不同冻融循环次数对膨胀土三轴剪切强度的影响

2020-05-21

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年2期

安阳职业技术学院,河南安阳 455000

我国南水北调中线工程的河南段渠道沿线中分布有大量膨胀土，对水利工程边坡的稳定性起到决定性的作用。膨胀土是一种含有大量蒙脱石、伊利石等亲水性黏土矿物的特殊土体，遇水发生膨胀，失水发生干裂是膨胀土最常见的工程特性[1]。在遇水过程中，膨胀土中的黏土矿物因大量吸水而发生显著的膨胀而引起附加变形。在对南水北调工程南阳段进行地质勘查的过程中，发现该地区的渠道内边坡内含有丰富的膨胀土，对于边坡工程的长期运营是较大的不稳定因素[2]。含有膨胀土的地质环境对地下水变化十分敏感，一旦发生饱和度的变化，进而引起不均沉降和侧向应力增大的现象，这一变化可能会导致边坡滑塌失稳的工程灾害[3]。

我国的常年冻土区和季节性冻土区面积分别占国土面积的21.5%和53.5%。随着开发进程和基础设施建设的深入及工程标准的进一步提高，对土体强度受冻融循环影响规律的认识需求也更加迫切。随季节更替，南水北调中线的膨胀土边坡频繁发生冻结溶沉现象。此外，通过水文调查发现：南阳段的渠道沿线内具有丰富的地表和地下水，土体的饱和度、含冰量在季节变化时会发生较大变化[4]。这种变化使得膨胀土的微观结构与变形特性发生明显变异，进而导致膨胀土的宏观强度特征出现显著的弱化。因此，为保证该地区渠道边坡工程的稳定性与安全性，须对该地区膨胀土强度特征随冻融循环次数增加的变化规律开展测试[5]。

膨胀土在冻融循环过程中的水分存在冻结水与未冻结水两种状态，在循环过程中，水分会发生迁移，从而影响土体的宏观力学状态。前人对不同冻融循环次数膨胀土的力学性质受饱和度、含冰量和冻结温度等影响因素的关系开展了大量研究。例如Tsytovich 和Sumgin[6]进行无侧限压缩实验研究了膨胀土在冻融过程中的单轴抗压强度与含冰量关系的研究，得出膨胀土冻融后的强度随含冰量上升先增大后减小的规律。锁文韬[7]对取自南阳的石灰改性膨胀土在0～5 次冻融循环条件下进行了无侧限压缩试验,结果表明抗压强度随着冻结温度的降低而增大。Hotineanu 等[8]基于冻土的三轴剪切试验,在恒定温度、恒定加载速率下对不同冻融循环次数的冻结重塑膨胀土试样进行单轴压缩试验，发现土体的强度与干密度呈正相关，与冻融循环次数呈负相关的结论。聂众[9]进行了不同围压级别的冻融膨胀土三轴蠕变实验，给出了膨胀土蠕变特征受冻融循环次数的影响规律。

目前，针对冻结膨胀土的研究成果虽然比较丰富，然而针对不同冻融循环次数对原状膨胀土力学特性与强度指标关系[10]的研究还不够系统。本文以南水北调中线工程南阳段渠道边坡内的膨胀土原状样为对象，进行三轴剪切实验，以三轴试验结果为基础系统地分析了冻融循环次数对力学特性的影响规律和机理。

图1 膨胀土的级颗粒配曲线Fig.1 The grading curve of expansive soil

1 试验方法

1.1 实验材料

本实验采用的是采自南阳市渠道边坡内部的膨胀土原状样。在对附近地层进行地质勘查的过程中，发现区内地层含有丰富的膨胀土和膨胀岩。根据场地野外钻探结果发现取样点除上部分布不均的坡积碎石土以外，下部至勘察深度内为膨胀土，局部夹强风化膨胀岩。由于取样场地的膨胀土位于地下水位以上，土质松散，采用常规的钻机取土必然会导致试样扰动。为此，根据JGJ/T 87-2012 建筑工程地质勘探与取样技术规程，采用人工挖取膨胀土块状样，这种取土方法可以得到I 级的未扰动膨胀土试样。

南阳段膨胀土的基本物理特性指标如表1 所示。该地区土样呈黄褐色，塑性较低，天然含水量为13%，自由膨胀率为48.4%，属于中等膨胀性，土样的主要矿物成分包括：长石、石英和以高岭石、蒙脱石和伊利石构成的黏土矿物。膨胀土的颗粒级配曲线如图1 所示，采用比重计法进行本试验的膨胀土颗粒分析，可以看出该粉质粘土的级配良好。

表1 粉质粘土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of silty clay

1.2 试验方法

三轴实验试样为直径38 mm，高度80 mm 的圆柱体，本实验分别对0～10 次冻结膨胀土试样开展剪切，操作步骤遵循《土工试验方法GB/T50123-1999 标准》，采用实地取回来的土块进行制样，然后进行三轴固结不排水剪切实验，结果见表2。

