凍融循環(huán)對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)的影響分析

　，，，

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱　150040)

1　研究背景

軟土具有天然含水量大、壓縮性高、孔隙比大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)[1]。研究人員對(duì)我國(guó)南方沿海地區(qū)的軟土工程進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，取得了相當(dāng)豐厚的研究成果。胡漢兵等[2]以某高速公路軟土路堤為研究對(duì)象，結(jié)合高速公路軟土地基沉降監(jiān)測(cè)及沉降預(yù)測(cè)分析，對(duì)軟土地基處理做了相關(guān)研究；肖廣平[3]以天津?yàn)I海淤泥質(zhì)黏土為研究對(duì)象，從宏觀和微觀2個(gè)角度對(duì)軟土的固結(jié)蠕變變形性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)研究與分析；湯恒[4]采用理論分析和實(shí)際觀測(cè)對(duì)軟土地基的處理進(jìn)行了系統(tǒng)研究；康春光[5]對(duì)軟土地區(qū)路基沉降和側(cè)向變形影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，為當(dāng)?shù)氐墓I(yè)民用建筑、道路橋梁修筑、鐵道工程施工等提供了充足的理論依據(jù)，大大降低了軟土施工造成的危害與不利影響。

東北地區(qū)是我國(guó)濕地類型最多、面積最大、分布最廣的地區(qū)之一。我國(guó)北方地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，年溫差較大。尤其哈爾濱地區(qū)全年平均氣溫3.5 ℃，最低氣溫在1月份，最高氣溫分布在7—8月份，歷史最高氣溫41 ℃，最低氣溫-41.4 ℃。全年凍結(jié)期190 d左右，哈爾濱地區(qū)季節(jié)性凍土發(fā)育，每年10月末開始凍結(jié)，最大凍結(jié)深度1.98 m。雖然學(xué)者對(duì)我國(guó)北方季凍區(qū)軟土工程性質(zhì)也進(jìn)行了相關(guān)研究，但濕地軟土物理力學(xué)性質(zhì)研究成果還很少，多數(shù)仍停留在工程實(shí)踐階段。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凍融循環(huán)對(duì)各類土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響做了大量分析。凍融作用可以分為凍脹與融沉以及凍融循環(huán)對(duì)土體性質(zhì)影響等幾個(gè)方面[6]?，F(xiàn)有的凍脹理論相關(guān)的計(jì)算模型或機(jī)理解釋有Sill等[7]、Gold[8]和Everett[9]提出并發(fā)展起來的毛細(xì)理論；由Harlan[10]和Guymon等[11]提出關(guān)于熱耦合作用導(dǎo)致水分遷移的水動(dòng)力模型;Miller[12]提出的次凍脹模型等。有關(guān)凍土的融沉作用，Morgenstern等[13]提出了一維條件下的融化固結(jié)理論；Foriero等[14]基于一維大變形融化理論，建立了一維大變形融化固結(jié)理論。關(guān)于凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響分析，馬宏巖等[15]提出在單向凍結(jié)條件下，飽和粉質(zhì)黏土凍脹變形受冷端溫度、壓實(shí)度、溫度梯度和補(bǔ)水條件等的影響；丁智等[16]通過室內(nèi)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M凍結(jié)法施工后凍融軟土在地鐵循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力特性，分析了孔壓發(fā)展及微觀結(jié)構(gòu)；王偉等[17]對(duì)不同凍融循環(huán)作用后的原狀濱海軟土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，分析了軟土力學(xué)性質(zhì)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化。

本文擬通過對(duì)東北季凍區(qū)濕地軟土進(jìn)行研究，分析凍融循環(huán)作用下軟土的凍脹與融沉規(guī)律，并通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)分析軟土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加其力學(xué)性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)規(guī)律，深入掌握濕地淤積結(jié)構(gòu)性軟土的物理力學(xué)性質(zhì)，為季凍區(qū)濕地軟土的工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

2　土樣性質(zhì)及試件制備

2.1　土樣性質(zhì)

試驗(yàn)所用軟土土樣取自哈爾濱市松花江避暑城戰(zhàn)備路工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目路段全長(zhǎng)約1 299.297 m，起止里程ZBK0+060—ZBK2+239.275，場(chǎng)地類型為潮濕-過濕類。結(jié)合該道路工程某一路段，取土深度11 m，首先進(jìn)行原狀土試樣指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)得其物理基本指標(biāo)見表1。

表1　土樣物理特性指標(biāo)

