凍融循環(huán)作用下粘土抗剪強度試驗研究

胡 坤

（常州大學 環(huán)境與安全工程學院， 江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，寒區(qū)工程建設(shè)日益增多。寒區(qū)季節(jié)性凍土隨著環(huán)境溫度的變化受到凍融作用，其作為建（構(gòu)）筑物地基的穩(wěn)定性是寒區(qū)工程研究的熱點。對于土體抗剪強度在凍融循環(huán)作用下的試驗研究具有重要的理論價值和實踐指導意義。國內(nèi)外學者[1-3]對于粉砂、固化淤泥土、粗粒土等進行了凍融循環(huán)作用下力學性質(zhì)研究，程卓[4]對飽和粉砂在凍融循環(huán)作用下的剪切力學特性進行研究，提出了飽和粉砂抗剪強度隨凍融循環(huán)變化表達式。柯睿[5]研究了固化淤泥土經(jīng)過凍融循環(huán)后的力學性質(zhì)變化及其劣化機理，固化淤泥土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其內(nèi)摩擦角、粘聚力等力學指標均出現(xiàn)減小。尹松[6]在不同制樣含水率下，對不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下的路基壓實粉土進行了直接剪切試驗，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強度及粘聚力呈先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢。

綜上所述，凍融循環(huán)作用下寒區(qū)細粒土的抗剪強度相關(guān)研究相對較少。本文選用寒區(qū)粘土為研究對象，在不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下，對土體抗剪強度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等指標的變化進行分析，為寒區(qū)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方案

試驗材料選用寒區(qū)粘土，由含水率試驗、比重試驗、液塑限聯(lián)合測定試驗結(jié)果，本試驗所用粘土物性指標如表1 所示。粘土經(jīng)曬干、碾碎、重塑后制成干密度為1.2g/cm3，直徑為61.8mm，高度為20mm 的試樣。為了研究凍融循環(huán)次數(shù)對粘土抗剪強度指標的影響規(guī)律，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)計為0 次、3次和6 次，含水率設(shè)計為35%、45%兩個水平，凍結(jié)溫度為-3℃，融化溫度為+10℃，凍融循環(huán)時間為24h。

表1 土工試驗成果表

2 試驗設(shè)備與步驟

2.1 試驗設(shè)備

（1）XT5405FSC 系列凍融循環(huán)試驗箱

試驗箱可提供高精度恒定正、負溫環(huán)境，以提供凍融循環(huán)試驗條件。溫度變化范圍-45～+60℃，精確至0.05℃。箱體內(nèi)部尺寸寬0.5m、深0.5m、高0.7m。

（2）多功能凍土模擬廳。凍土試驗廳是具有一定結(jié)構(gòu)剛度的保溫試驗室，內(nèi)壁噴涂150mm 厚的聚胺酯保溫層，外用絕熱材料構(gòu)成。凍土廳內(nèi)部有效凈空間為2m×2.5m×2.5m，能同時容納4 臺直剪儀，可以實現(xiàn)不同應力水平下的凍土直剪試驗同時進行，消除環(huán)境溫度波動對土樣直剪試驗結(jié)果的影響，最大限度的保證試驗結(jié)果的可對比性。

（3）直剪系統(tǒng)。直剪系統(tǒng)采用EDJ-1 型等應變直剪儀，采用量程為1MPa的鋼環(huán)，為消除溫度對測力剛環(huán)系數(shù)的影響，使用前在-3℃的溫度環(huán)境下對其進行誤差修正。

