黑龍江東寧地區季凍土抗壓抗剪強度試驗研究

劉建宇，黃 偉，高 博，朱榮利

中國地質調查局牡丹江自然資源綜合調查中心，黑龍江牡丹江 157021

0 引言

許多學者對季凍土的力學性質和影響要素做了研究，但當前對季凍土的力學性質及影響因素研究主要針對人工重塑凍土和凍融階段，而缺少對于原狀土在不同凍結溫度和含水率的條件下的強度變化的研究.與重塑人工凍土不同，原狀非飽和凍土是復雜的多相體，有特殊的水氣狀態和聯通特點，具有顯著的結構性，更能體現季凍土真實的力學性質和工作狀態.

李海鵬等［1］研究了飽和粉土在單軸壓縮試驗下力學性質變化規律，提出土體的應力-應變曲線存在彈性屈服點，指出其與試樣的幾何形狀相關.毛然等［2］通過直剪試驗，研究分析了中國中南地區的凍土在不同負溫、含水率下抗剪強度變化規律.趙景峰等［3］對凍土進行了CBR-1 型承載比試驗，測定凍土的強度隨凍結溫度和含水率的變化規律，引入凍結溫度和含水率兩個參數，建立強度模型.李順群等［4］研究了溫度、含水率、應變率對凍土力學性質的交互作用.王儒默等［5］研究了含水率、凍結時間對凍結粉質黏土強度的影響.張宏［6］進行了直剪、單軸抗壓強度測試等試驗，研究了高溫凍土的直接抗剪強度和單軸抗壓強度受溫度影響的變化規律.

部分學者采用灰色關聯分析和顯著性分析對凍土進行了研究.黃道良等［7］對比了多種影響因素條件下的人工凍土單軸抗壓強度試驗，發現溫度的影響最為敏感.程培峰等［8］分析了不同含水率、凍融循環次數和壓實度條件下的變化規律，發現壓實度和含水率的敏感性最大.馬玉濤［9］探究不同負溫環境條件下試樣的強度、黏聚力、內摩擦角、凍融循環次數和壓實度的變化規律.房建宏等［10］發現凍結紅黏土物理力學性質受凍融循環作用次數影響較大.高娟等［11］進行常規三軸剪切試驗，表明含水率對體積變化的影響最大.崔宏環［12］等選取凍結溫度、含水率、圍壓和融化溫度4種影響正融土強度的因素進行敏感性機理分析，發現凍結溫度和含水率最為敏感.

綜合上述資料可知，對人工凍土的力學性質和影響要素的顯著性分析已經有了一定的研究基礎，學者們探究了不同條件下含水率、凍結溫度、凍結時間、凍融循環次數、融化溫度、土質、壓實度、含鹽量和圍壓的變化規律，發現含水率、凍結溫度對人工凍土的力學性質影響最為顯著，需要重點考慮.結合已有研究與實踐，本文針對黑龍江省牡丹江市東寧地區典型季凍土（粉土、粉質黏土和黏土）進行抗壓抗剪強度試驗，對原狀季凍土物理力學特性進行研究，以期為季凍土區的實際工作提供依據.

1 試驗準備

土樣取自國道331 東寧至綏芬河路段（圖1）.該區域第四系覆蓋層分布較為穩定，土質類型在平面上變化較小，分布特征主要受地貌和巖性影響，河谷上廣布全-更新統粉土、粉質黏土和黏土，垂直面上變化不大.第四系覆蓋層厚度一般為6～18 m，最厚可達30 m.經過實地調研，每年結凍期為10 月中下旬至翌年4 月上旬，長達6 個月之久.最低溫度均出現在12 月，最低溫度可達-35 ℃，凍結深度為0.9～1.1 m［13］.凍結深度內的土層包括粉土、粉質黏土、黏土層.

圖1 研究區地質簡圖及取樣位置分布Fig.1 Geological sketch map of the study area with distribution of sampling locations

采用DPP-300 型汽車鉆機立軸回轉鉆進，配合?110 mm 薄壁取土器干鉆現場采取的原狀暖土樣，分4 個時段分別在國道331 沿線4 個取樣點采取凍土樣20 件.采取地表0.5～4 m 范圍內第四系地層，每個位置5 件，樣品間隔30～50 cm，土樣尺寸為110 mm×200 mm，土樣溫度2～15 ℃，試驗室條件下用保鮮膜對土體密封連同模具后凍結至試驗設計溫度.本次季凍土試驗的物理力學測試項目有：含水率、塑限、液限、不同負溫條件下單軸抗壓試驗，三軸剪切試驗.

2 試驗方法與內容

基于季凍土強度的因素主要是外部環境和土體自身兩類.重點選取3 種主要影響因素進行試驗分析，分別是凍結溫度、含水率、土質.試驗過程中需要控制凍結溫度和選取3 種不同土質的土樣.

