凍融循環對不同塑性路基土剪切強度的影響研究

雷宗輝

（甘肅省平涼公路局，甘肅 平涼 744000）

0 引言

近年來，國家快速發展，對國內資源的整合利用大幅度增加。凍土地區的土地豐厚、礦產資源富饒、林木資源更勝。凍土地區資源的存在和凍土地區生物的繁衍對人類的生產和發展都起到了重要的影響[1]。凍土土種特殊，負溫且含有冰層[2]。凍土按照冰凍與消融的時間劃分為以下三類[3]。一是瞬時凍土，冰凍與消融的時間段難以持續，最多僅僅保持數天冰凍狀態。二是季節性凍土，通過字面意思可知，在冬季或者寒冷季節土層保持冰凍不化，在夏季或溫暖季節，土體消融。三是多年凍土，在高山、北部平原等低緯度地區存在，底下土體常年保持冰凍狀態。凍土的研究從《凍土力學》至今，從宏觀到微觀，從現象到本質，從力學到機理，道路坎坷，漫長崎嶇[4]。到如今，各領域科研人員仍對凍土有著濃厚的興趣。馬巍[5]由三軸蠕變試驗到蠕變強度準則，對凍土的蠕變強度創作了相應的方程式，并提出凍土會在蠕變時產生受剪應力影響的體積變形。肖東輝等[6]對黃土進行相關試驗，通過凍融循環試驗和滲透試驗發現了周期性的凍土改變著土體結構，并使其干密度先大再小后穩定。鄧勛[7-8]以土的三相理論為基礎，對凍融循環后的土的結構進行微觀分析，并給出凍融循環次數對土體結構破壞方法。李琳[9]研究了3種不同的塑性路基土的凍融循環對抗剪強度、黏聚力等物理性質的影響。結果表明：圍壓的大小和凍融次數決定著各類塑性土的物理性質。王靜等[10]在最佳含水率下制成3種不同塑性的路基土進行凍融循環與三軸試驗，得到3種土樣的阻尼比隨凍融循環次數、圍壓及塑性指數都存在著不同的規律與相關性。韓春鵬等[11]基于路基凍融循環界面處土體受到溫度不同的影響下，對石灰改良土進行了室內相關試驗。結果表明，回彈模量隨著含水率的變化而不同，主要是因為土中水的變化影響了土的結構性。上述學者對凍土的研究較為深刻，但是缺少凍融循環下對土的物理性質的影響的研究。因此，本文通過凍融循環周期、塑性指標等因素，旨在研究和探討凍融循環對路基土的物理性質的影響。

1 試驗需求與土樣采集

本試驗在上述三類凍土地區中的季節性凍土地區進行采集，按照《公路土工試驗規程》（JTGE40—2007）（以下簡稱“規程”）中路基土樣進行采集與篩分。根據規程中按照塑性指數共選取三類并將其定義為1號土樣、2號土樣和3號土樣。三種土樣顆粒分析試驗結果詳見表1。

表1 土樣顆粒試驗結果

試驗通過烘干法、環刀法、液塑限聯合測定儀等方法測定土樣的基本物理性質，最終記錄見表2。

表2 試驗土樣基本物理性質

2 凍融試驗方案與儀器

土樣的基本參數測定完成以后，在最佳含水率的情況下將3種土樣制成壓實度在95%以上的試件并標號，試件大小為直徑38mm，高80mm的標準三軸試件。將制好后的土樣試件進行凍融循環試驗。凍融循環試驗通過南京泰斯特試驗設備有限公司的高低溫交變濕熱試驗箱完成，試驗箱溫控精度為0.1℃。房建宏等[12]通過研究得知，土樣在-10℃以下進行6~7次凍融循環后，土樣各項物理性質便趨于穩定。所以本試驗最低溫度設置為-20℃，進行土樣冰凍，然后將凍好的土樣在此溫度下放置48h，再將凍融箱溫度調整至20℃溫度下放置48h，以此為一次凍融循環。本試驗將3種土樣的不同試件進行0~7次凍融循環。在此過程中，試件位置保持不變。同時，試件外部套有保鮮膜以保持水分。通過三軸儀對不同次數凍融循環后的試件進行剪切試驗，并分析其物理性質。三軸儀為TSZ系列應變控制式三軸儀，凍融試驗箱與三軸試驗儀見圖1、圖2。

