凍融循環(huán)下粉質(zhì)黏土不排水剪切性狀的試驗研究

胡田飛 ，劉建坤 ，王青志 ，房建宏

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京，100044；2. 青海省交通科學(xué)研究院 多年凍土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室青海研究觀測基地，青海 西寧，810000)

在季節(jié)凍土區(qū)和多年凍土區(qū)，由于地表溫度變化，土中水凍結(jié)和融化的交替循環(huán)過程會引起土體變形和強度特性發(fā)生改變，進而影響凍土地基及上部路基等構(gòu)筑物的穩(wěn)定性[1?2]。目前，凍融循環(huán)的研究內(nèi)容包括凍脹和融沉變形、水分遷移、微觀結(jié)構(gòu)特征，以及由此引起的滲透性、應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系、彈性模量及力學(xué)指標(biāo)等方面的變化，還包括凍融循環(huán)影響因素的敏感性分析等[3?5]。其中，抗剪強度是控制各類土體穩(wěn)定性的主要因素，因此，確定凍融循環(huán)對土體剪切特性的影響規(guī)律往往是凍土工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。LEROUEIL等[6]發(fā)現(xiàn)黏土的不排水抗剪強度在凍融循環(huán)后顯著減小，且變化幅度與土體的初始液性指數(shù)有關(guān)。馬巍等[7]發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍結(jié)和融化強烈影響著石灰土的強度特性，石灰粉土的剪切強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸衰減。WANG等[8]認(rèn)為凍融循環(huán)使得青藏高原粉質(zhì)黏土從不穩(wěn)定態(tài)向動態(tài)穩(wěn)定態(tài)發(fā)展，破壞強度先減小、后增大，黏聚力逐漸減小，而內(nèi)摩擦角在一定范圍內(nèi)波動。王天亮等[9]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后石灰土的應(yīng)力?應(yīng)變曲線逐步由未凍融時的應(yīng)變軟化型過渡到應(yīng)變硬化型，黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，而內(nèi)摩擦角變化無規(guī)律可循。常丹等[10]發(fā)現(xiàn)壓實粉砂土的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，內(nèi)摩擦角先減小、后增大，在凍融7次時達(dá)到最小值，且冷卻溫度變化對粉砂土凍融循環(huán)效應(yīng)的影響并不顯著。HOTINEANU等[11]發(fā)現(xiàn)高塑性和低塑性黏土的黏聚力在凍融循環(huán)之后減小，而內(nèi)摩擦角輕微增大，且前者的劣化效應(yīng)更為顯著。同時，上述凍融循環(huán)效應(yīng)不一致的內(nèi)在機理也逐步被揭示。OZTAS等[12]發(fā)現(xiàn)土體在凍融循環(huán)下的劣化程度會隨初始含水率增大或冷卻溫度降低而逐漸增強，但是臨界含水率的存在使得抗剪強度隨之轉(zhuǎn)而增大。VIKLANDER[13?14]進一步發(fā)現(xiàn)了臨界干密度的存在，即當(dāng)初始干密度大于臨界干密度時，土體經(jīng)歷凍融循環(huán)后的密度、黏聚力和前期固結(jié)壓力會降低；反之，上述3個參數(shù)值均升高。LIU等[15]提出凍融循環(huán)下粉砂土應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系的歸一化因子，并建立了在不同圍壓、凍融循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力?應(yīng)變特性的歸一化方程。上述研究明確了凍融循環(huán)下各類土的力學(xué)性質(zhì)在不同物性指標(biāo)和環(huán)境因素影響下的變化規(guī)律，但并未涉及孔隙水壓力的發(fā)展特征及其對抗剪強度的影響規(guī)律。在荷載作用下，孔隙水壓力的累積和消散是土體變形和強度特性發(fā)生變化的主要原因之一，土性與環(huán)境因素的影響也可以在剪切過程中孔隙水壓力的差異上反映出來[16]。土體在凍融循環(huán)中的水分遷移和相變會引起含水率和干密度的重新分布，進而呈現(xiàn)出有別于均質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)。因此，通過孔隙水壓力發(fā)展特征可以進一步明確凍融循環(huán)對土體的影響。張蓮海等[17]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)下土體孔隙水壓力會周期性地減小和增大，且變化幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小。丁智等[18]發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載下土體孔隙水壓力發(fā)展速度隨凍結(jié)溫度降低或凍融循環(huán)次數(shù)增多而加快，穩(wěn)定孔壓也隨之增大。上述研究分別揭示了在無外部荷載和動荷載作用下凍融循環(huán)對孔隙水壓力發(fā)展特征的影響規(guī)律，但目前尚無針對靜荷載的相關(guān)研究，也缺乏有效應(yīng)力路徑和臨界狀態(tài)線、本構(gòu)關(guān)系等涉及彈塑性模型的凍融循環(huán)效應(yīng)研究。在工程實踐中，也一般按固結(jié)不排水試驗并同時測定孔隙水壓力的方法求取有效應(yīng)力強度指標(biāo)。開展凍融循環(huán)下土體靜力不排水剪切特性和孔隙水壓力發(fā)展特征的研究對評價和預(yù)測凍土工程穩(wěn)定性具有重要意義，為此，本文作者以青藏高原粉質(zhì)黏土為對象，通過凍融循環(huán)試驗和固結(jié)不排水三軸試驗，分析凍融循環(huán)對土體應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系、孔隙水壓力?應(yīng)變關(guān)系、有效應(yīng)力路徑、臨界狀態(tài)線及抗剪強度指標(biāo)等的影響規(guī)律，并提出凍融循環(huán)下粉質(zhì)黏土不排水抗剪強度指標(biāo)變化規(guī)律的預(yù)測模型。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗土樣

