凍融循環作用下壓實濕陷性黃土凍脹性能研究

2018-03-29 07:26:00關春先

水利技術監督 2018年2期

關春先

(遼寧水利職業學院，遼寧沈陽 110122)

濕陷性黃土是一種孔隙率高，滲透性、濕陷性和崩解性強的特殊土體，采用壓實法處理后其濕陷性基本能夠得以消除，然而在季節性冰凍區，運行幾年后壓實的濕陷性黃土地基仍大量出現不均勻沉降和崩塌等病害[1- 4]。為此大量專家學者對凍融循環作用下濕陷性黃土的凍脹性能以及力學特性開展了大量的研究。王泉等[5]先對濕陷性黃土進行一次濕陷試驗，并在凍融循環后進行二次濕陷試驗，試驗結果表明重塑與原狀濕陷性黃土二次濕陷系數超過了0.015，且隨凍融循環次數增大逐漸趨于穩定，說明季節性冰凍區濕陷性黃土存在二次濕陷性。武丹等[6]通過對山西某工程所用黃土進行了一系列的室內試驗，研究了凍融循環作用對壓實黃土力學特性的影響，發現凍融循環作用能有明顯降低黃土抗剪強度，其影響與含水率呈正相關關系，且相同壓實度下濕陷性黃土對凍融循環作用更敏感。潘鵬等[7]針對寧夏氣候環境特點對黃土凍融循環效應進行分析，研究了凍融循環次數、含水率以及干密度對濕陷系黃土的影響，指出含水率為22%時濕陷性黃土凍融效應最明顯，濕陷性黃土地區工程建設時建議避開最不利含水率。李國玉等[8]通過對凍融循環前后壓實黃土的溫度、含水率等6個基本物理力學參數進行分析，研究了凍融作用對濕陷性黃土濕陷變形的影響，認為濕陷性黃土強度弱化以及融沉變形是由于，凍融作用使得水分逐步向上部聚集、壓實度降低和孔隙率增大的結果。劉博詩等[9]采用石英粉、石膏和膨潤土等材料模擬了具有結構性的濕陷性黃土，并對不同固結壓力下人工制備濕陷性黃土進行電鏡掃描試驗，結果表明，土的濕陷系數與參數與面積比、等效直徑、扁圓度等細觀結構特征參數有關，固結壓力對人工制備濕陷性黃土架空孔隙影響較大而對粒間孔隙影響不明顯。李喜安等結合SEM和IPP等分析手段對黃土濕陷前后土體的結構和孔隙特征情況進行了分析，揭示了黃土濕陷對其滲透性的影響變化規律及微觀響應機理。綜上所述，凍融循環作用對濕陷性黃土力學特性的影響主要集中于宏觀力學試驗，針對凍融循環作用對濕陷性黃土細觀結構的影響研究尚不夠充分。本文通過對不同凍融次數下壓實濕陷性黃土進行SEM、直接剪切和濕陷試驗，分析了凍融循環對壓實濕陷性黃土濕陷系數、強度參數和細觀結構的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗樣品基本物理指標

根據SL237- 1999《土工試驗規程》對取回濕陷性黃土土樣基本物理特性指標進行測定，測得濕陷性黃土比重Gs=2.72，最大干密度為ρdmax=1.68g/cm3，最優含水率為ωo13.7%，液限ωL=48.8%，塑限ωP=18.5%。

1.2 試樣制備和試驗方法

將濕陷性黃土烘干、碾細后過2mm的圓孔篩，并按照最優含水率配制待用，配水過程應保證水噴灑均勻，配水后將土用塑料薄膜密封24h。試樣采用壓樣器在環刀中壓制成型，試樣干密度控制為最大干密度的0.96，環刀尺寸為直徑×高=61.8mm×2mm。試樣制備好后分別進行0次、5次、15次、20次和25次凍融循環，凍融循環采用快凍法進行，凍結溫度為-5℃，融化溫度為10℃，凍結時間為1h，融化時間1h，將凍融循環后試樣進行濕陷試驗、SEM試驗和直接剪切試驗，SEM試驗試樣放大倍數為500倍，直接剪切試驗固結壓力為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率為0.368mm/min。

圖1 SEM試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 細觀結構

分別取凍融循環0次、10次和20次試樣進行SEM試驗，試驗結果如圖1所示，隨凍融循環次數增大，壓實濕陷性黃土孔隙逐漸增多，土顆粒間聯結作用逐漸減弱，凍融循環后土顆粒排列逐漸趨于疏松多孔，這是主要是由于壓實濕陷性黃土中水分結冰膨脹，破壞了壓實濕陷性黃土原本的結構，當孔隙中的固態冰融化時，土顆粒坍塌，土體結構性越差，孔隙率逐漸增大。

2.2 濕陷性

壓實濕陷性黃土濕陷系數與凍融循環次數關系曲線如圖2所示，隨凍融循環次數增大，壓實濕陷性黃土濕陷系數增大，凍融循環次數為0次時，壓實濕陷性黃土濕陷系數小于0.015，說明壓實作用能有效的消除黃土的濕陷性，凍融循環次數為5次時，壓實濕陷性黃土濕陷系數大于0.015，說明凍融循環作用能使壓實濕陷性黃土具有二次濕陷性。壓實濕陷性黃土濕陷系數與凍融循環次數具有明顯的對數關系，當凍融循環次數大于20次時，壓實濕陷性黃土濕陷系數基本穩定。這是由于凍融循環作用破壞了壓實濕陷性黃土的結構性，使得壓實濕陷性黃土的濕陷系數逐漸增大，而隨著凍融次數逐漸增多，壓實濕陷性黃土結構性逐漸被破壞，當凍融循環次數達到20次時，壓實濕陷性黃土結構性基本被破壞，隨凍融循環次數進一步增大，壓實濕陷性黃土濕陷系數逐漸趨于穩定。

在季節性冰凍區域應考慮凍融循環作用對壓實濕陷性黃土的影響，建議采用添加固化劑的方式消除濕陷性黃土的濕陷性，不建議采用壓實的方式對濕陷性黃土進行處理，對建筑等級低，變形控制要求不高的建筑物，應以凍融循環20次后的濕陷系數再乘以一個放大系數作為壓實濕陷性黃土的參考濕陷系數。

圖2 濕陷系數與凍融循環周次關系曲線

2.3 抗剪強度參數

不同凍融循環次數下壓實濕陷性黃土抗剪強度參數根據摩爾-庫倫強度破壞準則確定，摩爾庫倫強度準則如下。

τf=σtanφ+c

(1)

式中，τf—土體抗剪強度；σ—土體法向壓力；c—粘聚力；φ—土體內摩擦角。

壓實濕陷性黃土內摩擦角、粘聚力與凍融循環次數關系曲線分別如圖3、4所示，由圖可以看出，隨凍融循環次數增大，壓實濕陷性黃土內摩擦角與粘聚力均逐漸減小，且凍融循環作用對壓實濕陷性黃土粘聚力降低明顯，內摩擦角降低不明顯。這主要是由于凍融循環作用主要降低了濕陷性黃土的結構性，對顆粒間的摩擦作用降低并不明顯。