凍融循環(huán)條件下飽和粉砂的剪切特性研究

程 卓 高澤寧 剛浩航 崔高航

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

粉砂土與黏性土、砂土相比，具有粒徑相對(duì)均勻，塑性指數(shù)較低，毛細(xì)作用發(fā)達(dá)，且黏土顆粒含量較少，粉粒含量相對(duì)高，水穩(wěn)定性差的特點(diǎn)[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者于粉砂的凍融循環(huán)后的性質(zhì)開展了大量研究。Klinova[4]對(duì)原狀樣進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)，建立融沉數(shù)學(xué)表達(dá)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。20世紀(jì)60年代中國科學(xué)院冰川凍土研究所開始進(jìn)行有關(guān)融沉實(shí)驗(yàn)，并出版相關(guān)教材[5]?？聺嶃慬6]總結(jié)現(xiàn)有研究成果，評(píng)價(jià)了目前凍脹和融沉研究中存在的問題，建議在研究過程中應(yīng)盡量做到理論與工程的相互驗(yàn)證。慈軍[7]通過研究鹽漬土的凍脹和融沉特性相關(guān)性質(zhì)，得出含水率是影響凍脹和融沉特性的主要因素。張豐帆[8]深入研究現(xiàn)有的典型凍脹機(jī)理，進(jìn)一步得出開放系統(tǒng)下土體凍脹主要由分凝凍脹引起，水分是凍結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生的核心這一結(jié)論。

但目前有關(guān)壓實(shí)粉砂土的研究報(bào)道主要集中在凍融循環(huán)對(duì)粉砂土的彈性模量、極限強(qiáng)度、黏聚力等力學(xué)特性的影響規(guī)律研究[9-11]，對(duì)于粉砂在凍融循環(huán)條件下內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗剪強(qiáng)度的系統(tǒng)研究鮮見報(bào)道，且隨著開發(fā)進(jìn)程的深入和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大以及工程標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，在一定程度上，凍融作用對(duì)寒區(qū)工程安全性有重大影響，其通過改變土壤原有力學(xué)特性，進(jìn)而直接影響到寒區(qū)土工建筑物的安全和正常使用。因此，對(duì)于凍融作用下土壤力學(xué)性質(zhì)的研究具有很大的價(jià)值。本文通過飽和粉砂直剪試驗(yàn)，對(duì)歷經(jīng)不同凍融循環(huán)的砂土抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)，總結(jié)分析飽和粉砂宏觀力學(xué)特性受凍融循環(huán)作用的影響變化規(guī)律和機(jī)理。

2 凍融作用下飽和粉砂的力學(xué)性能

2.1 試樣的制備和實(shí)驗(yàn)儀器

試驗(yàn)試樣選取，將含水率12%的飽和重塑粉砂置于取土環(huán)刀內(nèi)，靜壓成型制成直徑61.8 mm、高20 mm的兩端平整且垂直于長軸的標(biāo)準(zhǔn)直剪試樣。在試件制成后，用保鮮膜和不透水的膠帶對(duì)其進(jìn)行包裹，以確保其在凍融和儲(chǔ)存的過程中不會(huì)有水分流失或浸入現(xiàn)象發(fā)生。將其置于-20 ℃低溫箱內(nèi)，在確保試樣包裹完好無透水的情況下凍結(jié)24 h后將其置于20 ℃的恒溫箱內(nèi)24 h，此過程為完成一次完整凍融循環(huán)。實(shí)驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SDJ-Ⅱ型三速電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀及分度值為0.01 mm的百分度表。

2.2 直剪試驗(yàn)

對(duì)土樣進(jìn)行1次～13次凍融，因粉砂具有相對(duì)松散的特性，為減小安放試樣過程中對(duì)土體的擾動(dòng)，安放土樣于剪切盒的過程中保證土樣處于凍結(jié)狀態(tài)。最后一個(gè)凍融循環(huán)，將放有土樣的剪切盒置于20 ℃恒溫箱進(jìn)行解凍。分別對(duì)經(jīng)歷過不同凍融次數(shù)的試件，使用三速電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀，進(jìn)行剪切速度為0.8 mm/min的快剪實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格進(jìn)行匯總初步計(jì)算，得到不同凍融情況下各組的剪應(yīng)力τ和剪切位移Δl，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB數(shù)據(jù)算法軟件根據(jù)公式：

τ=σtanφ+c

(1)

使用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合[12,13]，并得到抗剪強(qiáng)度τ—垂直壓力p曲線(如圖1所示)根據(jù)各組的τ—p曲線得到不同條件下飽和粉砂的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，并制成表1。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)通過Origin和Excel繪制得到凍融次數(shù)(n)—抗剪強(qiáng)度(τ)曲線、凍融次數(shù)(n)—內(nèi)摩擦角(φ)曲線以及凍融次數(shù)(n)—黏聚力(c)曲線。根據(jù)y=ax+b線性函數(shù)，根據(jù)最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到各組數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)線，輔助數(shù)據(jù)分析。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3 凍融作用對(duì)飽和粉砂力學(xué)參數(shù)的影響

