不同凍結條件對膨脹土三軸剪切強度的影響

李芙蓉，趙劉群，牛 飛

（1.中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；4.中交交通基礎工程環保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230）

引言

我國的常年凍土區和季節性凍土區面積分別占國土面積的21.5 %和53.5 %[1]。華北平原季節性凍結膨脹土地層分布十分廣泛[2]。隨季節更替，膨脹土發生凍結溶沉作用對渠道邊坡工程而言是較大的不穩定因素，膨脹土對地下水賦存狀態具有敏感性，土體體積發生膨脹時，會產生地層側向應力增大和不均沉降現象[3]。此外，凍結膨脹土的飽和度、含冰量在季節變化時會發生較大變化[4]。這種變化使得土體的變形和膨脹應力發生變異。因此,為保證凍結膨脹土分布地區邊坡、地基等工程建設的穩定性與安全性，須對土體在不同試驗條件下開展強度測試[5]。

凍土中的水分為凍結水與未凍結水，前人對季節性凍土的力學性質與含水量、含冰量、圍壓級別和溫度等影響因素的關系開展了大量研究。Tsytovich和Sumgin[6]以凍結黏土在-12 ℃下的單軸抗壓實驗為基礎，進行了凍土強度與含水量關系的研究，得出凍土的強度先隨著初始含水量上升而增大，之后又逐漸減小的規律。 Shusherina和Bobkov[7]對接近于飽和的膨脹土在溫度范圍為-10～-55 ℃的條件下進行了力學試驗，結果表明強度隨著含水量增大而降低。 Enokido和Kameta基于凍土的三軸剪切試驗，提出在恒定溫度、 恒定加載速率下，對于飽和度大于100 %的凍土，強度與干密度呈正相關的結論[8]。馬巍等[9]進行了不同圍壓級別的凍土三軸剪切試驗，給出了強度變化的第三個階段，即強度隨圍壓的降低受到抑制。霍明等[10]就圍壓和含水率對凍土的綜合影響進行了探究，獲取了凍土在高含冰量條件下的彈塑性模型。針對凍土的研究成果比較豐富，有針對微觀結構[11]和宏觀力學特性[12]的研究，也有針對凍土力學特性變異機理[13]的研究。

本文以華北平原的膨脹土為對象，在三軸實驗的基礎上較系統地分析了凍結溫度、含冰量與圍壓級別因素對強度特性的影響，并討論了不同試驗條件因素對強度的作用機理。

1 試驗方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的是采自山西省某護岸整治工程附近的膨脹土散土樣，該地區地質環境如圖1所示。

圖1 取樣點附近地貌

在對附近地層進行地質勘查的過程中，發現區內地層含有豐富的膨脹土。基本物理特性指標如表1所示。該地區土樣呈灰色，塑性較低，天然飽和度高，強度低，具有較強的膨脹性，土樣的主要礦物成分包括：長石、石英以及由高嶺石、蒙脫石和伊利石構成的黏土礦物。

表1 膨脹土的基本物理特性

1.2 試樣制備

本研究采用試樣為高度80 mm、直徑39.1 mm的標準圓柱體，本實驗分別對重塑凍結膨脹土試樣開展剪切，操作步驟遵循《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999），采用實地取回來的散土進行制樣，然后進行三軸固結不排水剪切實驗，結果見表2。

重塑試樣的具體操作步驟相對復雜，以原狀土的物理性質為依據，設計試樣的干密度為1.35 g/cm3。制樣步驟如下：先將散體泥巖曬干并粉碎，過2 mm的細篩；再將過篩后的試樣置于105 ℃的烘箱中烘干24 h；然后，向干燥散體樣中加入適量的水，配置的試樣飽和度為15 %、25 %、35 %、75 %和100 %，拌和均勻后放在保鮮袋里密封24 h，使水分在試樣內分布均勻。最后將上訴散體樣放入制樣筒內進行壓制，分三次擊實試樣。制樣完成后將重塑樣放入溫控箱中在-30 ℃的環境中進行多向凍結，48 h后脫模，制成直徑凍結膨脹土的試樣，并套入橡皮膜置于相應溫度的凍土三軸剪切試驗機中恒溫靜置12 h以上以備試驗。

