不同凍融循環次數對膨脹土三軸剪切強度的影響

安陽職業技術學院,河南 安陽 455000

我國南水北調中線工程的河南段渠道沿線中分布有大量膨脹土，對水利工程邊坡的穩定性起到決定性的作用。膨脹土是一種含有大量蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物的特殊土體，遇水發生膨脹，失水發生干裂是膨脹土最常見的工程特性[1]。在遇水過程中，膨脹土中的黏土礦物因大量吸水而發生顯著的膨脹而引起附加變形。在對南水北調工程南陽段進行地質勘查的過程中，發現該地區的渠道內邊坡內含有豐富的膨脹土，對于邊坡工程的長期運營是較大的不穩定因素[2]。含有膨脹土的地質環境對地下水變化十分敏感，一旦發生飽和度的變化，進而引起不均沉降和側向應力增大的現象，這一變化可能會導致邊坡滑塌失穩的工程災害[3]。

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%。隨著開發進程和基礎設施建設的深入及工程標準的進一步提高，對土體強度受凍融循環影響規律的認識需求也更加迫切。隨季節更替，南水北調中線的膨脹土邊坡頻繁發生凍結溶沉現象。此外，通過水文調查發現：南陽段的渠道沿線內具有豐富的地表和地下水，土體的飽和度、含冰量在季節變化時會發生較大變化[4]。這種變化使得膨脹土的微觀結構與變形特性發生明顯變異，進而導致膨脹土的宏觀強度特征出現顯著的弱化。因此，為保證該地區渠道邊坡工程的穩定性與安全性，須對該地區膨脹土強度特征隨凍融循環次數增加的變化規律開展測試[5]。

膨脹土在凍融循環過程中的水分存在凍結水與未凍結水兩種狀態，在循環過程中，水分會發生遷移，從而影響土體的宏觀力學狀態。前人對不同凍融循環次數膨脹土的力學性質受飽和度、含冰量和凍結溫度等影響因素的關系開展了大量研究。例如Tsytovich 和Sumgin[6]進行無側限壓縮實驗研究了膨脹土在凍融過程中的單軸抗壓強度與含冰量關系的研究，得出膨脹土凍融后的強度隨含冰量上升先增大后減小的規律。鎖文韜[7]對取自南陽的石灰改性膨脹土在0～5 次凍融循環條件下進行了無側限壓縮試驗,結果表明抗壓強度隨著凍結溫度的降低而增大。Hotineanu 等[8]基于凍土的三軸剪切試驗,在恒定溫度、恒定加載速率下對不同凍融循環次數的凍結重塑膨脹土試樣進行單軸壓縮試驗，發現土體的強度與干密度呈正相關，與凍融循環次數呈負相關的結論。聶眾[9]進行了不同圍壓級別的凍融膨脹土三軸蠕變實驗，給出了膨脹土蠕變特征受凍融循環次數的影響規律。

目前，針對凍結膨脹土的研究成果雖然比較豐富，然而針對不同凍融循環次數對原狀膨脹土力學特性與強度指標關系[10]的研究還不夠系統。本文以南水北調中線工程南陽段渠道邊坡內的膨脹土原狀樣為對象，進行三軸剪切實驗，以三軸試驗結果為基礎系統地分析了凍融循環次數對力學特性的影響規律和機理。

圖1 膨脹土的級顆粒配曲線Fig.1 The grading curve of expansive soil

1 試驗方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的是采自南陽市渠道邊坡內部的膨脹土原狀樣。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和膨脹巖。根據場地野外鉆探結果發現取樣點除上部分布不均的坡積碎石土以外，下部至勘察深度內為膨脹土，局部夾強風化膨脹巖。由于取樣場地的膨脹土位于地下水位以上，土質松散，采用常規的鉆機取土必然會導致試樣擾動。為此，根據JGJ/T 87-2012 建筑工程地質勘探與取樣技術規程，采用人工挖取膨脹土塊狀樣，這種取土方法可以得到I 級的未擾動膨脹土試樣。

南陽段膨脹土的基本物理特性指標如表1 所示。該地區土樣呈黃褐色，塑性較低，天然含水量為13%，自由膨脹率為48.4%，屬于中等膨脹性，土樣的主要礦物成分包括：長石、石英和以高嶺石、蒙脫石和伊利石構成的黏土礦物。膨脹土的顆粒級配曲線如圖1 所示，采用比重計法進行本試驗的膨脹土顆粒分析，可以看出該粉質粘土的級配良好。

表1 粉質粘土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of silty clay

1.2 試驗方法

三軸實驗試樣為直徑38 mm，高度80 mm 的圓柱體，本實驗分別對0～10 次凍結膨脹土試樣開展剪切，操作步驟遵循《土工試驗方法GB/T50123-1999 標準》，采用實地取回來的土塊進行制樣，然后進行三軸固結不排水剪切實驗，結果見表2。

制樣完成后將原狀膨脹土試樣放入恒溫恒濕控制箱中在溫度為-15 ℃和相對濕度80%的環境中進行多向凍結，48 h 后將溫度調整為25 ℃，進行凍結試樣的融解，融解過程持續48 h。最后將融解后的膨脹土試樣套入橡皮膜置于土工三軸剪切試驗機中恒溫靜置12 h 以上以備試驗。本研究對凍融循環次數為0、2、4、6 和8 次的試樣進行強度測試[11]。

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，將膨脹土試樣裝入壓力腔，開展室溫20 ℃條件下的軸向加載，直至變形達到20%左右。

