季節(jié)凍土粉質(zhì)粘土凍融循環(huán)作用下抗剪強度試驗研究

李香瑞 劉旭 鄭美玉

摘要：研究季節(jié)凍土區(qū)粉質(zhì)粘土凍融后的力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，以哈爾濱地區(qū)的粉質(zhì)粘土為研究對象，進行了不同含水率，不同凍結(jié)溫度，不同凍融循環(huán)次數(shù)及干密度情況下的剪切試驗.試驗結(jié)果表明：粉質(zhì)黏土硬度隨含水率的上升而增加，并且因循環(huán)次數(shù)增加而變硬.

關(guān)鍵詞：季節(jié)凍土；粉質(zhì)粘土；凍融循環(huán)；抗剪強度

中圖分類號：P642.14 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-260X（2019）03-0086-03

1 引言

我國是世界第三大凍土國，在高海拔地區(qū)以及緯度高于24°的地區(qū)，季節(jié)凍土廣泛分布，面積約為514萬平方千米，占整個國土面積的53.5%.黑龍江省是典型的凍土區(qū)，土體隨著季節(jié)的周期性變化，土體呈冬季凍結(jié)夏季融化的狀態(tài).因此，該地區(qū)的工程建設(shè)及安全穩(wěn)定都受到凍土的影響[1].對此，國內(nèi)外學(xué)者對凍土物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律及影響因素進行了大量的研究.

賴遠明等[2]改進了Ducan-Chang模型，使之對于凍結(jié)砂土的應(yīng)變硬化及應(yīng)變軟化現(xiàn)象均適用，其提出的非線性莫爾強度準(zhǔn)則，很好地描述了凍結(jié)砂土剪切強度隨圍壓增大而先增大后減小的規(guī)律.孫義強[3]研究了粉質(zhì)黏土在含水率不同、溫度不同情況下的抗剪強度特性，研究結(jié)果表明在低圍壓下，季節(jié)溫度降低時，其破壞強度更加嚴(yán)重，呈現(xiàn)線性增長，隨著含水率的不斷變化其破壞強度存在臨界值，基于此，建立一種綜合考慮含水率、溫度的凍結(jié)粉質(zhì)黏土抗剪強度模型.楊成松等[4]通過進行室內(nèi)試驗，研究分析了凍融作用對土體干容重和含水量的影響，經(jīng)過試驗其結(jié)果為：在凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加時，土體的干容重會趨于穩(wěn)定值，且此穩(wěn)定值與初始干容重?zé)o關(guān)，只與土體種類有關(guān).王大雁等[5]研究了凍融循環(huán)作用對青藏粘土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，得出反復(fù)的凍融循環(huán)會引起土體的很多物理及力學(xué)性質(zhì)的變化，使土體轉(zhuǎn)向新的動態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài).

D.V.Okur等人[6]基于動三軸試驗，在圍壓、塑性指數(shù)不同的情況下，天然細粒土在大環(huán)境變化的情況下，其動力特性得到了改變，從而得出動剪切模量和阻尼比的經(jīng)驗關(guān)系式，為試驗獲得細粒土的動剪切模量和阻尼比提供了經(jīng)驗參考.

本文針對哈爾濱地區(qū)粉質(zhì)粘土為研究對象，分析其在不同凍結(jié)條件下抗剪強度指標(biāo)的變化規(guī)律.

2 試驗土樣介紹

2.1 試驗土樣

試驗中使用的土樣選自黑龍江哈爾濱地區(qū)粉質(zhì)粘土.土的基本物理指標(biāo)為最大干密度1.75g/cm3，最優(yōu)含水率為14.5%，液限為31%，塑限為18.3%，塑限指數(shù)為12.7，土體為低液限粘土.

2.2 試驗方法

本試驗所用的土樣均采用重塑土，將風(fēng)干土用篩孔直徑為2mm的篩子進行過濾，選用篩下的土，根據(jù)試驗所需用土量以及目標(biāo)含水量，進行試驗用料配比.本實驗中土樣制備方法均使用分層壓樣法，試樣桶采用筒高250mm，內(nèi)徑100mm的有機玻璃筒，試樣高度控制為120mm，試驗使用直徑為100mm的圓柱體土樣.土樣制備完成后，將其放入有機玻璃筒內(nèi)后，再將箱體、頂板、底板溫度均調(diào)至+1℃，保持6小時恒溫不變，保證土樣內(nèi)溫度均勻，不發(fā)生水分遷移.凍結(jié)和融化過程，將底板溫度及箱體溫度始終保持為+1℃，調(diào)節(jié)頂板溫度實現(xiàn)土體凍結(jié)和融化狀態(tài).當(dāng)土體凍融循環(huán)穩(wěn)定后，取出試樣，分層進行不同土層的直接剪切試驗.

試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀測定融土試樣及凍融交界面試樣的抗剪強度，試驗法向應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa，250kPa法向應(yīng)力下進行快剪試驗，剪切速度為0.3mm/min.

