摻礫心墻料凍融循環(huán)試驗(yàn)研究進(jìn)展

徐衛(wèi)衛(wèi)，石北嘯，劉賽朝，吳鑫磊

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000；2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；4.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000)

目前，在我國的新疆、西藏、甘肅等多年凍土和季節(jié)性凍土區(qū)，一些擬建和在建的大壩正在如期規(guī)劃和建設(shè)中，季節(jié)性凍土區(qū)凍融循環(huán)的危害將嚴(yán)重影響大壩的安全建設(shè)和運(yùn)行。如在高土石壩建成后的若干年里，壩體長期經(jīng)歷水位變化、溫差變化，以及各種因素的交互作用等導(dǎo)致壩體破壞。而在季節(jié)性凍土區(qū)的大壩建設(shè)中應(yīng)充分考慮凍融作用引起心墻料強(qiáng)度、孔隙率及滲透性的變化，防止因凍融循環(huán)作用引起堆石料密度及孔隙率的變化從而改變壩體的強(qiáng)度、滲透性，影響壩體的安全運(yùn)行。

針對我國在建及擬建的大壩在未來可能遭受凍融循環(huán)作用引起壩體的破壞，開展心墻料的凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析壩體可能產(chǎn)生的破壞區(qū)域，對保證寒區(qū)大壩安全顯得尤為必要。

1 黏土凍融力學(xué)特性研究

近來，關(guān)于土體凍融方面的研究主要在對比凍融前后土體的孔隙率、滲透性、干密度、變形與強(qiáng)度的變化等方面展開了大量的研究。并考慮前期固結(jié)狀態(tài)、凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、含水率、圍壓的影響作用等。

1.1 凍融前后力學(xué)性能的變化

1.1.1 孔隙率與密度之間的關(guān)系

土體的孔隙率與其密度密切相關(guān)，密度的改變引起孔隙率的變化，進(jìn)而影響著土體的滲透性。Viklander[1]提出了基于凍融作用的殘余孔隙比的概念，即松散土和密實(shí)土經(jīng)過凍融循環(huán)后趨向一個穩(wěn)定的孔隙比，土的力學(xué)特性也發(fā)生相應(yīng)的變化。證實(shí)了凍融會使松散土的孔隙比降低，密實(shí)度增加；而密實(shí)土則表現(xiàn)為相反的現(xiàn)象。肖東輝等[2-3]針對凍融循環(huán)作用下土體的滲透性及孔隙率的變化等，認(rèn)為凍融次數(shù)的增加，土的滲透性與孔隙率先減小后增加，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。王家澄等[4]認(rèn)為土體凍結(jié)過程中就可能出現(xiàn)大孔隙中水先凍結(jié),把大顆粒土先抬升并隨著小孔隙中水的凍結(jié)將大顆粒持續(xù)向上抬升的現(xiàn)象。齊吉琳等[5]認(rèn)為凍融作用對土的密度具有雙向作用，既能夠使松散土的密度增大孔隙比減小，又能夠使密實(shí)土的密度降低孔隙比增大。此外，孔隙比的變化還與土體的前期固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。

1.1.2 密度、孔隙率與滲透性之間的關(guān)系

凍融作用對土工程性質(zhì)的影響是由于分凝冰的出現(xiàn)改變了土骨架的結(jié)構(gòu)所造成的, 因此影響分凝冰或者分凝勢的因素也必然影響凍融后土的工程性質(zhì)，如孔隙率和干密度。Chamberlain等[6]認(rèn)為,凍融通過改變土的結(jié)構(gòu)性，如土中產(chǎn)生大孔隙、縱向微裂隙等, 從而使其垂直方向的滲透性增大。反復(fù)凍融不僅破壞了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力, 同時使土顆粒得以重新排列。目前，廣泛認(rèn)為凍融循環(huán)可以從多方面改變土的工程性狀,而這些都是通過改變土的結(jié)構(gòu)性實(shí)現(xiàn)的。一些研究還發(fā)現(xiàn)土的滲透性和密度經(jīng)3～5次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定[1，6-7]。