2.2　試件制備

對(duì)土樣進(jìn)行描述后將塊狀擾動(dòng)土樣風(fēng)干至可碾散。根據(jù)試驗(yàn)所需土樣數(shù)量，將用木碾碾散后的土樣過2 mm篩，并充分拌勻。取代表性土樣測(cè)定其含水率，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)配制所要求含水率土樣。本文采取三軸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件，土樣尺寸均采用試樣高度為80 mm、直徑為39.1 mm的圓柱形，配制土樣含水率為30%。試樣制備采用壓樣法，分3層將濕土倒入壓模內(nèi)，拂平土樣表面，控制試件質(zhì)量準(zhǔn)確至0.1 g，以靜壓力將土樣壓至一定高度，用推土器將土樣推出。

3　試驗(yàn)方案

為研究?jī)鋈谘h(huán)作用下軟土凍脹融沉特性以及凍融循環(huán)作用對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)的影響，從2個(gè)方面進(jìn)行研究：一方面，對(duì)軟土試件經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行體積量測(cè)，研究軟土隨凍融循環(huán)次數(shù)的凍脹融沉規(guī)律；另一方面，通過三軸試驗(yàn)分析不同凍融循環(huán)次數(shù)下軟土抗剪強(qiáng)度τ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律。

3.1　凍融試驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)模擬大氣環(huán)境下土層自上而下的凍融過程，將制備好的三軸標(biāo)準(zhǔn)試件按序排列擺放在自制保溫箱內(nèi)，保溫箱呈立方體狀，四周加封10 cm厚泡沫保溫板，不加頂蓋。然后將保溫箱放入DX40-200低溫試驗(yàn)箱，儀器恒溫范圍-40 ℃～25 ℃，其溫度控制精度為±1 ℃。凍融循環(huán)溫度設(shè)置為：-20 ℃條件下凍結(jié)12 h，20 ℃條件下融化12 h；凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)置為0，1，3，6，10，15次。因凍融循環(huán)過程涉及到水分遷移，為防止水分蒸發(fā)流失，除為試件套設(shè)橡皮膠套外另設(shè)一層保鮮膜。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行試件取平均值。

3.2　凍脹融沉測(cè)定

為探究?jī)鋈谘h(huán)作用下試件的凍脹融沉規(guī)律，對(duì)經(jīng)歷凍脹與融沉后的試件進(jìn)行體積觀測(cè)。在經(jīng)歷每次凍融后，小心將試件取出去除外圍保鮮膜，分別對(duì)3個(gè)平行試件進(jìn)行直徑與高度的測(cè)量。測(cè)量工具采用無錫游標(biāo)卡尺，量程0～150 mm，精度0.02 cm?？紤]在凍融循環(huán)過程中試件變形的不均勻性，對(duì)每個(gè)試件沿高度方向進(jìn)行5次橫斷面直徑測(cè)量取平均值，高度變化則任意選定試件2個(gè)豎向正交方向進(jìn)行4次測(cè)量取平均值。

3.3　三軸試驗(yàn)

為研究軟土力學(xué)性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)作用的變化情況，將經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件進(jìn)行體積測(cè)定后立即準(zhǔn)備三軸試驗(yàn)。武尚等[18]通過三軸試驗(yàn)對(duì)灰?guī)r屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系進(jìn)行了探討；張玉等[19]研究了碎屑砂巖在三軸壓縮下的強(qiáng)度和變形特性；樂崇浩[20]基于減壓三軸壓縮試驗(yàn)對(duì)裂隙性黃土的力學(xué)特性、變形破壞機(jī)理、本構(gòu)模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。針對(duì)軟土施工性質(zhì)，本次試驗(yàn)采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)中的不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ全自動(dòng)三軸儀(圖1)，圍壓設(shè)定為50，100，200 kPa 3種狀態(tài)，剪切速率設(shè)定為0.6%/min，試驗(yàn)結(jié)果以出現(xiàn)剪切峰值為標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　TSZ全自動(dòng)三軸儀

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1　凍脹融沉規(guī)律

按照上述試驗(yàn)方案對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的試件進(jìn)行體積測(cè)定，D0，D1，D3，D6，D10，D15依次表示各凍融循環(huán)工況。將D0組試件置于室溫條件下，不參與凍融循環(huán)，其余條件均與試驗(yàn)組相同，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后繪制如圖2所示。

