中原地區粉質粘土凍融效應下物理力學特性試驗研究

唐東旗，劉艷玲,王 靜

(1.許昌學院 土木工程學院，河南 許昌 461000；2.許昌騰飛公路工程有限公司，河南 許昌 461000；3.鶴壁市公路管理局，河南 鶴壁 458000)

我國大部分地區都位于溫帶，多處于季節性循環凍融區，而季節性循環凍融會對巖土體物理力學性質產生較大影響.青藏高原、東北地區、黃土高原地區等已成為研究循環凍融良好的實驗場所，國內眾多學者都對其進行了研究探討[1-4].循環凍融造成巖土體結構發生變化[5-7]，從而造成強度降低[8]，對天然邊坡、人工邊坡以及冬季開挖的深基坑工程的邊坡穩定性造成危害，而且其危害會隨著溫差、開挖基坑深度和凍融循環次數的增加而逐漸加大.河南屬暖溫帶-亞熱帶、濕潤-半濕潤季風氣候，冬季寒冷，溫度較低，極端最低氣溫達到-21.7 ℃，河南中北部地區冬季平均低溫在-5～-15 ℃，晝夜溫差大，勢必造成白天和晚上形成循環凍融現象.平原地區城市地下水位多在-5～-10 m，深基坑開挖深度都在-5 m以上.對于大部分深基坑而言，由于人工抽水作用，基坑邊坡土層自上而下含水量將從飽和向非飽和狀態轉變，并且凍融作用造成土體中的水分向表層遷移，導致土體表層含水量在一定時間內增加，從而對深基坑邊坡穩定產生影響.因此，通過對中原地區土層循環凍融下粉質粘土的物理力學特性的試驗研究，可以為該區域基坑邊坡冬季施工安全維護提供科學依據，具有較強的實用價值和科學意義.

1 研究區概況

本研究所選區域為許昌市金石星海灣項目深基坑邊坡，該區域地面平坦，深基坑開挖深度為-8 m，地層至上而下為素填土、粉土、粉質粘土，邊坡坡度為80°，地下水埋深為-5 m.

2 土體物理性質

對采集的原狀土樣分別進行了土體的密度、含水率、孔隙比、液塑限和顆粒分析試驗，測試的結果見表1和圖1.土的塑性指數為15，土體為粉質粘土.

土體粒徑主要集中在10～30 μm之間，且級配程度表現為Cμ=d60/d10=10.5/1.8=5.83(土顆粒粒組分布不均勻)，CC=d302/(d60·d10)=1.22(土顆粒級配曲線連續)，為級配良好的土.

表1 土樣物理性質

圖1 粒度分布圖

3 循環凍融作用下土體物理力學性質變化規律

3.1 凍融試驗

凍融試驗設備采用南京環科試驗儀器廠生產的GDW-500型高低溫凍融試驗箱進行凍融試驗，凍融試驗儀器各項主要指標如下：溫控區間：-40～150 ℃，溫度浮動度：±0.5 ℃，時間設定區間：0～9 999 h，電源要求：AC380(±10%)V/50 Hz.

為便于試驗和模擬自然狀態下土體的凍融情況，單次凍融循環的周期時間定為24 h.凍融次數與溫度根據工程實際與已有的研究經驗選取土樣的凍結融化溫度和次數，溫度一般不大于一天內氣溫轉變差.為了試驗現象突出，適當加大選取的溫度差值，本試驗規定將凍融溫度差值控制在上下浮動20 ℃以內的溫度，即凍結溫度為-10 ℃，融化溫度為10 ℃.本試驗中，考慮到凍融循環初期凍融破壞作用強烈，以及隨著循環次數的累積破壞作用逐漸加強，在前期增加現象觀測次數，凍融循環次數分別選取為1、3、5、7、10、15、20 次.

循環凍融試驗由高低溫凍融箱來實現，把制備好的土樣置于自封袋，排氣處理，標記好后放入凍融箱中，此外，還要注意在土樣的放置過程中不能將各試樣疊加放置，更不能在試樣表面放置其他雜物，以免影響試樣受溫的均勻性.設置好凍融試驗箱內的溫度開始凍結融化循環過程，經凍融循環后，分別把土樣取出進行土樣表面特征觀察和測試土樣的密度、含水量和孔隙比以及土體抗剪強度，觀察的內容包括土樣體積變化、表面特征以及多次循環后的連續變化情況.

