李芙蓉，趙劉群，牛 飛

（1.中交四航局港灣工程設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；4.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230）

引言

我國的常年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)面積分別占國土面積的21.5 %和53.5 %[1]。華北平原季節(jié)性凍結(jié)膨脹土地層分布十分廣泛[2]。隨季節(jié)更替，膨脹土發(fā)生凍結(jié)溶沉作用對渠道邊坡工程而言是較大的不穩(wěn)定因素，膨脹土對地下水賦存狀態(tài)具有敏感性，土體體積發(fā)生膨脹時，會產(chǎn)生地層側(cè)向應(yīng)力增大和不均沉降現(xiàn)象[3]。此外，凍結(jié)膨脹土的飽和度、含冰量在季節(jié)變化時會發(fā)生較大變化[4]。這種變化使得土體的變形和膨脹應(yīng)力發(fā)生變異。因此,為保證凍結(jié)膨脹土分布地區(qū)邊坡、地基等工程建設(shè)的穩(wěn)定性與安全性，須對土體在不同試驗條件下開展強度測試[5]。

凍土中的水分為凍結(jié)水與未凍結(jié)水，前人對季節(jié)性凍土的力學性質(zhì)與含水量、含冰量、圍壓級別和溫度等影響因素的關(guān)系開展了大量研究。Tsytovich和Sumgin[6]以凍結(jié)黏土在-12 ℃下的單軸抗壓實驗為基礎(chǔ)，進行了凍土強度與含水量關(guān)系的研究，得出凍土的強度先隨著初始含水量上升而增大，之后又逐漸減小的規(guī)律。 Shusherina和Bobkov[7]對接近于飽和的膨脹土在溫度范圍為-10～-55 ℃的條件下進行了力學試驗，結(jié)果表明強度隨著含水量增大而降低。 Enokido和Kameta基于凍土的三軸剪切試驗，提出在恒定溫度、 恒定加載速率下，對于飽和度大于100 %的凍土，強度與干密度呈正相關(guān)的結(jié)論[8]。馬巍等[9]進行了不同圍壓級別的凍土三軸剪切試驗，給出了強度變化的第三個階段，即強度隨圍壓的降低受到抑制?；裘鞯萚10]就圍壓和含水率對凍土的綜合影響進行了探究，獲取了凍土在高含冰量條件下的彈塑性模型。針對凍土的研究成果比較豐富，有針對微觀結(jié)構(gòu)[11]和宏觀力學特性[12]的研究，也有針對凍土力學特性變異機理[13]的研究。

本文以華北平原的膨脹土為對象，在三軸實驗的基礎(chǔ)上較系統(tǒng)地分析了凍結(jié)溫度、含冰量與圍壓級別因素對強度特性的影響，并討論了不同試驗條件因素對強度的作用機理。

1 試驗方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的是采自山西省某護岸整治工程附近的膨脹土散土樣，該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境如圖1所示。

圖1 取樣點附近地貌

在對附近地層進行地質(zhì)勘查的過程中，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)地層含有豐富的膨脹土?；疚锢硖匦灾笜巳绫?所示。該地區(qū)土樣呈灰色，塑性較低，天然飽和度高，強度低，具有較強的膨脹性，土樣的主要礦物成分包括：長石、石英以及由高嶺石、蒙脫石和伊利石構(gòu)成的黏土礦物。

表1 膨脹土的基本物理特性

1.2 試樣制備

本研究采用試樣為高度80 mm、直徑39.1 mm的標準圓柱體，本實驗分別對重塑凍結(jié)膨脹土試樣開展剪切，操作步驟遵循《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999），采用實地取回來的散土進行制樣，然后進行三軸固結(jié)不排水剪切實驗，結(jié)果見表2。

重塑試樣的具體操作步驟相對復(fù)雜，以原狀土的物理性質(zhì)為依據(jù)，設(shè)計試樣的干密度為1.35 g/cm3。制樣步驟如下：先將散體泥巖曬干并粉碎，過2 mm的細篩；再將過篩后的試樣置于105 ℃的烘箱中烘干24 h；然后，向干燥散體樣中加入適量的水，配置的試樣飽和度為15 %、25 %、35 %、75 %和100 %，拌和均勻后放在保鮮袋里密封24 h，使水分在試樣內(nèi)分布均勻。最后將上訴散體樣放入制樣筒內(nèi)進行壓制，分三次擊實試樣。制樣完成后將重塑樣放入溫控箱中在-30 ℃的環(huán)境中進行多向凍結(jié)，48 h后脫模，制成直徑凍結(jié)膨脹土的試樣，并套入橡皮膜置于相應(yīng)溫度的凍土三軸剪切試驗機中恒溫靜置12 h以上以備試驗。