圖2　各次凍融循環(huán)作用條件下凍脹融沉規(guī)律

對(duì)比D0情況，由圖2可得，D0組在相同時(shí)間間隔內(nèi)體積增大僅0.98%。分析認(rèn)為，試件在制備過程中通過萬能液壓儀提供靜壓力，制件完成后在靜置條件下，應(yīng)力釋放，導(dǎo)致土體體積在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)回彈趨勢(shì)；而D1組在經(jīng)歷第1次凍結(jié)后體積膨脹率為4.62%，經(jīng)過12 h的融化，體積收縮率為3.40%；D3組試件在經(jīng)歷第3次凍結(jié)后，體積膨脹率為2.23%，體積收縮率1.78%；D6，D10，D15組試件在經(jīng)歷各次凍融循環(huán)后體積變化率幾乎為0，可忽略不計(jì)。由此分析可得，在經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后，試件體積變化逐漸趨于穩(wěn)定，凍脹融沉現(xiàn)象已出現(xiàn)小范圍波動(dòng)定值。

土體在凍結(jié)過程中出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象主要是因?yàn)楸w的存在。隨著溫度的逐漸降低，土體中所含水分處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí)自由水開始凍結(jié)，自由水凍結(jié)完成后結(jié)合水進(jìn)一步凍結(jié)。隨著凍結(jié)過程的發(fā)生，孔隙水凍結(jié)成冰，冰晶體體積增大破壞土顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用,導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙增大，土骨架重新排列。而冰晶融化之后，土體不可能恢復(fù)原狀，所以導(dǎo)致融化后體積收縮率略小于膨脹率。

從微觀角度進(jìn)行分析，胡學(xué)濤等[21]在固化污泥不同凍融循環(huán)次數(shù)掃描電子顯微鏡圖(Scanning Electron Microscope，SEM)分析中對(duì)孔隙大小進(jìn)行如下分類：微孔(<0.1 μm)、介孔(0.1～1.0 μm)、小孔(1～10 μm)、中孔(10～100 μm)、大孔(>100 μm)。研究表明，在第1—第5次凍融循環(huán)結(jié)束后，大孔、中孔、微孔體積百分比變化不大，而介孔體積百分比明顯減小，小孔體積百分比顯著增大。5次凍融循環(huán)以后，小孔、介孔百分比均趨于穩(wěn)定，而中孔和大孔體積明顯增大，但孔隙體積總量相差卻很小，孔隙總體積基本相同。此研究結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果殊途同歸，從宏觀、微觀2個(gè)方面均表明在凍結(jié)初期，土體在凍融循環(huán)作用下發(fā)生體積變化，第1次凍結(jié)對(duì)土體的凍脹影響最為強(qiáng)烈，當(dāng)經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后，土體體積雖仍有小范圍波動(dòng)，但已逐漸趨于定值，凍脹融沉現(xiàn)象穩(wěn)定。

4.2　三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

凍融循環(huán)作用對(duì)軟土力學(xué)性質(zhì)的影響分析至關(guān)重要。本文通過對(duì)經(jīng)歷各次凍融循環(huán)作用后的試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)，測(cè)定其抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)作用的變化，并做如下分析。

如圖3所示，通過測(cè)定不同圍壓、不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下的軟土抗剪強(qiáng)度。剪切峰值(σ1-σ3)的變化隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且在第6次凍融循環(huán)完成后出現(xiàn)最小值。在經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)后，軟土剪切峰值降低為原狀土的90%，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，當(dāng)凍融循環(huán)到第6次時(shí)，剪切峰值降低為原狀土的80%。在第6—第15次凍融循環(huán)過程中，軟土剪切峰值逐漸增大，經(jīng)歷10次凍融以后，逐漸趨于平緩，15次凍融循環(huán)結(jié)束后，恢復(fù)到凍融循環(huán)作用之前95%以上。

圖3　不同圍壓下剪切峰值與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4　抗剪強(qiáng)度隨圍壓變化規(guī)律

軟土抗剪強(qiáng)度大小與圍壓變化有顯著關(guān)系，隨著圍壓增大，軟土抗剪強(qiáng)度值明顯增大。任取D0組試件σ-τ圖(圖4)可得，軟土抗剪強(qiáng)度隨圍壓變化可由摩爾-庫倫定律τf=c+σtanφ表示。且各次凍融循環(huán)結(jié)束后的抗剪強(qiáng)度變化均滿足如圖3所示規(guī)律，各莫爾應(yīng)力圓相關(guān)系數(shù)R≥0.90，因文章篇幅有限不作贅述。

圖5(a)為黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。由圖5(a)可得，黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，且在6次循環(huán)完成后出現(xiàn)最小值，第6—第15次凍融循環(huán)過程中，軟土黏聚力不斷增大。黏聚力c與抗剪強(qiáng)度τ隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如出一轍(如圖3)，可見黏聚力c的變化對(duì)軟土抗剪強(qiáng)度的影響有顯著作用。

