凍融循環(huán)作用下重塑黃土強(qiáng)度劣化試驗(yàn)研究

周有祿，武小鵬，李 奮，劉賀業(yè)

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

關(guān)于凍融循環(huán)作用的研究，主要是凍脹和融沉對(duì)工程的影響，大量的研究都致力于防凍脹、融沉的措施等。凍融循環(huán)作用對(duì)黃土工程性質(zhì)的影響大致分為對(duì)黃土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)2方面。邴慧等[1]以蘭州黃土為研究對(duì)象，在通過(guò)不同的凍融循環(huán)次數(shù)后含鹽土在常溫下的應(yīng)力應(yīng)變呈脆性破壞，而經(jīng)凍融循環(huán)后的試樣呈弱塑性破壞。WANG等[2]對(duì)細(xì)粒土的破壞強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行凍融前后的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)土樣的彈性模量和破壞強(qiáng)度經(jīng)歷7次凍融循環(huán)后可應(yīng)用于寒區(qū)工程設(shè)計(jì)過(guò)程。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的黏聚力呈下降趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角呈增加趨勢(shì)。楊成松等[3]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后的土體干重度趨于某一定值，且這一定值與土體的種類有關(guān)，凍融循環(huán)后的土體含水率比初始含水率大。齊吉琳等[4]研究了凍融作用對(duì)超固結(jié)土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生了變化；凍融過(guò)程會(huì)改變土顆粒的排列和聯(lián)結(jié)。宋春霞等[5]認(rèn)為凍融循環(huán)對(duì)不同干重度的土具有強(qiáng)化和弱化的雙重作用。倪萬(wàn)魁等[6-8]認(rèn)為反復(fù)凍融下黃土抗剪強(qiáng)度有明顯的劣化現(xiàn)象。張輝等[9]認(rèn)為凍結(jié)溫度對(duì)不同含水率原狀土樣凍融后黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響不顯著。

本文以青海東部Q3黃土為研究對(duì)象，對(duì)不同含水率的重塑黃土進(jìn)行不同凍融循環(huán)時(shí)的三軸試驗(yàn)，研究不同含水率的黃土在凍融循環(huán)條件下的力學(xué)特性，從而為青海黃土地區(qū)工程建設(shè)中的凍融災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 土樣制備

取青海東部一新建公路地基中Q3黃土，根據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備土樣。將原狀土樣切削下來(lái)的土風(fēng)干、碾碎，然后過(guò)2 mm篩。通過(guò)土工試驗(yàn)檢測(cè)土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將不同含水率和不同干密度的土樣放入凍融箱中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)(凍結(jié)溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃)，選取凍融周期為24 h(冷凍12 h，融化12 h)，分別進(jìn)行0，1，3，5次的凍融循環(huán)，隨后進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。凍融循環(huán)試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。三軸剪切試驗(yàn)圍壓采用100，200，300，400 kPa，剪切速率為0.8 mm/s。

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 黃土劣化的表觀分析

不同含水率和不同干密度的土樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)越多含水率越高，表面起皮和麻面越嚴(yán)重，即結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重。

不同凍融循環(huán)次數(shù)下土樣的表觀現(xiàn)象描述見(jiàn)表3?？芍?，凍融循環(huán)對(duì)土樣的破壞比較嚴(yán)重，在每次的凍融循環(huán)時(shí)由于水分遷移作用，使土樣表面含水率增加，從而使得土樣表面出現(xiàn)破碎。尤其當(dāng)土樣含水率較高時(shí)，在凍融循環(huán)后期土樣的變形較嚴(yán)重，一般邊緣向上隆起，表面變形不均勻，出現(xiàn)貫穿裂紋及松動(dòng)。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土樣的表觀現(xiàn)象描述

2.2 不同干密度下強(qiáng)度參數(shù)變化

不同干密度下含水率為15.6%的黃土強(qiáng)度參數(shù)變化見(jiàn)圖1?？芍?，試樣經(jīng)過(guò)1～5次凍融循環(huán)后黏聚力和內(nèi)摩擦角下降幅度都較大，但內(nèi)摩擦角在第5次凍融循環(huán)后略有變大。如試樣1黏聚力經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后由 40 kPa 下降至21 kPa，其下降率為47.5%；內(nèi)摩擦角經(jīng)過(guò)5次凍融循環(huán)后由29.5°下降至26.8°，其下降率為9.2%。黏聚力和內(nèi)摩擦角都與干密度基本呈線性正相關(guān)，即黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著干密度的增加而增加。