試驗土料為取自交通運輸部多年凍土研究觀測基地的粉質(zhì)黏土，經(jīng)烘干、混合均勻而成。土樣的顆粒級配曲線如圖1所示。根據(jù)GB/T 50123—1999“土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”中的規(guī)定，土的其他物性參數(shù)取值如下：土粒相對密度為2.64，液限為28%，塑性指數(shù)為10.3，最大干密度為1.828 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.8%。試樣的制備參照路基壓實要求，以最優(yōu)含水率和壓實度 95%為控制標(biāo)準(zhǔn)。采用分層擊實法制取直徑為39.1 mm、高度為80 mm的圓柱體試樣，其初始飽和度為70.7%，孔隙比為0.49。

圖1 土樣的顆粒級配曲線Fig. 1 Particle size distribution curve of tested soil

1.2 試驗方案

選擇凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓為試驗變量，進行2個因素的全面試驗。凍融循環(huán)試驗在專用試驗箱中進行，參考土料所在地區(qū)的季節(jié)平均溫度及常見的凍融循環(huán)試驗條件[8?10]，環(huán)境溫度分別設(shè)置為?5 ℃和20 ℃。凍結(jié)和融化時間分別設(shè)置為12 h，以保證試樣完全凍結(jié)和充分融化，此過程即為1次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)次數(shù)分別選取為0，1，3，6，9和12次。達(dá)到設(shè)計凍融循環(huán)次數(shù)后取出所需試樣進行固結(jié)不排水三軸試驗，其余繼續(xù)進行凍融循環(huán)試驗。

三軸試驗儀器選用南京土壤儀器廠的 TSZ?2型三軸儀，有效固結(jié)壓力分別選取50，100，150，200，300和400 kPa這6個水平，總計36組試驗。為體現(xiàn)凍融循環(huán)對試樣不排水剪切性質(zhì)的影響，三軸試驗對象為凍融循環(huán)試驗后的非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣，因此，依據(jù)試樣直徑變化量選擇相應(yīng)尺寸的透水石。試驗步驟如下：首先在飽和器中對試樣進行抽真空飽和。為保證試樣飽和度，將試樣裝入三軸儀后再進行分級反壓飽和，最大反壓力為600 kPa，保證孔隙水壓力系數(shù)檢測值達(dá)到0.98以上。然后進行有效固結(jié)壓力一定的各向同性固結(jié)過程；固結(jié)完成后保持圍壓不變，關(guān)閉排水閥，以0.05%/min的軸向速率進行不排水剪切試驗，結(jié)束應(yīng)變控制為20%。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系特征

