凍融循環作用下砂質黃土強度劣化特性及影響因素研究

盧 智,謝 波,宋 飛,鄧軍濤*

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710043;2.長安大學 地質工程與測繪學院,陜西 西安 710054)

我國黃土多分布于較高緯度地區,季節性凍土發育,凍融作用導致黃土強度劣化常引起滑坡等地質災害發生,研究凍融作用下黃土強度特性十分重要。前人關于凍融循環作用下土體強度的研究結論差異較大。有的研究認為土體粘聚力隨凍融循環先減小后趨于穩定,內摩擦角無明顯變化[1-3],但有些研究發現凍融循環作用導致土體粘聚力減小,但內摩擦角有所增大[4-6]。還有一些研究結論比較特殊,例如:Guo等[7]研究發現土體粘聚力隨凍融循環先減小后增大再減小,內摩擦角先增大后減小并趨于穩定;李麗等[8]試驗發現土體粘聚力隨凍融循環先增大然后趨于穩定。凍結溫度也是影響凍融作用的關鍵因素,胡再強等[9]發現不同含水率土體粘聚力隨凍結溫度的降低而增大。張輝等[10]研究發現凍結溫度對不同含水率原狀土體凍融后粘聚力與內摩擦角的影響不明顯。Sun等[11]試驗發現凍融后土體的粘聚力隨凍結溫度降低而減小,內摩擦角受凍結溫度影響較小。此外有些研究還發現不同土體存在特殊的最不利冷卻溫度或最不利凍融溫度梯度,在此條件下土體的凍融力學性質最差[12-13]。

目前針對砂黃土凍融力學性質的研究較少,具體凍融特性尚不十分清楚,且試驗條件少有同時考慮含水率、溫度及凍融次數。故本文以榆林市子洲縣砂黃土為研究對象,研究凍融循環次數、初始含水率及凍結溫度對其凍融強度的影響,以期為當地地質災害防治及工程建設提供參考。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自榆林子洲某地Q3砂質黃土,為充分體現凍融作用對土體的影響,試驗用土需采取新鮮未凍融土體。子洲縣最大凍土深度為1.15 m,因此自地面2 m以下切取新鮮未凍融土體,測定其基本物理性質指標,試驗結果見表1。圖1為土體粒徑分布曲線,土中粉粒(0.005～0.075 mm)含量為79.78%,砂粒(>0.075 mm)含量為8.64%,物質組成特點說明研究區黃土為較典型砂黃土[14]。

圖1 土體粒徑分布曲線Fig.1 Soil particle size distribution curve

表1 土體基本物理性質指標Tab.1 Indexes of basic physical properties of soil

1.2 土樣制備

本次試驗使用原狀土樣,制備方法參照《土工試驗方法標準》,抗剪強度測定采用三軸剪切試驗,將原狀土體先削成比標準三軸試樣稍大的土塊,再用切土器切削成尺寸為φ39.1 mm×80 mm的標準三軸試樣,按規定取余土測定含水率。土樣含水率配置采用增濕法,配置完成后,為防止試驗時與外界發生水分交換,使用保鮮膜完全包裹土樣密封,并將其放置在保濕皿中保濕24 h以上,使土樣中的水分分布均勻。

1.3 試驗方案

本次試驗分為兩部分,先對三軸試樣進行凍融循環試驗,再對凍融后試樣進行三軸剪切試驗。

(1)凍融循環試驗:凍融試驗設置為封閉環境下的多向快速凍結試驗,凍融時將試樣用密封袋密封。試樣含水率分別設置為天然含水率5.11%、塑限含水率15.8%及中間含水率10%。凍結溫度根據子洲縣近10年霜凍期最低氣溫及平均低溫分別設置為-25、-10 ℃。凍結過程在低溫試驗箱中進行,融化時將土樣放在室溫(29 ℃)條件下自然融化,凍結及融化時間均為12 h。根據前人研究經驗,土體力學性質在凍融10次后基本穩定,因此設置凍融循環次數(N)分別為0、1、4、7、10、14,凍融一輪為一次完整循環。

(2)三軸剪切試驗:對凍融完成后的土樣立即進行三軸剪切試驗,為避免固結過程影響凍融循環后土體的結構特征,采用不固結不排水剪(UU)試驗。圍壓按100、200、300 kPa設置,剪切速率為0.4 mm/min,剪切結束條件為土樣軸向應變達到20%。試驗方案見表2。

