壓強度試驗，主要得到以下結(jié)論：

⑴原狀黃土在沒有經(jīng)過凍融循環(huán)時的無側(cè)限抗壓強度為65kPa，不同凍融循環(huán)溫度時原狀黃土的無側(cè)限峰值強度與其相比分別降低了近38.5%（±9.2°C）、59.6%（±14.2°C）、61%（±19.2°C），上下波動范圍廣，這表示凍融循環(huán)后黃土原本土體結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞，降低了土體的抗壓強度，且隨著凍融循環(huán)溫度的降低，黃土抗壓強度的損失程度也越來越大。

⑵重塑土的無側(cè)限抗壓強度變化趨勢和原狀黃土大致相同，均表現(xiàn)出先持續(xù)降低的趨勢，隨著凍融次數(shù)增加至8 次時，與未經(jīng)過凍融時的原狀黃土無側(cè)限抗壓強度相比（17.5kPa），其峰值強度分別減小了近21%（±19.2°C）、25.7%（±14.2°C）、14.7%（±9.2°C），但與原狀黃土不同，重塑黃土0 次凍融循環(huán)時的無側(cè)限抗壓強度與各次凍融循環(huán)后的強度差距較小，每次循環(huán)后的強度波動范圍在2～8kPa內(nèi)。

⑶凍融作用下，黃土滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，對其滲透系數(shù)影響較大的主要在前4 次凍融循環(huán)。