凍融循環對岸坡土體力學特性影響分析

張磊

（塔里木河流域干流管理局，新疆庫爾勒841000）

0 引言

在水利工程領域中，由于土體力學特性與水利設計息息相關，因而開展水利工程中土體力學特性研究很有必要[1-3]。剪切試驗是研究土體抗剪特性的重要手段，設計直剪試驗，獲得土體剪切荷載變形關系，為認識土體抗剪破壞提供重要參考[4,5]。已有一些學者利用室內試驗儀器開展研究不同類型土體的剪切破壞特性，探討外因素對其剪切特性影響，進而為工程應用設計提供重要參考[6-8]。在我國西北等地區必須考慮凍融循環對土體材料影響特性，亦有一些學者專門研究了凍融循環試驗下土體材料的力學特征影響特性，這些研究成果極大豐富了對土體凍融循環特性的認識[9-11]。本文將基于室內剪切試驗與凍融循環試驗，開展不同因素影響下土體剪切破壞影響特性分析，探討實際工程中該種土體材料抗剪特性。

1 試驗概況

1.1 試驗背景

某河道工程設計需新拓寬3.0m，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58.5m，需整治河道長度約為1.5km，起止樁號為1+252～2+752。現河道工程中所遇一岸坡，該岸坡由于水土流失較嚴重，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開展岸坡土體力學影響特性研究，為河道岸坡開挖設計提供參考。

1.2 試驗方案

由現場鉆孔獲得試驗土樣，為粉質壤土，由擊實曲線（圖1）可以看出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0.005～0.075mm為主，占比超過80%。為研究重塑土體拌和糯米漿后力學性質差異，本文采用的糯米漿密度為1.04g/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，根據不同土糯比參數配置形成重塑土體，糯米漿含量設定分別為0%（A方案）、10%（B方案）、5%（C方案）；另以目標含水量為參照計算加入定量水，試驗中含水量研究方案分別有14%（1號方案）、17%（2號方案）、20%（3號方案）；凍融循環試驗按照0次（Ⅰ方案）、5次（Ⅱ方案）、10次（Ⅲ方案）、15次（Ⅳ方案）設計；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，制作出滿足實驗要求的試樣，后養護24h。

圖1 擊實曲線

2 土體抗剪強度影響特征分析

基于上述凍融循環后剪切試驗，獲得不同含水量、糯米漿含量以及凍融循環次數下剪切試驗力學特征，研究土體抗剪強度受之影響特性。

2.1 糯米漿含量影響

圖2為含水量14%各凍融循環次數下不同糯米漿含量影響荷載變形的曲線圖。從圖2可看出，各凍融循環次數下均呈摻糯米漿土體峰值荷載高于純土體，即各凍融循環試驗中均以糯米漿含量0%為最低，在凍融循環次數為5次時，糯米漿含量0%的峰值強度為67.05kPa，而含量5%、10%峰值荷載分別是前者的1.3倍、1.05倍；分析表明，糯米漿所具備的粘結性可一定程度提高土體各晶體結構之間整體性，使分散的土顆粒粘結成整體，膠結性能更佳，抵抗剪切荷載能力更強，故而峰值強度均有提升。對比兩個摻糯米漿土體的荷載變形曲線可知，各凍融循環試驗中峰值荷載均以糯米漿含量5%試樣為最高；分析表明，抗剪強度水平與摻糯米漿含量并不是正相關關系，當糯米漿含量過大時，糯米漿自身的潤滑性會降低晶體礦物之間的抗滑移摩擦性能，造成剪切破壞過程中晶體礦物易引起滑移破壞，強度相比低含量糯米漿土體降低，在凍融循環次數15次時，糯米漿含量5%的峰值荷載為含量10%的1.2倍。

圖2土體剪切荷載變形曲線（含水量14%）

圖3 為含水量20%下剪切荷載變形曲線，糯米漿含量對強度影響與前兩個含水量特征關系基本一致；從變形關系來看，當凍融循環次數較小時，各糯米漿含量試樣變形曲線呈脆性特征，且隨剪切變形增大，各試樣時間差異較小，在殘余強度階段具有一致性，而凍融循環次數增多，試樣硬化特征顯著[12]，在硬化階段試樣強度差異顯著，凍融循環10次時糯米漿含量為0%殘余強度穩定在51.00kPa,而糯米漿含量為5%、10%下增大了37.3%、21.6%。

