摻合料土體凍融循環試驗下三軸剪切強度特性分析研究

張 磊

(塔里木河流域干流管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

土體材料是水利工程建設施工的基礎，探討土體材料的力學特性，對水利工程設計、施工均具有較大幫助[1-3]。設計三軸剪切試驗開展土體材料室內試驗，可為認識土體材料的應力變形提供重要基礎，而基于室內剪切試驗所獲得的抗剪特征參數是水利工程設計中尤為關注的內容。目前，國內外諸多學者利用土工試驗系統，開展了不同土體材料的剪切破壞試驗，探討土體材料本構特性，為工程應用提供重要試驗依據[4-6]。凍融循環試驗可模擬高寒地區土體力學影響特性，一些水利工程師基于室內土體凍融循環試驗，研究了土體受凍融循環物理損傷作用下其力學特征或滲透特性影響規律，極大豐富了土體凍融循環特性研究[7-9]。本文基于凍融循環試驗與室內三軸剪切試驗，設計不同因素影響下摻合料土體研究方案[10-12]，為河道整治等水利工程設計施工提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

某河道工程設計需新拓寬3 m，為此需對原河道開展整治開挖，原河床斷面為半圓形，河底部高程為58.5 m，需整治河道長度約為1.5 km，起止樁號為1+252～2+752，現河道工程中所遇一岸坡，該岸坡水土流失較嚴重，河道整治開挖岸坡一定程度會削弱其安全穩定性。設計部門考慮結合凍融循環試驗開展岸坡土體三軸破壞力學試驗研究，為河道岸坡開挖設計提供試驗依據。

試驗采用GS-RA型三軸剪切儀，該試驗系統包括有數據采集系統與加載系統，其中加載系統分為側向圍壓與豎向荷載兩部分加載子系統，最大豎向荷載可達200 kN，圍壓最大可加載至50 MPa，數據采集系統可實時查看數據，采集間隔為0.5 s，力傳感器以及位移傳感器試驗前均已標定，凍融循環試驗利用高低溫試驗箱在目標循環次數下完成，其中每次凍、融持續時長均控制在24 h，凍、融溫度分別為-20 ℃、20 ℃[13-14]。

1.2 試驗方案

由現場鉆孔獲得試驗土樣，為粉質壤土，圖1為現場擊實試驗所獲得的最佳含水量為18%，根據室內初步物理參數測試得知，該土樣天然含水量約為8.5%，土顆粒中以0.005～0.075 mm為主，占比超過80%。為研究重塑土體摻加糯米漿后力學性質差異，本文采用的糯米漿密度為1.02 g/cm3、1.04 g/cm3、1.06 g/cm3；以土糯比(糯米漿質量占比)參數作為制備摻糯米漿土體材料的指標，配置重塑制備出摻合料土體，糯米漿摻量設定分別為0%、5%、10%、15%；另凍融循環試驗按照0次、5次、10次、15次設計；各方案均需完成圍壓50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下試驗；表1為各試驗方案具體組合表。試樣制備利用固定尺寸的制備容器，分5層，逐層壓實，保證試樣內部晶體顆粒受力均勻，制作出滿足試驗要求的試樣，養護24 h。

圖1 擊實曲線

表1 各試驗方案具體組合表

2 土體三軸力學特征影響分析

2.1 糯米漿摻量

本文以圍壓100 kPa下各糯米漿(密度為1.04 g/cm3)摻量影響下應力應變曲線開展分析，如圖2所示。從圖中可看出，凍融循環次數與三軸偏應力為負相關特征，在糯米漿摻量為15%時，凍融循環15次下試樣峰值偏應力為203.75 kPa，而凍融循環5次、10次下峰值偏應力相比前者分別增大了31.7%、9.7%。從糯米漿摻量影響三軸應力特征來看，糯米漿摻量5%下峰值偏應力最高，凍融循環0次下可達377.7 kPa，而在相同凍融循環次數下糯米漿摻量10%、15%相比純土體分別降低了11.5%、18.8%；但摻入糯米漿的土體峰值偏應力均高于純土體；分析表明，糯米漿摻量愈多，則峰值偏應力愈低，但相比純土體，摻合料土體應力水平均高于前者。筆者認為糯米漿自身的黏結性可促使細小土顆粒填充在顆粒骨架的孔隙內，從而保證顆粒骨架整體穩固性，進而產生摻合料土體三軸應力水平總高于純土體；但當糯米漿摻量增多時，由于糯米漿自身還具有潤滑特性，會削弱土顆粒相互間、土顆粒與糯米漿之間的摩擦力，增大土顆粒滑動能力，產生糯米漿摻量過高時抑制摻合料土體應力水平增長效應。從摻合料土體在凍融循環試驗后三軸剪切變形特征來看，土體變形破壞趨于應變硬化特征，特別是在低凍融循環次數下，試樣峰值偏應力后期延塑性變形顯著，從彈性壓密臨界點來看，同一糯米漿摻量下各凍融循環次數試樣的彈性壓密拐點所對應的應變均為一致，糯米漿摻量在0%、5%、10%、15%分別對應的彈性壓密應變為1.2%、2.6%、2.1%、1.8%，摻合料土體彈性壓密應變高于純土體。

圖2 糯米漿摻量影響下應力應變曲線

圖3為糯米漿(密度為1.04 g/cm3)摻量下試樣峰值偏應力與凍融循環次數變化關系，從圖中可知，凍融循環次數、糯米漿摻量分別與三軸峰值偏應力為負相關關系，在圍壓50 kPa、凍融循環次數10次下糯米漿摻量5%的峰值偏應力為180.8 kPa，其相比含量10%、15%下分別高了16.5%、36.6%，相同條件下圍壓400 kPa下差距幅度分別為8.5%、11.1%，即圍壓增大，可抑制糯米漿摻量對土體峰值偏應力削弱效應。