圖2所示為在不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣固結(jié)不排水剪切試驗的應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由圖2(a)可知：未經(jīng)歷凍融循環(huán)試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型或弱應(yīng)變軟化型，偏應(yīng)力在較大軸向應(yīng)變時出現(xiàn)峰值，之后表現(xiàn)出微弱的應(yīng)變軟化。凍融循環(huán)1次后試樣的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系均改變?yōu)閼?yīng)變軟化型(見圖2(b))。原因在于，凍融循環(huán)引起土體微觀結(jié)構(gòu)改變，水分遷移、聚集和相變使得試樣內(nèi)部產(chǎn)生不利裂隙面，且在固結(jié)過程中無法完全恢復(fù)，降低了試樣抵抗外部變形的能力。當(dāng)軸向作用力達(dá)到試樣最大承載力時，土體骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，承載力下降，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征。同時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，應(yīng)力?應(yīng)變曲線位置逐漸下降(見圖2(c)~(d))，說明凍融循環(huán)具有連續(xù)的附加劣化作用。

不排水抗剪強度的確定標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線為穩(wěn)定型或應(yīng)變硬化型時以軸向應(yīng)變15%對應(yīng)的偏應(yīng)力為破壞點；當(dāng)應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變軟化型時采用峰值偏應(yīng)力為破壞點。不同圍壓和凍融循環(huán)次數(shù)條件下試樣的不排水抗剪強度如表1所示。由表1可知：不排水抗剪強度隨圍壓增加而逐漸增大。在相同有效固結(jié)壓力作用下，不排水抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小。圖3所示為在不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣不排水抗剪強度減小率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。由圖3可知：凍融循環(huán)對不排水抗剪強度的影響程度隨有效固結(jié)壓力增大呈逐漸降低的趨勢(圍壓為150 kPa條件除外)。其原因在于：有效固結(jié)壓力與土體屈服壓力之比越大，則土體壓縮性越大，由此凍融循環(huán)前后試樣固結(jié)程度的差異越小。

2.2 孔隙水壓力特征

圖2 不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress?strain curves of samples at different freeze-thaw cycles and confining pressures

表1 凍融循環(huán)下試樣的不排水抗剪強度Table 1 Undrained shear strength of samples after freeze-thaw cycling kPa

在不排水條件下孔隙水壓力的發(fā)生與發(fā)展是飽和土體變形與強度變化的重要影響因素，受到應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)力路徑及固結(jié)狀態(tài)等多種因素的影響。圖4所示為不同固結(jié)程度黏性土不排水剪切試驗中孔隙水壓力發(fā)展過程[16](其中 Δu為孔隙水壓力，u′為負(fù)孔隙水壓力，ε1為軸向應(yīng)變)。正常固結(jié)或弱超固結(jié)黏性土在剪切試驗中出現(xiàn)體積減小(剪縮)趨勢，此時土體內(nèi)部應(yīng)力會自動調(diào)整，產(chǎn)生正孔隙水壓力使有效周圍壓力減小來保持體積不變；強超固結(jié)黏性土的體積則呈先減小后增大(剪脹)趨勢，此時土體在試驗后期產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力使有效周圍壓力增加以保持體積不變。

圖3 不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣的不排水抗剪強度減小率Fig. 3 Decrease ratios of undrained shear strength ofsamples at different freeze-thaw cycles and confining pressure

圖4 黏性土不排水剪切試驗中孔隙水壓力發(fā)展過程[16]Fig. 4 Evolution process of pore water pressure of clay soil in undrained triaxial test[16]

圖5所示為在不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣固結(jié)不排水剪切試驗的孔隙水壓力?應(yīng)變曲線。由圖 5(a)可知：未凍融試樣的孔隙水壓力隨軸向應(yīng)變先增大、后減小，最終趨于穩(wěn)定；孔隙水壓力?應(yīng)變曲線存在峰值，體變趨勢表現(xiàn)為先剪縮、后剪脹。在低圍壓下，孔隙水壓力在加載初期迅速增大，在較小軸向應(yīng)變時達(dá)到峰值，之后變化幅度逐漸減小。當(dāng)圍壓為50 kPa時，孔隙水壓力迅速上升達(dá)到極限值，然后降為負(fù)值，表現(xiàn)為超固結(jié)土剪脹特性。圍壓越高，孔隙水壓力極限值越大，對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值越大(與圖2的應(yīng)力?應(yīng)變曲線相對應(yīng))；同時，孔隙水壓力趨于穩(wěn)定時對應(yīng)的應(yīng)變也增大。

