凍融循環(huán)對不同塑性路基土剪切強(qiáng)度的影響研究

雷宗輝

（甘肅省平?jīng)龉肪?，甘肅 平?jīng)?744000）

0 引言

近年來，國家快速發(fā)展，對國內(nèi)資源的整合利用大幅度增加。凍土地區(qū)的土地豐厚、礦產(chǎn)資源富饒、林木資源更勝。凍土地區(qū)資源的存在和凍土地區(qū)生物的繁衍對人類的生產(chǎn)和發(fā)展都起到了重要的影響[1]。凍土土種特殊，負(fù)溫且含有冰層[2]。凍土按照冰凍與消融的時間劃分為以下三類[3]。一是瞬時凍土，冰凍與消融的時間段難以持續(xù)，最多僅僅保持?jǐn)?shù)天冰凍狀態(tài)。二是季節(jié)性凍土，通過字面意思可知，在冬季或者寒冷季節(jié)土層保持冰凍不化，在夏季或溫暖季節(jié)，土體消融。三是多年凍土，在高山、北部平原等低緯度地區(qū)存在，底下土體常年保持冰凍狀態(tài)。凍土的研究從《凍土力學(xué)》至今，從宏觀到微觀，從現(xiàn)象到本質(zhì)，從力學(xué)到機(jī)理，道路坎坷，漫長崎嶇[4]。到如今，各領(lǐng)域科研人員仍對凍土有著濃厚的興趣。馬巍[5]由三軸蠕變試驗(yàn)到蠕變強(qiáng)度準(zhǔn)則，對凍土的蠕變強(qiáng)度創(chuàng)作了相應(yīng)的方程式，并提出凍土?xí)谌渥儠r產(chǎn)生受剪應(yīng)力影響的體積變形。肖東輝等[6]對黃土進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，通過凍融循環(huán)試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了周期性的凍土改變著土體結(jié)構(gòu)，并使其干密度先大再小后穩(wěn)定。鄧勛[7-8]以土的三相理論為基礎(chǔ)，對凍融循環(huán)后的土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀分析，并給出凍融循環(huán)次數(shù)對土體結(jié)構(gòu)破壞方法。李琳[9]研究了3種不同的塑性路基土的凍融循環(huán)對抗剪強(qiáng)度、黏聚力等物理性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：圍壓的大小和凍融次數(shù)決定著各類塑性土的物理性質(zhì)。王靜等[10]在最佳含水率下制成3種不同塑性的路基土進(jìn)行凍融循環(huán)與三軸試驗(yàn)，得到3種土樣的阻尼比隨凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓及塑性指數(shù)都存在著不同的規(guī)律與相關(guān)性。韓春鵬等[11]基于路基凍融循環(huán)界面處土體受到溫度不同的影響下，對石灰改良土進(jìn)行了室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明，回彈模量隨著含水率的變化而不同，主要是因?yàn)橥林兴淖兓绊懥送恋慕Y(jié)構(gòu)性。上述學(xué)者對凍土的研究較為深刻，但是缺少凍融循環(huán)下對土的物理性質(zhì)的影響的研究。因此，本文通過凍融循環(huán)周期、塑性指標(biāo)等因素，旨在研究和探討凍融循環(huán)對路基土的物理性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)需求與土樣采集

本試驗(yàn)在上述三類凍土地區(qū)中的季節(jié)性凍土地區(qū)進(jìn)行采集，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40—2007）（以下簡稱“規(guī)程”）中路基土樣進(jìn)行采集與篩分。根據(jù)規(guī)程中按照塑性指數(shù)共選取三類并將其定義為1號土樣、2號土樣和3號土樣。三種土樣顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 土樣顆粒試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)通過烘干法、環(huán)刀法、液塑限聯(lián)合測定儀等方法測定土樣的基本物理性質(zhì)，最終記錄見表2。

表2 試驗(yàn)土樣基本物理性質(zhì)

2 凍融試驗(yàn)方案與儀器

土樣的基本參數(shù)測定完成以后，在最佳含水率的情況下將3種土樣制成壓實(shí)度在95%以上的試件并標(biāo)號，試件大小為直徑38mm，高80mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸試件。將制好后的土樣試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)試驗(yàn)通過南京泰斯特試驗(yàn)設(shè)備有限公司的高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱完成，試驗(yàn)箱溫控精度為0.1℃。房建宏等[12]通過研究得知，土樣在-10℃以下進(jìn)行6~7次凍融循環(huán)后，土樣各項(xiàng)物理性質(zhì)便趨于穩(wěn)定。所以本試驗(yàn)最低溫度設(shè)置為-20℃，進(jìn)行土樣冰凍，然后將凍好的土樣在此溫度下放置48h，再將凍融箱溫度調(diào)整至20℃溫度下放置48h，以此為一次凍融循環(huán)。本試驗(yàn)將3種土樣的不同試件進(jìn)行0~7次凍融循環(huán)。在此過程中，試件位置保持不變。同時，試件外部套有保鮮膜以保持水分。通過三軸儀對不同次數(shù)凍融循環(huán)后的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并分析其物理性質(zhì)。三軸儀為TSZ系列應(yīng)變控制式三軸儀，凍融試驗(yàn)箱與三軸試驗(yàn)儀見圖1、圖2。

