極端氣候條件下南京附近黏土凍融強度試驗

李 卓劉斯宏王柳江傅中志劉 康

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098; 2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210024 3.代爾夫特理工大學(xué)土木學(xué)院,荷蘭)

極端氣候條件下南京附近黏土凍融強度試驗

李 卓1,劉斯宏1,王柳江1,傅中志2,劉 康3

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098; 2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210024 3.代爾夫特理工大學(xué)土木學(xué)院,荷蘭)

針對極端氣候下南方地區(qū)黏土的凍融強度與含水率、最低氣溫和凍融循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)的特點,對不同初始含水率的黏土在不同凍結(jié)箱溫度下經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣進行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗。試驗結(jié)果表明:同一凍結(jié)箱內(nèi)溫度下,凍融試樣在開始1～4次凍融循環(huán)期間黏聚力和內(nèi)摩擦角變化顯著,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,黏聚力減小,內(nèi)摩擦角增加;同一凍融循環(huán)次數(shù)下,隨著凍結(jié)箱內(nèi)溫度降低,凍融試樣黏聚力增加,內(nèi)摩擦角減小?？偨Y(jié)了凍融循環(huán)凍土損傷的特征。

黏土含水率;黏土凍融強度試驗;不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗;黏土強度參數(shù);南方地區(qū)極端氣候條件;南京附近黏土

近年來,極端低溫天氣出現(xiàn)的頻率有所增加,極端天氣造成南方建筑物損害引起了人們的重視。由于建筑物基礎(chǔ)受極端天氣凍融的作用,普遍存在不同程度的凍脹破壞,不僅影響工程的正常運行,而且阻礙工程效益的有效發(fā)揮。因此,極端氣候條件下南方黏土的力學(xué)特性研究尤為迫切。

同時,對渠道及其建筑物,同一地點的相同渠道在相同負溫下由于含水率不同所引起的凍脹程度不同,而對同一渠道經(jīng)過不同地方,由于負溫和含水率不同所引起的凍脹程度也不同。針對上述問題,筆者進行了含水率、最低氣溫和凍融循環(huán)次數(shù)對黏土力學(xué)特性的影響研究。

黏土的力學(xué)性能與含水率、最低氣溫和凍融循環(huán)次數(shù)等多種因素有關(guān)。王鐵行等[1]研究了不同含水率的非飽和原狀黃土的凍融強度特性,結(jié)果表明含水率過低時凍融作用對非飽和黃土的黏聚力基本無影響,含水率較高時凍融循環(huán)后黃土的黏聚力較凍融前有所降低;宋春霞等[2]研究了蘭州黃土在不同凍結(jié)箱溫度下的強度,得到相同密度的黃土隨著凍結(jié)溫度梯度增大其黏聚力降低、內(nèi)摩擦角增大的結(jié)論。有關(guān)凍融循環(huán)次數(shù)影響的研究相對較多,譬如:Konrad[3]研究表明凍融循環(huán)引起粉質(zhì)黏土微觀結(jié)構(gòu)變化,從而影響其強度特性;Wang等[4]研究了青海-西藏黏土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強度特性,得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加其黏聚力減小、內(nèi)摩擦角增大的結(jié)論;齊吉琳等[5-11]通過電鏡掃描研究了凍融循環(huán)作用下超固結(jié)黏土的強度特性,解釋了超固結(jié)黏土在凍融循環(huán)作用下強度變化的機理。

目前針對寒冷地區(qū)凍土力學(xué)特性的研究主要考慮含水率、最低氣溫和凍融循環(huán)次數(shù)3個因素中的某個因素進行,實際上,土的力學(xué)特性受含水率、溫度、凍融循環(huán)次數(shù)的綜合影響,對南方地區(qū)黏土的強度受極端低溫天氣影響及其綜合考慮以上3個因素影響的研究尚未見報道。筆者對不同初始含水率的黏土在不同凍結(jié)箱內(nèi)溫度下經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣進行了系列不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗,綜合考慮含水率、最低氣溫和凍融循環(huán)次數(shù)的影響,有助于進一步認識南方地區(qū)黏土的力學(xué)特性。

1 試驗情況

試驗采用的黏土樣取自南京附近,其顆粒質(zhì)量分數(shù)分別如下:粒徑d＜0.075mm的占18.1%,0.075mm＜d＜0.5 mm的占69.5%,0.5 mm＜d＜2 mm的占4.9%,d＞2 mm的占7.5%;主要物性指標(biāo)如下:天然含水率為17.6%,干密度為1.62g/cm3,液限為36.4,塑限為16.6,塑性指數(shù)為19.8,飽和含水率為38.1%。對取回的土樣,一部分進行風(fēng)干,一部分加水濕潤,得到3種不同含水率的土樣,含水率分別為11.1%,17.6%和22.9%。