圖1 不同干密度下黃土強(qiáng)度參數(shù)變化

2.3 不同含水率下強(qiáng)度參數(shù)變化

不同含水率下干密度為1.75 g/cm3的黃土強(qiáng)度參數(shù)變化見(jiàn)圖2。

圖2 不同含水率下黃土強(qiáng)度參數(shù)變化

由圖2(a)可知，隨著含水率的增加土樣的黏聚力降低幅度較大，而且經(jīng)過(guò)1～5次凍融循環(huán)后，不同含水率下土樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其黏聚力均減小，其黏聚力與含水率基本呈線性負(fù)相關(guān)。通過(guò)線性回歸分析，其相關(guān)系數(shù)R2=0.997，回歸方程為y=-0.343x+33.25。

由圖2(b)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加內(nèi)摩擦角和黏聚力有基本相同的規(guī)律，其中內(nèi)摩擦角經(jīng)過(guò)第5次凍融后有所增大。主要原因是當(dāng)土樣含水率較低時(shí)，水分基本都是原位凍結(jié)，水分遷移不明顯，形成不了較大冰晶，即對(duì)土樣內(nèi)部破壞有限。當(dāng)含水率增加時(shí)，土顆粒之間的水膜變厚，凍結(jié)后土顆粒之間的冰晶體積顯著增大，融化時(shí)土顆粒之間的體積不會(huì)恢復(fù)到之前狀態(tài)，所以當(dāng)土樣處于較高含水率時(shí)土顆粒之間水膜較厚，顆粒之間的滑動(dòng)起主導(dǎo)作用，這時(shí)土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角就減小到最低。由此可見(jiàn)，初始含水率對(duì)非飽和黃土的強(qiáng)度參數(shù)影響很大。

2.4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度參數(shù)變化

土樣的含水率和干密度一定時(shí)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下黃土強(qiáng)度參數(shù)變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下黃土強(qiáng)度參數(shù)變化

由圖3(a)可知，經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，當(dāng)減小到一定值后就趨于穩(wěn)定。其特點(diǎn)是第1次凍融循環(huán)后，黏聚力的降低幅度大，經(jīng)過(guò)3次、5次凍融循環(huán)后，土樣的黏聚力下降幅度變緩趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖3(b)可知，經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，與黏聚力不同的是土樣的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出相反的變化。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的內(nèi)摩擦角有所增大。

在不同凍融次數(shù)下黏聚力和內(nèi)摩擦角出現(xiàn)以上變化現(xiàn)象分析如下：在凍融循環(huán)作用下，水分在土樣內(nèi)部和表面不斷凍結(jié)和遷移，土顆粒之間的連接及排列被破壞，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，黏聚力在不斷的下降。與此同時(shí)土樣中較大的土團(tuán)粒被破壞，此時(shí)土顆粒之間重新進(jìn)行了排列和結(jié)合，細(xì)顆粒不斷增多，即表面積增大，土顆粒之間的摩擦增加，最終表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角有所增加。

2.5 凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度參數(shù)擬合關(guān)系

對(duì)于給定含水率和干密度的土樣，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化趨勢(shì)，建立強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系式見(jiàn)式(1)和式(2)?？梢?jiàn)，c與凍融循環(huán)次數(shù)n呈指數(shù)關(guān)系,而φ與凍融循環(huán)次數(shù)呈拋物線關(guān)系。

3 結(jié)論

1)當(dāng)土樣初始含水率越高，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土顆粒間的膠質(zhì)越容易溶解，表面起皮和麻面越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。即初始含水率對(duì)非飽和黃土的強(qiáng)度參數(shù)影響很大。

2)不同干密度下，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著干密度的增大而增加，呈線性正相關(guān)關(guān)系。

3)不同含水率下，隨著含水率的增加，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低幅度都較大，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其黏聚力和內(nèi)摩擦角均減小。

4)當(dāng)土樣的含水率和干密度一定時(shí)，經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，土樣的黏聚力下降幅度變緩趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而內(nèi)摩擦角有所增大。

5)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合建立了強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系式。該關(guān)系式能較好反映黃土在凍融循環(huán)作用下的劣化規(guī)律。