圖1 高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱

圖2 TSZ系列應(yīng)變控制式三軸儀

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件的破壞形式

本試驗(yàn)通過應(yīng)變式制式三軸儀進(jìn)行剪切，模式為不固結(jié)不排水形式，在試驗(yàn)過程中采集并記錄應(yīng)力和位移。從圖3中可以看出，在圍壓作用下的三軸壓壞試件呈現(xiàn)不同的破裂形式。有的呈現(xiàn)壓壞形式，破壞時在端部出現(xiàn)明顯的斷裂帶（見圖3中）。有的呈現(xiàn)出脆性斷裂形式，不同圍壓產(chǎn)生的斷裂帶也不盡相同，圍壓較小時呈現(xiàn)45°斷裂帶（見圖3左），圍壓較大時呈現(xiàn)60°斷裂帶（見圖3右）。

圖3 三軸壓壞試件

3.2 應(yīng)力應(yīng)變與剪切強(qiáng)度分析

根據(jù)三軸試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，并繪制摩爾應(yīng)力圓和摩爾庫倫模型來求得黏聚力、內(nèi)摩擦角和剪切強(qiáng)度等數(shù)值結(jié)果。摩爾庫倫模型見下式：

式中：τ為剪切強(qiáng)度，kPa；c為凍融循環(huán)后的黏聚力，kPa；φ為凍融循環(huán)后的內(nèi)摩擦角，°。

經(jīng)過0~7次的凍融循環(huán)處理，對各組試件計算結(jié)果進(jìn)行記錄，分析不同塑性指標(biāo)經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的剪切強(qiáng)度具體變化情況，并分析不同圍壓下的相同塑性指標(biāo)的強(qiáng)度變化情況與相同圍壓下各類塑性指標(biāo)的抗剪強(qiáng)度變化情況。以凍融循環(huán)7次為例，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同塑性指標(biāo)試件凍融循環(huán)7次后三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3可以看出，當(dāng)凍融循環(huán)為7次后，剪切強(qiáng)度隨著塑性指標(biāo)的增加而有所增大。當(dāng)塑性指標(biāo)提升50%時，其剪切強(qiáng)度在不同圍壓下增加的幅度為5%左右。剪切強(qiáng)度與圍壓成正比增長，圍壓每提升100kPa，其抗剪強(qiáng)度提升60%左右。為更加清晰體現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)改變的情況下，不同塑性指標(biāo)對抗剪強(qiáng)度的改變情況，繪制不同凍融循環(huán)次數(shù)與抗剪強(qiáng)度曲線，見圖4。

圖4 隨凍融次數(shù)增加各塑性指數(shù)土樣剪切強(qiáng)度變化曲線

從圖4可以看出，在相同圍壓條件下，各個塑性指數(shù)土樣隨著凍融次數(shù)增加，其剪切強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到6~7次時，剪切強(qiáng)度改變量在5%以下。由此可見，當(dāng)凍融循環(huán)大于6次以后，其剪切強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。同塑性指數(shù)時，其剪切強(qiáng)度與圍壓成正比例增加，并且增大幅度明顯。綜合圖4中三幅曲線圖可知，土樣的塑性指數(shù)越大，凍融循環(huán)后的剪切強(qiáng)度變化就更加明顯。

4 結(jié)語

綜合上述所有試驗(yàn)與結(jié)果分析，對3種塑性指數(shù)的土樣在不同圍壓下隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其剪切強(qiáng)度的變化情況，得到以下結(jié)論：

（1）在相同塑性指數(shù)的情況下，土樣的剪切強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，并且在凍融循環(huán)6~7次以后，其強(qiáng)度變化趨于平穩(wěn)。

（2）在相同塑性指數(shù)的情況下，土樣的剪切強(qiáng)度隨著圍壓增加而增大明顯，并且同種土樣變化趨勢基本相同。

（3）在不同塑性指數(shù)的情況下，土樣的剪切強(qiáng)度隨著塑性指數(shù)的增加而有所增加，3種塑性指數(shù)土樣的剪切強(qiáng)度均會隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加，并且塑性指數(shù)越大，凍融循環(huán)剪切強(qiáng)度變化就更加明顯。