凍融循環條件下飽和粉砂的剪切特性研究

程 卓 高澤寧 剛浩航 崔高航

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

粉砂土與黏性土、砂土相比，具有粒徑相對均勻，塑性指數較低，毛細作用發達，且黏土顆粒含量較少，粉粒含量相對高，水穩定性差的特點[1-3]。國內外學者于粉砂的凍融循環后的性質開展了大量研究。Klinova[4]對原狀樣進行室內凍融試驗，建立融沉數學表達式與試驗數據進行比較。20世紀60年代中國科學院冰川凍土研究所開始進行有關融沉實驗，并出版相關教材[5]。柯潔銘[6]總結現有研究成果，評價了目前凍脹和融沉研究中存在的問題，建議在研究過程中應盡量做到理論與工程的相互驗證。慈軍[7]通過研究鹽漬土的凍脹和融沉特性相關性質，得出含水率是影響凍脹和融沉特性的主要因素。張豐帆[8]深入研究現有的典型凍脹機理，進一步得出開放系統下土體凍脹主要由分凝凍脹引起，水分是凍結現象產生的核心這一結論。

但目前有關壓實粉砂土的研究報道主要集中在凍融循環對粉砂土的彈性模量、極限強度、黏聚力等力學特性的影響規律研究[9-11]，對于粉砂在凍融循環條件下內摩擦角、黏聚力、抗剪強度的系統研究鮮見報道，且隨著開發進程的深入和基礎設施建設力度的加大以及工程標準的進一步提高，在一定程度上，凍融作用對寒區工程安全性有重大影響，其通過改變土壤原有力學特性，進而直接影響到寒區土工建筑物的安全和正常使用。因此，對于凍融作用下土壤力學性質的研究具有很大的價值。本文通過飽和粉砂直剪試驗，對歷經不同凍融循環的砂土抗剪強度、內摩擦角、黏聚力進行了系統檢測，總結分析飽和粉砂宏觀力學特性受凍融循環作用的影響變化規律和機理。

2 凍融作用下飽和粉砂的力學性能

2.1 試樣的制備和實驗儀器

試驗試樣選取，將含水率12%的飽和重塑粉砂置于取土環刀內，靜壓成型制成直徑61.8 mm、高20 mm的兩端平整且垂直于長軸的標準直剪試樣。在試件制成后，用保鮮膜和不透水的膠帶對其進行包裹，以確保其在凍融和儲存的過程中不會有水分流失或浸入現象發生。將其置于-20 ℃低溫箱內，在確保試樣包裹完好無透水的情況下凍結24 h后將其置于20 ℃的恒溫箱內24 h，此過程為完成一次完整凍融循環。實驗儀器采用南京土壤儀器廠生產的SDJ-Ⅱ型三速電動等應變直剪儀及分度值為0.01 mm的百分度表。

2.2 直剪試驗

對土樣進行1次～13次凍融，因粉砂具有相對松散的特性，為減小安放試樣過程中對土體的擾動，安放土樣于剪切盒的過程中保證土樣處于凍結狀態。最后一個凍融循環，將放有土樣的剪切盒置于20 ℃恒溫箱進行解凍。分別對經歷過不同凍融次數的試件，使用三速電動等應變直剪儀，進行剪切速度為0.8 mm/min的快剪實驗并進行數據采集。

將實驗數據導入Excel表格進行匯總初步計算，得到不同凍融情況下各組的剪應力τ和剪切位移Δl，將數據導入MATLAB數據算法軟件根據公式：

τ=σtanφ+c

(1)

使用最小二乘法進行數據擬合[12,13]，并得到抗剪強度τ—垂直壓力p曲線(如圖1所示)根據各組的τ—p曲線得到不同條件下飽和粉砂的黏聚力c和內摩擦角φ，并制成表1。根據表1中的數據通過Origin和Excel繪制得到凍融次數(n)—抗剪強度(τ)曲線、凍融次數(n)—內摩擦角(φ)曲線以及凍融次數(n)—黏聚力(c)曲線。根據y=ax+b線性函數，根據最小二乘法進行數據擬合得到各組數據的變化趨勢線，輔助數據分析。