1.1.3 密度、強(qiáng)度與變形之間的關(guān)系

Simonsen E等[8]通過研究認(rèn)為，土體的彈性模量在經(jīng)歷一個完整的凍融循環(huán)后會降低20%～60%，而土顆粒的粗細(xì)程度會對凍融前后土彈性模量變化的幅度值產(chǎn)生一定的影響。土體強(qiáng)度的增大或者減小一方面常被認(rèn)為是凍結(jié)過程土體密度的變化和凍融作用對土的結(jié)構(gòu)性改變；另一方面跟土的狀態(tài)和試驗(yàn)條件也有關(guān),如果凍融導(dǎo)致土體含水量增大, 則土體強(qiáng)度就會降低，含水量不變時強(qiáng)度會增大。因此，在研究凍融循環(huán)引起土顆粒的強(qiáng)度變形等變化時，就不得不考慮含水率的影響。而在一些研究中也考慮了前期固結(jié)狀態(tài)、凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓等方面的影響作用。

1.2 凍融循環(huán)引起強(qiáng)度變化的差異性

凍融循環(huán)和含水率的作用對土顆粒強(qiáng)度參數(shù)的影響關(guān)系，目前得出的規(guī)律差異較大，并沒有統(tǒng)一的規(guī)律。有學(xué)者認(rèn)為凍融循環(huán)作用后土的黏聚力降低、內(nèi)摩擦角增大[9]，也有文獻(xiàn)認(rèn)為黏聚力降低而內(nèi)摩擦角無規(guī)律可循[10-11]，另有文獻(xiàn)認(rèn)為黏聚力先降低后升高而內(nèi)摩擦角不變[12]，以及黏聚力降低而內(nèi)摩擦角先降低后升高等[13]。而對于含水率變化產(chǎn)生的影響，則認(rèn)為抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而降低[14-15]，而袁俊平等[16]試驗(yàn)研究認(rèn)為，黏聚力在最優(yōu)含水率附近有峰值，而內(nèi)摩擦角則是在最佳含水率左側(cè)隨著含水率的增大而減小，在最佳含水率右側(cè)變化不明顯。方麗莉[17]對凍融前后的土樣進(jìn)行三軸剪切、電阻率與CT數(shù)的測量，從構(gòu)成土結(jié)構(gòu)性的兩個因素，即顆粒的排列和聯(lián)結(jié)出發(fā)，探討了凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性的改變以及由此導(dǎo)致的強(qiáng)度參數(shù)變化,發(fā)現(xiàn)黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。

1.3 凍融循環(huán)次數(shù)的不同對模型參數(shù)影響

董曉宏等[12]認(rèn)為黃土的黏聚力一般隨凍融次數(shù)的增加先減小后增大, 且含水率越低或者干密度越大, 黏聚力降到最低越慢, 一般在10次之內(nèi)可以降到最低。內(nèi)摩擦角在凍融開始時有所增大, 但是隨著凍融次數(shù)的增加呈波浪型, 可以認(rèn)為基本不變。黃土的強(qiáng)度變化和黏聚力類似, 也是隨凍融次數(shù)的增加先減小后趨于穩(wěn)定。一般強(qiáng)度在3～5次就可以降到最低, 且不同含水率黃土的強(qiáng)度下降比例相近。在長期凍融后期, 黃土劣化表現(xiàn)為變形、表面結(jié)構(gòu)損傷等其他方面。蘇謙等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)土體經(jīng)過10次凍融后，其黏聚力、內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，低密度土體的黏聚力有所提高，而高密度土體的黏聚力下降，內(nèi)摩擦角變化較小。而這可能與土的性質(zhì)(如黏土、砂礫石土、以及物理指標(biāo)密實(shí)度、土的前期固結(jié)狀態(tài)等)關(guān)系較大。