圖1 高低溫交變濕熱試驗箱

圖2 TSZ系列應變控制式三軸儀

3 試驗結果

3.1 試件的破壞形式

本試驗通過應變式制式三軸儀進行剪切，模式為不固結不排水形式，在試驗過程中采集并記錄應力和位移。從圖3中可以看出，在圍壓作用下的三軸壓壞試件呈現不同的破裂形式。有的呈現壓壞形式，破壞時在端部出現明顯的斷裂帶（見圖3中）。有的呈現出脆性斷裂形式，不同圍壓產生的斷裂帶也不盡相同，圍壓較小時呈現45°斷裂帶（見圖3左），圍壓較大時呈現60°斷裂帶（見圖3右）。

圖3 三軸壓壞試件

3.2 應力應變與剪切強度分析

根據三軸試驗記錄數據，并繪制摩爾應力圓和摩爾庫倫模型來求得黏聚力、內摩擦角和剪切強度等數值結果。摩爾庫倫模型見下式：

式中：τ為剪切強度，kPa；c為凍融循環后的黏聚力，kPa；φ為凍融循環后的內摩擦角，°。

經過0~7次的凍融循環處理，對各組試件計算結果進行記錄，分析不同塑性指標經過不同凍融循環次數后的剪切強度具體變化情況，并分析不同圍壓下的相同塑性指標的強度變化情況與相同圍壓下各類塑性指標的抗剪強度變化情況。以凍融循環7次為例，試驗結果見表3。

表3 不同塑性指標試件凍融循環7次后三軸剪切試驗結果

根據表3可以看出，當凍融循環為7次后，剪切強度隨著塑性指標的增加而有所增大。當塑性指標提升50%時，其剪切強度在不同圍壓下增加的幅度為5%左右。剪切強度與圍壓成正比增長，圍壓每提升100kPa，其抗剪強度提升60%左右。為更加清晰體現凍融循環次數改變的情況下，不同塑性指標對抗剪強度的改變情況，繪制不同凍融循環次數與抗剪強度曲線，見圖4。

圖4 隨凍融次數增加各塑性指數土樣剪切強度變化曲線

從圖4可以看出，在相同圍壓條件下，各個塑性指數土樣隨著凍融次數增加，其剪切強度逐漸減小。當凍融循環次數增加到6~7次時，剪切強度改變量在5%以下。由此可見，當凍融循環大于6次以后，其剪切強度趨于穩定。同塑性指數時，其剪切強度與圍壓成正比例增加，并且增大幅度明顯。綜合圖4中三幅曲線圖可知，土樣的塑性指數越大，凍融循環后的剪切強度變化就更加明顯。

4 結語

綜合上述所有試驗與結果分析，對3種塑性指數的土樣在不同圍壓下隨凍融循環次數的增加，其剪切強度的變化情況，得到以下結論：

（1）在相同塑性指數的情況下，土樣的剪切強度隨著凍融循環次數的增加而逐漸減小，并且在凍融循環6~7次以后，其強度變化趨于平穩。

（2）在相同塑性指數的情況下，土樣的剪切強度隨著圍壓增加而增大明顯，并且同種土樣變化趨勢基本相同。

（3）在不同塑性指數的情況下，土樣的剪切強度隨著塑性指數的增加而有所增加，3種塑性指數土樣的剪切強度均會隨著凍融循環的次數增加，并且塑性指數越大，凍融循環剪切強度變化就更加明顯。