表1 實驗結果分析

3 凍融作用對飽和粉砂力學參數的影響

3.1 凍融作用對飽和粉砂內摩擦角的影響

含水率12%飽和粉砂黏聚力隨凍融次數的規律從圖2，圖3可見，粉砂土黏聚力隨著凍融次數的改變而不斷改變。在凍融作用初期，內摩擦角受凍融次數影響較大，波動較明顯，在經歷三次凍融循環后，內摩擦角到達一個相對較高的水平。在經歷6次～13次凍融作用后，黏聚力受凍融循環影響基本保持平穩，曲線波動較小。這里的分析要具體，可以把具體的數值寫進來，增強分析規律的合理性。綜合考慮凍融全過程，結合線性擬合所得趨勢線分析，凍融次數對粉砂內摩擦角影響呈現出先增大后減小的趨勢，最終內摩擦角改變至與初始為凍融情況大致相同。

3.2 凍融作用對飽和粉砂黏聚力的影響

凍融循環作用對飽和粉砂黏聚力影響情況如圖4，圖5所示。在凍融作用初期，凍融作用會導致內摩擦角在一定范圍內具有較大波動性。此處建議同上，當飽和粉砂經歷6次～13次凍融作用后，其黏聚力的變化趨于平緩，僅在相對小的范圍內上下波動。從總體趨勢上來看，飽和粉砂的黏聚力受到凍融作用影響有所減小，這一規律也在由最小二乘法進行線性擬合得到的圖線有所反映。

3.3 凍融作用對飽和粉砂的抗剪強度的影響

由圖6，圖7，當忽略由于豎向應力不同導致初始抗剪強度不同的影響時，四條折線在走勢上呈現出相同的趨勢。在凍融作用初期，抗剪強度隨凍融次數的增加發生顯著的改變，在凍融作用進行三組后變化趨勢逐漸趨于平緩，在土樣經歷10次～13次凍融作用后，抗剪強度隨凍融次數改變的趨勢逐漸減小，最終出現近似水平。

對比四條折線的變化趨勢，凍融次數增量一定時，抗剪強度的變化隨著垂直壓力的增加呈現出逐漸減小的趨勢。控制凍融次數一定，僅考慮垂直應力對抗剪強度的影響時可得，隨著垂直應力的增加，抗剪強度顯著增加。且此變化規律不受凍融次數改變的影響。不同垂直壓力下，凍融次數(n)—抗剪強度(τ)曲線呈現出相似的變化，但隨垂直壓力的增加，曲線變化趨勢呈現出增加的態勢。

綜合觀察和比較凍融次數(n)—抗剪強度(τ)曲線、凍融次數(n)—內摩擦角(φ)曲線以及凍融次數(n)—黏聚力(c)曲線的變化趨勢，可以發現在一定程度上呈現出高度相似的特點。

試驗研究表明，在含水率12%的情況下，飽和粉砂土抗剪強度與凍融循環變化規律，可用下述函數進行描述函數進行表示：

(2)

其中,τ為抗剪強度，kPa；n為凍融次數；y0,A,xc,w均為擬合參數，與土體所受垂直壓力相關，見表2。

表2 擬合參數

4 結語

1)隨著凍融次數的增加，飽和粉砂黏聚力和內摩擦角總體均呈現先波動后平緩，總體下降的趨勢。這一變化趨勢與其抗剪強度的變化趨勢有極大的相似之處。砂土的凍結是原位水凍結，土體凍融的過程中伴隨著土粒間水的不斷融化重結晶，土骨架受力發生變化，導致土的孔隙體積和粒間距離不斷發生變化，改變粒間分子鍵結力。引起黏聚力和內摩擦角的不斷變化，從而導致粉砂抗剪強度發生變化。

2)當含水量一定的情況下，增大土體受到垂直壓力作用，土體內部的孔隙減小，從而減小了飽和度。密度較小的土體發生凍結時，用充分的自由空間供冰自由膨脹，而不會導致土顆粒間的距離發生相對較大的變化。凍融作用對粉砂黏聚力和內摩擦角造成相對小的影響。隨著垂直應力的增加，凍融次數的改變對于土體黏聚力、內摩擦角和抗剪強度的影響也愈加明顯。并得到粉砂土抗剪強度隨凍融循環變化表達式。

3)現有研究表明，當含水量增大時凍融循環導致的內摩擦角，黏聚力變化波動更加明顯，結合本次實驗的結論，在實際工程對于含水率不小于12%粉砂的凍融性質檢測出于安全的角度考慮，凍融循環次數應盡量不小于13次。