制样完成后将原状膨胀土试样放入恒温恒湿控制箱中在温度为-15 ℃和相对湿度80%的环境中进行多向冻结，48 h 后将温度调整为25 ℃，进行冻结试样的融解，融解过程持续48 h。最后将融解后的膨胀土试样套入橡皮膜置于土工三轴剪切试验机中恒温静置12 h 以上以备试验。本研究对冻融循环次数为0、2、4、6 和8 次的试样进行强度测试[11]。

本实验采用的是由成都电力自动化设备厂生产的应变控制式三轴剪切仪，在剪切过程中，位移和应力数据均由电脑自动采集。本试验采用固结不排水的剪切模式。安装好试样之后，根据对试样按照100 kPa、200 kPa、300 kPa 的围压级别进行固结，固结过程持续48 h 再进行剪切，剪切速率设置0.08 mm/min。试验时，将膨胀土试样装入压力腔，开展室温20 ℃条件下的轴向加载，直至变形达到20%左右。

2 试验结果

2.1 剪切破坏形式

经过冻结后膨胀土试样在三轴荷载作用下发生剪切破坏时，试样没有出现明显脆性断裂现象。从图2（b）可以看出，在小围压的固结作用下，破坏时在试样的端部出现一条明显的剪切带，剪切带与端面所成的角度约为45；而在大围压的固结作用下，破坏时的试样中部形成贯穿的塑形剪切带，剪切带与端面大致保持60°的角度。从破坏后的试样还可以看出发生破坏时，膨胀土试样中的间区域出现剪切带，而两端则保持较好的形态。

图2 膨胀土的剪切破坏形式Fig.2 The broken state of expansive soils

2.2 应力-应变曲线

一般的，土体破坏曲线可以根据达到破坏强度之后应力变化情况分为应变软化与应变硬化两种类别。其中，应变软化型应力-应变曲线在达到峰值之后，应力随应变增长而下降，峰值应力值为试样的抗剪强度；应变硬化型曲线中，应力随应变持续增长，取试验的最大轴向应变对应的应力值为试样得抗剪强度[12,13]。

图4 所示的是0 次和8 次冻融循环次数下各围压级别对应的膨胀土试样应力-应变关系曲线。图4 可见，在小围压下，土体发生明显的软化应变现象，即在轴向应力小于5%的范围内发生塑性破坏，应力-应变曲线出现明显的应力峰值，但破坏试样(图2(b))表现出上部明显碎裂的现象。在大围压固结作用下，膨胀土的应力-应变关系曲线出现应变硬化现象，即应力-应变关系曲线没有出现明显应力峰值，曲线超过轴向应力5%后呈现缓慢增长。冻融损伤作用对膨胀土的三轴应力-应变关系曲线有显著的影响，经过0～8 次冻融循环处理，膨胀土试样的应力应变曲线有明显的下降趋势。冻融循环次数越多，冻融损伤程度越高，则膨胀土抗剪强度随着降低[14]。

图3 典型的土体破坏曲线Fig.3 Typical destruction curves of soil

图4 膨胀土试样的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of expansive soil sample

2.3 抗剪强度指标分析

在工程实际中，对于土体的抗剪强度表达可采用摩尔库伦模型来描述[15]，即：τ=c+σ·tan(φ) (1)

根据试验结果画摩尔应力圆，图5 所示的是0 次冻融循环下试样的结果。由摩尔库伦准则获得了膨胀土在不同冻融循环次数下的剪切强度指标（表6），并分析了膨胀土试样的抗剪强度指标与冻融循环次数的关系。从不同围压对于的莫尔圆可以看出，固结围压值对试样的强度关系表现出负相关的特点。结合关于界限围压的理论，膨胀土的强度随围压先升高后降低。围压对于冻土强度的提升作用是因为围压升高可以使颗粒重排、抑制裂隙的作用，因此对冻土的强度分别起到增强的效果。

图5 膨胀土试样的三轴莫尔圆和包络线Fig.5 Triaxial Mohr circle and envelope line of expansive soil sample

表2 不同冻融循环次数下三轴剪切实验结果Table 2 Experimental results of triaxial shear under different freezing-thawing cycles

由表2 可以看出，初始状态下膨胀土试样的强度明显大于经过冻融循环的试样强度。体现了膨胀土对冻融处理的敏感性。本研究的膨胀土初始状态下的黏聚力为39.78 kPa，内摩擦角为27.16，随着循环次数的增加，黏聚力和内摩擦角均逐渐减小，而且减小幅度的变化趋势逐渐趋于稳定。其中，0～2 次循环过程中的抗剪强度指标降幅最明显，经过循环6 次后逐渐趋于稳定。三轴抗剪强度指标与冻融循环次数的关系曲线如图6 所示。对三轴剪切试验得到的强度指标与冻融循环次数的曲线进行数据拟合，发现对数函数可以准确地描述两者之间的相关关系。数据拟合的公式如公式（2）和公式（3）所示，由这两个表达式可以预测经历多次冻融循环后的抗剪强度指标值。