3.1 凍融作用對(duì)飽和粉砂內(nèi)摩擦角的影響

含水率12%飽和粉砂黏聚力隨凍融次數(shù)的規(guī)律從圖2，圖3可見，粉砂土黏聚力隨著凍融次數(shù)的改變而不斷改變。在凍融作用初期，內(nèi)摩擦角受凍融次數(shù)影響較大，波動(dòng)較明顯，在經(jīng)歷三次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角到達(dá)一個(gè)相對(duì)較高的水平。在經(jīng)歷6次～13次凍融作用后，黏聚力受凍融循環(huán)影響基本保持平穩(wěn)，曲線波動(dòng)較小。這里的分析要具體，可以把具體的數(shù)值寫進(jìn)來，增強(qiáng)分析規(guī)律的合理性。綜合考慮凍融全過程，結(jié)合線性擬合所得趨勢(shì)線分析，凍融次數(shù)對(duì)粉砂內(nèi)摩擦角影響呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最終內(nèi)摩擦角改變至與初始為凍融情況大致相同。

3.2 凍融作用對(duì)飽和粉砂黏聚力的影響

凍融循環(huán)作用對(duì)飽和粉砂黏聚力影響情況如圖4，圖5所示。在凍融作用初期，凍融作用會(huì)導(dǎo)致內(nèi)摩擦角在一定范圍內(nèi)具有較大波動(dòng)性。此處建議同上，當(dāng)飽和粉砂經(jīng)歷6次～13次凍融作用后，其黏聚力的變化趨于平緩，僅在相對(duì)小的范圍內(nèi)上下波動(dòng)。從總體趨勢(shì)上來看，飽和粉砂的黏聚力受到凍融作用影響有所減小，這一規(guī)律也在由最小二乘法進(jìn)行線性擬合得到的圖線有所反映。

3.3 凍融作用對(duì)飽和粉砂的抗剪強(qiáng)度的影響

由圖6，圖7，當(dāng)忽略由于豎向應(yīng)力不同導(dǎo)致初始抗剪強(qiáng)度不同的影響時(shí)，四條折線在走勢(shì)上呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。在凍融作用初期，抗剪強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加發(fā)生顯著的改變，在凍融作用進(jìn)行三組后變化趨勢(shì)逐漸趨于平緩，在土樣經(jīng)歷10次～13次凍融作用后，抗剪強(qiáng)度隨凍融次數(shù)改變的趨勢(shì)逐漸減小，最終出現(xiàn)近似水平。

對(duì)比四條折線的變化趨勢(shì)，凍融次數(shù)增量一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化隨著垂直壓力的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。控制凍融次數(shù)一定，僅考慮垂直應(yīng)力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響時(shí)可得，隨著垂直應(yīng)力的增加，抗剪強(qiáng)度顯著增加。且此變化規(guī)律不受凍融次數(shù)改變的影響。不同垂直壓力下，凍融次數(shù)(n)—抗剪強(qiáng)度(τ)曲線呈現(xiàn)出相似的變化，但隨垂直壓力的增加，曲線變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢(shì)。

綜合觀察和比較凍融次數(shù)(n)—抗剪強(qiáng)度(τ)曲線、凍融次數(shù)(n)—內(nèi)摩擦角(φ)曲線以及凍融次數(shù)(n)—黏聚力(c)曲線的變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)在一定程度上呈現(xiàn)出高度相似的特點(diǎn)。

試驗(yàn)研究表明，在含水率12%的情況下，飽和粉砂土抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)變化規(guī)律，可用下述函數(shù)進(jìn)行描述函數(shù)進(jìn)行表示：

(2)

其中,τ為抗剪強(qiáng)度，kPa；n為凍融次數(shù)；y0,A,xc,w均為擬合參數(shù)，與土體所受垂直壓力相關(guān)，見表2。

表2 擬合參數(shù)

4 結(jié)語

1)隨著凍融次數(shù)的增加，飽和粉砂黏聚力和內(nèi)摩擦角總體均呈現(xiàn)先波動(dòng)后平緩，總體下降的趨勢(shì)。這一變化趨勢(shì)與其抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)有極大的相似之處。砂土的凍結(jié)是原位水凍結(jié)，土體凍融的過程中伴隨著土粒間水的不斷融化重結(jié)晶，土骨架受力發(fā)生變化，導(dǎo)致土的孔隙體積和粒間距離不斷發(fā)生變化，改變粒間分子鍵結(jié)力。引起黏聚力和內(nèi)摩擦角的不斷變化，從而導(dǎo)致粉砂抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化。

2)當(dāng)含水量一定的情況下，增大土體受到垂直壓力作用，土體內(nèi)部的孔隙減小，從而減小了飽和度。密度較小的土體發(fā)生凍結(jié)時(shí)，用充分的自由空間供冰自由膨脹，而不會(huì)導(dǎo)致土顆粒間的距離發(fā)生相對(duì)較大的變化。凍融作用對(duì)粉砂黏聚力和內(nèi)摩擦角造成相對(duì)小的影響。隨著垂直應(yīng)力的增加，凍融次數(shù)的改變對(duì)于土體黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度的影響也愈加明顯。并得到粉砂土抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)變化表達(dá)式。

3)現(xiàn)有研究表明，當(dāng)含水量增大時(shí)凍融循環(huán)導(dǎo)致的內(nèi)摩擦角，黏聚力變化波動(dòng)更加明顯，結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，在實(shí)際工程對(duì)于含水率不小于12%粉砂的凍融性質(zhì)檢測(cè)出于安全的角度考慮，凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)盡量不小于13次。