關(guān)春先

(遼寧水利職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110122)

濕陷性黃土是一種孔隙率高，滲透性、濕陷性和崩解性強(qiáng)的特殊土體，采用壓實(shí)法處理后其濕陷性基本能夠得以消除，然而在季節(jié)性冰凍區(qū)，運(yùn)行幾年后壓實(shí)的濕陷性黃土地基仍大量出現(xiàn)不均勻沉降和崩塌等病害[1- 4]。為此大量專家學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)作用下濕陷性黃土的凍脹性能以及力學(xué)特性開展了大量的研究。王泉等[5]先對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行一次濕陷試驗(yàn)，并在凍融循環(huán)后進(jìn)行二次濕陷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明重塑與原狀濕陷性黃土二次濕陷系數(shù)超過了0.015，且隨凍融循環(huán)次數(shù)增大逐漸趨于穩(wěn)定，說明季節(jié)性冰凍區(qū)濕陷性黃土存在二次濕陷性。武丹等[6]通過對(duì)山西某工程所用黃土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)黃土力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用能有明顯降低黃土抗剪強(qiáng)度，其影響與含水率呈正相關(guān)關(guān)系，且相同壓實(shí)度下濕陷性黃土對(duì)凍融循環(huán)作用更敏感。潘鵬等[7]針對(duì)寧夏氣候環(huán)境特點(diǎn)對(duì)黃土凍融循環(huán)效應(yīng)進(jìn)行分析，研究了凍融循環(huán)次數(shù)、含水率以及干密度對(duì)濕陷系黃土的影響，指出含水率為22%時(shí)濕陷性黃土凍融效應(yīng)最明顯，濕陷性黃土地區(qū)工程建設(shè)時(shí)建議避開最不利含水率。李國(guó)玉等[8]通過對(duì)凍融循環(huán)前后壓實(shí)黃土的溫度、含水率等6個(gè)基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，研究了凍融作用對(duì)濕陷性黃土濕陷變形的影響，認(rèn)為濕陷性黃土強(qiáng)度弱化以及融沉變形是由于，凍融作用使得水分逐步向上部聚集、壓實(shí)度降低和孔隙率增大的結(jié)果。劉博詩等[9]采用石英粉、石膏和膨潤(rùn)土等材料模擬了具有結(jié)構(gòu)性的濕陷性黃土，并對(duì)不同固結(jié)壓力下人工制備濕陷性黃土進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，結(jié)果表明，土的濕陷系數(shù)與參數(shù)與面積比、等效直徑、扁圓度等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)有關(guān)，固結(jié)壓力對(duì)人工制備濕陷性黃土架空孔隙影響較大而對(duì)粒間孔隙影響不明顯。李喜安等結(jié)合SEM和IPP等分析手段對(duì)黃土濕陷前后土體的結(jié)構(gòu)和孔隙特征情況進(jìn)行了分析，揭示了黃土濕陷對(duì)其滲透性的影響變化規(guī)律及微觀響應(yīng)機(jī)理。綜上所述，凍融循環(huán)作用對(duì)濕陷性黃土力學(xué)特性的影響主要集中于宏觀力學(xué)試驗(yàn)，針對(duì)凍融循環(huán)作用對(duì)濕陷性黃土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響研究尚不夠充分。本文通過對(duì)不同凍融次數(shù)下壓實(shí)濕陷性黃土進(jìn)行SEM、直接剪切和濕陷試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)樣品基本物理指標(biāo)

根據(jù)SL237- 1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)取回濕陷性黃土土樣基本物理特性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得濕陷性黃土比重Gs=2.72，最大干密度為ρdmax=1.68g/cm3，最優(yōu)含水率為ωo13.7%，液限ωL=48.8%，塑限ωP=18.5%。

