氣候邊緣地帶膨脹土強(qiáng)度特性隨凍融循環(huán)劣化規(guī)律

王亮亮，王照騰，方薇，田建勝

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州，221116；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410114)

近年來，隨著我國(guó)北方季節(jié)性凍土區(qū)域大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，周期性凍融作用下的膨脹土邊坡病害問題日漸突出。以膨脹土邊坡拱形截水骨架護(hù)坡體系為例，長(zhǎng)琿(長(zhǎng)春—琿春)城際鐵路、哈佳(哈爾濱—佳木斯)快速鐵路沿線膨脹土(巖)邊坡在建設(shè)期因受冬凍春融的影響而多次出現(xiàn)骨架變形、懸空以及部分防護(hù)體系整體滑移等病害[1-3]；內(nèi)蒙古某鐵路沿線17 處膨脹土路塹防護(hù)體系有12 處發(fā)生溜塌、淺層滑坡等病害[4]。此外，新疆北部膨脹土渠道邊坡防護(hù)板在凍融作用下反復(fù)出現(xiàn)局部滑塌病害[5]等。與非季凍區(qū)膨脹土邊坡的同類型防護(hù)體系相比，季凍區(qū)膨脹土邊坡防護(hù)體系病害[6-7]具有時(shí)間早、比例高、反復(fù)性等特點(diǎn)，給現(xiàn)行膨脹土邊坡防護(hù)技術(shù)帶來了極大挑戰(zhàn)。

凍融作用下膨脹土劣化問題已引起研究人員的高度重視[8-10]。許雷等[11-13]發(fā)現(xiàn)膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小并最終趨于穩(wěn)定。曲娜[14]利用連續(xù)損傷變量D推導(dǎo)出了佳木斯高溫凍結(jié)膨脹土統(tǒng)計(jì)損傷模型。高小云等[15]的試驗(yàn)結(jié)果表明，干濕-凍融循環(huán)后的膨脹土中微細(xì)孔隙與大孔隙數(shù)量、尺寸均減小，土體逐漸變得密實(shí)并伴隨條狀裂隙的產(chǎn)生，黏聚力大幅降低而內(nèi)摩擦角則有所增大[16]。LU 等[17]發(fā)現(xiàn)擊實(shí)膨脹土內(nèi)部孔隙尺寸隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而呈總體增大，最終趨于均勻化，且在高含水率和中等負(fù)溫條件下時(shí)該現(xiàn)象更顯著。ZOU 等[18]發(fā)現(xiàn)最優(yōu)含水率膨脹土裂紋隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而增多，且土體持水能力下降。

然而，目前針對(duì)氣候交錯(cuò)邊緣地帶的季凍區(qū)膨脹土工程特性的研究較少。以鄭渝(鄭州—重慶)高鐵和正在逐段建設(shè)的呼南(呼和浩特—南寧)高鐵為例，2 條線路平頂山段均分布有弱-中膨脹土。平頂山地處我國(guó)暖溫帶和亞熱帶氣候交錯(cuò)的邊緣地區(qū)，根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)資料，河南平頂山地區(qū)在1999—2020年間1月份的最低溫度范圍為-15 ℃～-3 ℃，其 中1999年，2008年 和2018年 均 出 現(xiàn)-15 ℃左右的極端低溫?？紤]到凍融循環(huán)可能導(dǎo)致淺表層膨脹土性質(zhì)劣化，增加對(duì)微變形極其敏感的高速列車安全運(yùn)營(yíng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，本文以平頂山膨脹土為研究對(duì)象，對(duì)經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的膨脹土進(jìn)行不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)，研究不同初始含水率下膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 重塑膨脹土試樣制備

試驗(yàn)所用膨脹土取自河南平頂山地區(qū)，為棕紅(黃褐)色黏土，其間摻雜灰白色礦物，以硬塑型、堅(jiān)硬型為主，黏性較強(qiáng)，顆粒細(xì)膩具有滑感，裂隙較發(fā)育，土塊極易沿灰白色礦物界面開裂。蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%～17.5%，自然膨脹率平均值為75%。按照TB 10038—2012“鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程”分類標(biāo)準(zhǔn)，該膨脹土屬于弱～中等膨脹性膨脹土，土體基本物理性質(zhì)見表1。根據(jù)TB 10102—2010“鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程”要求，將擾動(dòng)膨脹土過標(biāo)準(zhǔn)篩(孔徑為2 mm)，按照表2制樣標(biāo)準(zhǔn)采用靜壓一次成型方法制備三軸試樣(直徑為39.1 mm，高為80 mm)。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical characteristics of expansive soil

