溫度循環條件下粉土質砂的物理力學特征研究

鄭海君，李　洋，蔡國軍，付小敏，吉　鋒

（1.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都610059；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

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溫度循環條件下粉土質砂的物理力學特征研究

鄭海君1，2，李洋1，2，蔡國軍1，2，付小敏1，2，吉鋒1，2

（1.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都610059；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

摘要：為研究夏季極端高溫天氣對粉土質砂物理力學性質的影響，以重慶市某邊坡土體為研究對象，通過室內試驗模擬分析在夏季高溫條件下日間暴曬，土溫升高；夜間冷卻，土溫降低的循環過程對粉土質砂的力學特征的影響。試驗結果表明：經過多次溫度循環作用土樣的含水率與密度不斷下降；土樣內聚力隨溫度循環次數升高；土樣的內摩擦角基本保持穩定，不會隨溫度循環產生明顯變化。當溫度循環達到18次以后土樣密度下降速度變快，而內聚力達到最大并開始保持穩定。在升溫-冷卻循環條件下土樣抗剪強度增大，這主要是由內聚力增大所導致，因此內聚力是對溫度循壞最為敏感的抗剪強度指標。試驗結論為進一步研究溫度循環對粘性土物理力學特征的影響和極端高溫氣候條件下的巖土工程設計施工提供重要參考。

關鍵詞：粉土質砂；溫度循環；升溫-冷卻；物理力學特征；抗剪強度

0　引言

近年來隨著極端天氣不斷出現，部分地區夏季高溫天數持續增多，氣象資料顯示，重慶、武漢和南昌等地2012年夏季地表溫度高于60℃的天數最多可達28天[1]，這些地區地表土體在日間經暴曬土溫升高，夜間冷卻土溫降低，溫度的反復變化會導致土體的物理力學性質發生變化，因此把溫度效應考慮到巖土工程的施工設計中已勢在必行。事實上，部分學者已考慮到了溫度對粘性土的物理力學性質及工程性質的影響，如Hopke S W等[2-3]提出了粘性土考慮外荷載作用的凍脹模型；Tidfors[4]通過試驗研究了溫度對粘性土變形和固結特性的影響；Boudali M[5]通過研究發現天然粘性土與重塑土的溫度效應具有明顯的差異；國內學者宋春霞[6]較為系統地研究了凍融作用對土物理力學性質的影響；張澤等[7]提出了循環凍融作用下土工程性質變異性的判定方法；一些學者通過對土樣做不同溫度下的試驗，研究了溫度對彈性和塑性壓縮系數及水理性質的影響[8-11]。

綜上所述，溫度變化對土體的物理力學性質會產生較大影響，但從現有資料來看，有關溫度變化對土體力學性質影響研究主要集中于凍融作用及不同溫度下土的壓縮固結特性，而對于升溫-冷卻循環條件下粘性土物理力學特性研究相對較少。本文以重慶市某邊坡土體為研究對象，經室內試驗分析了升溫-冷卻循環條件下土體的物理力學特性的變化規律。

1　試驗內容及試驗方法

土樣取自重慶市某邊坡，為粉土質砂，級配良好，其級配曲線如圖1所示，其最優含水率為12%，最大干密度為1.81g/cm3。

為較準確測得土樣的物理力學性質變化，分別進行含水率與密度測量和三軸剪切試驗。試驗在地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室進行。根據最優含水率和最大干密度配置三軸試樣25組，試樣直徑39.1mm，高度80 mm，分別進行編號，溫度循環設定為先在烘箱中（60℃）烘干3h，再室溫（20℃）冷卻2 h，取出1號樣組，進行密度與含水率測定與不固結不排水三軸壓縮試驗，記錄試驗數據，再將其余試樣繼續在60℃下烘干3h，取出全部試樣冷卻2h后，把2號樣組進行密度、含水率測定與三軸剪切試驗，以此類推，其余試樣繼續進行溫度循環直至樣品消耗完全。三軸試驗運用應變控制式三軸試驗儀（見圖2）進行不固結不排水剪切試驗（UU），試樣在施加圍壓和直至剪切的整個試驗過程中都不允許排水，這樣從開始加壓直至試樣剪壞，土中的含水量始終保持不變，孔隙水壓力也不可能消散，可以測得總應力抗剪強度指標[12]。

圖1　土樣級配曲線

圖2　應變控制式三軸試驗儀

2　升溫-冷卻循環條件下土體物理力學性質變化

2.1含水率和密度的變化

通過25次溫度循環所測得的試樣含水率與密度數據可得含水率與土樣密度和循環次數的關系曲線，如圖3、圖4所示。

圖中反應出隨升溫-冷卻循環的進行土樣含水率與密度總體呈降低的趨勢，溫度升高導致土樣中孔隙水氣化蒸發，土樣中孔隙水減少，質量降低。在溫度循環過程中土樣密度變化具有一定的波動性，這是由于隨著孔隙水的蒸發減少，土樣發生干縮，體積減小。在循環達到18次后土樣的含水率低于縮限，土樣體積基本保持穩定。此時土中孔隙水水蒸發較多，土樣中孔隙率變大，水蒸發速度加快，因此呈現出土樣密度減小速度加快（曲線的切線斜率增大）的趨勢。

圖3　土樣含水率與循環次數關系

圖4　土樣密度與循環次數關系

2.2內聚力的變化

將每一次升溫-冷卻循環后進行三軸試驗的成果根據莫爾-庫倫強度準則作其破壞強度包絡線，根據強度包絡線可求得每一次循環過后土樣內聚力的值，內聚力變化同循環次數的關系曲線如圖5所示。

