凍融循環(huán)作用下壓實(shí)濕陷性黃土凍脹性能研究

關(guān)春先

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122)

濕陷性黃土是一種孔隙率高，滲透性、濕陷性和崩解性強(qiáng)的特殊土體，采用壓實(shí)法處理后其濕陷性基本能夠得以消除，然而在季節(jié)性冰凍區(qū)，運(yùn)行幾年后壓實(shí)的濕陷性黃土地基仍大量出現(xiàn)不均勻沉降和崩塌等病害[1- 4]。為此大量專家學(xué)者對凍融循環(huán)作用下濕陷性黃土的凍脹性能以及力學(xué)特性開展了大量的研究。王泉等[5]先對濕陷性黃土進(jìn)行一次濕陷試驗(yàn)，并在凍融循環(huán)后進(jìn)行二次濕陷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明重塑與原狀濕陷性黃土二次濕陷系數(shù)超過了0.015，且隨凍融循環(huán)次數(shù)增大逐漸趨于穩(wěn)定，說明季節(jié)性冰凍區(qū)濕陷性黃土存在二次濕陷性。武丹等[6]通過對山西某工程所用黃土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對壓實(shí)黃土力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用能有明顯降低黃土抗剪強(qiáng)度，其影響與含水率呈正相關(guān)關(guān)系，且相同壓實(shí)度下濕陷性黃土對凍融循環(huán)作用更敏感。潘鵬等[7]針對寧夏氣候環(huán)境特點(diǎn)對黃土凍融循環(huán)效應(yīng)進(jìn)行分析，研究了凍融循環(huán)次數(shù)、含水率以及干密度對濕陷系黃土的影響，指出含水率為22%時濕陷性黃土凍融效應(yīng)最明顯，濕陷性黃土地區(qū)工程建設(shè)時建議避開最不利含水率。李國玉等[8]通過對凍融循環(huán)前后壓實(shí)黃土的溫度、含水率等6個基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，研究了凍融作用對濕陷性黃土濕陷變形的影響，認(rèn)為濕陷性黃土強(qiáng)度弱化以及融沉變形是由于，凍融作用使得水分逐步向上部聚集、壓實(shí)度降低和孔隙率增大的結(jié)果。劉博詩等[9]采用石英粉、石膏和膨潤土等材料模擬了具有結(jié)構(gòu)性的濕陷性黃土，并對不同固結(jié)壓力下人工制備濕陷性黃土進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，結(jié)果表明，土的濕陷系數(shù)與參數(shù)與面積比、等效直徑、扁圓度等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)有關(guān)，固結(jié)壓力對人工制備濕陷性黃土架空孔隙影響較大而對粒間孔隙影響不明顯。李喜安等結(jié)合SEM和IPP等分析手段對黃土濕陷前后土體的結(jié)構(gòu)和孔隙特征情況進(jìn)行了分析，揭示了黃土濕陷對其滲透性的影響變化規(guī)律及微觀響應(yīng)機(jī)理。綜上所述，凍融循環(huán)作用對濕陷性黃土力學(xué)特性的影響主要集中于宏觀力學(xué)試驗(yàn)，針對凍融循環(huán)作用對濕陷性黃土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響研究尚不夠充分。本文通過對不同凍融次數(shù)下壓實(shí)濕陷性黃土進(jìn)行SEM、直接剪切和濕陷試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)對壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)樣品基本物理指標(biāo)

根據(jù)SL237- 1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》對取回濕陷性黃土土樣基本物理特性指標(biāo)進(jìn)行測定，測得濕陷性黃土比重Gs=2.72，最大干密度為ρdmax=1.68g/cm3，最優(yōu)含水率為ωo13.7%，液限ωL=48.8%，塑限ωP=18.5%。

