川藏線季節性粗顆粒凍土抗剪強度特性試驗研究

朱 磊， 謝 強， 任新紅， 文江泉(. 西南交通大學 地球科學與環境工程學院， 四川 成都 6003； . 西南交通大學 利茲學院，四川 成都 6003)

擬建川藏鐵路由于受川藏地區地理條件限制，線路通過大量的季節性粗顆粒凍土區域，目前對于川藏線這類季節性粗顆粒凍土抗剪強度的研究，可供參考的資料較少。國內學者[1-9]從不同壓實度、含水率、粗粒含量及顆粒破碎等方面對粗顆粒土抗剪強度的影響進行大量試驗，并取得了豐碩的研究成果。同時也有學者[10-11]對粗顆粒土在不同溫度作用下的力學特性進行了研究。但對于川藏線這類季節性粗顆粒凍土在不同影響因素(如不同粗粒含量、不同含水率及不同凍結狀態)作用下，其抗剪強度變化規律的研究還不多。因此，研究川藏線季節性粗顆粒凍土抗剪強度特性，具有一定的工程意義和參考價值，為擬建川藏線工程參數選取及填料類型的選擇提供參考。

1 試驗材料及試驗內容

1.1 試驗材料

擬建川藏鐵路沿線的季節性粗顆粒凍土主要以新都橋和理塘兩個地區的坡洪積物為代表。其中新都橋地區大部分以角礫土為主，部分地段存在圓礫土；理塘地區則以礫砂為主。本次試驗選用新都橋地區的粗角礫和細角礫以及理塘地區的礫砂為研究對象，進行室內直剪試驗，3種土的級配曲線見圖1，擊實試驗結果見表1。

1.2 試驗內容

(1) 試驗儀器

由于土樣的粗顆粒特性，常規的直剪試驗儀器不能滿足試樣的尺寸效應。為了消除尺寸效應對試驗結果的影響，須保證試樣直徑與最大顆粒粒徑之比至少在5倍以上[12-14]。試驗采用自行研制的直徑300 mm的直剪儀進行，見圖2。剪切筒直徑300 mm，高度200 mm，法向和水平向加載系統最大位移達100 mm，施加的法向荷載取50、100、150、200 kPa。

(2) 試樣制備

對現場土樣進行篩分，當土樣中存在不滿足尺寸效應的超粒徑顆粒時，采取相似級配法對超粒徑顆粒進行處理。配制含水率時，按不同含水率要求對烘干土樣加水拌勻并浸潤12 h，保證試樣的含水率均勻一致。制樣時以壓實度0.95為控制標準。試樣凍結過程為在設計要求的負溫作用下凍結12 h，負溫的控制采用改進的帶有溫控開關的大型冰柜進行制冷，融化過程為在室溫20 ℃左右條件下融化12 h，此為一個凍融循環[15-16]。對試樣采取正交試驗，研究不同粒徑及不同性質土顆粒在不同含水率條件下，凍結狀態和融化狀態的工程性質，具體試驗方案設計內容見表2。