1.3 凍土三軸剪切試驗

本實驗采用的是由成都電力自動化設備廠生產的應變控制式凍土三軸剪切儀，在剪切過程中，位移和應力數據均由電腦自動采集。本試驗采用固結不排水的剪切模式。安裝好試樣之后，根據對試樣按照100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓級別進行固結，固結過程持續48 h再進行剪切，剪切速率設置0.08 mm/min。試驗時，將試樣快速裝入壓力腔，通過預冷的液壓油提供溫度和圍壓環境，設置油溫并調節至目標溫度，在溫度波動范圍小于±0.1 °C條件下開展恒溫軸向加載，直至變形達到20 %。

2 試驗結果

2.1 剪切破壞形式

經過凍結后的試樣在三軸荷載作用下發生剪切破壞時，試樣沒有出現明顯脆性斷裂現象。從試樣表面格子網的變化形狀可以看出破壞時，在試樣中部形成貫穿的塑形剪切帶，剪切帶與試樣徑向大致保持 60°的角度。從破壞后的試樣還可以看出發生破壞時，土樣中間區域出現剪切帶，而兩端則保持較好的形態。

圖2 凍土的剪切破壞形式

2.2 應力-應變曲線

圖3 典型的凍土破壞曲線

如圖3所示，一般凍土破壞曲線可以根據達到破壞強度形式分為應變軟化與應變硬化兩種類別。其中，軟化型曲線在達到峰值之后，應力隨應變增長而下降，取峰值應力值作為試樣強度；硬化型曲線應力隨應變持續增長，取試驗的軸向應變為20 %對應的應力為強度值。

圖4所示的是不同溫度下各圍壓級別對應的應力-應變曲線，從中可以發現：在加載過程中，-5 ℃以上溫度環境中的凍土應力應變曲線均保持為硬化型，-5 ℃以下溫度環境中的凍土應力-應變曲線均保持為軟化型。隨著凍結溫度降低，凍土的強度值逐漸增大。溫度對于凍土應力-應變關系的影響與土體中凍結水所占比例和冰膠結鍵的強度有關[14]。環境溫度越低，凍土內孔隙水凍結比例越高，使冰膠結鍵的強度增強，導致凍土彈性模量的升高，進而提高了凍土整體強度。

圖4 不同溫度下試樣的應力-應變曲線

圖5所示的是在-2 ℃的試驗條件下，飽和度分別為0.3、0.6和0.95的試樣應力-應變曲線。在-2 ℃的溫度下，試樣的強度曲線均為應變硬化型，且隨試樣飽和度下降，凍土的強度值也保持下降趨勢，該現象與牛亞強的試驗結果保持一致[14]。飽和度對于應力-應變關系的影響與土體中孔隙水結冰后的含冰量有關。飽和度越高，孔隙水越多，在凍結后含冰量越大，進而使得土體冰膠結作用越強，強度也隨著提高。

圖5 不同飽和度下試樣的應力-應變曲線

3 抗剪強度指標分析

依各試樣破壞類型，分別取得凍結膨脹土的強度數據如表2和表3，分析l試樣的強度與凍結溫度、 圍壓和飽和度的關系。飽和度分別為 0.3、0.6和0.98換算為含水率θ=15 %、30 %和49 %。

表2 不同溫度下三軸剪切實驗結果（初始含水率15 %）

表3 不同含水率下三軸剪切實驗結果（凍結溫度t=-20 ℃）

3.1 圍壓對剪切強度的影響

固結圍壓對試樣的強度關系表現出線性負相關的特點。受初始含水量和干密度的影響，界限圍壓的具體數值會有不同。前人所總結的不同含水量的試樣強度隨圍壓的三種變化形式可能是由于含水量的不同導致界限圍壓不同。隨著初始含水量的升高，初始干密度逐漸降低，界限圍壓逐漸降低，本實驗采取的圍壓級別大于界限圍壓。