表2 試驗方案一覽表Tab.2 List of test programs

2 試驗結果

2.1 試樣表觀特征

圖2為天然含水率土體及塑限含水率土體凍融循環后的表觀特征?？梢钥闯?在未經凍結時,兩種土表面均較為光滑平整,可見黃土的天然孔隙結構。凍融7次后,土體表面均出現了顆粒脫離現象,局部可見較多脫離顆粒形成小團粒。凍融14次后,兩種土樣表面都出現了較為明顯的破壞現象,裂隙擴張,局部土粒剝離產生的凹坑逐漸擴展、連通,相較于天然含水率土體,塑限含水率土體土粒剝離現象更為明顯,產生凹坑數量也更多。

圖2 試樣凍融后表觀特征Fig.2 Apparent characteristics of specimens after under freeze-thaw cycles

2.2 粘聚力

2.2.1 循環次數的影響

圖3(a)為-25 ℃凍結時不同含水率土體粘聚力與凍融循環次數的關系曲線,可見土體的粘聚力隨著凍融循環次數的增加先降低后有所回升。例如:含水率為5.11%時,土體粘聚力在循環次數為1、4、7、10、14時,下降量分別為3、4、2、3、-4 kPa;含水率為10%時,下降量分別為13、8、5、13、-20 kPa;含水率為15.8%時,下降量分別為6、3、0、0、0 kPa,可見同一含水率下,粘聚力在最初幾次凍融時下降量大,下降量隨循環次數增大而減小,且下降量基本在10次循環左右達到最大。

圖3 砂黃土凍融后粘聚力特征圖(-25 ℃)Fig.3 Statistical chart of cohesive forces after freezing and thawing of sandy loess (-25 ℃)

2.2.2 含水率及凍結溫度的影響

圖3(b)為-25 ℃凍結時粘聚力與含水率關系曲線?？梢?土體凍融后粘聚力隨含水率增大而減小,且含水率越大,粘聚力下降量越大,例如:N=4時,含水率由5.11%增大至10%時,粘聚力下降了5 kPa,由10%增大至15.8%時,下降了21 kPa。天然含水率下,粘聚力隨循環次數增加變化明顯;含水率增大至塑限,粘聚力僅在首次凍融時減小,之后則無明顯變化。

如圖4可見凍結溫度對不同含水率土體粘聚力的影響不同。以5.11%、10%含水率土體為例:當含水率為5.11%時,粘聚力隨著凍結溫度降低而增大;當含水率為10%時,粘聚力隨凍結溫度降低而減小。

圖4 不同凍結溫度下粘聚力與循環次數關系圖Fig.4 Cohesive forces versus number of freeze-thaw cycles relationship curves under different freezing temperatures

2.3 內摩擦角

圖5為不同含水率土體內內摩擦角與循環次數關系曲線,可見,5.11%和15.8%含水率土體的內摩擦角整體上略有下降,但是下降幅度不大,10%含水率土體內摩擦角特征表現為不規則波動,整體無明顯變化。此外,同一循環次數下,內摩擦角基本隨含水率的增大而減小。對比圖6(a)(b)能夠發現,同一含水率土體的內摩擦角在不同凍結溫度下數值十分接近,說明凍結溫度對土體內摩擦角無較大影響。

圖6 不同含水率土體峰值強度與循環次數曲線(100 kPa)Fig.6 Shear strength versus number of number of cycles for soils under different moisture contents (100 kPa)

2.4 峰值強度

2.4.1 循環次數的影響

圖6是圍壓為100 kPa時不同含水率土體峰值強度與循環次數關系曲線?？梢?土體的峰值強度隨著凍融循環次數增加而減小,凍融進行到一定次數時,土體峰值強度的下降趨勢逐漸減弱,甚至表現為有所回升。例如圖6(a)中,10%含水率土體在凍融次數為1、4、7、10、14次時,峰值強度分別下降了27.07、39.14、2.44、17.31、-35.38 kPa,循環4次后下降量最大,之后下降趨勢減緩,循環14次時峰值強度有所回升。

2.4.2 含水率及凍結溫度的影響

由圖6可以看出,同一循環次數下,含水率越大,土體峰值強度越小,且凍融后峰值強度下降空間減小,例如圖6(a)中,含水率5.11%、10%、15.8%土體粘聚力最大值分別為355.48、299.59、194.47 kPa,最小值分別為208.89、213.63、137.79 kPa,較最大值分別下降了146.59、85.96、56.68 kPa。當含水率達到15.8%時,土體峰值強度整體較小。

