凍融循環(huán)對粉質(zhì)黏土工程特性的影響

章文姣，王志強(qiáng)，宋碧亞

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧錦州 121001;2.遼寧工業(yè)大學(xué)研究生院，遼寧錦州 121001)

東北地區(qū)鐵路建設(shè)經(jīng)常遇到凍脹和融沉現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者對凍脹和融沉對工程穩(wěn)定性的影響已做過許多研究[1-3]，并提出了一些有效防止或改善巖土體凍融破壞的方法[4-7]。馬巍等[8]研究發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融循環(huán)對石灰粉土的強(qiáng)度特性有著較大的影響。一次凍融循環(huán)后未加石灰的粉土剪切強(qiáng)度變化不大，但石灰粉土剪切強(qiáng)度明顯低于未凍融的，而且隨凍融次數(shù)的增加，石灰粉土的剪切強(qiáng)度逐漸衰減，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)的飽水石灰粉土強(qiáng)度最低。楊成松等[9-10]對含鹽凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了壓縮試驗，得出了抗壓強(qiáng)度隨含鹽量的減小和溫度的降低呈線性增大，初始彈性模量和偏應(yīng)力最大值隨著含鹽量的減小和溫度的降低而增加。馮勇等[11]對新疆地區(qū)廣泛用作建(構(gòu))筑物地基的黏土和粉土進(jìn)行試驗研究發(fā)現(xiàn)，黏土和粉土的c，φ值隨著凍融次數(shù)的增加總體呈下降趨勢，土體的含水量、易溶鹽量、黏粒含量、密實度等對c，φ值也有著重要影響，但影響程度各不相同。

巖土體的工程特性具有地域性，對不同地域巖土體需要進(jìn)行單獨的土工試驗。本文對遼寧錦州粉質(zhì)黏土進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)試驗，測試其凍融前后的位移、含水率、密度、抗剪強(qiáng)度等，以找出凍融循環(huán)次數(shù)對錦州粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)的影響規(guī)律，并對其變化機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試樣制備

試驗土樣選用遼寧錦州小凌河附近廣泛用作路基的粉質(zhì)黏土，試驗用土顆粒組成見表1，主要物理指標(biāo)見表2。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)的要求，分別制取直徑61.8 mm、高20 mm和直徑50 mm、高100 mm兩種標(biāo)準(zhǔn)試樣。

表1 粉質(zhì)黏土的顆粒組成

表2 試驗用土的主要指標(biāo)

1.2 凍融循環(huán)試驗

錦州地區(qū)冬季氣溫變化范圍在－20℃ ～+20℃，因此本文選取的凍融環(huán)境溫度為－20℃ ～+20℃。將加工好的試樣裝入模具，并將模具放入恒溫冷凍箱中，在試樣的底部放置補水瓶以模擬地下水的補給，系統(tǒng)處于開放狀態(tài)。凍結(jié)過程頂部溫度為－14℃，底部溫度為1℃，試樣由上至下單向凍結(jié)，凍結(jié)時間為12 h。融化過程頂部溫度為16℃，底部溫度為1℃，融化時間為12 h。為了模擬粉質(zhì)黏土在初冬和初春的凍融交替，設(shè)計凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，1，2，…，7次，每組試樣進(jìn)行3次平行試驗。試驗過程中，分別記錄每次凍脹、融沉后試樣的最大位移量。

1.3 土工試驗

試樣經(jīng)過凍融交替，達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)后立即取出進(jìn)行含水率、密度和抗剪強(qiáng)度測試。含水率測試采用烘干法，土樣的密度測試采用環(huán)刀法，抗剪強(qiáng)度測試采用三軸排水剪切試驗，圍壓分別為100，200，300，400 kPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍脹與融沉

表3是試樣經(jīng)不同凍脹和融沉次數(shù)后的最大位移量，由表3可以看出，在5次凍融循環(huán)之內(nèi)，土在凍脹和融沉過程中發(fā)生的位移量并不相等，凍脹量明顯大于融沉量，而兩者差值逐漸減小。隨著凍融次數(shù)的增加，凍脹量先增大后減小，超過5次凍融循環(huán)后，凍脹量基本趨于穩(wěn)定，約為2.50 mm;融沉量也有著類似規(guī)律，穩(wěn)定值約為1.65 mm。

表3 土的凍脹和融沉量

這是因為在凍脹過程中土樣原含水分和地下水補給的水分在溫度效應(yīng)下由水向冰轉(zhuǎn)化體積膨脹，引起的凍脹力推動土顆粒移動，使得土體產(chǎn)生變形。土在融沉過程中，凍土中的冰融化成水，體積縮小，土顆粒在重力作用下開始堆積，填補土體中的孔隙。