2 試驗結果

2.1 剪切破壞形式

經過凍結后膨脹土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。從圖2（b）可以看出，在小圍壓的固結作用下，破壞時在試樣的端部出現一條明顯的剪切帶，剪切帶與端面所成的角度約為45；而在大圍壓的固結作用下，破壞時的試樣中部形成貫穿的塑形剪切帶，剪切帶與端面大致保持60°的角度。從破壞后的試樣還可以看出發生破壞時，膨脹土試樣中的間區域出現剪切帶，而兩端則保持較好的形態。

圖2 膨脹土的剪切破壞形式Fig.2 The broken state of expansive soils

2.2 應力-應變曲線

一般的，土體破壞曲線可以根據達到破壞強度之后應力變化情況分為應變軟化與應變硬化兩種類別。其中，應變軟化型應力-應變曲線在達到峰值之后，應力隨應變增長而下降，峰值應力值為試樣的抗剪強度；應變硬化型曲線中，應力隨應變持續增長，取試驗的最大軸向應變對應的應力值為試樣得抗剪強度[12,13]。

圖4 所示的是0 次和8 次凍融循環次數下各圍壓級別對應的膨脹土試樣應力-應變關系曲線。圖4 可見，在小圍壓下，土體發生明顯的軟化應變現象，即在軸向應力小于5%的范圍內發生塑性破壞，應力-應變曲線出現明顯的應力峰值，但破壞試樣(圖2(b))表現出上部明顯碎裂的現象。在大圍壓固結作用下，膨脹土的應力-應變關系曲線出現應變硬化現象，即應力-應變關系曲線沒有出現明顯應力峰值，曲線超過軸向應力5%后呈現緩慢增長。凍融損傷作用對膨脹土的三軸應力-應變關系曲線有顯著的影響，經過0～8 次凍融循環處理，膨脹土試樣的應力應變曲線有明顯的下降趨勢。凍融循環次數越多，凍融損傷程度越高，則膨脹土抗剪強度隨著降低[14]。

圖3 典型的土體破壞曲線Fig.3 Typical destruction curves of soil

圖4 膨脹土試樣的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of expansive soil sample

2.3 抗剪強度指標分析

在工程實際中，對于土體的抗剪強度表達可采用摩爾庫倫模型來描述[15]，即：τ=c+σ·tan(φ) (1)

根據試驗結果畫摩爾應力圓，圖5 所示的是0 次凍融循環下試樣的結果。由摩爾庫倫準則獲得了膨脹土在不同凍融循環次數下的剪切強度指標（表6），并分析了膨脹土試樣的抗剪強度指標與凍融循環次數的關系。從不同圍壓對于的莫爾圓可以看出，固結圍壓值對試樣的強度關系表現出負相關的特點。結合關于界限圍壓的理論，膨脹土的強度隨圍壓先升高后降低。圍壓對于凍土強度的提升作用是因為圍壓升高可以使顆粒重排、抑制裂隙的作用，因此對凍土的強度分別起到增強的效果。

圖5 膨脹土試樣的三軸莫爾圓和包絡線Fig.5 Triaxial Mohr circle and envelope line of expansive soil sample

表2 不同凍融循環次數下三軸剪切實驗結果Table 2 Experimental results of triaxial shear under different freezing-thawing cycles

由表2 可以看出，初始狀態下膨脹土試樣的強度明顯大于經過凍融循環的試樣強度。體現了膨脹土對凍融處理的敏感性。本研究的膨脹土初始狀態下的黏聚力為39.78 kPa，內摩擦角為27.16，隨著循環次數的增加，黏聚力和內摩擦角均逐漸減小，而且減小幅度的變化趨勢逐漸趨于穩定。其中，0～2 次循環過程中的抗剪強度指標降幅最明顯，經過循環6 次后逐漸趨于穩定。三軸抗剪強度指標與凍融循環次數的關系曲線如圖6 所示。對三軸剪切試驗得到的強度指標與凍融循環次數的曲線進行數據擬合，發現對數函數可以準確地描述兩者之間的相關關系。數據擬合的公式如公式（2）和公式（3）所示，由這兩個表達式可以預測經歷多次凍融循環后的抗剪強度指標值。

式中n是凍融循環次數，c是與凍融循環次數相關的黏聚力，單位：kPa;φ是與凍融循環次數相關的內摩擦角/(°)

圖6 強度指標隨凍融循環次數的變化曲線Fig.6 Curves of shear strength with freezing and thawing cycle

在三軸剪切過程中，膨脹土試樣的剪切強度由黏聚力與內摩擦角組成，且受到凍融循環次數的影響，即抗剪強度符合如公式4 所示的摩爾-庫倫定律準則公式：

式中c(n)是考慮凍融循環影響的黏聚力，單位：kPa；σ是表示正應力（與圍壓大小有關），單位：kPa；φ(n)是考慮凍融循環影響的內摩擦角/(°)。

3 結論

通過對南水北調中線南陽段渠道邊坡的膨脹土，開展在不同凍融循環下的三軸剪切實驗，分析了凍融次數對土體的應力-應變關系及強度指標的影響規律，得到了以下結論：

（1）在加載過程中低圍壓下膨脹土應力-應變關系曲線保持為應變軟化化型，高圍壓下的應力-應變曲線均保持為應變硬化型特點；

（2）隨著凍融循環次數的增加，膨脹土的應力-應變關系曲線逐漸下降，0～2 次循環過程中的峰值應力降幅最大，6 次循環后峰值應力趨于穩定；

（3）由三軸剪切試驗得到的強度指標，即黏聚力和內摩擦角與凍融循環次數符合對數函數的相關關系。由摩爾庫倫準則得到的強度表達式可以預測經歷多次凍融循環后的膨脹土抗剪強度值。