2 黏土凍融機(jī)理研究

土的凍融循環(huán)是土中的水在受到正負(fù)溫度變化的影響由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，再由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)循環(huán)往復(fù)的水的相變過程。土中水在凍結(jié)過后，冰的體積顯著大于水的體積，受冰的膨脹力的作用，土的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，凍結(jié)產(chǎn)生的冰塊向四周的擠壓為融化時水的流動提供了通道，在這一過程中，周圍的土顆粒產(chǎn)生擠壓，破壞了土顆粒之間的膠結(jié)，使土顆粒發(fā)生位移甚至破碎變形，孔隙狀態(tài)也同時發(fā)生改變。融化后，水在凍結(jié)時產(chǎn)生的通道內(nèi)流動，水流的作用會帶走部分細(xì)小顆粒甚至?xí)^續(xù)擴(kuò)大水流的流經(jīng)范圍，水的不斷遷移使土體的孔隙形態(tài)、顆粒排列等結(jié)構(gòu)性要素發(fā)生顯著改變，加上土循環(huán)往復(fù)的凍脹融沉，使得土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生了顯著性的改變而產(chǎn)生破壞。因此，凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性的影響變得更加復(fù)雜。凍融循環(huán)的影響因素有很多，主要有以下幾種典型情況。

2.1 含水率、凍結(jié)溫度與凍融次數(shù)之間的關(guān)系

含水率的多少對凍融循環(huán)引起顆粒的破壞影響較為明顯，含水率的多少將影響凍結(jié)前顆粒中水的流動面積以及流動方向，對于緊密的土顆粒，大量的薄膜水，將形成較大的凍結(jié)面積，土顆粒間的連接受到破壞，其密度、孔隙率、滲透性以及變形和強(qiáng)度的變化受其影響較為明顯。下面引用于基寧[19]就凍結(jié)溫度和含水率共同作用下凍融作用引起土體強(qiáng)度的變化的研究，如圖1和圖2所示。

圖1 溫度-3 ℃時含水量與qu的關(guān)系

圖2 溫度-7 ℃時含水量與qu的關(guān)系

由圖1和圖2可以看出，當(dāng)含水量和溫度共同作用時，溫度分別為-3 ℃和- 7 ℃，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，而且含水率在14%左右時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體強(qiáng)度減小的較明顯。凍融由1～3次強(qiáng)度減小的較為明顯，凍融7次與9次的土體強(qiáng)度越來越較為接近，這說明可能在凍融7次附近，土體強(qiáng)度已經(jīng)降到最低。

圖3 含水率11.87%時，溫度與qu的關(guān)系

圖4 含水率14.17%時，溫度與qu的關(guān)系

在圖3和圖4中，含水率一定時，隨著凍結(jié)溫度的降低，土體的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，含水率的增大，強(qiáng)度降低幅度較大，且含水率為14.17%時，凍融循環(huán)3次以內(nèi)，隨著溫度的降低，土體的強(qiáng)度下降呈直線型，隨著凍融次數(shù)的增加，土體的強(qiáng)度降低的程度減緩。溫度近似為15 ℃時凍融循環(huán)7～9次土體強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。

2.2 含水率與凍融次數(shù)之間的關(guān)系

劉寒冰[20]通過含水率和凍融次數(shù)對壓實(shí)黏質(zhì)土試樣力學(xué)特性的影響規(guī)律研究，研究發(fā)現(xiàn)：隨著凍融次數(shù)和含水率的增加，壓實(shí)黏質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變，試樣的破壞形式逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞；壓實(shí)黏質(zhì)土的極限強(qiáng)度、彈性模量和黏聚力均隨凍融次數(shù)的增加而呈衰減趨勢，內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)的關(guān)系并無規(guī)律可循，各力學(xué)參數(shù)均在經(jīng)歷 8 次凍融循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定；含水率對壓實(shí)黏質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)影響顯著，極限強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加大幅減小。