表2 試驗方案

2 試驗結果分析與討論

2.1 凍融作用對抗剪強度的影響

根據試驗設計要求，分別對不同含水率的粗角礫、細角礫和礫砂進行不同凍融循環次數的直剪試驗，土體破壞時的峰值抗剪強度按照文獻[12]相關要求確定。試驗結果表明，凍融作用對土體抗剪強度有一定的影響，其對粗粒土體抗剪強度影響的變化規律與土體含水率有關。主要分為3種情況：當土體含水率較小時，凍結作用下土體中水所產生的凍脹率小于等于土體的孔隙率，凍融作用對土體的抗剪強度基本無影響；當土體含水率未達到飽和時，凍融作用對土體的抗剪強度有一定的影響，并且隨含水率的增加，凍融作用對土體抗剪強度的影響幅度增大，隨凍融次數的增加，土體力學性質逐漸趨于穩定；當土體含水率大于或者等于飽和含水率時，凍融作用對土體抗剪強度的影響程度有限，并且較少的凍融次數下，土體抗剪強度很快趨于穩定狀態，試驗結果見圖3。由圖3可見，粗角礫土的抗剪強度在凍融作用下逐漸降低，當含水率為10%、15%時，6次凍融后土體的抗剪強度基本趨于穩定；當含水率為20%時，3次凍融后土體的抗剪強度就趨于穩定了。細角礫在凍融作用下土體的抗剪強度并非一直降低，當含水率為10%時，凍融作用使土體的抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢；土體含水率為15%、20%時，土體的抗剪強度持續減小，6次凍融后，基本處于穩定狀態。礫砂在凍融作用下土體抗剪強度也并非一直減小，當土體含水率為15%時，土體的抗剪強度呈現先增大后減小的趨勢；土體含水率為10%時，土體的抗剪強度呈增大的趨勢，并在6次凍融后穩定；土體含水率為20%時，土體的抗剪強度逐漸降低，6次凍融后趨于穩定。結合表1擊實試驗結果不難發現，凍融作用對土體抗剪強度影響的變化規律還與土體的最優含水率有關，當土體含水率小于最優含水率時，凍融作用使土體的抗剪強度在一定程度上有所增大，當土體的含水率大于最優含水率時，凍融作用使土體的抗剪強度降低。

2.2 溫度對抗剪強度的影響

為了研究溫度對土體抗剪強度的影響，對粗角礫、細角礫和礫砂分別在不同溫度下進行剪切試驗，土體抗剪強度隨溫度變化曲線見圖4。在非凍結條件下，土體抗剪強度不受溫度影響，當土體溫度為負溫時，由于土中孔隙水在負溫作用下凍結成孔隙冰，土體的抗剪強度除了顆粒間的咬合力和黏聚力外，還與土體中已凍結的孔隙冰含量有關。剪切試驗結果表明，在凍結條件下相同含水率的同一種土的抗剪強度隨溫度的降低而增大，主要是因為土體中未凍水含量隨溫度的降低而減少，孔隙冰使顆粒間的黏結變為冰連接，提高了土體的黏聚力，進而增大了土體的抗剪強度，但不同粒徑大小的土體表現出的變化規律各不相同。在含水率均為15%的條件下，凍結溫度從-5 ℃降為-10 ℃時，粗角礫的抗剪強度從730 kPa增加到744 kPa，粗角礫土體抗剪強度增加了6.8%；細角礫的抗剪強度從549 kPa增加到612 kPa，細角礫土體的抗剪強度增加了11.5%；礫砂的抗剪強度從381 kPa增加到464 kPa，礫砂的抗剪強度增加了21.8%。凍結溫度從-10 ℃降為-15 ℃時，粗角礫的抗剪強度從744 kPa增加到765 kPa，土體抗剪強度增加了2.8%；細角礫的抗剪強度從612 kPa增加到625 kPa，土體抗剪強度增加了2.1%；礫砂的抗剪強度從464 kPa增加到479 kPa，礫砂的抗剪強度增加了3.2%。從上述試驗結果發現，在凍結條件下，顆粒越粗，孔隙中的未凍含水量越少，負溫對土體的抗剪強度影響越小。-15 ℃條件下，不同類型土體的抗剪強度變化基本趨于穩定。

2.3 粗粒含量對抗剪強度的影響

文獻[17-18]指出，在粗顆粒土的工程應用中，通常以粒徑5 mm作為粗、細顆粒的分界，以大于5 mm顆粒的含量P5(P5指土體中粒徑大于5 mm的顆粒質量占土體總質量的百分數)作為粗粒含量進行討論。一般認為粗顆粒土的抗剪強度主要由細顆粒本身強度、粗顆粒間的強度、粗和細顆粒間的強度組成。本試驗中，粗角礫P5的含量為70.2%，超過70%，其抗剪強度主要取決于粗顆粒間的強度；細角礫P5的含量為42.3%，介于30%～70%間，土體的抗剪強度主要由粗、細料間的共同作用決定；礫砂P5的含量為14.8%，小于30%，土體的抗剪強度主要決定于細料。非凍結狀態下，相同含水率的土體抗剪強度的大小順序依次為粗角礫>細角礫>礫砂，說明土體的抗剪強度主要由粗顆粒的大小及顆粒含量確定的，顆粒粒徑越大、粗粒含量越多，土體的抗剪強度越大。凍結狀態下，由于孔隙冰的介入，土體的抗剪強度不僅僅取決于粗粒含量及顆粒大小，還受土體中孔隙冰多少的因素影響，由圖3、圖4可見，土體中粗粒含量越多，土體抗剪強度的增幅越不明顯。