1.3 凍土三軸剪切試驗

本實驗采用的是由成都電力自動化設(shè)備廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式凍土三軸剪切儀，在剪切過程中，位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)均由電腦自動采集。本試驗采用固結(jié)不排水的剪切模式。安裝好試樣之后，根據(jù)對試樣按照100 kPa、200 kPa、300 kPa的圍壓級別進行固結(jié)，固結(jié)過程持續(xù)48 h再進行剪切，剪切速率設(shè)置0.08 mm/min。試驗時，將試樣快速裝入壓力腔，通過預(yù)冷的液壓油提供溫度和圍壓環(huán)境，設(shè)置油溫并調(diào)節(jié)至目標溫度，在溫度波動范圍小于±0.1 °C條件下開展恒溫軸向加載，直至變形達到20 %。

2 試驗結(jié)果

2.1 剪切破壞形式

經(jīng)過凍結(jié)后的試樣在三軸荷載作用下發(fā)生剪切破壞時，試樣沒有出現(xiàn)明顯脆性斷裂現(xiàn)象。從試樣表面格子網(wǎng)的變化形狀可以看出破壞時，在試樣中部形成貫穿的塑形剪切帶，剪切帶與試樣徑向大致保持 60°的角度。從破壞后的試樣還可以看出發(fā)生破壞時，土樣中間區(qū)域出現(xiàn)剪切帶，而兩端則保持較好的形態(tài)。

圖2 凍土的剪切破壞形式

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 典型的凍土破壞曲線

如圖3所示，一般凍土破壞曲線可以根據(jù)達到破壞強度形式分為應(yīng)變軟化與應(yīng)變硬化兩種類別。其中，軟化型曲線在達到峰值之后，應(yīng)力隨應(yīng)變增長而下降，取峰值應(yīng)力值作為試樣強度；硬化型曲線應(yīng)力隨應(yīng)變持續(xù)增長，取試驗的軸向應(yīng)變?yōu)?0 %對應(yīng)的應(yīng)力為強度值。

圖4所示的是不同溫度下各圍壓級別對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)：在加載過程中，-5 ℃以上溫度環(huán)境中的凍土應(yīng)力應(yīng)變曲線均保持為硬化型，-5 ℃以下溫度環(huán)境中的凍土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均保持為軟化型。隨著凍結(jié)溫度降低，凍土的強度值逐漸增大。溫度對于凍土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響與土體中凍結(jié)水所占比例和冰膠結(jié)鍵的強度有關(guān)[14]。環(huán)境溫度越低，凍土內(nèi)孔隙水凍結(jié)比例越高，使冰膠結(jié)鍵的強度增強，導致凍土彈性模量的升高，進而提高了凍土整體強度。

圖4 不同溫度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5所示的是在-2 ℃的試驗條件下，飽和度分別為0.3、0.6和0.95的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在-2 ℃的溫度下，試樣的強度曲線均為應(yīng)變硬化型，且隨試樣飽和度下降，凍土的強度值也保持下降趨勢，該現(xiàn)象與牛亞強的試驗結(jié)果保持一致[14]。飽和度對于應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響與土體中孔隙水結(jié)冰后的含冰量有關(guān)。飽和度越高，孔隙水越多，在凍結(jié)后含冰量越大，進而使得土體冰膠結(jié)作用越強，強度也隨著提高。

圖5 不同飽和度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 抗剪強度指標分析

依各試樣破壞類型，分別取得凍結(jié)膨脹土的強度數(shù)據(jù)如表2和表3，分析l試樣的強度與凍結(jié)溫度、 圍壓和飽和度的關(guān)系。飽和度分別為 0.3、0.6和0.98換算為含水率θ=15 %、30 %和49 %。

表2 不同溫度下三軸剪切實驗結(jié)果（初始含水率15 %）

表3 不同含水率下三軸剪切實驗結(jié)果（凍結(jié)溫度t=-20 ℃）

3.1 圍壓對剪切強度的影響

固結(jié)圍壓對試樣的強度關(guān)系表現(xiàn)出線性負相關(guān)的特點。受初始含水量和干密度的影響，界限圍壓的具體數(shù)值會有不同。前人所總結(jié)的不同含水量的試樣強度隨圍壓的三種變化形式可能是由于含水量的不同導致界限圍壓不同。隨著初始含水量的升高，初始干密度逐漸降低，界限圍壓逐漸降低，本實驗采取的圍壓級別大于界限圍壓。

