凍融狀態(tài)和含水率對林區(qū)土壤力學(xué)性能的影響★

周 遠(yuǎn) 趙秋月 張博銳 楊全喜 于 淼 孫術(shù)發(fā)

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

中國地域遼闊廣大，自然條件優(yōu)越，樹木種類繁多。據(jù)全國林管局的不完全統(tǒng)計，我國森林面積約為2.08億ha，森林覆蓋率為21.63%，常見的樹木就有五千多種，是世界上樹種最多的國家之一[1,2]。林區(qū)地域主要分為東北林區(qū)、西南林區(qū)、南方林區(qū)三大林區(qū)，其中東北林區(qū)中的大興安嶺、小興安嶺和長白山是我國最大的森林區(qū)，且存在林區(qū)道路復(fù)雜、環(huán)境惡劣和土壤長期遭受季節(jié)性凍融作用的影響等問題[3]，使得該林區(qū)土壤性能的研究存在諸多不便。對于土壤力學(xué)性能的研究有很多，例如陳紅星等[4]通過三軸剪切儀探究含水率和土壤堿度對于抗剪強度的影響；張惠忍等[5]通過直剪切儀研究的內(nèi)摩擦角和粘聚力與含水率和凍融狀態(tài)的關(guān)系等，雖然已有的結(jié)果表明土壤的凍融狀態(tài)和含水率對其力學(xué)性能都具有一定的影響[4-6]，但針對經(jīng)過凍融作用后的林區(qū)土壤力學(xué)性能研究甚少。文章以帽兒山實驗林場為采樣地點，通過將林區(qū)土壤分為凍融和未凍兩種狀態(tài)，并結(jié)合含水率研究其力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果對于林區(qū)土壤力學(xué)性能的研究及林區(qū)冬季施工作業(yè)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 試驗與材料準(zhǔn)備

1.1 試驗土壤的選取

東北林區(qū)帽兒山林場位于東經(jīng)127°18′0″～127°41′6″，北緯45°2′20″～45°35′16″，地貌多為山區(qū)丘陵，海拔高度最高可達到600 m，平均海拔400 m，坡度在5°～25°之間，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季變化明顯，年平均氣溫2.4 ℃，最高氣溫34 ℃，最低氣溫-40 ℃[7]，其土壤類型為典型的季節(jié)性凍融土壤，滿足本文試驗所需土壤類型。

試驗土樣取自帽兒山實驗林場中的(北緯127°31′22.461″，東經(jīng)45°19′17.892″和北緯127°31′27.829″，東經(jīng)45°19′9.176″)兩處不同位置的土壤。由于林區(qū)樹植茂密，采集時間為秋季，所以采集土樣時，先用鐵鏟去除采集區(qū)域0 cm～5 cm厚的腐殖物與土壤，然后采集5 cm～30 cm深度的表層土，兩處不同位置的土壤分別記錄為一號土和二號土。

1.2 試驗準(zhǔn)備

將采集回來的土壤過篩，烘干，按照預(yù)先設(shè)計好的含水率進行配置，一號土含水率分別配置為20%，25%，30%，二號土含水率分別配置為15%，20%，25%，30%。在試驗土樣制備過程中，為了使土樣與模具接觸時可以順滑脫落，在高16 cm，內(nèi)徑3.91 cm的圓柱三軸模具內(nèi)壁涂抹一層凡士林；將一號土按照含水率20%的比例配置完成后，倒入三軸模具中，進行擊實脫模制樣。模具在倒入土壤前先在底部塞入一個高4 cm，直徑3.91 cm的墊塊，在倒入土壤后再在上面放一個相同大小的墊塊。擊實時，用膠錘擊打墊塊，使最后成型的緊實土樣高為8 cm，直徑為3.91 cm。一號土和二號土其余六種類別的含水率重復(fù)上述實驗，每個含水率制作10個土樣，并且土樣制作完成后用保鮮膜密封處理。因為制作土樣需耗費一定時間，為了防止土樣水分流失和實驗室溫度對土樣的影響，故將制作好的土樣放入標(biāo)準(zhǔn)恒濕恒溫箱內(nèi)保濕保溫，如圖1所示。

在制備好的一號土試驗土樣和二號土試驗土樣中按照含水率類別，每個含水率下取5個試樣，在-25 ℃的環(huán)境下冷凍12 h，之后在28 ℃的恒溫條件下解凍4 h作為凍融土試樣，其他試驗土樣放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫箱內(nèi)作為對比的未凍土試樣。

1.3 三軸剪切試驗

從恒溫箱內(nèi)取出一個一號土20%的試驗土樣，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》操作，將試驗試樣安裝在三軸儀的操作臺上，調(diào)試與三軸儀相連接的電腦，其中剪切方式設(shè)置為不固接不排水，鋼環(huán)系數(shù)設(shè)置為10，軸向應(yīng)變設(shè)置為20，初始圍壓設(shè)置為100 kPa。