2.3 顆粒級配與固結(jié)狀態(tài)之間的關(guān)系

粗顆粒的凍融循環(huán)試驗(yàn)不僅與試驗(yàn)時的含水率有關(guān)，還與顆粒的級配有關(guān)。袁俊平等[21]認(rèn)為粗粒土凍融變形量受其顆粒粒徑大小的影響，如圖5所示。顆粒粒徑大小影響水分充滿孔隙的多少和水分的遷移通道，以及影響凍融過程中顆粒排列和孔隙分布。試樣凍脹變形量隨顆粒粒徑增大而逐漸減小; 而凍脹融沉后試樣總變形率隨限制粒徑呈現(xiàn)先增大再減小趨勢。此外，凍融循環(huán)還可以使土的顆粒級配發(fā)生變化[4]。

圖5 不同限制粒徑試樣變形率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線

Chamberlain 和Gow[6]認(rèn)為正常固結(jié)土在凍融過程中會發(fā)生超固結(jié)效應(yīng)，是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)過程中產(chǎn)生了負(fù)的孔隙水壓力，導(dǎo)致有效應(yīng)力的增加。齊吉琳等[5]對超固結(jié)土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與正常固結(jié)土相比較，超固結(jié)土在凍結(jié)初期不發(fā)生“凍縮”，而是立即發(fā)生凍脹，在融化初期不是立即發(fā)生融沉，而是具有短暫的“融脹”現(xiàn)象，土的密度在一個凍融循環(huán)完成之后略有降低。凍融過程中是否發(fā)生超固結(jié)效應(yīng)取決于土的初始狀態(tài)。對于正常固結(jié)或輕微超固結(jié)土，在凍結(jié)初期，凍結(jié)導(dǎo)致的負(fù)孔隙水壓力引起土中的有效應(yīng)力增大，并導(dǎo)致土樣體積減小，產(chǎn)生“凍縮”現(xiàn)象。整個凍融過程中超固結(jié)效應(yīng)占優(yōu)勢，孔隙比減小，土結(jié)構(gòu)得到強(qiáng)化；而對于強(qiáng)超固結(jié)密實(shí)土，由于具有較大的前期固結(jié)壓力，凍融作用對其效應(yīng)恰好相反。因此，在凍結(jié)初期是否存在短暫的“凍縮”或在融化初期是否存在短暫的“融脹”都取決于土樣的初始固結(jié)狀態(tài)。正常固結(jié)土或者弱超固結(jié)土?xí)l(fā)生“凍縮”，強(qiáng)超固結(jié)土?xí)l(fā)生“融脹”。

2.4 圍壓、應(yīng)力應(yīng)變與破壞強(qiáng)度之間的關(guān)系

常丹等[13]認(rèn)為凍融循環(huán)對土體的應(yīng)力-應(yīng)變的影響不僅與土的類型有關(guān)，還與土所承受的圍壓有關(guān)。在圍壓較低時，未凍融及凍融初期的粉砂表現(xiàn)出一定的軟化性，而經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)以后，其逐漸由軟化型轉(zhuǎn)化成硬化型；在圍壓較高時，未凍融及凍融以后的粉砂都表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的形式。粉砂土經(jīng)歷數(shù)次的凍融循環(huán)以后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形式不會隨著凍結(jié)溫度及圍壓的變化而改變，都將呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化特性，如圖6所示。