由圖5(b)可知：凍融循環(huán)1次后試樣在不同圍壓下的孔隙水壓力?應(yīng)變曲線均有所上升。低圍壓下孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律為先增大、后輕微減小、再增大；而當(dāng)圍壓為300和400 kPa時，孔隙水壓力則隨軸向應(yīng)變持續(xù)增大，沒有明顯峰值，但增大幅度逐漸減緩。上述結(jié)果表明，凍融循環(huán)降低了試樣固結(jié)程度，且剪切過程中的剪縮趨勢在較高圍壓下相對明顯。由圖5(c)可知：當(dāng)圍壓為50 kPa時，試樣在整體上仍表現(xiàn)為剪脹，但剪脹趨勢隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減弱。同時，孔隙水壓力極限值逐漸增大，即對應(yīng)的有效圍壓逐漸減小，因此，凍融循環(huán)會引起試樣不排水抗剪強度降低。由圖5(d)可知：當(dāng)圍壓為200 kPa時，孔隙水壓力在初始3次凍融循環(huán)后的剪切過程中均會出現(xiàn)減小階段，而在凍融循環(huán)6次之后就呈持續(xù)增大的發(fā)展特征。因此，凍融循環(huán)和圍壓均會使試樣由超固結(jié)狀態(tài)逐漸向正常固結(jié)狀態(tài)發(fā)展。

圖5 不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣的孔隙水壓力?應(yīng)變曲線Fig. 5 Pore water pressure-strain curves of samples at different freeze-thaw cycles and confining pressure

在不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣不排水剪切破壞時的孔隙水壓力如表2所示。由表2可知：剪切破壞時孔隙水壓力隨凍融循環(huán)數(shù)或圍壓增加而逐漸增大，且增大幅度逐漸降低?？紫端畨毫ο禂?shù)可以用來表征孔隙水壓力對總應(yīng)力變化的影響和偏應(yīng)力對土體積變化的影響。剪切破壞時孔隙水壓力系數(shù)Af[19]的計算公式為

式中：Δσ1f為剪切破壞時的軸向總應(yīng)力增量；uf為剪切破壞時的孔隙水壓力增量。

表2 不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣不排水剪切破壞時的孔隙水壓力Table 2 Pore water pressure in undrained shear failure of samples at different freeze-thaw cycles and confining pressure kPa

圖6所示為剪切破壞時孔隙水壓力系數(shù)隨凍融循環(huán)數(shù)和圍壓的變化規(guī)律。由圖6可知：Af隨試樣固結(jié)程度而變；圍壓越大，超固結(jié)比越小，Af越大；試樣不排水剪切破壞時的孔隙水壓力系數(shù)隨凍融循環(huán)數(shù)增加而逐漸增大，即凍融循環(huán)引起固結(jié)程度降低，孔隙水壓力對總應(yīng)力的影響提高；當(dāng)圍壓為50 kPa時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，破壞時孔隙水壓力系數(shù)從負(fù)值增加到正值，說明試樣剪脹趨勢減弱。同時，圍壓越高，孔隙水壓力系數(shù)受凍融循環(huán)的影響程度也越低。根據(jù)黏性土孔隙水壓力系數(shù)的取值范圍可知[16]：在凍融循環(huán)作用下，低圍壓時試樣由強超固結(jié)狀態(tài)向一般超固結(jié)狀態(tài)發(fā)展，高圍壓時試樣則由一般超固結(jié)狀態(tài)向弱超固結(jié)或正常固結(jié)狀態(tài)發(fā)展。

圖6 不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣剪切破壞時的孔隙水壓力系數(shù)Fig. 6 Pore water pressure coefficient in shear failure samples at different freeze-thaw cycles and confining pressure

