含水率對銀川粉砂反復(fù)凍融強(qiáng)度的影響

李 劍 潘 鵬 劉 寧 郝佳興

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 銀川 750021）

含水率對銀川粉砂反復(fù)凍融強(qiáng)度的影響

李 劍 潘 鵬 劉 寧 郝佳興

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院 銀川 750021）

以銀川粉砂為對象，含水率為因素，研究了反復(fù)凍融循環(huán)作用對粉砂抗剪強(qiáng)度的影響。通過分析作用規(guī)律和機(jī)理，建立了粉砂粘聚力增量的絕對值、內(nèi)摩擦角增量分別與凍融循環(huán)次數(shù)及含水率的關(guān)系模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉砂粘聚力增量的絕對值和內(nèi)摩擦角增量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，在前幾次凍融循環(huán)內(nèi)變化劇烈，隨后變化趨于平緩，多次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定；粉砂含水率越大，粘聚力增量的絕對值和內(nèi)摩擦角增量越大；凍融循環(huán)作用和含水率對粉砂強(qiáng)度影響顯著；建立的關(guān)系模型擬合度高，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確。

粉砂；凍融循環(huán)；含水率；抗剪強(qiáng)度

0 前言

寧夏地處毛烏素和騰格里沙漠的邊沿，地表下分布著大面積的風(fēng)積砂。寧夏冬季嚴(yán)寒，且負(fù)溫期長[1]，因農(nóng)田冬灌，地下水埋藏淺，淺層土的含水率高，凍害嚴(yán)重[2]。寧夏砂土地基破壞嚴(yán)重，如路基凍脹，化凍翻漿、邊坡變形失穩(wěn)、溝渠基底隆起開裂等。在寧夏地區(qū)進(jìn)行工程活動時，必須考慮地基土含水率和凍融循環(huán)作用對粉砂力學(xué)性能的影響。一些研究發(fā)現(xiàn)：凍融破壞土體原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使粉砂強(qiáng)度產(chǎn)生劣化作用[3]；凍融使土的粘聚力降低，內(nèi)摩擦角增大[4,5]，而嚴(yán)晗等認(rèn)為內(nèi)摩擦角變化不大[3]。考慮已有文獻(xiàn)關(guān)于砂土凍融研究所用循環(huán)次數(shù)較少，不足以全面揭示凍融循環(huán)的影響，以及土的凍融作用具有明顯的區(qū)域性，結(jié)合寧夏氣候和水文地質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)行粉砂的多次凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，對寧夏冬灌區(qū)砂土地基工程凍害評價與防治具有重要意義。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用砂土取自寧夏銀川市西夏區(qū)，取土深度約2.0m處。取樣之后，立即進(jìn)行密封處理，并測得土樣基本物理指標(biāo)如下：密度1.74g cm-3，含水率6.2%，土粒比重2.69，粒徑分布見表1，主要為0.25～0.075mm的細(xì)砂粒和極細(xì)砂粒，約67.1%，其余主要為0.075～0.005mm的粉粒，約27.4%。

表1 寧夏砂土的粒徑分布

1.2試驗(yàn)方案

以凍融循環(huán)次數(shù)F和含水率ω為因素，在封閉單向凍融循環(huán)系統(tǒng)條件下，試驗(yàn)研究不同含水率粉砂在多次凍融循環(huán)后強(qiáng)度變化規(guī)律。G1～G5組試樣含水率ω分別設(shè)8%、10%、12%、14%和21%（飽和）5個水平。凍融循環(huán)次數(shù)為F，設(shè)0、3、7、12、20、30、50次7個水平。凍結(jié)溫度依據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄陿O端最低氣溫平均值設(shè)為-28.0℃，融化溫度為20.0℃，凍24h，融24h。

1.3試驗(yàn)方法

（1）試樣制備。依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB50123 1999規(guī)范要求將風(fēng)干后粉砂過2mm篩，按試驗(yàn)方案制備不同含水率土樣，保濕缸中密封潤濕不少于一晝夜。采用壓樣法成樣，需飽和土樣用真空法抽氣飽和，飽和度不得低于95%，成樣后立即密封防止失水。試驗(yàn)每組成樣4個。

（2）抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式電動直剪儀進(jìn)行直剪。試樣連同環(huán)刀密

封后置于低溫試驗(yàn)箱中按照試驗(yàn)方案進(jìn)行凍融試驗(yàn)，在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa

4個垂直壓力下進(jìn)行直剪，并測定各含水率試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的粘聚力c及內(nèi)摩擦角φ。

