中原地區(qū)粉質(zhì)粘土凍融效應(yīng)下物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

唐東旗，劉艷玲,王 靜

(1.許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.許昌騰飛公路工程有限公司，河南 許昌 461000；3.鶴壁市公路管理局，河南 鶴壁 458000)

我國大部分地區(qū)都位于溫帶，多處于季節(jié)性循環(huán)凍融區(qū)，而季節(jié)性循環(huán)凍融會對巖土體物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響.青藏高原、東北地區(qū)、黃土高原地區(qū)等已成為研究循環(huán)凍融良好的實(shí)驗(yàn)場所，國內(nèi)眾多學(xué)者都對其進(jìn)行了研究探討[1-4].循環(huán)凍融造成巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[5-7]，從而造成強(qiáng)度降低[8]，對天然邊坡、人工邊坡以及冬季開挖的深基坑工程的邊坡穩(wěn)定性造成危害，而且其危害會隨著溫差、開挖基坑深度和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸加大.河南屬暖溫帶-亞熱帶、濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候，冬季寒冷，溫度較低，極端最低氣溫達(dá)到-21.7 ℃，河南中北部地區(qū)冬季平均低溫在-5～-15 ℃，晝夜溫差大，勢必造成白天和晚上形成循環(huán)凍融現(xiàn)象.平原地區(qū)城市地下水位多在-5～-10 m，深基坑開挖深度都在-5 m以上.對于大部分深基坑而言，由于人工抽水作用，基坑邊坡土層自上而下含水量將從飽和向非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并且凍融作用造成土體中的水分向表層遷移，導(dǎo)致土體表層含水量在一定時(shí)間內(nèi)增加，從而對深基坑邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響.因此，通過對中原地區(qū)土層循環(huán)凍融下粉質(zhì)粘土的物理力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，可以為該區(qū)域基坑邊坡冬季施工安全維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義.

1 研究區(qū)概況

本研究所選區(qū)域?yàn)樵S昌市金石星海灣項(xiàng)目深基坑邊坡，該區(qū)域地面平坦，深基坑開挖深度為-8 m，地層至上而下為素填土、粉土、粉質(zhì)粘土，邊坡坡度為80°，地下水埋深為-5 m.

2 土體物理性質(zhì)

對采集的原狀土樣分別進(jìn)行了土體的密度、含水率、孔隙比、液塑限和顆粒分析試驗(yàn)，測試的結(jié)果見表1和圖1.土的塑性指數(shù)為15，土體為粉質(zhì)粘土.

土體粒徑主要集中在10～30 μm之間，且級配程度表現(xiàn)為Cμ=d60/d10=10.5/1.8=5.83(土顆粒粒組分布不均勻)，CC=d302/(d60·d10)=1.22(土顆粒級配曲線連續(xù))，為級配良好的土.

表1 土樣物理性質(zhì)

圖1 粒度分布圖

3 循環(huán)凍融作用下土體物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律

3.1 凍融試驗(yàn)

凍融試驗(yàn)設(shè)備采用南京環(huán)科試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的GDW-500型高低溫凍融試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融試驗(yàn)，凍融試驗(yàn)儀器各項(xiàng)主要指標(biāo)如下：溫控區(qū)間：-40～150 ℃，溫度浮動度：±0.5 ℃，時(shí)間設(shè)定區(qū)間：0～9 999 h，電源要求：AC380(±10%)V/50 Hz.

為便于試驗(yàn)和模擬自然狀態(tài)下土體的凍融情況，單次凍融循環(huán)的周期時(shí)間定為24 h.凍融次數(shù)與溫度根據(jù)工程實(shí)際與已有的研究經(jīng)驗(yàn)選取土樣的凍結(jié)融化溫度和次數(shù)，溫度一般不大于一天內(nèi)氣溫轉(zhuǎn)變差.為了試驗(yàn)現(xiàn)象突出，適當(dāng)加大選取的溫度差值，本試驗(yàn)規(guī)定將凍融溫度差值控制在上下浮動20 ℃以內(nèi)的溫度，即凍結(jié)溫度為-10 ℃，融化溫度為10 ℃.本試驗(yàn)中，考慮到凍融循環(huán)初期凍融破壞作用強(qiáng)烈，以及隨著循環(huán)次數(shù)的累積破壞作用逐漸加強(qiáng)，在前期增加現(xiàn)象觀測次數(shù)，凍融循環(huán)次數(shù)分別選取為1、3、5、7、10、15、20 次.

循環(huán)凍融試驗(yàn)由高低溫凍融箱來實(shí)現(xiàn)，把制備好的土樣置于自封袋，排氣處理，標(biāo)記好后放入凍融箱中，此外，還要注意在土樣的放置過程中不能將各試樣疊加放置，更不能在試樣表面放置其他雜物，以免影響試樣受溫的均勻性.設(shè)置好凍融試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度開始凍結(jié)融化循環(huán)過程，經(jīng)凍融循環(huán)后，分別把土樣取出進(jìn)行土樣表面特征觀察和測試土樣的密度、含水量和孔隙比以及土體抗剪強(qiáng)度，觀察的內(nèi)容包括土樣體積變化、表面特征以及多次循環(huán)后的連續(xù)變化情況.