2.3 試驗方案

試驗方案設(shè)計旨在探討凍融循環(huán)對季凍區(qū)典型土體抗剪強度指標(biāo)的影響規(guī)律.試驗中主要有4個變化因素，分別為土樣中的含水量、干密度、凍結(jié)溫度及凍融循環(huán)次數(shù).具體試驗方案組合見表1.

3 試驗結(jié)果分析

凍結(jié)過程中，土中未凍水含量的變化（圖1），第Ⅰ階段：過冷階段，過冷溫度約為-3℃，未凍水含量沒有發(fā)生顯著變化；第二階段：快速凍結(jié)階段（-3℃～-5℃），土中水由過冷溫度達到凍結(jié)溫度后，隨著溫度的降低土中水快速凍結(jié)，未凍水含量大幅度下降，含冰凍融過程中未凍水含量隨溫度的變化量快速增大，-3℃時，土中76%的水已經(jīng)發(fā)生相變；第三階段：穩(wěn)定凍結(jié)階段（<-3℃），當(dāng)溫度持續(xù)降低時，土中水緩慢凍結(jié)，未凍水含量變化很小，含冰量有小幅度的增大.融化過程中隨著溫度的上升，未凍水含量變化只有兩個階段：穩(wěn)定融化階段（<-3℃），未凍水含量緩慢增加，滯回現(xiàn)象存在但不明顯，快速融化階段（>-3℃）未凍水含量快速升高，滯回現(xiàn)象非常明顯.

凍結(jié)過程中，土體內(nèi)摩擦隨著未凍水含量的降低而呈折線形增大，分兩段，每段均呈近線性，如圖2所示.快速凍結(jié)階段，未凍水含量與初始含水量的比值從100%降至24%，土中76%的孔隙水發(fā)生凍結(jié)，此時內(nèi)摩擦角降低了約6.5%.穩(wěn)定凍結(jié)階段，未凍水含量與初始含水量的比值從24%降至17%，土中7%的孔隙水發(fā)生凍結(jié)，此時內(nèi)摩擦角降低了約12%.

融化過程中，土體內(nèi)摩擦角隨未凍水含量的變化與融化時呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，如圖3所示.

穩(wěn)定融化階段，未凍水含量與初始含水量的比值從17%升至21%，土中4%的孔隙冰發(fā)生融化，內(nèi)摩擦角增大了約7.3%（-10℃內(nèi)摩擦角與-2℃內(nèi)摩擦角差值與融土內(nèi)摩擦角之比）.快速融化階段，未凍水含量與初始含水量的比值從21%升至100%，土中79%的孔隙冰發(fā)生融化，內(nèi)摩擦角升高了約6.9%.

如圖4中a曲線所示：將同一凍融循環(huán)次數(shù)水平下不同含水率的抗剪強度曲線進行比較，如圖4中b曲線所示.

由圖中曲線可以看出試驗結(jié)果，未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線均屬于硬化型，季節(jié)凍土粉質(zhì)黏土含水量越高抗剪強度越強，凍融作用循環(huán)次數(shù)越多抗剪強度也就越強[6].由此便可得出試驗結(jié)論，含水率多的粉質(zhì)黏土更硬、經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)越多土質(zhì)越硬.

4 結(jié)束語

常規(guī)的試驗方法所得到的凍土抗剪強度指標(biāo)是綜合性的指標(biāo)，其中也包含了試驗時不飽和狀態(tài)對抗剪強度指標(biāo)的貢獻.含水狀態(tài)變化對季節(jié)凍土抗剪強度指標(biāo)具有顯著的影響，通過試驗分析出凍融作用對季節(jié)性凍土抗剪能力的影響從而找到對應(yīng)的解決方案，改善凍土對人們生活的負(fù)面影響.

參考文獻：

〔1〕程國棟.凍土力學(xué)與工程的國際研究新進展——2000年國際地層凍結(jié)和土凍結(jié)作用會議綜述[J].2001，6（3）：293–299.

〔2〕賴遠明，程紅彬，高志華，等.凍結(jié)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及非線性莫爾強度準(zhǔn)則[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，6（8）：1612–1617.

〔3〕孫義強.粉質(zhì)粘土負(fù)溫抗剪強度試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

〔4〕楊成松，何平，程國棟，朱元林等.凍融作用對土體干容重和含水量影響的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（增2）：2695-2699.

〔5〕王大雁，馬巍，常小曉，孫志忠等.凍融循環(huán)作用對青藏粘土物理力學(xué)性質(zhì)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（23）：4313-4319.

〔6〕D.V.Okura，A.Ansalb，Stiffness degradation of natural fine grained soils during cyclic loading[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering.2007（27）：843–854.

〔7〕Sally Shoop，Rosa Affleck，Robert Haehnel，Vincent Janoo.Mechanical behavior modeling of thaw-weakened soil[J].Cold Regions Science and Technology，2008（52）：191-206.