凍土試驗按照《人工凍土物理力學性質試驗》（MT/T 593.4—2011）進行，土工試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行.采取的原狀土樣含水率在14.8%～32.25%范圍內，按照合適間隔均勻選擇20 個不同含水率的土樣.由于土體通常在0 ℃以下開始凍結，采樣區域季凍土最低氣溫約為-35 ℃，因此采用-10 ℃、-16 ℃、-19 ℃、-20 ℃、-22 ℃、-25 ℃、-30 ℃六個溫度等級，對同一組試樣分3 種不同溫度和含水率對試樣先進行凍結，達到設計負溫后，恒溫不少于24 h 再進行單軸抗壓試驗和三軸剪切試驗.三軸剪切強度試驗按軸向應變速率0.5%/min 進行剪切加載，測定相應土樣的基本物理指標（見表1）.

表1 土樣的基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of soil samples

3 試驗結果及數據分析

3.1 抗壓強度分析

從抗壓強度與含水率關系圖（圖2）中可以明顯看出，在含水率一定的條件下，土體抗壓強度隨著凍結溫度的下降而增大.分析原因是：在相同含水率的條件下，隨著凍結溫度的降低，土體中部分未凍自由水和弱結合水逐漸凍結成冰，未凍水比例降低，水薄膜厚度變薄，礦物顆粒與冰的膠結作用增強，土骨架和凍結冰的共同作用增大，此時由礦物顆粒和凍結冰共同承擔施加的抗壓強度，表現為凍土的抗壓強度隨之增大［14］.

圖2 不同負溫條件下單軸抗壓強度與含水率的關系Fig.2 Uniaxial compressive strength vs.moisture content under different negative temperature conditions

對變化曲線進行二階多項式線性擬合（圖2），可得不同負溫條件凍土抗壓強度與含水率的關系：在-10 ℃不變的條件下，3 種土體的抗壓強度隨含水率的增加呈現出先增大后降低的變化規律，置信度水平為0.95 時，COD 等于0.97，單軸抗壓強度在含水率為26%時達到最大；在-20 ℃不變的條件下，3 種土體的抗壓強度隨含水率的增加呈現出先增大后降低的變化規律，置信度水平為0.95 時，COD 等于0.86，單軸抗壓強度在含水率為26%時達到最大；在-30 ℃不變的條件下，3 種土體的抗壓強度與含水率有良好的線性關系，置信度水平為0.95 時，COD 等于1，抗壓強度隨著含水率的增加趨近于冰的抗壓強度.

分析原因是，凍土由固體礦物顆粒、凍結冰、未凍自由水和氣體所共同組成，凍土單軸抗壓強度由土體骨架和冰的抗壓強度以及凍結冰與礦物顆粒間的黏聚力決定，而重塑人工凍土在重塑后導致結構性的破壞，其破壞強度大都取決于土顆粒之間的連接，導致其脆性比原狀土弱［15］.在負溫恒定的條件下，隨著凍土含水率的增加，凍土抗壓強度呈線性增大，當含水率增大到一定值時，固體礦物顆粒與冰的膠結能力達到最大，凍土抗壓強度最大［16］.但隨著含水率繼續增加，水在凍結時體積膨脹，破壞了土骨架的結構，使得固體礦物顆粒與冰體間膠結能力下降，凍土抗壓強度降低.在凍土中含冰量逐漸增加情況下，它的瞬時單軸抗壓強度趨近于一個極限，即冰的抗壓強度［17］.

3.2 抗剪強度分析

從黏聚力與含水率關系圖（圖3a）可以看出不同負溫和含水率與凍土黏聚力的關系：在-10 ℃、-16 ℃、-19 ℃、-20 ℃、-30 ℃的條件下，對變化曲線進行二階多項式線性擬合，3 種凍土的黏聚力隨著含水率的增加而增大［18］，置信度水平為0.95 時，COD 均大于0.96.分析原因主要是，在5 種較低負溫條件下，凍土中的冰與土體骨架已經形成了較好的黏結，隨著含水率的增加，固體顆粒弱結合水膜厚度減小，凍土中的未凍水和土顆粒最外層的弱結合水逐漸轉化成冰，凍土中的未凍水含量減小，使土顆粒分散程度變小.在這種情況下，土骨架顆粒與膠結冰共同作用增強，冰和土體中固體顆粒膠結在一起共同承擔凍土抗剪強度，已凍冰對凍土的黏聚力影響顯著增加，導致凍土的黏聚力隨含水率的增加而增大.將-20 ℃和-30 ℃條件下含水率與黏聚力的關系數據擬合為一條曲線（圖3b），置信度水平為0.95 時，COD 等于0.99，這兩種溫度條件下黏聚力隨溫度降低幾乎沒有變化，可視-20 ℃為變化界限［19］.小于-20 ℃時，黏聚力隨著凍結溫度降低而增大；大于-20 ℃時，黏聚力不隨溫度降低而增加.分析原因主要是，-20 ℃時凍土中的固體礦物顆粒與凍結冰膠結程度達到最優，在含水率相同的條件下，此時黏聚力達到最大.