樣品（編號RCS11）長柄扁桃粕由于其特殊制油工藝，粕中同時含有苦杏仁苷（平均質(zhì)量含量約3%）和野黑櫻苷（平均含量約0.29 mg/g）兩種成分。在上述分析條件下，根據(jù)其色譜信息，以信噪比S/N=3計(jì)，得苦杏仁苷檢測限為0.2 μg/mL；以信噪比S/N=10計(jì)，得苦杏仁苷定量限為 0.4 μg/mL。在飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[17]中，HCN在飼料原料最低限量為50 mg/kg，相當(dāng)于苦杏仁苷限量為 845 mg/kg（苦杏仁苷與氫氰酸換算系數(shù)16.9），在本方法的定量限內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2.1強(qiáng)度指標(biāo)

粘聚力增量量cd和內(nèi)摩擦角增量φd與凍融循環(huán)次數(shù)和含水率的關(guān)系曲線示于圖1。

由圖1可見：所有試樣粘聚力增量均為負(fù)值，即粘聚力降低；粉砂的粘聚力增量的絕對值隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大；經(jīng)歷20次凍融后粘聚力增量趨于穩(wěn)定；在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下，粘聚力增量的絕對值隨含水率的增大而增大。粉砂的內(nèi)摩擦角增量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，反復(fù)凍融使粉砂內(nèi)摩擦角增大，經(jīng)歷20次凍融后內(nèi)摩擦角增量趨于穩(wěn)定；在凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下，內(nèi)摩擦角增量隨含水率的增大而增大。

圖1 粘聚力和內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

土的粘聚力是由膠結(jié)物和束縛水膜的分子引力造成的[6]，束縛水膜的分子引力取決于土顆粒間的自由水含量，而內(nèi)摩擦角主要反映顆粒間的相互移動和咬合作用。隨著反復(fù)凍融，土體中的水分不斷發(fā)生凍結(jié)和遷移，水分遷移產(chǎn)生的遷移力和凍脹力不斷破壞土顆粒間原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)，造成粘聚力不斷減小，由于孔隙比增大，土顆粒之間的接觸點(diǎn)增多，因而內(nèi)摩擦角增大。多次凍融后，粒徑較大的顆粒破碎，小顆粒增多，土顆粒在自身重力作用下又重新排列而形成新的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，粘聚力損失量趨于穩(wěn)定值。隨著含水率增大，試樣下部有充足的水分向凍結(jié)區(qū)遷移，造成土中水分遷移力和凍脹力隨之增大，凍融循環(huán)對土顆粒原始聯(lián)接結(jié)構(gòu)的劣化作用增強(qiáng)，小孔隙增多，土顆粒間的接觸面積增大，因而粘聚力減小，內(nèi)摩擦角增大。

2.2回歸分析

2.2.1 模型建立

將粘聚力增量的絕對值和內(nèi)摩擦角增量分別與凍融循環(huán)次數(shù)N和含水率ω的關(guān)系用雙曲線函數(shù)形式擬合，其表現(xiàn)出較好的擬合效果。擬合關(guān)系式如式（1）和式（2）所示，其中a1和a2均為含水率ω的函數(shù)，擬合結(jié)果如表2所示。cu和φu的意義分別為當(dāng)凍融循次環(huán)次數(shù)N趨于無窮大時，粘聚力增量的絕對值和內(nèi)摩擦角增量趨于的穩(wěn)定值。

表2 參數(shù)與含水率的擬合關(guān)系式

2.2.2 模型預(yù)測與驗(yàn)證

將含水率的值分別代入表2各個關(guān)系式中，得出參數(shù)a1和a2、及cu和φu的值，再將所得參數(shù)值分別代入式（1）和式（2），得c和φ的預(yù)測值。表3是凍融20次，不同含水率粉砂粘聚力增量的絕對值和內(nèi)摩擦角增量的實(shí)測值、模型預(yù)測值與相對殘差。

表3 模型預(yù)測與驗(yàn)證

3 結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

(1)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，所有試樣的內(nèi)摩擦角均增大，粘聚力減小，且均在前幾次凍融循環(huán)內(nèi)變化劇烈，20次凍融循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)粉砂的含水率越大，則粘聚力越小、內(nèi)摩擦角越大、凍融作用對粘聚力和內(nèi)摩擦角影響程度越大。

(3)建立了粘聚力增量絕對值和內(nèi)摩擦角增量分別與凍融循環(huán)次數(shù)和含水率的關(guān)系模型，擬合效果良好。

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TU443

A

1007-6344（2017）05-0019-02

李劍(1992-)，男，寧夏中衛(wèi)人，研究生，主要從事巖土力學(xué)研究.