2.3 有效應(yīng)力路徑

應(yīng)力路徑指土體某一點的應(yīng)力變化過程在應(yīng)力空間中的軌跡。有效應(yīng)力路徑的變化與初始固結(jié)程度密切相關(guān)。不同固結(jié)程度黏性土在不排水剪切試驗中的典型量綱一化有效應(yīng)力路徑如圖7所示[16](其中，p′為靜水壓力；q為廣義剪應(yīng)力；σ′3為小主應(yīng)力)。在超固結(jié)狀態(tài)下，p'持續(xù)增大，應(yīng)力路徑向右上方發(fā)展；而在正常固結(jié)狀態(tài)下，p'先增大、后減小、再增大，偏應(yīng)力則持續(xù)增大，應(yīng)力路徑呈“S”型。

圖7 黏性土不排水剪切試驗應(yīng)力典型路徑[16]Fig. 7 Traditional stress paths of clay soil in undrained triaxial test

圖8 凍融循環(huán)下試樣的不排水剪切有效應(yīng)力路徑Fig. 8 Effective stress path of samples in undrained shear test after freeze-thaw cycling

圖 8所示為在不同凍融循環(huán)數(shù)和圍壓下試樣在p'?q平面上的不排水剪切有效應(yīng)力路徑及其對應(yīng)的臨界狀態(tài)線。臨界狀態(tài)線指在p'?q?v空間內(nèi)土體達(dá)到臨界狀態(tài)時對應(yīng)臨界狀態(tài)點的軌跡，三軸試驗確定的剪切破壞點即視為臨界狀態(tài)[20]。由圖8(a)可知：未凍融試樣的不排水剪切有效應(yīng)力路徑在低圍壓下基本向右上方發(fā)展，即為單調(diào)增大型，始終保持剪脹趨勢，表現(xiàn)為超固結(jié)土特征；隨著圍壓增加，有效應(yīng)力路徑開始呈“S”型，逐漸表現(xiàn)出正常固結(jié)土特征。同時，有效應(yīng)力路徑在剪切屈服后向右偏轉(zhuǎn)，沿臨界狀態(tài)線向上移動。分析其原因，在剪切試驗初期，軸向應(yīng)力增加使得靜水壓力p'不斷增大，孔隙水壓力明顯滯后。在第1個轉(zhuǎn)折點之前，軸向應(yīng)力對p'的積極作用占主導(dǎo)地位，因而應(yīng)力路徑顯示為向外凸出；此后，孔隙水壓力不斷增大，對p'的抑制作用開始占主導(dǎo)地位，曲線反向發(fā)展；達(dá)到第2個反彎點后，孔隙水壓力增勢放緩，甚至下降，平均主應(yīng)力再次增大，由此呈現(xiàn)“S”型應(yīng)力路徑。

由圖8(b)可知：在凍融循環(huán)作用下，由于試樣的應(yīng)變軟化特征，p'在試驗后期均逐漸減小，因此，土體結(jié)構(gòu)屈服后的有效應(yīng)力路徑達(dá)到臨界狀態(tài)線后向左偏轉(zhuǎn)，繼續(xù)沿臨界狀態(tài)線向左下方發(fā)展。同時，低圍壓下的路徑形態(tài)由單調(diào)增大型過渡為“S”型，反映出剪縮趨勢。由圖8(c)可知：當(dāng)圍壓為100 kPa時，有效應(yīng)力路徑隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)向p'?q平面左下側(cè)移動，說明相同軸向應(yīng)變對應(yīng)的孔隙水壓力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷累積和增大。由圖8(d)可知：當(dāng)圍壓為300 kPa時，有效應(yīng)力路徑隨凍融循環(huán)數(shù)也逐漸偏移，且由超固結(jié)狀態(tài)向正常固結(jié)狀態(tài)發(fā)展。對比圖8(c)和(d)可知：高圍壓下有效應(yīng)力路徑的偏轉(zhuǎn)程度比低圍壓下的大，且會相對快速地向左移動，其原因在于高圍壓使得試樣剪切時的孔隙水壓力較快增加，因而平均有效應(yīng)力的減小速率較大。