2.2 含水率與密度

土體凍脹和融沉量的大小取決于土中水分遷移的速率，而水分遷移速率與土體的原始狀態(tài)、附加荷載、外界溫度等有關(guān)。在相同的試驗條件下，土體經(jīng)凍融循環(huán)后的含水率正是水分遷移后的綜合反映，土樣中含水率越大，表明水分子在土體中的遷移速率越快，同時也表明土體孔隙率越大，密度越小。圖1和圖2分別為土體凍融循環(huán)前后含水率和密度變化曲線。圖中所示規(guī)律與前面的解釋相吻合。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體中含水率有所增加，且土體在前面2次凍融循環(huán)過程中含水率上升較快，而經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體中含水率基本穩(wěn)定下來，由原來的18.3%上升到27.4%。土體的密度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體密度達(dá)到最低值，由1.833 g/cm3降低至1.730 g/cm3;在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后土體密度有所回彈，但回彈量不大;經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，土體密度為1.740 g/cm3。

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與含水率關(guān)系曲線

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)與土體密度關(guān)系曲線

由于土體內(nèi)部的礦物比例不同，土體在經(jīng)歷凍脹時各種礦物的熱脹系數(shù)不同，使得連結(jié)礦物顆粒的膠結(jié)物產(chǎn)生裂隙，而且凍脹力會推動礦物顆粒移動，進(jìn)一步加劇土體裂隙的形成。此外，土體中粒徑大的礦物，本身也會由于顆粒中心和外部的溫度不同而形成新裂隙。新裂隙的形成使得土體原有結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生改變。凍脹時間越長，形成的新裂隙越多，土體滲透性越大。王天亮等[12]指出，負(fù)溫下的溫度梯度所產(chǎn)生的毛細(xì)吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正溫下的。也就是說在凍脹時土體的毛細(xì)吸力大于融沉?xí)r土體的毛細(xì)吸力，因此，在有外界水源補給的條件下，土體經(jīng)過凍融循環(huán)后土體的含水率會有所增加。由于土體中孔隙的增加，單位體積內(nèi)孔隙水含量和空氣含量也增大，因此，土體的密度會有所下降。土樣在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后，土體的密度有所回彈，這可能是由于前幾次的凍融循環(huán)形成了大的裂隙，再次經(jīng)歷凍融循環(huán)時，土體中較小的顆粒填充于裂隙中，使得土體密度有所增加，但增加幅度不大，再次經(jīng)歷凍融循環(huán)后，它將趨于穩(wěn)定。

2.3 凍融循環(huán)對土體工程性質(zhì)的影響

土體物理性質(zhì)的變化，會直接影響到其工程性質(zhì)。對凍融循環(huán)0，1，3，5和7次后的土樣進(jìn)行室內(nèi)三軸排水剪切試驗，圍壓分別為 100，200，300，400 kPa。圖 3和圖4給出了凍融前后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化曲線。由圖可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體黏聚力顯著降低，而內(nèi)摩擦角先增大后減小，經(jīng)過7次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角又與凍融前相當(dāng)。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與黏聚力關(guān)系曲線

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

粉質(zhì)黏土屬于細(xì)粒土，在正常固結(jié)條件下其黏聚力較大，而在凍脹過程中，凍脹力破壞了土體中土顆粒之間的聯(lián)結(jié)狀態(tài)，使得凍融循環(huán)后土體中形成了許多新生裂隙;此外，土體內(nèi)部由于不同礦物的熱脹系數(shù)不同，使礦物顆粒之間的膠結(jié)物發(fā)生了開裂，進(jìn)而導(dǎo)致黏聚力下降。而在5次凍融循環(huán)后，黏粒級以下的礦物會發(fā)生聚集，對應(yīng)的黏聚力會稍微有所增大。新生裂隙的生成破壞了原有土體的結(jié)構(gòu)，使原來的整體塊狀土體被分割成許多不規(guī)則的小體積土體，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大。而在5次凍融循環(huán)后，小體積的土體會繼續(xù)風(fēng)化成了更小體積的土體，這些更小的土體大多屬于黏粒礦物，顆粒間粘結(jié)力弱，易產(chǎn)生滑動，所以土體的內(nèi)摩擦角會有所減小。

3 結(jié)論

1)錦州粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)后體積有所增加。隨著凍融次數(shù)的增加，凍脹量和融沉量先增大后減小，超過5次凍融循環(huán)后，凍脹量基本穩(wěn)定為2.50 mm，融沉量基本穩(wěn)定于1.65 mm。

2)土體中含水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。在前2次凍融循環(huán)過程中土體含水率上升較快，而經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體含水率基本穩(wěn)定下來，由原來的18.3%上升到27.4%。

3)土體密度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體密度達(dá)到最低值，由1.833 g/cm3降低至1.730 g/cm3;在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后土體密度有所回彈，但回彈量不大;經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后，基本穩(wěn)定為1.740 g/cm3。

4)隨著凍融次數(shù)的增加，土體黏聚力顯著降低，而內(nèi)摩擦角是先增大后減小，經(jīng)過7次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角又與凍融前相當(dāng)，約為28.6°。

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