1.2 試樣制備和試驗(yàn)方法

將濕陷性黃土烘干、碾細(xì)后過2mm的圓孔篩，并按照最優(yōu)含水率配制待用，配水過程應(yīng)保證水噴灑均勻，配水后將土用塑料薄膜密封24h。試樣采用壓樣器在環(huán)刀中壓制成型，試樣干密度控制為最大干密度的0.96，環(huán)刀尺寸為直徑×高=61.8mm×2mm。試樣制備好后分別進(jìn)行0次、5次、15次、20次和25次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)采用快凍法進(jìn)行，凍結(jié)溫度為-5℃，融化溫度為10℃，凍結(jié)時(shí)間為1h，融化時(shí)間1h，將凍融循環(huán)后試樣進(jìn)行濕陷試驗(yàn)、SEM試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，SEM試驗(yàn)試樣放大倍數(shù)為500倍，直接剪切試驗(yàn)固結(jié)壓力為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率為0.368mm/min。

圖1 SEM試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)

分別取凍融循環(huán)0次、10次和20次試樣進(jìn)行SEM試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土孔隙逐漸增多，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用逐漸減弱，凍融循環(huán)后土顆粒排列逐漸趨于疏松多孔，這是主要是由于壓實(shí)濕陷性黃土中水分結(jié)冰膨脹，破壞了壓實(shí)濕陷性黃土原本的結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔隙中的固態(tài)冰融化時(shí)，土顆粒坍塌，土體結(jié)構(gòu)性越差，孔隙率逐漸增大。

2.2 濕陷性

壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)增大，凍融循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)小于0.015，說明壓實(shí)作用能有效的消除黃土的濕陷性，凍融循環(huán)次數(shù)為5次時(shí)，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)大于0.015，說明凍融循環(huán)作用能使壓實(shí)濕陷性黃土具有二次濕陷性。壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)具有明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于20次時(shí)，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)基本穩(wěn)定。這是由于凍融循環(huán)作用破壞了壓實(shí)濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)性，使得壓實(shí)濕陷性黃土的濕陷系數(shù)逐漸增大，而隨著凍融次數(shù)逐漸增多，壓實(shí)濕陷性黃土結(jié)構(gòu)性逐漸被破壞，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到20次時(shí)，壓實(shí)濕陷性黃土結(jié)構(gòu)性基本被破壞，隨凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增大，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

在季節(jié)性冰凍區(qū)域應(yīng)考慮凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)濕陷性黃土的影響，建議采用添加固化劑的方式消除濕陷性黃土的濕陷性，不建議采用壓實(shí)的方式對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理，對(duì)建筑等級(jí)低，變形控制要求不高的建筑物，應(yīng)以凍融循環(huán)20次后的濕陷系數(shù)再乘以一個(gè)放大系數(shù)作為壓實(shí)濕陷性黃土的參考濕陷系數(shù)。

圖2 濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)周次關(guān)系曲線

2.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

不同凍融循環(huán)次數(shù)下壓實(shí)濕陷性黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則確定，摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則如下。

τf=σtanφ+c

(1)

式中，τf—土體抗剪強(qiáng)度；σ—土體法向壓力；c—粘聚力；φ—土體內(nèi)摩擦角。

壓實(shí)濕陷性黃土內(nèi)摩擦角、粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線分別如圖3、4所示，由圖可以看出，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土內(nèi)摩擦角與粘聚力均逐漸減小，且凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)濕陷性黃土粘聚力降低明顯，內(nèi)摩擦角降低不明顯。這主要是由于凍融循環(huán)作用主要降低了濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)性，對(duì)顆粒間的摩擦作用降低并不明顯。

圖3 內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)周次關(guān)系線

圖4 粘聚力與凍融循環(huán)周次關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)后土顆粒排列逐漸趨于疏松多孔，隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土孔隙逐漸增多，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用逐漸減弱。

(2)隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)增大，凍融循環(huán)作用能使壓實(shí)濕陷性黃土具有二次濕陷性，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)具有明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于20次時(shí)，壓實(shí)濕陷性黃土濕陷系數(shù)基本穩(wěn)定。

(3)隨凍融循環(huán)次數(shù)增大，壓實(shí)濕陷性黃土內(nèi)摩擦角與粘聚力均逐漸減小，且凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)濕陷性黃土粘聚力降低明顯，內(nèi)摩擦角降低不明顯。

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