凍融作用對碎石土-結構接觸面力學特征影響分析

高曉萍

（西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西 西安 710000）

在季節性凍土區或多年凍土區的季節性活動層中，周期性的凍融作用會不斷改變土壤-碎石混合物的微觀結構和物理性質[1-2]。對于淺層土石混合物，土與碎石之間的結合強度會隨著凍結和融化而變化，這進一步影響了接觸面的物理和力學性能[3-4]。特別是在反復凍融條件下，碎石土的剪切應力-位移關系、強度變化以及接觸面是分析季節性凍土地區基礎工程承載力和穩定性的關鍵。在巖土工程結構中，當兩種連接的材料的變形特性區別非常大時，在一定的應力條件下，兩者的接觸面將造成打滑、錯動或破裂的現象[5-6]。在共同承受外部載荷的過程中，土壤結構充當傳遞應力和變形的介質[7]。

1 試樣制備和試驗方法

為研究凍融循環作用下土石混合體-混凝土接觸面力學行為，基于現場地質勘查和工程施工報告[8]設定不同凍融循環時間、含石率下土石混合體-混凝土室內直剪試驗，明晰其強度劣化規律。

1.1 試樣制備

土石混合體-混凝土組合體試樣制備：①首先制備尺寸為直徑（內徑）150 mm高度50 mm的圓柱體土石混合體樣，同時保證初始接觸面平整、光滑；②利用不銹鋼圓片將制備好的高為50 mm的圓柱體土石混合體樣移至直徑150 mm高度100 mm模具內；③根據實際的現澆混凝土混合比（水泥：沙子：碎石：水=1:2:1.5:4.5）稱量所需的水、水泥、碎石和沙子以配置混凝土漿；④將均勻混合的混凝土倒入裝有土石混合體試樣的模具盒中，并充分振動。隨后養護14天（溫差±1 ℃），然后冷凍至指定溫度，將試樣包裹在保鮮膜中，并置于溫度可調的低溫測試箱中，以快速冷凍12小時（環境溫度設置為-25 ℃），并在室溫（15～25℃融化）下融化12小時。土顆粒物理參數見表1。

表1 土顆粒物理參數

1.2 試驗方法

接觸面剪切試驗步驟如下：

（1）制作不同含水率、含石率條件的土石混合體試樣；（2）于土石混合體試樣上澆筑混凝土，恒溫養護14天；（3）將土石混合體-混凝土試樣置于溫度可調的低溫測試箱中，以快速冷凍12小時（環境溫度設置為-25 ℃），并在室溫（15～25℃融化）下融化12小時，以此來模擬一次凍融循環周期；（4）對試樣進行直剪試驗；（5）對試驗數據進行整理與分析。

2 試驗結果整理與分析

2.1 凍融對接觸面剪切應力-位移特征的影響

剪切破壞面由混凝土表面和覆蓋有一定厚度的土石混合物組成，表明剪切破壞前剪切應力在土石混合物與混凝土接觸面之間傳遞，因此剪切破壞時會發生破壞面，破壞面在接觸面附近的土壤中，接觸面的剪切應力-剪切位移曲線形狀主要取決于土石混合體與混凝土接觸面之間的相互作用，并且還受凍融循環次數及碎石含量的影響。

如圖1所示，由W=18%，P=200 kPa條件下不同凍融次數組合體接觸面剪切應力-位移關系典型曲線中可以得到接觸面力學行為在不同凍融次數（0、1、3、5、10）下與剪切應力-位移呈同樣趨勢，它可以分為峰值前的剪切應力快速增長階段和峰值后的軟化階段和殘余穩定階段。凍融后土石混合體與混凝土組合體在剪切過程中，到達某一位移后剪應力會發生較大的釋放，并且其釋放程度與含石率密切相關。含石率越大，其釋放程度越大。接觸面抗剪強度在碎石增加時呈指數增長，并且在四個碎石含量條件下的殘余強度值非常接近。這表明，一旦接觸面發生剪切破壞，剪切強度的關鍵作用就是內摩擦角φ的值。隨著接觸面土石接觸狀態的完全破壞以及土顆粒和碎石的滑動，接觸面進入殘余穩定階段，剪切應力不再隨剪切位移的增加而發生明顯變化。

由不同凍融次數組合體接觸面剪切應力-位移關系典型曲線還可以看出，相同含石率下，最大剪切應力與凍融次數呈負相關關系，究其原因主要是碎石土-混凝土接觸面初次受強烈的凍結和融化作用，從而導致內部結構不斷發生變化。部分孔隙開始形成，破壞了由顆粒間接接觸形成的初始化學鍵，從而導致組合體的剪切應力逐漸降低。同時，凍融循環作為一種強風化機制，在凍融過程中對土石混合體內部孔隙產生增大和壓密的雙重作用，使得土石混合體試樣內部顆粒間的排列向著更加粗糙、隨機的方向發展。在相同凍融次數下，最大剪切應力與含石率呈正相關關系，主要原因是當碎石含量低時，碎石懸浮在以土壤為主要成分的介質中，碎石之間的距離比較大，在接觸面上只有少量的碎石可以提供“咬合力”。