對于不同含水率的土樣,按土工試驗規(guī)程制備成若干個直徑D=39.1 mm、高度H=61.8 mm的圓柱形試樣,試樣的干密度均為1.42 g/cm3。

2008年南方局部地區(qū)溫度在-10℃以下,試驗選定的凍結(jié)箱內(nèi)溫度分別為-5℃、-10℃和-15℃。對于某一凍結(jié)箱內(nèi)溫度,試樣置于恒溫冷凍箱內(nèi)凍結(jié)24 h,單向、封閉系統(tǒng)中(無外界水源補給)凍結(jié),然后打開冷凍箱頂蓋在室溫下(試驗期間4—5月份,平均室溫約10～15℃)融化24 h,此過程為一個凍融循環(huán)周期。試驗裝置見圖1。

圖1 凍融試驗箱Fig.1 Freezing-thawing apparatus

對于3種不同初始含水率的土樣分別在3種不同凍結(jié)箱溫度下凍融循環(huán)1次,隨即進行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗,其圍壓分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa;為了進一步研究凍融循環(huán)的影響,分別對3種不同含水率的土樣在-15℃的凍結(jié)箱內(nèi)繼續(xù)進行1次、3次、5次、7次、9次、11次凍融循環(huán),每一階段凍融循環(huán)(比如3次)結(jié)束后,取出試樣進行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗。對于每種初始含水率的土樣,在-15℃的凍結(jié)箱內(nèi)共進行了6組(每組4個樣)不同次數(shù)的凍融循環(huán)及不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 初始含水率和最低氣溫的影響

為研究不同初始含水率和不同凍結(jié)箱內(nèi)溫度對黏土抗剪強度的影響,將初始含水率ω0分別為11.1%、17.6%、22.9%的3種試樣在恒溫制冷箱中每種都分別在T=-5℃、-10℃、-15℃的負溫下凍結(jié),之后在室溫下融化。經(jīng)過此次凍融循環(huán)后進行三軸壓縮試驗。圍壓σ3=150 kPa時凍融試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示(σ1-σ3為主應(yīng)力差,σ1為大主應(yīng)力,εa為軸向應(yīng)變)。從圖2可以看出,對于初始含水率為11.1%的試樣,3種不同的凍結(jié)箱內(nèi)溫度下其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形狀基本相似;初始含水率為17.6%和22.9%的試樣各自在3種不同凍結(jié)箱內(nèi)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形狀差異較大,都是隨著試樣初始含水率的增大,凍結(jié)箱內(nèi)溫度對其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響增大。凍融作用相當(dāng)于對土體結(jié)構(gòu)的損傷作用,主要與土中的水分有關(guān)。含水率較高的試樣,凍結(jié)溫度越低其水分轉(zhuǎn)化為冰的條件越充分,土體各組分間的熱膨脹性差異也越大,從而造成土在凍融循環(huán)后的內(nèi)部凍融壓力越大,導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的凍融損傷越大。

圖2 不同初始含水率土樣在不同的凍結(jié)箱溫度下經(jīng)過1次凍融循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(σ3=150 kPa)Fig.2 Stress-strain curves of clay soil with different initial moisture contents within one freeze-thaw cycle at different temperatures of freezing equipment(σ3=150 kPa)

圖3為3種不同初始含水率的試樣經(jīng)過1次凍融循環(huán)后的強度參數(shù)(黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ)隨凍結(jié)箱內(nèi)溫度的變化關(guān)系。從圖3(a)中可以看出:試樣的黏聚力隨凍結(jié)箱內(nèi)溫度的降低和初始含水率的減小而增大;在同一凍結(jié)箱溫度下黏聚力隨初始含水率的減小而增大,而對同一初始含水率的試樣,其黏聚力隨著凍結(jié)箱溫度降低而增大。從圖3(b)中可以看出:試樣的內(nèi)摩擦角隨著凍結(jié)箱溫度的降低和初始含水率的增加而減小;在同一凍結(jié)箱溫度下內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小,同一含水率試樣的內(nèi)摩擦角隨著凍結(jié)箱溫度的降低而減小。

圖3 不同初始含水率土樣在不同的凍結(jié)箱溫度下經(jīng)過1次凍融循環(huán)后的強度參數(shù)變化Fig.3 Variation of strength parameter of clay soil with different initial moisture contents within one freeze-thaw cycle at different temperatures of freezing equipment

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

圖4為σ3=150 kPa時3種不同初始含水率試樣在T=-15℃條件下分別經(jīng)歷1次、3次、5次、7次、9次、11次凍融循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖4可知,不同初始含水率的試樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈硬化拋物線型。對于同一初始含水率的試樣,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,其軸向應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖4 σ3=150 kPa時不同初始含水率試樣經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curves of clay soil with different initial moisture contents after different freeze-thaw cycles when σ3=150 kPa