3.2 凍融循環(huán)的表面特征

從圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，環(huán)刀邊緣的空隙逐漸增大，說明土體的凍融過程中含水量發(fā)生了變化，凍結(jié)時(shí)，水分遷移到表面和外面所包裹的薄膜上，造成了含水量降低，土體體積產(chǎn)生一定的收縮；凍結(jié)時(shí)，表層土體含水量較高，凍脹力較大，超過了土體本身的抗拉強(qiáng)度，從而產(chǎn)生裂縫，并且裂縫隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸擴(kuò)展.

圖2 不同凍融循環(huán)后試樣形態(tài)變化

3.3 凍融循環(huán)對孔隙比影響

在凍融循環(huán)過程中出現(xiàn)體積不斷擴(kuò)大的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)初期未凍結(jié)的自由水由于毛細(xì)作用向已凍結(jié)鋒面遷移，導(dǎo)致原來的土顆粒與自由水的吸附平衡被破壞，為冰晶體的擴(kuò)張?zhí)峁┯欣麠l件，最終形成膨脹現(xiàn)象.在凍融初期體積變化量顯著，第7次及以后試樣體積不再發(fā)生明顯變化(圖3).

圖3 凍融循環(huán)過程中土樣體積的漸變情況

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)與孔隙比

土體發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，孔隙比發(fā)生變化，從孔隙比和凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系來看(圖4)，在凍融次數(shù)較少時(shí)，隨凍融次數(shù)的增加孔隙比逐漸加大，但當(dāng)凍融循環(huán)增加到一定次數(shù)后(7次)孔隙比逐漸減小，達(dá)到10次以上時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定.

3.4 凍融循環(huán)對土體強(qiáng)度影響

土體在凍融過程中，土顆粒內(nèi)部水分發(fā)生液相結(jié)晶現(xiàn)象，毛管孔隙間的孔隙水轉(zhuǎn)變?yōu)楸w，液相水凍脹增大了土顆?？紫堕g的間距，破壞土顆粒內(nèi)部原來的結(jié)構(gòu)形態(tài)和聯(lián)接狀態(tài)，并且兩者分別與內(nèi)摩擦角和粘聚力有密切關(guān)系.

圖5 不同凍融循環(huán)后試樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

凍融試驗(yàn)后的直剪試驗(yàn)結(jié)果表明：在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度較高，而隨著凍融次數(shù)的增加，土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)在7～9次以后，其抗剪能力趨于穩(wěn)定(圖5).根據(jù)土體的強(qiáng)度影響因素來看，土體是有一定的結(jié)構(gòu)性的，要想使得土體發(fā)生破壞首先就需要破壞土體的結(jié)構(gòu)性.凍融循環(huán)過程中是土體中的水遷移膨脹的過程，這種膨脹一方面破壞了土體顆粒之間原有的鏈接，加大了間距，孔隙比增加，松散程度增加，在受到外力時(shí)容易被破壞；另一方面這種水分遷移增加了局部含水量，為土體整體抗剪強(qiáng)度的降低提供了有利條件.

土體循環(huán)凍融對土體的強(qiáng)度影響主要表現(xiàn)在對土體粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響上，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果主要表現(xiàn)如下規(guī)律(圖6、圖7)：

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)與粘聚力

圖7 凍融循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角

粘性土土樣在多次凍融循環(huán)后，剪應(yīng)力逐漸減小，粘聚力逐漸降低.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到9次及以上，粘聚力變化逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于土體內(nèi)的液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楸w之后，破壞了原土顆粒間的鏈接狀態(tài).從測試結(jié)果來看，重塑土的重塑土樣粘聚力浮動范圍在47.8%以內(nèi)，

經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土體顆粒之間的間距加大，顆粒之間的更易相互移動，從試驗(yàn)結(jié)果來看，內(nèi)摩擦角前期變化比較顯著，后期的變化趨于平緩，說明初期的凍融循環(huán)對土體的結(jié)構(gòu)破壞影響較大，內(nèi)摩擦角浮動范圍在52.3%以內(nèi).

4 結(jié)論

通過對土體循環(huán)凍融試驗(yàn)主要得到以下幾條結(jié)論：

(1)土體在凍融后發(fā)生自由水由于毛細(xì)作用向已凍結(jié)鋒面遷移的遷移現(xiàn)象，體積逐步膨脹，密度下降，凍融次數(shù)達(dá)到7次及以上時(shí)趨于穩(wěn)定.

(2)土體在凍融4次及以上時(shí)在試樣邊緣處出現(xiàn)裂紋，并且裂紋逐步擴(kuò)展，達(dá)到9次以后表現(xiàn)穩(wěn)定.

(3)凍融循環(huán)后土體的強(qiáng)度逐步下降，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均下降，9次以后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；凍融循環(huán)對粉質(zhì)粘土的影響較大，強(qiáng)度變化大，將極大影響邊坡土體的穩(wěn)定性，對冬季施工產(chǎn)生威脅.

(4)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙比的變化關(guān)系呈現(xiàn)為先增加后減小，這種變化有待進(jìn)一步探討.