圖6 圍壓和凍結(jié)溫度的作用對應(yīng)力應(yīng)變的影響

近年來，隨著試驗(yàn)制樣技術(shù)的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的技術(shù)如CT(Computed Tomography)、SEM(Scanning Electron Microscope) 等試驗(yàn)裝置應(yīng)用于工程領(lǐng)域。這些技術(shù)因其能夠從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究凍融循環(huán)對土體孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而探究凍融循環(huán)對土強(qiáng)度的影響機(jī)制，因此在凍土試驗(yàn)中得到了一定的應(yīng)用。張先偉等[22]基于SEM和MIP試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)性黏土壓縮過程中的微觀孔隙變化規(guī)律，為后人獲取土的變形機(jī)制和合理的本構(gòu)關(guān)系提供了科學(xué)依據(jù)。張英等[23]對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的土樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的土體進(jìn)行掃描SEM試驗(yàn)和MIP試驗(yàn)，從微觀結(jié)構(gòu)角度研究凍融循環(huán)對土體孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，以探究凍融循環(huán)對土強(qiáng)度的影響機(jī)制如圖7所示。

圖7 典型凍融循環(huán)次數(shù)后土樣SEM圖像

葉萬軍[24]對黃土進(jìn)行CT和SEM試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融環(huán)境下試樣微結(jié)構(gòu)如內(nèi)部微裂隙、孔洞等不斷發(fā)育演化，試樣孔徑不斷增大，微裂紋、微孔洞隨之生成，大顆粒不斷分解成小顆粒，顆粒間的連接作用減弱，造成細(xì)觀尺度試樣高密度區(qū)不斷減小，中、低密度區(qū)不斷增大，這一過程弱化了土的強(qiáng)度。這類似于堆石料在受外界環(huán)境如壓力作用下，粗骨料的逐漸破碎，骨架結(jié)構(gòu)的破壞，顆粒間的咬合作用減弱，細(xì)顆粒逐漸填充孔隙，顆粒進(jìn)一步被壓實(shí)，峰值強(qiáng)度的提高與變形的增大相類似，卻又因?yàn)榱Φ男问蕉胁煌?/p>

3 摻礫心墻料研究

我國心墻堆石壩建設(shè)起步相對較晚，但發(fā)展非常迅速，我國已建成最高261.5 m的糯扎渡心墻壩。心墻料是心墻堆石壩的重要組成部分，它必須滿足大壩防滲、變形和穩(wěn)定等要求。黏土心墻料的滲透性較小，可以較好的滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[25]對心墻料防滲性的要求，在一些低壩中較好的應(yīng)用。然而，隨著壩高的增加，心墻與兩側(cè)壩殼堆石料的變形量差異越來越大，因變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的拱效應(yīng)明顯，心墻內(nèi)的豎向應(yīng)力顯著減小而產(chǎn)生心墻水力劈裂的可能性會增大，黏土心墻已不能滿足200.0 m級高壩工程防滲、變形和穩(wěn)定的要求。摻礫石心墻料因其在能夠滿足滲透性的同時滿足壩體防滲性減小、心墻水力劈裂，心墻料的強(qiáng)度提高和壓縮性的減小，能夠適應(yīng)整個壩體的變形協(xié)調(diào)，在我國高土石壩中得到了較好的應(yīng)用[26-29]。

馬洪琪[27，30]在研究糯扎渡心墻料的過程中，認(rèn)為礫質(zhì)土料中的礫石開始起骨架作用的含礫量P5約為30%～40%， 礫石含量小于該含量時，礫質(zhì)土全料的干密度隨礫石含量成比例增加，細(xì)料可以得到充分壓實(shí)。糯扎渡農(nóng)場土料場混合料摻礫 35%后的土料抗變形和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較混合料均有較大提高，土體強(qiáng)度和變形性能較好以及細(xì)粒料的滲透穩(wěn)定性等方面較優(yōu)，且滲透系數(shù)為i×10-6cm/s。