試驗采用的是TSZ全自動三軸儀，一次剪切試驗只能得到單次圍壓下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，圖2為在100 kPa圍壓下，含水率為20%的一號土未凍狀態(tài)土樣的三軸剪切試驗圖，由圖2可得，試驗剛開始時軸向偏差應(yīng)力(σ1-σ3)隨軸向應(yīng)變迅速上升，達到峰值(或達到軸向應(yīng)變設(shè)置的20)后趨于平穩(wěn)。每一組試樣只有在至少三種不同圍壓下的剪切成功后，得出三條應(yīng)變關(guān)系曲線，結(jié)合圍壓和相應(yīng)的最大主應(yīng)力值，才能得出不固接不排水強度包線，從而得出粘聚力和內(nèi)摩擦角的值。故每組試樣在100 kPa，200 kPa，300 kPa三種不同圍壓下各做一個，而每組余下的試樣留作備用,其余13組按照上述操作步驟重復(fù)進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率和凍融狀態(tài)對土壤粘聚力的影響

將試驗得到的數(shù)據(jù)輸入到Origin文本中，建立一號土和二號土在未凍和凍融兩種狀態(tài)下的粘聚力隨含水率的變化圖，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a)可知，一號土無論在凍融還是未凍的情況下，粘聚力都隨著含水率的升高而降低，并且當(dāng)含水率從20%到25%時，未凍土粘聚力下降了22.47%，凍融土粘聚力下降了27.73%；含水率從25%到30%時，未凍土粘聚力下降了15.53%，凍融土粘聚力下降了3.85%。由此可見，一號土含水率從20%到25%時，未凍土和凍融土粘聚力的下降速度均大于含水率從25%到30%時粘聚力下降的速率，而且凍融土在含水率從20%到25%時粘聚力下降速度比未凍土更快。從圖3b)中，可以看出二號土在未凍狀態(tài)和凍融狀態(tài)下的粘聚力也均隨含水率的增大而降低，并且二號土凍融后的粘聚力也普遍高于未凍下的粘聚力。結(jié)合圖3a)，圖3b)可以得出，一號土含水率自20%開始，無論在凍融情況下還是未凍情況下，粘聚力均大于二號土，并且隨著含水率的增加，粘聚力下降速度要緩于二號土；一號土在凍融情況下，含水率從25%到30%時，粘聚力僅下降了3.85%。而二號土在凍融情況下，含水率從20%到25%時，粘聚力下降了21.11%；含水率從25%到30%時，粘聚力下降了15.16%。

造成上述現(xiàn)象的原因大致為，隨著含水率的上升，土顆粒間的液態(tài)水增多，降低了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使相對位移變得更加容易，從而降低了粘聚力，而凍融后，顆粒間的液態(tài)水大多轉(zhuǎn)換成個固體冰，增加了膠結(jié)作用，致使凍融后的粘聚力大于未凍下的粘聚力[8，9]。

2.2 含水率和凍融狀態(tài)對土壤內(nèi)摩擦角的影響

將從三軸剪切試驗中得出的數(shù)據(jù)輸入Origin中，繪制出一號土和二號土在未凍和凍融兩種狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角隨含水率的變化圖，結(jié)果如圖4所示。從圖4a)中可知，一號土的內(nèi)摩擦角在未凍和凍融狀態(tài)下都隨著含水率的增加而減小，但凍融后的減小趨勢要明顯大于未凍情況下的減小趨勢。從圖4b)中可以得出，二號土的內(nèi)摩擦角無論在凍融還是未凍的情況下也都隨著含水率的增加而減少，但含水率從15%到25%時，在未凍和凍融兩種情況下，減小的速度大致相同，而含水率從25%到30%時，未凍下的內(nèi)摩擦角減小了32.59%；凍融情況下的內(nèi)摩擦角減小了52.15%。結(jié)合圖4中的兩幅圖可以得出，一號土和二號土無論在凍融狀態(tài)還是未凍狀態(tài)下，內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加均呈現(xiàn)減少趨于0的趨勢，而二號土下降的更快，趨勢更加明顯。

造成上述現(xiàn)象的原因大致為:土顆粒間的液態(tài)水增多，加大了孔隙間的縫隙，從而影響了土壤穩(wěn)定，使之更易滑動，這些導(dǎo)致內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小。而土壤經(jīng)過凍融后，液態(tài)水一部分轉(zhuǎn)化成了固體冰，從而使顆粒間的縫隙更大，含水率越高，固體冰越多，內(nèi)摩擦角越小[10]。

3 結(jié)語

試驗以林區(qū)土壤力學(xué)性能為研究對象，以帽兒山林區(qū)土壤為例，將兩種典型土壤分類標(biāo)記為一號土和二號土，進行不同含水率，不同凍融狀態(tài)的不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，以含水率和凍融狀態(tài)為自變量，探究了對林區(qū)土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)一號土和二號土在凍融和未凍兩種狀態(tài)下的粘聚力均隨著含水率的增加不斷減小，而減小趨勢，二號土大于一號土。一號土在凍融情況下含水率從25%到30%時，下降趨勢明顯放緩，而二號土在凍融情況下，粘聚力一直隨著含水率的增加而減小，并且下降速度越來越快。一號土和二號土在未凍和凍融兩種狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加也不斷減小，并且減小趨勢為二號土凍融大于二號土未凍，一號土凍融大于一號土未凍。

試驗結(jié)果表明，林區(qū)土壤隨著含水率的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角都不斷減小；而經(jīng)過一次凍融循環(huán)后，粘聚力普遍增大，內(nèi)摩擦角普遍降低。試驗結(jié)論對今后林區(qū)土壤力學(xué)性能的研究和林區(qū)冬季施工作業(yè)可起到理論支撐作用。