圖5(b)為內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。由圖5(b)可得，內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)作用在一定范圍內(nèi)雖有所波動(dòng)，但其角度變化控制在1°范圍之內(nèi)。由摩爾-庫倫定律，內(nèi)摩擦角tanφ變化量級(jí)只有0.01，對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。因此，可認(rèn)為凍融循環(huán)作用對(duì)軟土內(nèi)摩擦角φ無影響，軟土抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與內(nèi)摩擦角無顯著關(guān)系。

圖5　黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

常丹等[22]通過凍融循環(huán)對(duì)青藏粉砂土力學(xué)性質(zhì)研究得到，在凍融7～9次以后，試樣的抗剪強(qiáng)度降到最低，后又隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸升高。且通過考慮交互作用時(shí)靜強(qiáng)度影響因素的顯著性檢驗(yàn)，得出凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響較大，凍結(jié)溫度對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響較小且無明顯規(guī)律。

根據(jù)對(duì)土體凍融循環(huán)作用后的微觀結(jié)構(gòu)及孔壓變化的分析[23]，在軟土凍結(jié)前，經(jīng)觀察土體單元多為塊狀，以面-面形式接觸，土顆粒之間接觸緊密。在低溫凍結(jié)作用下，因?yàn)楸w的凝結(jié)導(dǎo)致土體不均勻擠密，破壞原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?？紫端诨罅粝螺^大孔隙，土體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)絮狀和蜂窩狀，土顆粒多以點(diǎn)-面、點(diǎn)-點(diǎn)形式接觸。同時(shí)，顆粒間孔隙也明顯增多。凍脹作用導(dǎo)致土體之間的聯(lián)結(jié)作用被破壞，使土體顆粒間黏聚力下降。隨著冰晶體的融化，因?yàn)榭紫端畞聿患芭懦?，?dǎo)致土體孔壓急劇上升，土體有效應(yīng)力減小，土體抗剪強(qiáng)度減弱。第1次凍融循環(huán)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)破壞最為明顯，導(dǎo)致土體骨架重新排列，土體抗剪強(qiáng)度、黏聚力減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)造成二次、多次破壞，當(dāng)達(dá)到第6次凍融循環(huán)后，土體新的骨架排列形成，土體顆粒間的聯(lián)結(jié)力達(dá)到二次平衡，且凍融循環(huán)作用作為影響土體結(jié)構(gòu)性的一個(gè)擾動(dòng)因素，與擾動(dòng)、浸水和加荷破壞土的結(jié)構(gòu)性具有相同的性質(zhì)，因此可用凍融結(jié)構(gòu)勢(shì)[24]來解釋第6—第15次凍融循環(huán)作用過程中土體抗剪強(qiáng)度逐漸增大的現(xiàn)象。因土體的摩阻力由土顆粒之間的摩擦作用引起，而凍融循環(huán)作用只破壞土體顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用，對(duì)土粒本身的顆粒大小、形狀等無影響，所以內(nèi)摩擦角φ不隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化。

5　結(jié)　論

本文通過對(duì)凍融循環(huán)作用后的軟土試件進(jìn)行體積量測(cè)及三軸試驗(yàn)，根據(jù)宏觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及對(duì)軟土在凍融循環(huán)作用過程中的凍脹融沉規(guī)律、力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)變化的微觀分析，得出如下研究成果：

(1)土體經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，由于孔隙水的凍結(jié)與融化，土體孔隙含量、孔隙大小將發(fā)生變化導(dǎo)致土體出現(xiàn)凍脹融沉現(xiàn)象。第1次凍融循環(huán)對(duì)軟土凍脹融沉影響最為強(qiáng)烈，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，軟土體積凍脹率呈增大趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到6次循環(huán)時(shí)基本趨于穩(wěn)定，第6—15次凍融循環(huán)過程中，試件體積變化雖有小范圍波動(dòng)，但可忽略不計(jì)。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，軟土抗剪強(qiáng)度τ呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且在第6次凍融循環(huán)后出現(xiàn)最小值，隨后抗剪強(qiáng)度又隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多不斷增大，15次凍融循環(huán)后軟土抗剪強(qiáng)度值幾乎與凍融循環(huán)作用前保持一致。

(3)通過微觀分析，對(duì)引起軟土抗剪強(qiáng)度變化的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)黏聚力c對(duì)軟土抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)作用的變化有顯著影響。而內(nèi)摩擦角φ隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加變化值控制在1°之內(nèi)，與軟土抗剪強(qiáng)度的變化無關(guān)。