圖5為3種不同初始含水率試樣在-15℃的凍結(jié)箱溫度下經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后強度參數(shù)的變化。從圖5(a)中可以看出,凍融試樣的黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率的增大而減小。同一凍融循環(huán)次數(shù)條件下,黏聚力隨初始含水率的增加而減小;同一初始含水率的試樣,黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小,在開始的幾次凍融循環(huán)期間黏聚力的減小幅度較大,尤其是凍融循環(huán)1次和未經(jīng)凍融循環(huán)的試樣相比變化最明顯,第5個凍融循環(huán)后試樣的黏聚力漸趨穩(wěn)定。凍融循環(huán)導(dǎo)致試樣內(nèi)部正負溫度交替變化,從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,同時試樣在負溫下凍結(jié),土體中孔隙水結(jié)冰而產(chǎn)生凍脹力。如果溫度應(yīng)力與凍脹力超過土顆粒間的作用力時,土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)弱化,在融化時水分進一步滲入孔隙中,如此循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的連續(xù)損傷,使黏聚力降低。

圖5 T=-15℃時不同初始含水率土樣的強度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Strength parameter of clay soil with different initial moisture contents vs.number of freeze-thaw cycles whenT=-15℃

圖5(a)的試驗結(jié)果可以擬合成以下關(guān)系式:

式中:N——凍融循環(huán)次數(shù);a、b、c——試驗常數(shù),由試驗確定,a=-1.9733,b=80.807,d=-0.25。

圖5(b)為不同初始含水率試樣的內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。可見,內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加和初始含水率的減小而增加。同一初始含水率的試樣,內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加,其變化幅度在第1次凍融循環(huán)內(nèi)尤為明顯,隨后的凍融循環(huán)內(nèi)其變化漸趨穩(wěn)定。

圖5(b)的試驗結(jié)果可以擬合成以下關(guān)系式:

式中:e、f、g——試驗常數(shù),由試驗確定,e=-0.9458,f=44.048,g=-0.197。

3 結(jié) 語

a.在同一凍融循環(huán)次數(shù)下,黏土的黏聚力隨凍結(jié)箱溫度的降低和初始含水率的減小而增加,內(nèi)摩擦角隨凍結(jié)箱溫度的降低和含水率的增加而增加。

b.在同一凍結(jié)箱溫度下,1～7次凍融循環(huán)的黏土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)和初始含水率的增加而減小,內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加和含水率的減小而增加。

c.土體的凍融強度與初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)箱溫度密切相關(guān)。通過總結(jié)凍融循環(huán)凍土損傷特征,認為凍融作用可以解析為對土體結(jié)構(gòu)的損傷作用。含水率較高的試樣,凍結(jié)箱溫度越低,水分轉(zhuǎn)化為冰的條件越充分,土體中孔隙水結(jié)冰而產(chǎn)生的凍脹力越大,凍融循環(huán)在試樣內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也越大,導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的凍融損傷越大。

d.由于土體的凍融強度在初次凍融循環(huán)后變化較大,對于南方地區(qū),在冬季經(jīng)過多年不遇的冰雪災(zāi)害或罕見低溫后應(yīng)特別注意凍融作用對建筑物基礎(chǔ)的影響。

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Freeze-thaw strength test of clay soil around Nanjing City under extreme climatic conditions

LI Zhuo1,LIU Sihong1,WANG Liujiang1,FU Zhongzhi2,LIU Kang3
(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024,China; 3.Civil Engineering and Geosciences,Delft University of Technology,Delft,The Netherlands)

The freezing-thawing strength of a clay soil in southern China under extreme climatic conditions is closely related with the moisture content,freeze-thaw cycle,and minimum temperature.An unconsolidated-undrained triaxial compression test was carried out on clay soil samples that had different initial moisture contents and experienced different freeze-thaw cycles at different temperatures of the freezing equipment.The results show that the cohesion of the tested clay soil decreased and the internal friction angle increased with the increase of the freezethaw cycles at the same temperature of the freezing equipment,especially from the first to the fourth freeze-thaw cycles.Also,the cohesion of the tested clay soil increased and the internal friction angle decreased with the decrease of the temperature of the freezing equipment within the same freeze-thaw cycles.The characteristics of frozen soil damage in the freeze-thaw cycles are summarized.

moisture content of clay soil;freeze-thaw strength test of clay soil;unconsolidated-undrained triaxial compression test;strength parameters of clay soil;extreme climatic conditions in southern China;clay soil around Nanjing City

TU43

:A

:1000-1980(2014)01-0040-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.01.008

2013-10 15

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(水利工程)(2011137);江蘇省博士后基金(1302111C)

李卓(1979—),男,寧夏隆德人,博士研究生,主要從事土石壩工程及水工建筑物防凍脹研究。E-mail:zhuoli@nhri.cn