2.4 臨界狀態(tài)線

圖9所示為試樣在應(yīng)力空間p'?q平面上的臨界狀態(tài)線隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。由圖9可知：不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣有效應(yīng)力路徑達(dá)到極限狀態(tài)的臨界狀態(tài)線各不相同，臨界狀態(tài)線位置隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降。同時，試樣達(dá)到臨界狀態(tài)時的靜水壓力p'也隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，與圖8中有效應(yīng)力路徑的發(fā)展規(guī)律一致。圖9中臨界狀態(tài)線的線性擬合函數(shù)為q=Mp'+d(其中，M為應(yīng)力比；d為臨界狀態(tài)線的縱軸截距)，其參數(shù)取值如表 3所示(其中R2為相關(guān)系數(shù))。其中，直線斜率即臨界狀態(tài)應(yīng)力比M隨凍融循環(huán)次數(shù)而呈非線性減小，如圖10所示(其中n為循環(huán)數(shù))。

圖9 凍融循環(huán)下試樣的臨界狀態(tài)線Fig. 9 Critical state lines of samples after freeze-thaw cycling

表3 臨界狀態(tài)線的線性擬合參數(shù)取值Table 3 Linear curve-fitting parameters of critical state lines

圖10 臨界狀態(tài)應(yīng)力比M隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig. 10 Change of stress ratio M at critical state with number of freeze-thaw cycles

3 抗剪強度指標(biāo)的凍融循環(huán)效應(yīng)

抗剪強度指標(biāo)是計算土體強度和反映土體穩(wěn)定性問題的重要參數(shù)。以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，法向正應(yīng)力為橫坐標(biāo)，繪制破損莫爾應(yīng)力圓及不同圍壓下應(yīng)力圓的包線，然后根據(jù)包線斜率及其在縱坐標(biāo)軸的截距求抗剪強度。固法不排水試驗得到的實質(zhì)上是1條曲折狀的抗剪強度包線，前段對應(yīng)的是低圍壓下的超固結(jié)狀態(tài)，后段對應(yīng)的是高圍壓下的正常固結(jié)狀態(tài)，但實用上一般作1條所有應(yīng)力圓的共切直線。本文僅給出凍融循環(huán)6次時的破損應(yīng)力圓包線，如圖11所示(其中，ccu為總黏聚力，φcu為總內(nèi)摩擦力，c′為有效黏聚力，φ′為有效內(nèi)摩擦角，τ為抗剪強度，σ為圍壓)。由圖11可知：破損應(yīng)力圓半徑隨法向應(yīng)力增加而增大，即抗剪強度隨法向應(yīng)力增加而近似呈線性增大。

圖11 凍融循環(huán)6次后試樣抗剪強度包線Fig. 11 Shear strength envelopes of samples after six freeze-thaw cycles

不同凍融循環(huán)數(shù)下試樣的不排水抗剪強度指標(biāo)如表4所示。由表4可知：試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所降低，有效應(yīng)力強度指標(biāo)與總應(yīng)力強度指標(biāo)相比，φ′＞φcu，c′＜ccu，與兩者之間的一般規(guī)律相符[16]。同時，有效內(nèi)摩擦角的變化范圍為0~1.2°，總內(nèi)摩擦角的變化范圍為 0~0.8°，最終減小率分別為 4.16%和5.48%；有效黏聚力變化范圍為0~6.9 kPa，總黏聚力變化范圍為0~23.3 kPa，最終減小率分別為21.77%和28.07%，說明凍融循環(huán)對有效應(yīng)力強度指標(biāo)的影響程度比對總應(yīng)力強度指標(biāo)的要小，即 Δφ′＜Δφcu，Δc′＜Δccu。分析其原因，凍融循環(huán)后試樣在不同固結(jié)壓力下會恢復(fù)至不同固結(jié)程度，由此引起的孔隙水壓力差異導(dǎo)致有效應(yīng)力條件下破損應(yīng)力圓隨凍融循環(huán)次數(shù)的移動幅度比總應(yīng)力條件下應(yīng)力圓的移動幅度滯后，因此，有效應(yīng)力強度指標(biāo)的凍融循環(huán)變化幅度比總應(yīng)力強度指標(biāo)的低。