表2 試樣初始狀態(tài)與凍融溫度Table 2 Initial state of sample and freeze-thaw temperature

1.2 試驗(yàn)方法

凍融循環(huán)試驗(yàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室凍融循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，溫度控制精度為±0.5 ℃。為了防止出現(xiàn)水分損失，試樣預(yù)先采用保鮮膜包裹，編號(hào)后放入凍融循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍融試驗(yàn)。土體工程特性通常在經(jīng)過7～10次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定[19-20]，故試驗(yàn)采用的凍融方案如下。將試樣在溫度為-15 ℃的低溫條件下進(jìn)行凍結(jié)直至軸向和徑向凍結(jié)變形趨于穩(wěn)定且總凍結(jié)時(shí)間不小于8 h；然后調(diào)整實(shí)驗(yàn)箱溫度至20 ℃，融化直至軸向和徑向凍結(jié)變形趨于穩(wěn)定且總?cè)诨瘯r(shí)間不小于8 h，共進(jìn)行10次凍融循環(huán)。為了更好地反映凍融循環(huán)對(duì)膨脹土力學(xué)特性(應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量)的影響，在100，200 和300 kPa 這3 種圍壓下分別對(duì)經(jīng)歷0(未凍融)，1，2，3，5，7和10次凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行三軸剪切實(shí)驗(yàn)(UU)。軸向加載速率為0.8 mm/min，當(dāng)試樣軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)剪切停止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同初始含水率及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

圖1所示為壓實(shí)系數(shù)為0.9，凍結(jié)溫度為-15 ℃條件下膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨凍融次數(shù)和初始含水率w的變化規(guī)律。圖1中，σ3為圍壓。由圖1可知，在相同含水率條件下，土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的硬化趨勢(shì)隨著圍壓的增加而不斷增強(qiáng)；同一含水率和圍壓試驗(yàn)組的土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸向應(yīng)變軸方向靠攏，且土體初始含水率越大，這種靠攏幅度越大，反映出土體內(nèi)部累積損傷隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷增大，且土體內(nèi)水分越大，各次凍融循環(huán)誘發(fā)的內(nèi)部損傷程度越大，從而大幅度降低土體承受外部荷載的能力。隨著初始含水率增加，各圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系總體上呈現(xiàn)出由強(qiáng)硬化型向弱硬化型發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 不同初始含水率及不同凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Stress-strain behavior of soil subjected to different freeze-thaw cycle numbers under different initial moisture contents

2.2 不同初始含水率及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土破壞強(qiáng)度的影響

破壞強(qiáng)度是表征土體承載力的重要指標(biāo)。當(dāng)土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變硬化型時(shí)，采用15%軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為破壞強(qiáng)度，則不同圍壓條件下膨脹土破壞強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知：不同狀態(tài)下膨脹土破壞強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而衰減的規(guī)律總體類似，符合如下擬合公式：

圖2 不同初始含水率下膨脹土破壞強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Fig.2 Variation law of failure strength of expansive soil with freeze-thaw cycle numbers under different initial moisture contents

式中：qf為膨脹土的破壞強(qiáng)度；A，B和C為通過不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)擬合得到的試驗(yàn)參數(shù)；n為凍融循環(huán)次數(shù)。

在低初始含水率(w為20%和23%)和較高圍壓(200和300 kPa)條件下，首次凍融循環(huán)作用下土體的破壞強(qiáng)度衰減幅度最大。在圍壓為200 kPa，w分別為20%和23%條件下，土體破壞強(qiáng)度衰減幅度為9.3%和11.9%；在圍壓為300 kPa，w分別為20%和23%條件下，土體破壞強(qiáng)度衰減幅度為12.1%和15.1%。此后，破壞強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈小幅度波動(dòng)衰減趨勢(shì)；低圍壓(100 kPa)條件下破壞強(qiáng)度快速衰減階段主要集中在前3 次凍融循環(huán)過程中。經(jīng)過10 次凍融循環(huán)后，當(dāng)圍壓為200 kPa時(shí)，膨脹土破壞強(qiáng)度衰減幅度為10.2%(w=20%)～31.4%(w=26%)；當(dāng)圍壓為300 kPa時(shí)，膨脹土破壞強(qiáng)度衰減幅度為18.3%(w=20%)～32.9%(w=26%)。

2.3 黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖3所示為不同初始含水率下膨脹土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。由圖3可知：1)在相同次數(shù)凍融循環(huán)作用下，膨脹土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均隨土體初始含水率增加而降低。當(dāng)初始含水率分別為20%，23%和26%時(shí)，未經(jīng)過凍融循環(huán)作用試樣的黏聚力c分別為221.96，169.76 和133.06 kPa，內(nèi)摩擦角φ分別為14.87°，9.15°和3.25°。2) 在相同初始含水率下，膨脹土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷衰減，但衰減幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。首次凍融循環(huán)后，初始含水率為20%，23%和26%膨脹土的黏聚力c分別衰減為未凍融時(shí)的90.6%，92.7%和72.4%；而經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，c分別衰減為未凍融時(shí)的77.1%，81.5%和55.6%；至第10 次凍融循環(huán)后，c分別衰減為未凍融時(shí)的72.5%，69.3%和57.0%。3)各初始含水率條件下的土體內(nèi)摩擦角在前3次凍融循環(huán)過程中總體保持不變，但第4次凍融循環(huán)后土體內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出一定程度的增大趨勢(shì)，且初始含水率越高，內(nèi)摩擦角增幅越小。

圖3 不同初始含水率下膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of shear strength parameters of expansive soil with freeze-thaw cycle numbers under initial different moisture contents