2.4 含水率對抗剪強度的影響

對粗角礫、細角礫和礫砂分別在不同含水率狀態下進行剪切試驗，土體抗剪強度隨含水率變化試驗曲線見圖5、圖6。試驗結果表明，非凍結狀態下，隨土體含水率的增加，土體的抗剪強度均呈現出降低的變化趨勢。對于粗角礫而言，土體的抗剪強度主要以粗顆粒間的強度為主，土體含水率的增加對其摩擦角的影響較大，水在顆粒間主要起潤滑的作用，減小了顆粒間的咬合力，使土體的摩擦角減小,當含水率從10%增加到20%時，粗角礫的摩擦角降低21.3%，黏聚力降低了3.4%，黏聚力的變化不顯著。對于細角礫，含水率的增加對土體的摩擦角和黏聚力均不同程度的減小，含水量的增加導致結合水膜的增厚，顆粒間的吸引力減小，粗、細顆粒間的咬合力在水的潤滑作用下也不同程度的減小，摩擦角降低了16.5%，黏聚力降低了13.2%。對于礫砂，由于其細粒含量較多，含水率的增加導致土粒之間的距離增大，使土顆粒間的吸引力減小，土體的黏聚力大幅降低，黏聚力降低了23.1%，摩擦角降低了9.6%。

凍結狀態下，土體的抗剪強度主要由土中的孔隙冰、顆粒之間的黏聚力和咬合力、粗顆粒本身強度等共同確定。隨含水率的增加，土體中的孔隙冰含量增多導致土體的黏聚力急劇增加，但由于孔隙中冰水相變膨脹，導致土顆粒之間的咬合力降低，土體的摩擦角呈減小的變化趨勢。當凍結溫度為-15 ℃，含水率從10%增加到20%時，粗角礫的黏聚力從639 kPa增加到1 040 kPa，黏聚力增加了62.8%，摩擦角從28.6°減小到25.2°，摩擦角降低了12%；細角礫黏聚力從519 kPa增加到814 kPa，黏聚力增加了57%，摩擦角從24.4°降低到20.1°，摩擦角降低了17.6%；礫砂黏聚力從379 kPa增加到550 kPa，黏聚力增加了45%，摩擦角從18.7°降低到14.6°，摩擦角降低了22%。

綜合上述試驗結果分析，含水率對不同土體在不同狀態下的影響不同。在非凍結狀態下，隨土體含水率的增加，其抗剪強度降低，粗粒含量越多，含水率對其摩擦角的影響越大，反之則主要影響其黏聚力的大小。在凍結狀態下，隨含水率的增加，土體的黏聚力有所增加，摩擦角呈減小的變化規律，顆粒越粗，孔隙中的水在負溫作用下凍結越充分，黏聚力的增加幅度越大，細粒含量越多，未凍結的水分越多，從而導致土體的摩擦角在未凍水和孔隙冰的潤滑作用下呈現減小的趨勢。

3 結論

(1) 凍融作用對土體抗剪強度的影響變化規律與土體的最優含水率有關，當土體含水率小于最優含水率時，凍融作用使土體的抗剪強度在一定程度上有所增大，當土體的含水率大于最優含水率時，凍融作用使土體的抗剪強度降低。川藏線季節性粗顆粒凍土經過6次凍融作用，其力學性質基本穩定。

(2) 在-15 ℃的凍結條件下，粗顆粒凍土的抗剪強度變化基本趨于穩定。其他條件相同的情況下，顆粒越粗，負溫對土體的抗剪強度影響越小。

(3) 非凍結狀態下，土體抗剪強度隨含水率的增加而降低。對于粗粒含量越多的土體主要表現在摩擦角的減小，反之則體現在黏聚力的減小。

(4) 凍結狀態下，隨含水率的增加，土體的黏聚力有所增加，摩擦角呈減小的變化規律。

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