圖3 試樣峰值偏應力與凍融循環次數關系

2.2 糯米漿密度

圖4為圍壓100 kPa下不同密度摻合料土體三軸應力應變曲線。從圖4可看出，三軸加載過程中應力水平以密度1.04 g/cm3最高。圖5為圍壓100 kPa、400 kPa下各糯米漿密度試樣峰值強度特征。從圖4、圖5可看出，峰值偏應力隨糯米漿密度為先增后減變化，在圍壓100 kPa下凍融循環5次時密度1.04 g/cm3的試樣峰值偏應力為326.2 kPa，而相同條件下密度為1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分別僅為前者的77.2%、87.2%。另一方面，圍壓對試樣峰值偏應力有促進作用，圍壓增大，則試樣加載過程中裂紋擴展難度增大，同為凍融循環5次、糯米漿密度1.06 g/cm3下試樣在圍壓400 kPa的峰值偏應力為845.2 kPa，而圍壓100 kPa下相比前者降低了66.3%。另對比不同圍壓下凍融特性對試樣峰值偏應力抑制作用可知，圍壓100 kPa下相同糯米漿密度試樣在凍融循環0次峰值偏應力相比循環5次、10次、15次分別增長了12.8%、26.9%、42.5%，而在圍壓400 kPa下同等對比情況下的增長幅度分別為3.5%、5.5%、8.6%，即高圍壓下各凍融循環試樣峰值偏應力差異逐漸縮小，分析表明，圍壓增大了，可彌補由于凍融循環效應對土體試樣物理損傷作用，縮小峰值強度差距。從圖5加載過程中變形特征來看，各凍融循環次數下試樣均接近于應變硬化特征，且各凍融循環次數之間應力應變差異主要出現在塑性變形階段，各試樣在彈性壓密應變點前應力應變基本一致，同一糯米漿密度相對應的彈性壓密應變亦是一致。

圖4 不同密度摻合料土體三軸應力應變曲線(圍壓100 kPa,糯米漿摻量為10%)

圖5 試樣峰值偏應力與糯米漿密度關系(糯米漿摻量為10%)

3 土體抗剪強度參數影響分析

圖6、圖7為各凍融循環次數、糯米漿摻量與密度影響下抗剪特征參數變化曲線。從圖中可看出，黏聚力隨凍融循環次數遞減，而各糯米漿摻量試樣中黏聚力最高為含量5%，在糯米漿摻量10%時，凍融循環5次的黏聚力為42 kPa，而循環10次、15次相比前者分別降低了14.3%、23.8%；相同凍融循環5次下，糯米漿摻量5%試樣的黏聚力為49 kPa，其相比摻量10%、15%試樣分別高了16.7%、36.1%，有摻合料土體黏聚力均高于純土體。各糯米漿密度試樣的黏聚力最大均為密度1.04 g/cm3試樣，凍融循環15次時黏聚力為41 kPa，而密度1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分別僅為前者的85%、78%。分析認為，糯米漿成分的存在，可提升土體黏結性，增強試樣承載能力，此亦印證了前文摻合糯米漿土體承載應力高于純土體。

圖6 黏聚力特征參數影響特征變化曲線(圍壓200 kPa)

從圖7特征曲線可知，內摩擦角與凍融循環并無顯著關聯，各糯米漿摻量中10%含量試樣內摩擦角最大，純土體的內摩擦角總低于摻合料土體，在凍融循環10次時，純土體的內摩擦角為21°，而摻合糯米漿摻量5%、10%、15%分別比前者增大了16.7%、34%、22%。糯米漿密度對試樣內摩擦角影響較小，各糯米漿密度試樣內摩擦角均穩定在23°～26°，且同一糯米漿密度試樣內摩擦角隨凍融循環次數變化為無序狀態，即凍融循環次數對其影響較弱。

圖7 內摩擦角特征參數影響特征變化曲線(圍壓200 kPa)

4 結 論

針對河道工程中土體三軸力學特征開展分析研究，研究了不同外因素對土體應力應變影響特性，主要有如下結論：

(1)獲得了糯米漿摻量對土體力學特征影響特性，凍融循環次數、糯米漿摻量分別與土體峰值偏應力為負相關，摻和糯米漿土體峰值偏應力均高于純土體，圍壓增大，可抑制糯米漿摻量對土體應力削弱效應；低凍融循環次數下，土體延塑性變形顯著，且相同糯米漿摻量的試樣彈性壓密點應變為一致，其中糯米漿摻量5%下最大，達2.6%。

(2)研究了峰值應力隨糯米漿密度為先增后減變化，相同條件下密度1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分別僅為密度1.04 g/cm3的77.2%、87.2%；圍壓可促進偏應力增長，圍壓100 kPa下峰值偏應力相比圍壓400 kPa降低了66.3%；高圍壓作用可彌補凍融循環效應對土體物理損傷效應；同一糯米漿密度下彈性壓密應變一致。

(3)分析了土體三軸抗剪強度特征參數受凍融循環次數、糯米漿摻量與密度影響特性，黏聚力隨凍融循環次數遞減，摻合料土體抗剪特征參數均高于純土體，糯米漿密度1.04 g/cm3試樣的黏聚力最大，循環10次、15次相比循環5次分別降低了14.3%、23.8%；糯米漿密度、凍融循環次數對試樣內摩擦角影響均較小。