王騰等[31]選取摻礫量、圍壓等因素來研究影響CD試驗(yàn)固結(jié)時間。研究表明，摻礫量對固結(jié)歷時的影響主要和寬級配礫質(zhì)土的結(jié)構(gòu)性有關(guān)，隨著摻礫量的增加，固結(jié)歷時相應(yīng)的減??；摻礫量在60%以上的試樣固結(jié)歷時陡然減小。圍壓對固結(jié)歷時的影響是圍壓越大排水量越大，固結(jié)歷時也相應(yīng)增大。壓實(shí)度對固結(jié)歷時的影響相對較小，不同壓實(shí)度下試樣的固結(jié)系數(shù)相差不大。

朱濤等[32]通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了寬級配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性，結(jié)果表明，寬級配礫質(zhì)土擊實(shí)時干密度和含水率關(guān)系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個最優(yōu)含水率。擊實(shí)后的最大干密度隨著礫石含量的增加先迅速增大，后又開始逐漸減小。隨著礫石含量的增加，其最優(yōu)含水率先逐漸減小，后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

李方振等[33]對不同礫石含量的寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行了一系列的三軸滲透試驗(yàn)。根據(jù)礫石含量不同，將寬級配礫質(zhì)土的結(jié)構(gòu)分成懸浮-密實(shí)、密實(shí)-骨架、骨架-空隙三種形式；滲透系數(shù)隨礫石含量的增大，呈現(xiàn)出先略微減小后又逐漸增大、最后顯著增大的變化規(guī)律，并認(rèn)為寬級配礫質(zhì)土的滲透系數(shù)與含水率、干密度均有較大的關(guān)系。

高鵬等[28]對兩河口水電站 300.0 m 級心墻堆石壩防滲料進(jìn)行摻礫研究， 分別進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)和力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明， 隨著摻礫比增大，心墻防滲料的最大干密度逐漸增大，最優(yōu)含水率逐漸減小; 摻礫比為40%的心墻防滲料的變形和強(qiáng)度性質(zhì)較好，臨界水力梯度最高; 摻礫比為30%和40%的心墻防滲料的滲透系數(shù)更接近規(guī)范要求。推薦兩河口水電站心墻堆石壩心墻防滲料的摻礫比為40%。

謝正明[34]通過對兩河口水電站295.0 m壩的心墻料擊實(shí)性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻礫料在不同儀器尺寸、不同擊實(shí)功能工況下，擊實(shí)最大干密度隨摻礫量的增加而增大，當(dāng)摻礫量增大到一定數(shù)值后，最大干密度趨于穩(wěn)定或者出現(xiàn)下降，70%摻礫量時出現(xiàn)峰值。隨摻礫量的增加最優(yōu)含水率減小。

陳志波等[35]通過對糯扎渡堆石壩心墻料的不同摻礫量的寬級配礫質(zhì)土進(jìn)行了重型擊實(shí)試驗(yàn)，分別從摻礫量、含水率和顆粒破碎情況分析并研究寬級配礫質(zhì)土的擊實(shí)特性，結(jié)果顯示，隨礫石含量與粗粒料的増加，心墻料的最大干密度呈先上升后下降的變化趨勢，擊實(shí)后隨粗粒含量的増大顆粒破碎量增多。

周雯芳等[36]通過對摻入量為0、20%、30%、40%、50%、60%、70%不同摻礫料分別進(jìn)行了物理性試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，得到圖8～圖9。

圖8 不同含礫石量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線圖

圖9 不同含礫石量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線圖

由圖8可以看出，隨著礫石含量的增加，試樣的沉降量在減小，當(dāng)?shù)[石含量在40%～50%附近時，變形幅度逐漸減小，變形開始趨于穩(wěn)定。由圖9可以看出，隨著礫石含量的增加，試樣的滲透系數(shù)在0～15%的礫石含量階段減小，15%以后隨著礫石含量的增加，試樣的滲透系數(shù)開始逐漸減小，礫石含量大于45%后，滲透系數(shù)的變化顯著增大，這與文獻(xiàn)[28]中所說內(nèi)容相符合，在一定范圍內(nèi)，隨著礫石含量的增加，礫石起到了骨架作用，變形減小，但當(dāng)?shù)[石含量達(dá)到一定程度時，骨架作用增強(qiáng)，細(xì)粒含量減小，不能完全填充骨架內(nèi)的孔隙，滲透系數(shù)隨之減小。