圖5　土樣內聚力與循環次數關系

可以看出，隨著升溫-冷卻循環的進行，土樣內聚力總體上呈現上升的趨勢，由天然狀態下的38.5kPa上升至136.1 kPa，當循環次數到達18次以后內聚力開始趨于穩定。這是由于隨著溫度循環的進行土樣中水分蒸發，土樣發生干縮，粘粒膠結程度不斷增高，內聚力逐漸增大。在循環18次以后土樣內粘粒膠結基本達到極限，同時土樣不再發生干縮，內聚力保持穩定。

2.3內摩擦角的變化

根據抗剪強度包絡線亦可得出每一次溫度循環后土的內摩擦角大小，內摩擦角變化同循環次數的關系曲線如圖6所示。

圖6　土樣內摩擦角與循環次數關系

從圖可知，隨著溫度循環的進行，土樣內摩擦角并無明顯的變化，總體保持在25°～31°之間，內摩擦角的波動可能由于試驗誤差造成，但總體上處于可控范圍內。內摩擦角的影響因素主要是土顆粒表面的摩擦力和土顆粒間的嵌入和聯鎖作用產生的咬合力，這與土顆粒的礦物組成、粒徑組成和土顆粒形態有關，而溫度循環并不會改變土樣上述因素，因此內摩擦角的變化對溫度循環并不敏感。

3　溫度循環對土體強度影響分析

一般認為三軸剪切試驗中當軸向應變達20%時試樣已經發生破壞，最大主應力與最小主應力之差反映了試樣抗剪強度的大小：二者之差越大，抗剪強度越大，反之抗剪強度則越小。根據三軸試驗成果，可得到不同溫度循環次數下三軸剪切試驗最大主應力與最小主應力之差和軸向應變的關系曲線，如圖7所示。

由圖可知，隨著溫度循環的進行，土樣發生剪切破壞時最大主應力與最小主應力之差逐漸變大；溫度循環達到18次開始，最大主應力與最小主應力差開始趨于穩定，即土的抗剪強度隨著溫度循環抗剪強度增大。當溫度循環達到18次，土樣的抗剪強度趨于穩定，這與內聚力的變化情況具有較好的吻合性。根據莫爾-庫倫準則可知土樣的抗剪強度增大是由于土樣的內聚力增大。在升溫-冷卻循環條件下，內聚力是粉土質砂抗剪強度指標最為敏感的因素。

圖7　不同溫度循環次數下三軸試驗最大主應力與最小主應力差與軸向應變的關系

通過對比試驗土樣密度和內聚力的變化情況可知，在溫度循環18次以后，土樣含水率開始低于縮限，體積不再減小，土樣中粘粒膠結基本達到極限，內聚力不再變化，土樣孔隙率增大，土中水蒸發加快，密度減小速度增加。因此溫度循環18次為土樣抗剪強度最大值的臨界點，此時的含水率為試驗土樣的縮限。

4　結束語

1）對粉土質砂來說，隨著正午暴曬，土溫升高；夜間冷卻，土溫降低的循環過程，其密度和含水率總體呈下降趨勢，在溫度循環18次以后土樣密度下降速度加快。

2）升溫-冷卻循環會造成粉土質砂內聚力增加，主要是由于土中粘粒膠結，內聚力增大引起的，而溫度循環不會引起粉土質砂內摩擦角產生較大的變化。這些現象可以引申到一般的粘性土。

3）溫度循環會使粉土質砂抗剪強度增大，這主要是由內聚力增大引起的，土的抗剪強度指標中內聚力是對溫度循環最為敏感的因素。升溫-冷卻循環18次是粉土質砂抗剪強度最大值的臨界點，此時的含水率為土樣的縮限。

4）在實際工程中多日暴曬后的土質邊坡，在暴雨影響下，往往容易發生破壞，由試驗可知并不是由于溫度循環使土的抗剪強度降低而導致，可能是由于暴曬使土的孔隙率變大，降水更易進入土體，也有可能是在暴曬過程中土體干縮產生裂縫，在降雨條件下更易貫通發生破壞，這些問題有待于進一步研究。

參考文獻

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[12]東南大學，浙江大學.土力學[M]. 2版.北京：中國建筑工業出版社，2005：184-201.

（編輯：李剛）

Physical and mechanical characteristics of silty sand under temperature cycling conditions

ZHENG Haijun1，2，LI Yang1，2，CAI Guojun1，2，FU Xiaomin1，2，JI Feng1,2
（1. College of Environmental and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu 610059，China）

Abstract:Silty sand was taken from a Slope in Chongqing to study the effect of extreme high temperature in summer on its physical and mechanical properties. According to the indoor simulation test，the soil is warmed up by exposing to the daytime high temperature in summer and the cyclic temperature drop has an effect on the mechanical characteristics of the sand. The test has shown that，after repeated temperature cycling，the moisture and density of the sand were declining，the cohesion was rising with temperature cycles，and the internal friction angle remained stable. When the temperature cycling reached 18 times，the sand density became decreased quickly and the cohesive force reached the maximumand held steady. Under the heating -cooling cycle conditions，the shear strength increased with the cohesion. Thus，the cohesion is most sensitive to the temperature cycling. The results have provided important references to further study of the effect of temperature cycling on the physical and mechanical characteristics of the cohesive sand and the design and construction of rock and soil engineering at

Keywords:silty sand；temperature cycle；heating-cooling；physical and mechanical characteristics；shear strength

作者簡介：鄭海君（1979-），女，四川成都市人，助理研究員，主要從事土工試驗教學工作。

基金項目：國家自然科學基金（51308082，41202209）；四川省教育廳基金項目（11ZB038）

收稿日期：2015-07-18；收到修改稿日期：2015-09-13

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.003

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0015-04