圖1 不同凍融次數下18%含水率、不同含石率試樣剪切應力-位移曲線

當含石率較高時，上部土體達到最小孔隙比，混合體中有大量碎石，其中處于接觸面處的碎石具有更多咬合機會，可以提供更強的抗剪強度，與上部混合體中的碎石相互作用可以承擔大部分剪切力。在碎石咬合和轉動翻滾過程中土體充填于其孔隙中。尤其是在高應力作用下，碎石咬合作用會更加明顯。除了上部土體中碎石咬合過程中不斷推擠與旋轉外，還有就是碎石部分嵌入下部混凝土中和水泥漿液滲入接觸面處都將提供較大咬合力，當含石率較低時實際剪切面類似波浪上下起伏，當含石率較大時，剪切面將出現大面積啃掘破壞。

2.2 凍融對接觸面黏聚力、內摩擦角的影響

由于土石混合體與混凝土的剛度相差很大，特別是土石混合體具有特殊結構性，因此分析兩者相互作用時不能單純地考慮各自的性質，必須對兩者接觸面上剪力的傳遞機理進行分析。土石混合體中碎石含量是影響土石混合體—混凝土接觸面抗剪性能的最主要因素之一。圖2顯示了在不同碎石含量下試樣的黏聚力c與凍融循環次數之間的關系曲線。接觸面的黏聚力c隨著碎石含量的變化而顯示出不同的變化，試樣在經歷凍融循環后黏聚力值呈現急速下降后又稍微有所起伏，這與凍融循環下土石混合體碎石骨架劣化重組密切相關。經過1次循環后這種劣化現象發展緩慢，黏聚力c降低速度明顯減慢。從曲線上可以看出，經過5次凍融循環后，黏聚力c有小幅度的增加，這是因為土體膨脹收縮一定次數后其總體骨架發生塌落，骨架間孔隙減少細粒土之間的接觸點增加，破碎的土顆粒包裹碎石以及細粒土在法向壓力下與混凝土面黏結緊密，在剪切過程中黏聚力有所提升。隨后在此基礎上，土體在凍融循環下繼續劣化，黏聚力c繼續減小并趨于穩定。接觸面上的強度參數不僅僅取決于土石混合體或混凝土本身，而是由土石混合體、混凝土相互作用共同控制的。

凍融會通過改變土壤-碎石混合物的內部結構以及土壤-碎石混合物與混凝土表面顆粒之間的連接來影響接觸表面的力學性能。試樣內摩擦角φ與不同碎石含量比率下的凍融循環次數之間的關系曲線如圖2所示，可以看出：不同含石率試樣的內摩擦角φ在經歷1次凍融后有個增大的過程，這是因為1次凍融后粗土顆粒就出現微裂縫，其與混凝土接觸面黏結力也相應降低，此時，摩擦角φ主要由碎石承擔，但在凍融后，由于土中水的凍結，使土壤體積膨脹，從而對土壤產生壓實作用。土石混合物與混凝土之間的咬合力增強了土石混合物與混凝土表面之間的連接。之后，接觸表面的強度參數隨著凍融時間的增多而降低，并且該降低量逐漸減小，最終穩定。

圖2 黏聚力、內摩擦角隨含石率變化關系曲線

這是因為凍融循環畢竟是一種強烈的風化現象，并且對碎石土的破壞也不容忽視。粗粒土骨架在凍融循環下經過凍脹消融發生劣化，粗粒土產生微裂縫甚至破碎分解，黏附在碎石表面的土顆粒破碎后，細小顆粒土由于骨架變形產生的擠壓而緊緊包裹在碎石表面，碎石此時棱角不再尖銳，進而與混凝土的咬合及嵌固能力減弱，在剪切過程中出現較明顯的滑移段，內摩擦角φ同時也相應減小。由于碎石土與混凝土之間的作用力是相互的，因此上述變化將改變土顆粒的分布，從而削弱土顆粒框架之間的連接，并導致土石混合料與混凝土之間的咬合摩擦和滑動摩擦力逐漸降低并最終穩定。特別是對于接觸表面的摩擦角，它主要受土壤顆粒與混凝土之間的接觸面積以及土壤顆粒形狀的影響。經過幾次凍融循環后，土壤顆粒與混凝土之間的接觸面積和土壤顆粒的形狀趨于穩定。因此，接觸表面的摩擦角逐漸趨于基本不變。

3 結論

凍融作用對碎石土-混凝土界面的黏聚力和內摩擦角有不同的貢獻。對試樣的黏聚力有更大的影響黏聚力的變化規律和剪切強度的趨勢大致相同，1～3次凍融表現出急劇降低的趨勢，3～5次時有小幅度增加，5～10次時緩慢下降。且隨含石率增加，黏聚力有明顯提高。含石率越高，內摩擦角越小，且隨著凍融次數的增加呈現先增加后減小趨勢。