3.2 凍結(jié)溫度對強度指標的影響

由表2、表3可以看出，低溫狀態(tài)下試樣的強度明顯大于高溫狀態(tài)的試樣強度。體現(xiàn)了凍結(jié)膨脹土的溫度敏感性。負溫升高導致凍土強度降低，這一規(guī)律已被廣泛證實[15]。凍土由于冰包裹體和未凍粘滯水的存在，表現(xiàn)出與融土十分不同力學性質(zhì)。通常認為凍土的結(jié)構(gòu)強度由粒間分子鍵結(jié)力（范德華力），結(jié)構(gòu)鍵結(jié)力和冰膠結(jié)鍵結(jié)力三種鍵結(jié)力組成，其中冰膠結(jié)鍵結(jié)力對凍結(jié)膨脹土強度起控制作用。因此，凍結(jié)溫度對強度的提升效應(yīng)主要是因為土中未凍水減少及冰膠結(jié)鍵的增強。

圖6 剪切強度隨飽和度的變化曲線

從圖6可以看出粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和凍結(jié)溫度t具有良好的擬合關(guān)系，且均隨溫度值t升高而呈下降趨勢。其中粘聚力和溫度保持線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角和溫度保持多項式的二次函數(shù)關(guān)系。具體關(guān)系如式（1）和式（2）所示。

3.3 初始含水量對強度影響

如圖7所示，初始含水量對試樣強度指標的影響表現(xiàn)為，θ=15 %～30 %時，試樣的抗剪強度迅速降低，θ=50 %時，試樣的抗剪強度稍有上升，θ=30 %是強度的最不利含水率。此現(xiàn)象與馬小杰[15]等得出的規(guī)律一致。

究其原因，土體中初始含水率θ增加，一方面使凍土中冰相增多，固體顆粒含量增大；另一方面使凍土干密度降低，且水膜的潤滑作用使得顆粒間的鍵合力降低。凍土的抗剪強度主要由土顆粒承擔，隨著含水量的升高，土顆粒含量減小，承擔荷載的面積減小，凍土強度降低。而當初始含水率增大到某個值后，土顆粒的影響效應(yīng)已經(jīng)減至最小，此時若繼續(xù)增大初始含水率，凍土強度的變化不大。進一步增大初始含水量后，未凍水含量減小，凍土中的冰相逐漸占據(jù)主要地位，與土顆粒共同組成固體顆粒承擔荷載作用。

圖7 凍土強度指標與含水量的關(guān)系

從圖7可以看出粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和初始含水率具有良好的擬合關(guān)系，且隨含水率θ升高，粘聚力和內(nèi)摩擦力均保持多項式的二次函數(shù)關(guān)系。具體關(guān)系如式（3）和式（4）所示。

3.4 抗剪強度表達式

在三軸剪切試驗中，凍土的抗剪強度主要是由黏聚力與內(nèi)摩擦角組成，受并且受到初始含水率、圍壓與凍結(jié)溫度的影響，在一定邊界條件下，抗剪強度符合摩爾-庫倫定律：

式中：c(θ,t)為黏聚力，MPa；σ為正應(yīng)力（與圍壓大小有關(guān)），MPa；φ(θ,t)為內(nèi)摩擦角，°。

不同圍壓級別下，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨初始含水量、溫度變化而發(fā)生變化，導致凍土的抗剪強度液出現(xiàn)不同程度的變化。c(θ,t)與φ(θ,t)隨凍結(jié)溫度和初始含水率變化的關(guān)系如式（1）～（4）所示，將公式代入強度表示式（5），即可得到最終的凍結(jié)膨脹土抗剪強度表達式。

4 結(jié)語

通過對凍土區(qū)膨脹土在不同溫度、初始含水量和圍壓下開展三軸剪切試驗，分析了不同條件下凍土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強度特征，得到以下結(jié)論：

1）在加載過程中，-5 ℃以上的凍土應(yīng)力應(yīng)變曲線均保持為應(yīng)變硬化型，-5 ℃以下的凍土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均保持為應(yīng)變軟化型，且隨著環(huán)境溫度降低，凍結(jié)膨脹土的應(yīng)力值逐漸增大。

2）隨凍結(jié)溫度升高，粘聚力和凍結(jié)溫度保持線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角和溫度保持多項式的二次函數(shù)關(guān)系；隨含水率升高，粘聚力和內(nèi)摩擦力均保持多項式的二次函數(shù)關(guān)系，最不利含水率為30 %左右。

3）凍結(jié)溫度對凍結(jié)膨脹土強度的提升作用與凍結(jié)水所占比例和冰膠結(jié)鍵強度有關(guān)；隨著初始含水率升高，試樣抗剪強度先減后增，這是未凍水的潤滑效應(yīng)和凍結(jié)水發(fā)揮承載能力相互作用的結(jié)果。

4）凍結(jié)膨脹土力學行為符合摩爾庫倫準則，抗剪強度主要是由黏聚力與內(nèi)摩擦角組成，受并且受到初始含水率與凍結(jié)溫度的影響。