對比圖6(a)(b)可以看出,凍結溫度對不同含水率土體峰值強度的影響不同。例如5.11%含水率土體在-25 ℃和-10 ℃凍結時,峰值強度降到最小所需的循環次數分別為14次、4次,即凍結溫度越高,峰值強度下降越快。而10%含水率土體在-25 ℃凍結時,凍融4次后峰值強度便趨于穩定,說明凍結溫度越低,強度下降越快。

3 砂黃土凍融特征規律

3.1 土體表觀破壞特征分析

凍融循環作用使土體表面發生明顯破壞,如圖2所示,凍融循環次數越大,破壞作用越強烈。在土體凍融過程中,凍結時水分向冷端遷移,即由土體內部向外層遷移,而融化時,由于室溫較高,導致冰晶融化速率快,水分在土中的回遷速度較慢,最終導致水分的遷移量大于回遷量,如此多次循環后土體外層的水量增大,水分凍結形成的冰晶數量和體積較大,凍脹和融沉作用更加強烈,嚴重破壞土粒間聯結,表現為土體表面的破壞現象。高含水率土體凍融后表面的破壞現象更甚于低含水率土體,這是因為高含水率導致凍融過程中遷移到土體外層的水量更大,因此凍融作用對其結構破壞更加強烈。

3.2 土體粘聚力特征分析

同一含水率土體粘聚力隨凍融循環次數增加先減小,凍融10次后粘聚力有所回升。這是因為在初始凍融階段,土體中的水分不斷凍結為冰晶,冰晶體快速形成,填充、擴張孔隙,使土顆粒間聯結減弱,造成土體強度下降,隨著凍融作用的進行,水分逐漸向土體外層遷移造成局部水分集中,土體內冰晶體積不斷增大,對土結構持續累加破壞,導致土體強度持續降低。凍融10次左右,土中未凍水含量降低,冰晶體積和數量已逐漸達到峰值,即水分凍結對土的凍脹破壞達到極限,強度下降趨勢減弱,而此時土體結構松散,抵抗自身重力及融沉作用的能力降低,兩種作用疊加下使土顆粒間聯結有所增強,促使土體結構強度有所恢復,因此粘聚力有所回升。但總體上,特別是短期凍融時,凍融作用仍導致了土體粘聚力降低。

土體凍融后的粘聚力隨初始含水率的增加而減小,且含水率越大,粘聚力下降幅度越大。天然含水率下,土體隨凍融進行表現為明顯的累積破壞效應,粘聚力對循環次數有著明顯響應,含水率增大到塑限時則沒有這種表現,這是因為一方面含水率增大導致土中自由水含量增加,潤滑作用及溶解作用弱化了粒間聯結,使土體的原始強度下降,含水率越大,土體原始結構強度破壞越嚴重。另一方面在同一溫度下,含水率高的土體內可形成的冰晶體積和數量都顯著增多,提升了土體凍脹破壞的效果,從而使凍融作用對土體結構的破壞效應增強;在較少的凍融循環次數下土體結構強度即降到最低,導致凍融累積破壞效應不明顯。

不同凍結溫度對不同含水率土體粘聚力影響不同,這與不同溫度下水分凍結速率和可遷移量有關。對于5.11%含水率土體而言,-10 ℃凍結時,土體中水分的凍結速度較慢,使得水分有較多時間和空間向外層遷移,造成土中局部水量集中,凍脹及水軟化作用對土結構破壞效應也就更強;而-25 ℃凍結時,土體中水分凍結速度快,孔隙很快被封閉,水運通道阻塞,水分遷移量和速度都較小,難以出現-10 ℃時的水分集中,形成的冰晶體積不大,凍脹破壞效應不強,故粘聚力在極低凍結溫度小反而較大。而10%含水率土體,雖然在-25 ℃凍結時水分遷移較慢,但其水分總量大,水分相對遷移量增加,并且大量自由水可直接凍結形成較大體積冰晶,使相同時間內產生的冰晶體積和數量大于-10 ℃凍結時,凍脹破壞效應更強,故粘聚力隨凍結溫度降低而減小,這也說明高含水率土體在極端低溫凍融條件下更易導致土體強度劣化。含水率達到15.8%時,在不同凍結溫度下,土體粘聚力均在首次凍融時下降最大,之后粘聚力則在一定范圍內保持相對穩定,與凍融循環次數關系不大,這是因為此含水率下,土中自由水含量很高,土體粘聚力的劣化主要是水對結構的軟化作用導致,而凍融循環作用對其影響減弱。