2.4 彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

彈性模量是表征土體剛度的主要參數(shù)，同時(shí)也反映出土體的變形，是進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指標(biāo)。圖4所示為不同圍壓條件下膨脹土彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率的變化規(guī)律。由圖4可知：不同圍壓條件下3種初始含水率的膨脹土彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先快速衰減后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。其中，第1次凍融循環(huán)后彈性模量衰減幅度最大，此后其衰減幅度逐次減小并在第7 次凍融循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定。在同一圍壓和凍融次數(shù)條件下，膨脹土的彈性模量隨著含水率增加而降低。

圖4 不同圍壓條件下膨脹土彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of elastic modulus of expansive soil with freeze-thaw cycle numbers under different initial moisture contents

為進(jìn)一步研究不同圍壓σ3和初始含水率w條件下膨脹土在凍融循環(huán)穩(wěn)定階段的彈性模量的衰減規(guī)律，定義彈性模量衰減率ζ為

式中：Eσ3,w為膨脹土未經(jīng)凍融循環(huán)作用時(shí)的彈性模量；E′σ3,w為膨脹土凍融循環(huán)穩(wěn)定后的彈性模量。

按照式(2)計(jì)算的不同圍壓條件下3種初始含水率膨脹土在凍融循環(huán)穩(wěn)定后的彈性模量衰減率見表3。由表3可知，最優(yōu)含水率(w=20%)狀態(tài)下凍融循環(huán)穩(wěn)定后膨脹土彈性模量約為未經(jīng)凍融作用膨脹土彈性模量的60.31%～64.77%，而高初始含水率(w=26%)狀態(tài)下膨脹土彈性模量衰減率為51.92%～56.64%；相同初始含水率膨脹土凍融循環(huán)穩(wěn)定后的彈性模量衰減率總體呈現(xiàn)出隨圍壓增大而小幅減小的變化趨勢(shì)。

表3 不同初始含水率下10次凍融循環(huán)后膨脹土彈性模量衰減率Table 3 Attenuation rate of elastic modulus for expansive soil after 10 freeze-thaw cycles under different initial moisture contents %

3 凍融所致膨脹土強(qiáng)度衰減內(nèi)因分析

在環(huán)境因素的影響下，土體微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致土體力學(xué)性能改變。在凍結(jié)過程中，膨脹土中顆粒間孔隙內(nèi)自由水凝結(jié)成冰產(chǎn)生的擠壓作用[21]及分凝冰穿刺[22]等作用會(huì)對(duì)土體顆粒施加接觸應(yīng)力，但由于土顆粒的礦物組成、形態(tài)、排列方式等具有各向異性特點(diǎn)，使得這種接觸應(yīng)力也存在顯著差異，導(dǎo)致顆粒間產(chǎn)生聚合或分裂[23]，且隨著土中含水率增大其分裂程度也會(huì)增大。不僅如此，試驗(yàn)中3種膨脹土初始含水率均大于或等于最優(yōu)含水率，此時(shí)膨脹性礦物本身已經(jīng)處于部分或完全膨脹狀態(tài)，礦物層間水分子層厚度總體上隨土體濕度增加而增大；在孔隙水凝冰抽吸作用下，礦物層間水分子存在向冷鋒面遷移趨勢(shì)，造成膨脹性礦物“失水”收縮，土顆粒團(tuán)聚體內(nèi)部礦物間因張拉作用而分離。在融化過程中，試樣溫度由外向內(nèi)逐步升高，外層土體中的冰融水因內(nèi)部土體尚處于凍結(jié)狀態(tài)無法向內(nèi)滲透而全部滯留在外層，并在滲透梯度作用下向膨脹性礦物顆粒內(nèi)部遷移直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)，引起膨脹性礦物膨脹變形；而此時(shí)內(nèi)部土體還處于凍結(jié)狀態(tài)，使得這種膨脹變形只能沿試樣外層方向發(fā)展，從而導(dǎo)致土體內(nèi)部出現(xiàn)“拉裂”現(xiàn)象。因此，在反復(fù)凍融作用下膨脹土內(nèi)部微裂紋[24]和孔隙數(shù)量不斷增大，從而造成土體破壞強(qiáng)度和黏聚力大幅下降、摩擦因數(shù)微幅增大的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)凍融循環(huán)作用下膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線簇整體上隨著凍融次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出由強(qiáng)硬化型逐漸向弱硬化型發(fā)展的趨勢(shì)。

2)在膨脹土凍融穩(wěn)定階段，其破壞強(qiáng)度的衰減幅度隨初始含水率的增加而大幅度增加，隨圍壓的增加則呈現(xiàn)小幅增大趨勢(shì)。

3)膨脹土黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加整體呈衰減趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)出先衰減后小幅波動(dòng)性增大趨勢(shì)。

4)在最優(yōu)含水率(w=20%)下，凍融循環(huán)穩(wěn)定階段的膨脹土彈性模量約為未經(jīng)凍融作用膨脹土彈性模量的60.31%～64.77%，而高初始含水率下(w=26%)膨脹土彈性模量衰減率為51.92%～56.64%。