3.2 凍融循環的表面特征

從圖2可以看出，隨著凍融循環次數的增加，環刀邊緣的空隙逐漸增大，說明土體的凍融過程中含水量發生了變化，凍結時，水分遷移到表面和外面所包裹的薄膜上，造成了含水量降低，土體體積產生一定的收縮；凍結時，表層土體含水量較高，凍脹力較大，超過了土體本身的抗拉強度，從而產生裂縫，并且裂縫隨著凍融循環次數的增加逐漸擴展.

圖2 不同凍融循環后試樣形態變化

3.3 凍融循環對孔隙比影響

在凍融循環過程中出現體積不斷擴大的現象，這是因為在凍結初期未凍結的自由水由于毛細作用向已凍結鋒面遷移，導致原來的土顆粒與自由水的吸附平衡被破壞，為冰晶體的擴張提供有利條件，最終形成膨脹現象.在凍融初期體積變化量顯著，第7次及以后試樣體積不再發生明顯變化(圖3).

圖3 凍融循環過程中土樣體積的漸變情況

圖4 凍融循環次數與孔隙比

土體發生凍融循環時產生體積膨脹，孔隙比發生變化，從孔隙比和凍融循環次數的變化關系來看(圖4)，在凍融次數較少時，隨凍融次數的增加孔隙比逐漸加大，但當凍融循環增加到一定次數后(7次)孔隙比逐漸減小，達到10次以上時逐漸趨于穩定.

3.4 凍融循環對土體強度影響

土體在凍融過程中，土顆粒內部水分發生液相結晶現象，毛管孔隙間的孔隙水轉變為冰晶體，液相水凍脹增大了土顆粒孔隙間的間距，破壞土顆粒內部原來的結構形態和聯接狀態，并且兩者分別與內摩擦角和粘聚力有密切關系.

圖5 不同凍融循環后試樣抗剪強度試驗

凍融試驗后的直剪試驗結果表明：在凍融循環次數較少時，土體的抗剪強度較高，而隨著凍融次數的增加，土體的抗剪強度逐漸降低，當凍融循環次數在7～9次以后，其抗剪能力趨于穩定(圖5).根據土體的強度影響因素來看，土體是有一定的結構性的，要想使得土體發生破壞首先就需要破壞土體的結構性.凍融循環過程中是土體中的水遷移膨脹的過程，這種膨脹一方面破壞了土體顆粒之間原有的鏈接，加大了間距，孔隙比增加，松散程度增加，在受到外力時容易被破壞；另一方面這種水分遷移增加了局部含水量，為土體整體抗剪強度的降低提供了有利條件.

土體循環凍融對土體的強度影響主要表現在對土體粘聚力和內摩擦角的影響上，根據試驗結果主要表現如下規律(圖6、圖7)：

圖6 凍融循環次數與粘聚力

圖7 凍融循環次數與內摩擦角

粘性土土樣在多次凍融循環后，剪應力逐漸減小，粘聚力逐漸降低.當凍融循環次數達到9次及以上，粘聚力變化逐漸趨于穩定狀態，這是由于土體內的液態水轉變為冰晶體之后，破壞了原土顆粒間的鏈接狀態.從測試結果來看，重塑土的重塑土樣粘聚力浮動范圍在47.8%以內，

經過多次凍融循環后，土體顆粒之間的間距加大，顆粒之間的更易相互移動，從試驗結果來看，內摩擦角前期變化比較顯著，后期的變化趨于平緩，說明初期的凍融循環對土體的結構破壞影響較大，內摩擦角浮動范圍在52.3%以內.

4 結論

通過對土體循環凍融試驗主要得到以下幾條結論：

(1)土體在凍融后發生自由水由于毛細作用向已凍結鋒面遷移的遷移現象，體積逐步膨脹，密度下降，凍融次數達到7次及以上時趨于穩定.

(2)土體在凍融4次及以上時在試樣邊緣處出現裂紋，并且裂紋逐步擴展，達到9次以后表現穩定.

(3)凍融循環后土體的強度逐步下降，各項強度指標均下降，9次以后達到穩定狀態；凍融循環對粉質粘土的影響較大，強度變化大，將極大影響邊坡土體的穩定性，對冬季施工產生威脅.

(4)隨凍融循環次數的增加，孔隙比的變化關系呈現為先增加后減小，這種變化有待進一步探討.