凍融循環作用下不同初始含水率土體損傷效應研究

劉 鍇，張 宇，張沛源，張家樂，曹小紅，2△，許 濤，2

（1.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆地質災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830000）

關鍵字：凍融循環；抗剪強度；孔隙比；變化率；初始含水率

新疆地處亞歐大陸腹地，冬季氣候寒冷多降雪，凍融循環作用下土體損傷現象尤為嚴重，對區內工程建設造成了一定的阻礙。為有效解決此類災害，提出合理有效的解決措施，近年來已有部分學者對凍融循環作用下不同初始含水率土體物理、力學性質的變化進行了實驗研究。胡田飛等[1]通過實驗得出在一定范圍內，土體凍融循環劣化效應會隨著初始含水率的增大而加劇，但當含水率增大至接近塑限后，凍融循環會轉而起強化作用。劉曉琪[2]指出各圍壓下土體試樣抗剪強度隨凍融循環次數為先減后增變化。董曉強和陳瑞鋒[3]認為凍融溫度對土體凍融后的特性影響并不大；土體的含水率越高，凍融后土體的各性能衰減越明顯；隨凍融次數增加，凍融損傷逐漸增大，到達一定次數后趨于穩定且首次衰減最大土體抗剪強度隨塑性指數增加而增加。

土體凍融循環的本質是土體中的水，在固態、液態間轉化的過程中對土體本身造成的損傷[4]。為研究初始含水率對凍融循環效應的影響程度，文章采用新疆烏魯木齊市頭區文冠谷已發生滑坡地段的滑帶土作為土樣，進行直剪實驗和固結試驗，研究土體在凍融循環作用下土體性質的變化，并通過改變土體初始含水率研究凍融循環作用下抗剪強度指標的變化。

1 實驗與方法

1.1 實驗試樣

實驗所用土樣取自新疆烏魯木齊市頭區文冠谷已滑斜坡土體。所取試樣為淺黃色含礫粉土，礫石細礫呈角礫狀、磨圓度差，多呈扁平棱角狀，分選性差，大小混雜。通過進一步土體顆粒分析試驗得出土樣不均勻系數Cu，見式1。

土體基本物理指標和顆粒分布曲線分別見表1和圖1。

表1 土體基本物理性質指標

圖1 土體顆粒分布曲線

1.2 實驗方案

實驗制備初始含水率5%、10%、12% 3種試樣，首先，將土料過2 cm孔徑篩子，篩除土料中的礫石。再將土料放入大容量容器中，按照設計的含水率加水攪拌均勻，攪拌結束后為容器鋪上防水布，防止實驗過程中土體含水率發生較大變化對實驗結果產生不良影響。然后，將土料放入冷凍箱凍結12 h，冷凍箱環境溫度設置為-10 ℃。到既定時間將土樣取出，置于室溫下消融，環境溫度大約20 ℃。以此作為一次凍融循環。每結束一次循環后從容器中取出部分土樣，分不同含水率壓入環刀中，環刀內制作好土樣。最后使用應變控制式直剪儀和固結儀對試樣進行快剪和壓縮試驗。

直剪試驗采用不固結快剪方法，分別制作3種不同含水率的試樣，將試樣安裝入直剪儀中，并施加100 kPa的豎向壓力，模擬近地表土層的應力狀態。施加豎向壓力后，立刻拔去銷釘，開動秒表，使3個試樣以20 s一周勻速轉動手輪。手輪每轉一周記錄一次量力環內百分表的讀數，直至試樣剪切破壞。

固結實驗同樣制備3種不同含水率的試樣，將試樣安裝入固結儀中。首先分別對3種試樣施加第一級豎向壓力，當百分表讀數不再變化時則施加下一級壓力。逐級施加的壓力為200 kPa、300 kPa、400kPa、500 kPa。

2 實驗結果分析

2.1 土體物理性質變化

在對實驗所得數據進行計算分析后，可以得到部分土體物理、力學性質指標，此處先以含水率10%時土體物理、力學性質隨凍融循環次數增加產生的變化為例。由表2可見，隨著凍融循環次數的增加試樣抗剪強度、黏聚力和孔隙比呈明顯下降趨勢，剪切模量、壓縮模量數值變化呈波浪狀起伏，內摩擦角度數先下降后上升且變化幅度不大。

表2 含水率10%時固結試驗和直剪試驗所得土體物理、力學性質指標

通過對土體物理、力學性質變化的分析，土體剪應力、黏聚力、孔隙比顯著下降。土體凍融循環的過程中會造成土體中水分的遷移，通過實驗觀察到在土體經過多次凍融循環后，土體表面和容器內壁結有一層霜，這是由土體內的水分遷移至土體表面形成的。土體內部在凍結時，其靠近表層的自由水會先凍結，并引起土體中其余水分向凍結峰面的遷移。這一現象導致土粒之間的膠結物被破壞，土體在凍結過程中孔隙比暫時增大。當土體內的冰融化后，因為冰對土體的作用力消失且土體喪失部分膠結物，導致土體力學結構不穩定，被冰撐大的孔隙結構改變，引起孔隙比減小。膠結物的破壞同時減少了土體剪切時所受到的摩擦力和土粒之間的膠結程度，導致土體的抗剪強度和黏聚力同時下降。