2.2 試驗步驟

（1）根據(jù)設(shè)計干密度、設(shè)計含水率w，以及實測風干土樣的初始含水率，計算土樣所需的風干土質(zhì)量及所需加水的質(zhì)量；（2）采用直徑為61.8mm，高度為20mm 的環(huán)刀進行制樣，然后將帶有試樣的環(huán)刀放入凍融循環(huán)試驗箱中按設(shè)定方案進行凍融循環(huán)；（3）當凍融循環(huán)達到設(shè)定次數(shù)后，取出試樣，將其置入剪切盒內(nèi)，依次放上傳壓板、加壓框架，安裝水平位移量測千分表和垂直位移量測千分表，并調(diào)至零位。（4）拔去固定銷釘，以0.8mm/min 的剪切速率進行剪切，同時記錄水平位移、垂直位移和剪切測力計讀數(shù)，直至試樣剪損，停止試驗；（5）退去剪切力和正應力，移動加壓框架，取出試樣，進行下一組試驗，直至試驗完成。

3 試驗結(jié)果與分析

剪切完成后試樣形狀規(guī)則、沿剪切面形成較為明顯的相對位移。圖1 所示為含水率45%，不同凍融循環(huán)次數(shù)后融土的應力應變曲線，可以看出，融土的應力應變曲線形態(tài)呈現(xiàn)為硬化型。以4mm 剪切位移所對應的剪應力作為粘土的抗剪強度，則含水率為45%，垂直壓力為100 kPa，凍融次數(shù)分別為0次、3 次、6 次條件下的粘土抗剪強度分別為10.54 kPa、17.59 kPa、17.9 kPa；垂直壓力為200 kPa，凍融次數(shù)分別為0 次、3 次、6 次條件下的粘土抗剪強度分別為14.56 kPa、31.16 kPa、31.5 kPa；垂直壓力為400 kPa，凍融次數(shù)分別為0 次、3 次、6 次條件下的粘土抗剪強度分別為25.04 kPa、58.23 kPa、60.68 kPa。

由此可見，當垂直壓力相同時，土樣抗剪強度隨著凍融次數(shù)的增加而增大，比如在100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直壓力下，凍融循環(huán)3 次后的抗剪強度與沒有進行凍融循環(huán)的試樣相比，抗剪強度分別增大了66.9%、114.0%、132.5%。分析原因是，由于凍脹融沉效應，重塑土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，內(nèi)部孔隙比增大，干密度降低，剪切過程中，在垂直壓力作用下土體產(chǎn)生較大的固結(jié)沉降，導致抗剪強度增加所致。當凍融循環(huán)次數(shù)超過3 次以后，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對抗剪強度的影響很小，比如在100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直壓力下，凍融循環(huán)由3 次增加到6 次，抗剪強度僅分別增大了1.8%、1.1%、4.2%。分析原因是，當凍融循環(huán)達到3 次后，繼續(xù)增加凍融循環(huán)次數(shù)，并不能促進重塑土內(nèi)部孔隙的顯著增大，因此剪切過程中的固結(jié)沉降和抗剪強度變化不大。

含水率分別為35%、45%的粘土在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗剪強度曲線，如圖2 所示。由圖可見，擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)較高，試驗數(shù)據(jù)準確可靠，由擬合函數(shù)得到不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下粘土內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化情況，具體數(shù)據(jù)見表2。由表2 可見，含水率為35%、45%的土樣的內(nèi)摩擦角均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，此規(guī)律與前文對抗剪強度的分析結(jié)論相同。含水率為35%的土樣，其粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，分析原因是凍融循環(huán)使土樣孔隙比增大，結(jié)構(gòu)變得更加松散所致。

表2 抗剪強度指標

4 結(jié)論

為了研究凍融循環(huán)對土體抗剪強度的影響，對干密度為1.2g/cm3的粘土進行了直接剪切試驗，主要結(jié)論如下：（1）當垂直壓力相同時，土樣抗剪強度隨著凍融次數(shù)的增加而增大，但凍融循環(huán)次數(shù)超過3 次以后，凍融循環(huán)次數(shù)的增加對抗剪強度的影響很小；（2）含水率為35%、45%的土樣的內(nèi)摩擦角均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；（3）含水率為35%的土樣，其粘聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，分析原因是凍融循環(huán)使土樣孔隙比增大，結(jié)構(gòu)變得更加松散所致。