1.2 試樣制備和試驗(yàn)方法

將濕陷性黃土烘干、碾細(xì)后過2mm的圓孔篩，并按照最優(yōu)含水率配制待用，配水過程應(yīng)保證水噴灑均勻，配水后將土用塑料薄膜密封24h。試樣采用壓樣器在環(huán)刀中壓制成型，試樣干密度控制為最大干密度的0.96，環(huán)刀尺寸為直徑×高=61.8mm×2mm。試樣制備好后分別進(jìn)行0次、5次、15次、20次和25次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)采用快凍法進(jìn)行，凍結(jié)溫度為-5℃，融化溫度為10℃，凍結(jié)時間為1h，融化時間1h，將凍融循環(huán)后試樣進(jìn)行濕陷試驗(yàn)、SEM試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，SEM試驗(yàn)試樣放大倍數(shù)為500倍，直接剪切試驗(yàn)固結(jié)壓力為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率為0.368mm/min。

圖1 SEM試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

分別取凍融循環(huán)0次、10次和20次試樣進(jìn)行SEM試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土孔隙逐漸增多，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用逐漸減弱，凍融循環(huán)后土顆粒排列逐漸趨于疏松多孔，這是主要是由于壓實(shí)濕陷性黃土中水分結(jié)冰膨脹，破壞了壓實(shí)濕陷性黃土原本的結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔隙中的固態(tài)冰融化時，土顆粒坍塌，土體結(jié)構(gòu)性越差，孔隙率逐漸增大。

2.2 濕陷性

壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)增大，凍融循環(huán)次數(shù)為0次時，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)小于0.015，說明壓實(shí)作用能有效的消除黃土的濕陷性，凍融循環(huán)次數(shù)為5次時，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)大于0.015，說明凍融循環(huán)作用能使壓實(shí)濕陷性黃土具有二次濕陷性。壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)具有明顯的對數(shù)關(guān)系，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于20次時，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)基本穩(wěn)定。這是由于凍融循環(huán)作用破壞了壓實(shí)濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)性，使得壓實(shí)濕陷性黃土的濕陷系數(shù)逐漸增大，而隨著凍融次數(shù)逐漸增多，壓實(shí)濕陷性黃土結(jié)構(gòu)性逐漸被破壞，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到20次時，壓實(shí)濕陷性黃土結(jié)構(gòu)性基本被破壞，隨凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增大，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

在季節(jié)性冰凍區(qū)域應(yīng)考慮凍融循環(huán)作用對壓實(shí)濕陷性黃土的影響，建議采用添加固化劑的方式消除濕陷性黃土的濕陷性，不建議采用壓實(shí)的方式對濕陷性黃土進(jìn)行處理，對建筑等級低，變形控制要求不高的建筑物，應(yīng)以凍融循環(huán)20次后的濕陷系數(shù)再乘以一個放大系數(shù)作為壓實(shí)濕陷性黃土的參考濕陷系數(shù)。

圖2 濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)周次關(guān)系曲線

2.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

不同凍融循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)濕陷性黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則確定，摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則如下。

τf=σtanφ+c

(1)

式中，τf—土體抗剪強(qiáng)度；σ—土體法向壓力；c—粘聚力；φ—土體內(nèi)摩擦角。

壓實(shí)濕陷性黃土內(nèi)摩擦角、粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線分別如圖3、4所示，由圖可以看出，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土內(nèi)摩擦角與粘聚力均逐漸減小，且凍融循環(huán)作用對壓實(shí)濕陷性黃土粘聚力降低明顯，內(nèi)摩擦角降低不明顯。這主要是由于凍融循環(huán)作用主要降低了濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)性，對顆粒間的摩擦作用降低并不明顯。

圖3 內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)周次關(guān)系線

圖4 粘聚力與凍融循環(huán)周次關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)后土顆粒排列逐漸趨于疏松多孔，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土孔隙逐漸增多，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用逐漸減弱。

(2)隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)增大，凍融循環(huán)作用能使壓實(shí)濕陷性黃土具有二次濕陷性，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)具有明顯的對數(shù)關(guān)系，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于20次時，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)基本穩(wěn)定。

(3)隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土內(nèi)摩擦角與粘聚力均逐漸減小，且凍融循環(huán)作用對壓實(shí)濕陷性黃土粘聚力降低明顯，內(nèi)摩擦角降低不明顯。

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