表4 凍融循環(huán)下試樣的不排水抗剪強度指標(biāo)Table 4 Undrained shear strength index of samples after freeze-thaw cycling

采用Logistic函數(shù)對黏聚力和內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進行歸一化處理，擬合公式為

式中：x0為未凍融試樣的黏聚力或內(nèi)摩擦角；n為凍融循環(huán)次數(shù)；A1，A2和A3為擬合參數(shù)。

圖12 凍融循環(huán)下試樣的有效應(yīng)力強度指標(biāo)擬合曲線Fig. 12 Fitting curve effective stress strength index of samples after freeze-thaw cycling

圖13 凍融循環(huán)下試樣的總應(yīng)力強度指標(biāo)擬合曲線Fig. 13 Fitting curves total stress strength index of samples after freeze-thaw cycling

表5 抗剪強度指標(biāo)的擬合參數(shù)Table 5 Curve-fitting parameters of shear strength index

圖12~13所示分別為有效應(yīng)力強度指標(biāo)和總應(yīng)力強度指標(biāo)的擬合曲線?？辜魪姸戎笜?biāo)的擬合參數(shù)取值如表5所示。由圖12~13可知：有效黏聚力和總黏聚力均呈逐漸減小的趨勢；而總內(nèi)摩擦角呈先減小、后穩(wěn)定的趨勢，有效內(nèi)摩擦角呈持續(xù)減小趨勢。分析其原因，孔隙水壓力處于球應(yīng)力狀態(tài)，不會引起土顆粒的相對位移，因此，總應(yīng)力強度指標(biāo)不能完整地體現(xiàn)凍融循環(huán)和周圍壓力環(huán)境對土體力學(xué)性質(zhì)的綜合影響。但是，土體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力改變引起的孔隙水壓力差異能夠通過有效應(yīng)力強度指標(biāo)反映出來，因此，有效應(yīng)力強度指標(biāo)可以更準(zhǔn)確地反映不同周圍壓力環(huán)境下土體的凍融循環(huán)效應(yīng)。

4 結(jié)論

1)凍融循環(huán)使得壓實粉質(zhì)黏土固結(jié)不排水試驗的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化型。不排水抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，相同應(yīng)變對應(yīng)的孔隙水壓力由于凍融循環(huán)或圍壓作用而逐漸增大，曲線形態(tài)所反映的固結(jié)程度由超固結(jié)狀態(tài)向正常固結(jié)狀態(tài)發(fā)展。試樣剪切破壞時的孔隙水壓力系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸增大。圍壓對凍融循環(huán)的劣化效應(yīng)具有抑制作用，抗剪強度和破壞時孔隙水壓力系數(shù)在凍融循環(huán)下的變化幅度均隨圍壓增大而降低。

2)壓實粉質(zhì)黏土在p'?q平面上的有效應(yīng)力路徑在低圍壓下呈單調(diào)增大型，隨著圍壓的增加變?yōu)椤癝”型。有效應(yīng)力路徑在凍融循環(huán)作用下逐漸向p'?q平面的左下側(cè)移動，高圍壓下路徑的偏轉(zhuǎn)程度比低圍壓下的要大，同時低圍壓下的路徑形態(tài)由單調(diào)增大型向“S”型過渡。p'?q平面上的臨界狀態(tài)線位置隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷下降，臨界狀態(tài)應(yīng)力比也隨之呈非線性減小。

3)不排水抗剪強度指標(biāo)均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小。有效應(yīng)力強度指標(biāo)和總應(yīng)力強度指標(biāo)相比，φ′＞φcu，c′＜ccu；而兩者在凍融循環(huán)下的變化幅度則表現(xiàn)為 Δφ′＜Δφcu，Δc′＜Δccu。凍融循環(huán)和周圍壓力的綜合效應(yīng)可以在孔隙水壓力發(fā)展差異上進一步體現(xiàn)出來，有效應(yīng)力強度指標(biāo)可以更為準(zhǔn)確地反映不同周圍壓力環(huán)境下凍融循環(huán)對土體力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。工程應(yīng)用中可采用Logistic函數(shù)對黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律進行擬合與預(yù)測。

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