圖3 不同負溫條件下黏聚力與含水率的關系Fig.3 Cohesion vs.moisture content under different negative temperature conditions

由內摩擦角與含水率關系圖（圖4）可知：-10 ℃與-20 ℃條件下凍土的內摩擦角有相似的規律，未隨含水率增減發生明顯變化.溫度小于-20 ℃時凍土的內摩擦角隨著凍結溫度的降低而增大［20］，最大為55°.內摩擦角隨含水率增長的變化規律分為兩個階段：1）含水率小于17%時，內摩擦角隨含水率的增大而增大.2）含水率大于17%時，-10 ℃、-20 ℃條件下，內摩擦角穩定在33°；-22 ℃條件下，內摩擦角穩定在38°；-25 ℃條件下，內摩擦角穩定在43°；-30 ℃條件下，內摩擦角穩定在46°.分析原因是，含水率增加到17%時，土體已達到最佳含冰量，土中大部分水轉變成冰，土顆粒與冰之間產生膠結作用增加了冰與土顆粒間的膠結力與咬合力，提高了內摩擦角；當含水率大于17%時，水在凍結時體積膨脹，破壞了土骨架的結構，使得固體礦物顆粒與冰體間膠結能力與咬合能力受到影響，此時內摩擦角無明顯線性規律可循，在一定范圍內小幅度波動；當溫度低于-20 ℃時，凍土由半塑性土變為脆性凍土，凍土骨架遭到破壞致使內摩擦角變大［21］.

圖4 不同負溫條件下內摩擦角與含水率的關系Fig.4 Internal friction angle vs.moisture content under different negative temperature conditions

3.3 凍結土抗壓、抗剪強度與土質關系

圖5 分別為3 種土樣在凍結溫度為-10 ℃條件下抗壓強度、黏聚力和內摩擦角與含水率的關系曲線.在相同含水率條件下，粉土、粉質黏土、黏土的抗壓強度、黏聚力和內摩擦角變化不大.分析主要原因是，土中土顆粒大小和組成差別小，物理力學性質相近，此時凍結溫度和含水率已成為影響抗壓、抗剪強度的主要因素，土質的差異性已不明顯.

圖5 -10 ℃條件下抗壓、抗剪強度與土質的關系Fig.5 Relationship between compressive strength，shear strength and soil texture at temperature of -10 ℃

4 討論

筆者主要研究了東寧地區原狀土在不同負溫條件下的抗壓抗剪強度的變化規律，主要結論與前人的研究結果是一致的，在趨勢變化上基本相同，但在變化界限點和極值點上有所差異.主要是因為本研究側重的是季凍土區內采取的原狀土，保持了土的原始結構，減少了人為因素的影響.通過室內試驗模擬原狀季凍土的真實狀態，發現原狀凍土對溫度和含水率的響應不如人工重塑凍土區明顯，存在較大波動和隨機誤差，主要原因是原狀土作為復雜的多相體，具有顯著的結構性、不均勻性.鑒于試驗條件和時間等方面的限制，研究只考慮了原狀土的含水率、凍結溫度、土質3 種影響因素，缺少對原狀土水分遷移和聚集、凍融作用的研究，在后續研究中還需要進一步完善.

5 結論

對取自東寧地區季節性凍土區粉土、粉質黏土和黏土3 種典型原狀土樣在不同負溫、不同含水率條件下進行抗壓強度和抗剪強度試驗.基于試驗結果分析可得出如下結論.

（1）原狀土在不同負溫條件下凍結后，單軸抗壓強度隨著溫度的降低而增大.-10 ℃、-20 ℃時，凍結土體的單軸抗壓強度隨含水率的增加呈現先增加后減小的變化規律；-30 ℃時，凍結土體的單軸抗壓強度隨含水率的增加而增加.

（2）黏聚力隨著含水率的增加呈指數型增大，內摩擦角隨含水率的增加先增加后趨于穩定.含水率小于17%時，內摩擦角隨含水率的增大而增大；含水率大于17%時，內摩擦角無明顯線性規律可循，在一定范圍內小幅度波動.因此凍土抗剪強度隨著含水率的增加而增加.

（3）凍結溫度-20 ℃為變化界限：小于-20 ℃時，黏聚力隨著凍結溫度降低而增大，-10 ℃、-20 ℃條件下凍土的內摩擦角有相似的規律，未隨含水率增減發生明顯變化，此時凍土抗剪強度隨著凍結溫度的降低而增加；大于-20 ℃時，黏聚力未隨凍結溫度降低而增加，內摩擦角隨著凍結溫度的降低而增大，凍土抗剪強度隨著凍結溫度的降低緩慢增大趨于冰的剪切強度.

（4）在試驗負溫條件下，土體主要受凍結溫度和含水率影響.溫度-10 ℃時，凍土中的冰已經成為抗壓、抗剪強度的主要因素，土質的差異性作用已不明顯.