此外，朱國勝等[37]研究了等寬級配粗粒土滲透試驗(yàn)中存在的尺寸效應(yīng)及邊壁效應(yīng)，提出了滲透儀尺寸的選擇原則，為滲透儀截面尺寸的選擇提供了可行性的方法。雷紅軍等[38]利用改進(jìn)的三軸滲透試驗(yàn)裝置，對心墻黏土進(jìn)行了剪切過程中的滲透試驗(yàn)，分析了圍壓、滲透壓力、滲透方向等對土體滲透性的影響; 朱俊高等[39]采用大型三軸儀，對摻礫心墻料進(jìn)行了三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究了剪切速率對摻礫心墻料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性的影響;吳珺華等[40]采用改進(jìn)的中三軸儀進(jìn)行了摻礫心墻料的滲透試驗(yàn)，研究了不同圍壓、土石比和水頭差對摻礫心墻料滲透系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，土體圍壓越大，摻礫心墻料滲透系數(shù)越小，呈負(fù)指數(shù)形式遞減; 當(dāng)圍壓增大到一定值時，土體很難被進(jìn)一步壓密，摻礫心墻料滲透系數(shù)基本不變; 土石比越小，摻礫心墻料滲透系數(shù)越大，當(dāng)?shù)[石含量超過某一值時，摻礫心墻料滲透系數(shù)迅速增大; 水頭差較小時，不同的水頭差對摻礫心墻料滲透系數(shù)幾乎沒有影響。最大的難點(diǎn)是摻礫心墻料具有明顯的不均勻性，且其中的顆粒粒徑較大，采用常規(guī)滲透儀很難制取試樣，需要進(jìn)行一系列的改進(jìn)[36，39]。

這一系列的試驗(yàn)，為摻礫心墻料的大型三軸試驗(yàn)的可行性提供了參考。而目前關(guān)于摻礫心墻料的凍融循環(huán)試驗(yàn)方面的研究不多，從黏土和粉細(xì)砂的凍融循環(huán)下的強(qiáng)度與變形、滲透性的變化規(guī)律，可以考慮不同摻礫量、凍結(jié)溫度、凍融次數(shù)、圍壓等情況下凍融循環(huán)引起摻礫心墻料的強(qiáng)度與變形，以及滲透性的變化進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)探討，根據(jù)以上摻礫心墻的三軸試驗(yàn)需要注意的加載速率、礫石含量、圍壓等各種因素的影響，合理控制這些因素對于凍融循環(huán)條件下?lián)降[心墻料的大型三軸試驗(yàn)的開展是可行的。

4 結(jié) 論

(1)通常情況下，黏土的凍融特性不僅與土的含水率、密度、凍結(jié)溫度、顆粒級配、循環(huán)次數(shù)有關(guān)，而且與土的前期固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，還可能是這些因素之間的耦合作用。

(2)黏土的凍融循環(huán)是土中的水在受到正負(fù)溫度變化的影響由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，再由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，循環(huán)往復(fù)的水的相變過程。凍融循環(huán)使土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生了顯著性的改變而產(chǎn)生破壞。土的凍融循環(huán)作用已從宏觀上的試驗(yàn)參數(shù)分析，轉(zhuǎn)而從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究土的凍融機(jī)理的分析。

(3)摻礫心墻料的大型試驗(yàn)，主要圍繞心墻料的礫石含量對滲透特性、強(qiáng)度與變形特性的影響等。

(4)目前，針對摻礫心墻料的凍融特性的研究較少，凍融循環(huán)后引起心墻料的強(qiáng)度與變形、孔隙率的變化、滲透特性的研究需要進(jìn)一步探討。