圖3 土體剪切荷載變形曲線（含水量20%）

2.2 含水量影響

基于凍融循環試驗獲得不同含水量剪切荷載變形曲線，本文以典型糯米漿含量5%試樣不同凍融循環次數、不同含水量剪切試驗結果開展分析，如圖4所示。相比糯米漿含量對土體強度影響具有最佳含量，土體含水量對抗剪強度影響為一致性，即負相關關系，當含水量愈高時，土體抗剪強度（峰值荷載）愈小，在凍融循環5次時，含水量14%試樣的峰值荷載為85kPa，而含水量17%，20%峰值荷載相比前者降低了11.9%，17.4%；分析表明，當土體含水量愈多，則會激發土體晶體顆粒之間潛在滑移能力，特別當土體中含有糯米漿含量后，糯米漿自身所具有的潤滑性在較多水分子作用下，會進一步導致晶體結構失穩，影響土體峰值荷載。另從變形特征可知，在各凍融循環試驗下，試樣均表現脆性破壞特征，峰值荷載后期具有顯著下跌段，但凍融循環次數15次時，含水量17%，20%試樣具有硬化特征；分析表明，當凍融循環次數較大時，愈能影響剪切宏觀裂紋的擴展延伸，土體內部含水量愈多，凍融循環試驗后水分子與土體晶體顆粒結合度愈高，試樣發生宏觀裂紋失穩難度愈大，可在峰值荷載后期持續應變硬化。

圖4土體剪切荷載變形曲線（糯米漿含量5%）

2.3 凍融循環次數影響

圖5 為含水量20%下不同凍融循環次數試樣剪切荷載變形曲線，整體上呈現凍融循環次數愈多，則剪切荷載水平愈低：在含水量20%、糯米漿含量10%，凍融循環0次時峰值荷載為74.24kPa，而凍融循環10次、15次相比前者分別降低了11.3%，28.7%；當在同一含水量糯米漿含量為5%時，凍融循環10次，15次峰值荷載相比0次時降低幅度分別為18.3%，35.6%。分析表明，在最優糯米漿含量下，凍融循環次數對峰值荷載影響更為敏感。另當凍融循環次數增多時，試樣變形愈趨于應變硬化，即土體凍融循環次數影響試樣峰值荷載后變形特征，分析是由于凍融循環次數增大，造成水分子可殘留的冰晶體對土顆粒孔隙填充壓密作用更強，削弱了宏觀大裂紋的延伸效應，產生應變硬化現象。

3 土體坑剪參數

圖5凍融循環影響下土體剪切變形曲線（含水量20%）

圖6 為糯米漿含量5%不同含水量試樣在各凍融循環次數下抗剪特征參數變化曲線。從圖6可知，在含水量影響下，粘聚力參數與含水量為負相關關系，當凍融循環10次時，含水量14%的粘聚力為47.4kPa，而含水量17%，20%相比前者分別降低了16.5%，33.8%；另一方面各含水量下粘聚力參數隨凍融循環次數增多而逐漸降低，即粘聚力與凍融循環次數為負相關變化。另一個內摩擦角抗剪特征參數隨含水量變化并無顯著關系，但相同凍融循環次數下各含水量試樣內摩擦角差異較小，即含水量對土體內摩擦角影響較小。相等含水量下試樣內摩擦角隨凍融循環次數呈先增后減，內摩擦角最大屬凍融循環次數5次、10次，17%含水量試樣循環次數10次下內摩擦角為23.2°，為循環次數0次的1.15倍。

圖6抗剪特征參數受含水量、凍融循環次數影響變形曲線（糯米漿含量5%）

圖7 為不同糯米漿含量影響下抗剪特征參數變化曲線。從圖7可以看出，摻糯米漿土體粘聚力總高于純土體，而摻糯米漿土體中粘聚力最大又以糯米漿含量5%下為最高；另一方面，相同糯米漿含量下土體粘聚力隨凍融循環次數逐漸降低，此現象亦與圖7（a）中一致。內摩擦力在有凍融循環次數下，均以糯米漿含量5%為最高，凍融循環10次時糯米漿含量5%的內摩擦角為23.09°，其相比含量10%，0%分別高了9.2%，1.9%。受凍融循環次數影響，同一糯米漿含量下的試樣內摩擦角呈先增后減變化，以凍融循環5，10次時內摩擦角較高，無摻加糯米漿土體的內摩擦角受凍融循環次數影響較小。

圖7 抗剪特征參數受糯米漿含量、凍融循環次數影響變形曲線（含水量17%）

4 結論

1）摻糯米漿土體峰值荷載高于純土體，且各含水量下均以糯米漿含量5%試樣峰值荷載為最大，摻糯米漿土體峰值荷載后期處于脆性特征，且延塑性變形較強。

2）含水量與土體剪切峰值荷載為負相關關系，在凍融循環5次下，含水量17%，20%峰值荷載相比含量14%降低了11.9%，17.4%；高凍融循環次數及高含水量下，土體變形趨于應變硬化型。

3）凍融循環次數對土體剪切強度具有抑制效應，相同糯米漿含量與含水量下凍融循環10次、15次相比循環0次時峰值荷載分別降低了11.3%、28.7%；凍融循環次數影響試樣峰值荷載后變形特征，循環次數愈多，則土體愈趨于應變硬化特征。

4）粘聚力參數與含水量、凍融循環次數均為負相關關系，以摻糯米漿含量5%土體粘聚力最高；內摩擦角隨凍融循環次數呈先增后減，但各含水量下土體內摩擦角基本均維持在22.5°。