3.3 土體內摩擦角特征分析

土體內摩擦角隨著凍融循環次數增加而有所減小。這是因為原狀土顆粒間接觸密實,經過凍融作用,土中孔隙凍脹擴大,土顆粒之間接觸減少,因此導致內摩擦角降低,在最初幾次凍融時,變動并不明顯,但隨著凍融累積破壞,結構愈加疏松,內摩擦角逐漸降低。土顆粒表面的結合水膜隨含水率增大而變厚,潤滑作用使土粒表面的摩擦力降低,因此導致土體內摩擦角隨含水率增大而減小。不同凍結溫度改變了水分的凍結速度,但并沒有改變土粒間結構破壞的方式,因此土體內摩擦角受凍結溫度影響小。

3.4 土體峰值強度特征分析

土體峰值強度隨著凍融循環次數增加而減小。如圖6所示,峰值強度在最初幾次凍融后下降明顯,之后則處在一個相對穩定區間,圖6(b)中,凍融1次、4次時,5.11%含水率土體峰值強度小于10%含水率土體,凍融7次后則相反。分析認為:-10 ℃凍結時,水分凍結速度慢,可發生明顯遷移,10%含水率土體內孔隙水含量大,凍結時孔隙被冰封程度高,水分遷移受阻,但5.11%含水率則相反,因此其水分遷移速度快,水分較快集中,凍脹破壞較快使土體結構強度降低,凍融7次后,5.11%含水率土體凍脹破壞達到極限,強度開始回升,而10%含水率土體此時累積水分遷移量大,因此凍脹對土體結構的破壞超過5.11%含水率土體。這一點也說明,較高溫凍結時,土體內水分可發生明顯遷移且與土體初始含水率密切相關,含水率越小,水分遷移越快,凍融對土體結構破壞速度越快。

與粘聚力變化特征相似,隨著土樣初始含水率增大,土體的峰值強度明顯減小,且含水率越大,峰值強度的總體下降量越小,凍結溫度對不同含水率土體峰值強度的影響不同,這一點同樣與粘聚力變化特征相同。以上說明凍融后土體強度下降的主要原因是粘聚力的劣化。

4 土體粘聚力劣化趨勢擬合

基于-25 ℃凍結條件下粘聚力與凍融循環次數、含水率的數量關系,得到它們的特征曲線如圖3所示,土體粘聚力隨凍融循環次數的增加呈非線性函數關系,對粘聚力試驗數據進行擬合分析時發現,擬合效果較好,具體如下:

C=a+b·exp(-k·N)

(1)

式中,C—粘聚力,kPa;N—凍融循環次數;a、b、k—擬合參數。

不同含水率條件下粘聚力與循環次數的擬合參數具體數值見表3,除10%含水率土體外,相關系數R2均大于0.9,擬合效果較好。

表3 粘聚力與循環次數的擬合參數值(-25 ℃)Tab.3 Fitting parameter values for cohesive forces versus number of cycles relationship (-25 ℃)

由表3可以看出,參數與含水率之間存在數學關系,因此,參數值a、b、k作為已知量,分析含水率的影響,擬合發現擬合參數與含水率w之間存在函數關系,具體見式(2)—(4)。

a=38.787 7-2.17w,R2=0.992 6

(2)

b=-38.937 4+12.665 4w-0.609 8w2,

R2=0.999 6

(3)

k=-0.081 6+0.070 6w2,R2=0.909 9

(4)

將參數擬合式代入式(1)中,可得-25 ℃凍融循環條件下粘聚力劣化的表達式如下:

C=38.787 7-2.17w+(-38.937 4+

12.665 4w-0.609 8w2)·exp(-

(-0.0181 6+0.070 6w2)·N)

(5)

5 結論

1)凍融循環作用導致砂黃土結構破壞,且隨凍融循環次數增加或含水率增大而加劇。

2)砂黃土粘聚力隨凍融循環次數增加先減小后有所回升、隨初始含水率增加而減小。凍結溫度對不同含水率土體粘聚力影響不同,含水率為5.11%時,粘聚力隨凍結溫度降低而增大;含水率為10%時,粘聚力隨凍結溫度降低而減小;含水率為15.8%時,凍融作用的影響較小。

3)土體內摩擦角在凍融循環作用下有所減小,但總體下降量不大。

4)凍融循環作用導致土體強度下降的主要原因是粘聚力的劣化。

5)高含水率極端低溫凍結及低含水率較高溫凍結兩種組合條件均加速了凍融循環作用對砂黃土強度的破壞。