2.2 土體物理性質變化率

在工程建設中，土體物理、力學性質的變化速率對工程建設的安全性有不可忽視的影響。因此，對黏聚力、剪應力、孔隙比3個存在明顯劣化趨勢的指標再次進行討論，研究這些指標在不同含水率情況下隨凍融循環次數增加的變化率。3個指標的變化曲線如圖2—圖4所示。

圖2 黏聚力隨凍融循環次數增加的變化曲線

圖3 剪應力隨凍融循環次數增加的變化曲線

圖4 孔隙比隨凍融循環次數增加的變化曲線

圖2—圖4表明，當含水率差別較大時，土體含水率越高黏聚力、剪應力、孔隙比的降低速率就越大。孔隙比隨著凍融循環次數增加其降低的速率逐漸減小，剪應力和黏聚力的變化趨勢則不明顯，需要增加凍融循環次數進一步研究觀察。為了解釋不同初始含水率下土體隨凍融循環次數增多剪應力、黏聚力、孔隙比的變化情況，提出如下推測：土體含水率越高則當土體中冰透鏡體形成時土粒之間斷裂的情況就越嚴重，從而導致土體黏聚力、抗剪強度下降。同時含水率的增加也導致被冰透鏡體占據的空間增加，冰透鏡體融化后留下的孔隙就隨之增大。冰透鏡體的形成對孔隙周圍的土體有輕微的擠壓作用，含水率越高冰透鏡體對周圍土體的擠壓作用就越明顯，周圍土體的密實度略有上升，孔隙體積增加越發困難，孔隙比的下降趨勢會逐漸減慢。

3 凍融循環下工程災害防治措施建議

通過實驗研究發現，土體中水分的遷移和相變是凍融循環效應的主要原因。在寒冷地區的工程建設中，水分的相變和遷移不僅影響著工程場地的土體性質，同時對結構物本身也有很強的破壞作用，會導致混凝土開裂、錨桿體與注漿體黏結作用失效等現象，嚴重威脅工程質量和施工安全。

在工程建設中，預防、治理凍融循環造成土體損傷的方法大致有水體規避和土體改良2種思路。

3.1 水體規避

工程設計階段，應將建筑物的地基持力層設置在地下水凍結影響范圍以外，地下水凍結影響范圍取決于毛細管上升高度和地下水凍結臨界深度，當地下水達到凍脹臨界深度時，土體不發生凍脹。當場地內不存在地下水時，地基持力層的設置應主要考慮地表水和大氣降水的影響，地基持力層盡量設置在地表水和大氣降水影響范圍以下。上述方法僅適用于場地內水體較少，場地所在地區氣候較為干旱的情況。當地下水較為豐富時，可以使用地基隔層斷層法，利用隔斷層避免地基結構中毛細水上升[5]。施工階段，應當及時修筑排水系統，排出工程場地內的多余水分。在建筑物的后期保養期間可以種植適應當地氣候條件且根系發達、蒸騰排水效應強的植被，提高建筑物的穩定性[6]。

3.2 土體改良

因為含水率的增高對土體凍融循環有顯著影響，所以土體改良可以從降低土體中水的存儲空間、減小冰透鏡體的體積2個方向入手。針對不同種類的土體，采用排水固結法、擠密砂樁法、強夯法等對土體進行加密或者換填較為密實的土，減少土體的孔隙度，從而降低土體中水的存儲空間。可以使用隔水性好的隔熱層減少地基土與外界土體的熱量交換，從而減小冰透鏡體的體積，緩解土體的凍脹程度[7]。

4 總結

（1）實驗結果表明，在一定范圍內土體凍融循環作用會顯著降低土體剪應力、黏聚力、孔隙比。隨著含水率的增加，土體剪應力、黏聚力、孔隙比受凍融循環作用的影響會更加顯著，且孔隙比減小速率逐漸降低。

（2）凍融循環作用下土體物理、力學性質改變的內在原因是土體中的自由水形成冰透鏡體，破壞了土粒間的膠結物。隨著含水率增加，土顆粒之間膠結物被破壞的情況就越嚴重。同時含水率增加，土體孔隙中形成的冰透鏡體體積增大，當冰透鏡體增大到一定程度，會對孔隙周圍的土體造成輕微的擠壓作用，從而導致周圍土體密實度增大，孔隙體積擴張更加困難。

（3）預防、治理凍融循環造成土體損傷的方法大致有水體規避和土體改良兩種思路。水體規避可以采用讓地基避開土體凍脹影響范圍的方式，也可以采用地基隔斷斷層法阻隔毛細水的上升。土體改良采用多種方法增加土體的密實程度，降低孔隙的體積，從而減少土體中水的存儲空間。或者利用隔溫層，減小地基土與外界的熱量交換，減小冰透鏡體的體積，緩解土體凍脹程度。