3.2 凍結溫度對強度指標的影響

由表2、表3可以看出，低溫狀態下試樣的強度明顯大于高溫狀態的試樣強度。體現了凍結膨脹土的溫度敏感性。負溫升高導致凍土強度降低，這一規律已被廣泛證實[15]。凍土由于冰包裹體和未凍粘滯水的存在，表現出與融土十分不同力學性質。通常認為凍土的結構強度由粒間分子鍵結力（范德華力），結構鍵結力和冰膠結鍵結力三種鍵結力組成，其中冰膠結鍵結力對凍結膨脹土強度起控制作用。因此，凍結溫度對強度的提升效應主要是因為土中未凍水減少及冰膠結鍵的增強。

圖6 剪切強度隨飽和度的變化曲線

從圖6可以看出粘聚力c、內摩擦角φ和凍結溫度t具有良好的擬合關系，且均隨溫度值t升高而呈下降趨勢。其中粘聚力和溫度保持線性關系，內摩擦角和溫度保持多項式的二次函數關系。具體關系如式（1）和式（2）所示。

3.3 初始含水量對強度影響

如圖7所示，初始含水量對試樣強度指標的影響表現為，θ=15 %～30 %時，試樣的抗剪強度迅速降低，θ=50 %時，試樣的抗剪強度稍有上升，θ=30 %是強度的最不利含水率。此現象與馬小杰[15]等得出的規律一致。

究其原因，土體中初始含水率θ增加，一方面使凍土中冰相增多，固體顆粒含量增大；另一方面使凍土干密度降低，且水膜的潤滑作用使得顆粒間的鍵合力降低。凍土的抗剪強度主要由土顆粒承擔，隨著含水量的升高，土顆粒含量減小，承擔荷載的面積減小，凍土強度降低。而當初始含水率增大到某個值后，土顆粒的影響效應已經減至最小，此時若繼續增大初始含水率，凍土強度的變化不大。進一步增大初始含水量后，未凍水含量減小，凍土中的冰相逐漸占據主要地位，與土顆粒共同組成固體顆粒承擔荷載作用。

圖7 凍土強度指標與含水量的關系

從圖7可以看出粘聚力c、內摩擦角φ和初始含水率具有良好的擬合關系，且隨含水率θ升高，粘聚力和內摩擦力均保持多項式的二次函數關系。具體關系如式（3）和式（4）所示。

3.4 抗剪強度表達式

在三軸剪切試驗中，凍土的抗剪強度主要是由黏聚力與內摩擦角組成，受并且受到初始含水率、圍壓與凍結溫度的影響，在一定邊界條件下，抗剪強度符合摩爾-庫倫定律：

式中：c(θ,t)為黏聚力，MPa；σ為正應力（與圍壓大小有關），MPa；φ(θ,t)為內摩擦角，°。

不同圍壓級別下，土體的粘聚力和內摩擦角隨初始含水量、溫度變化而發生變化，導致凍土的抗剪強度液出現不同程度的變化。c(θ,t)與φ(θ,t)隨凍結溫度和初始含水率變化的關系如式（1）～（4）所示，將公式代入強度表示式（5），即可得到最終的凍結膨脹土抗剪強度表達式。

4 結語

通過對凍土區膨脹土在不同溫度、初始含水量和圍壓下開展三軸剪切試驗，分析了不同條件下凍土的應力應變關系及強度特征，得到以下結論：

1）在加載過程中，-5 ℃以上的凍土應力應變曲線均保持為應變硬化型，-5 ℃以下的凍土應力-應變曲線均保持為應變軟化型，且隨著環境溫度降低，凍結膨脹土的應力值逐漸增大。

2）隨凍結溫度升高，粘聚力和凍結溫度保持線性關系，內摩擦角和溫度保持多項式的二次函數關系；隨含水率升高，粘聚力和內摩擦力均保持多項式的二次函數關系，最不利含水率為30 %左右。

3）凍結溫度對凍結膨脹土強度的提升作用與凍結水所占比例和冰膠結鍵強度有關；隨著初始含水率升高，試樣抗剪強度先減后增，這是未凍水的潤滑效應和凍結水發揮承載能力相互作用的結果。

4）凍結膨脹土力學行為符合摩爾庫倫準則，抗剪強度主要是由黏聚力與內摩擦角組成，受并且受到初始含水率與凍結溫度的影響。