朱 磊， 谢 强， 任新红， 文江泉(. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 四川 成都 6003； . 西南交通大学 利兹学院，四川 成都 6003)

拟建川藏铁路由于受川藏地区地理条件限制，线路通过大量的季节性粗颗粒冻土区域，目前对于川藏线这类季节性粗颗粒冻土抗剪强度的研究，可供参考的资料较少。国内学者[1-9]从不同压实度、含水率、粗粒含量及颗粒破碎等方面对粗颗粒土抗剪强度的影响进行大量试验，并取得了丰硕的研究成果。同时也有学者[10-11]对粗颗粒土在不同温度作用下的力学特性进行了研究。但对于川藏线这类季节性粗颗粒冻土在不同影响因素(如不同粗粒含量、不同含水率及不同冻结状态)作用下，其抗剪强度变化规律的研究还不多。因此，研究川藏线季节性粗颗粒冻土抗剪强度特性，具有一定的工程意义和参考价值，为拟建川藏线工程参数选取及填料类型的选择提供参考。

1 试验材料及试验内容

1.1 试验材料

拟建川藏铁路沿线的季节性粗颗粒冻土主要以新都桥和理塘两个地区的坡洪积物为代表。其中新都桥地区大部分以角砾土为主，部分地段存在圆砾土；理塘地区则以砾砂为主。本次试验选用新都桥地区的粗角砾和细角砾以及理塘地区的砾砂为研究对象，进行室内直剪试验，3种土的级配曲线见图1，击实试验结果见表1。

1.2 试验内容

(1) 试验仪器

由于土样的粗颗粒特性，常规的直剪试验仪器不能满足试样的尺寸效应。为了消除尺寸效应对试验结果的影响，须保证试样直径与最大颗粒粒径之比至少在5倍以上[12-14]。试验采用自行研制的直径300 mm的直剪仪进行，见图2。剪切筒直径300 mm，高度200 mm，法向和水平向加载系统最大位移达100 mm，施加的法向荷载取50、100、150、200 kPa。

(2) 试样制备

对现场土样进行筛分，当土样中存在不满足尺寸效应的超粒径颗粒时，采取相似级配法对超粒径颗粒进行处理。配制含水率时，按不同含水率要求对烘干土样加水拌匀并浸润12 h，保证试样的含水率均匀一致。制样时以压实度0.95为控制标准。试样冻结过程为在设计要求的负温作用下冻结12 h，负温的控制采用改进的带有温控开关的大型冰柜进行制冷，融化过程为在室温20 ℃左右条件下融化12 h，此为一个冻融循环[15-16]。对试样采取正交试验，研究不同粒径及不同性质土颗粒在不同含水率条件下，冻结状态和融化状态的工程性质，具体试验方案设计内容见表2。

表2 试验方案

2 试验结果分析与讨论

2.1 冻融作用对抗剪强度的影响

根据试验设计要求，分别对不同含水率的粗角砾、细角砾和砾砂进行不同冻融循环次数的直剪试验，土体破坏时的峰值抗剪强度按照文献[12]相关要求确定。试验结果表明，冻融作用对土体抗剪强度有一定的影响，其对粗粒土体抗剪强度影响的变化规律与土体含水率有关。主要分为3种情况：当土体含水率较小时，冻结作用下土体中水所产生的冻胀率小于等于土体的孔隙率，冻融作用对土体的抗剪强度基本无影响；当土体含水率未达到饱和时，冻融作用对土体的抗剪强度有一定的影响，并且随含水率的增加，冻融作用对土体抗剪强度的影响幅度增大，随冻融次数的增加，土体力学性质逐渐趋于稳定；当土体含水率大于或者等于饱和含水率时，冻融作用对土体抗剪强度的影响程度有限，并且较少的冻融次数下，土体抗剪强度很快趋于稳定状态，试验结果见图3。由图3可见，粗角砾土的抗剪强度在冻融作用下逐渐降低，当含水率为10%、15%时，6次冻融后土体的抗剪强度基本趋于稳定；当含水率为20%时，3次冻融后土体的抗剪强度就趋于稳定了。细角砾在冻融作用下土体的抗剪强度并非一直降低，当含水率为10%时，冻融作用使土体的抗剪强度呈现先增大后减小的趋势；土体含水率为15%、20%时，土体的抗剪强度持续减小，6次冻融后，基本处于稳定状态。砾砂在冻融作用下土体抗剪强度也并非一直减小，当土体含水率为15%时，土体的抗剪强度呈现先增大后减小的趋势；土体含水率为10%时，土体的抗剪强度呈增大的趋势，并在6次冻融后稳定；土体含水率为20%时，土体的抗剪强度逐渐降低，6次冻融后趋于稳定。结合表1击实试验结果不难发现，冻融作用对土体抗剪强度影响的变化规律还与土体的最优含水率有关，当土体含水率小于最优含水率时，冻融作用使土体的抗剪强度在一定程度上有所增大，当土体的含水率大于最优含水率时，冻融作用使土体的抗剪强度降低。

2.2 温度对抗剪强度的影响

为了研究温度对土体抗剪强度的影响，对粗角砾、细角砾和砾砂分别在不同温度下进行剪切试验，土体抗剪强度随温度变化曲线见图4。在非冻结条件下，土体抗剪强度不受温度影响，当土体温度为负温时，由于土中孔隙水在负温作用下冻结成孔隙冰，土体的抗剪强度除了颗粒间的咬合力和黏聚力外，还与土体中已冻结的孔隙冰含量有关。剪切试验结果表明，在冻结条件下相同含水率的同一种土的抗剪强度随温度的降低而增大，主要是因为土体中未冻水含量随温度的降低而减少，孔隙冰使颗粒间的黏结变为冰连接，提高了土体的黏聚力，进而增大了土体的抗剪强度，但不同粒径大小的土体表现出的变化规律各不相同。在含水率均为15%的条件下，冻结温度从-5 ℃降为-10 ℃时，粗角砾的抗剪强度从730 kPa增加到744 kPa，粗角砾土体抗剪强度增加了6.8%；细角砾的抗剪强度从549 kPa增加到612 kPa，细角砾土体的抗剪强度增加了11.5%；砾砂的抗剪强度从381 kPa增加到464 kPa，砾砂的抗剪强度增加了21.8%。冻结温度从-10 ℃降为-15 ℃时，粗角砾的抗剪强度从744 kPa增加到765 kPa，土体抗剪强度增加了2.8%；细角砾的抗剪强度从612 kPa增加到625 kPa，土体抗剪强度增加了2.1%；砾砂的抗剪强度从464 kPa增加到479 kPa，砾砂的抗剪强度增加了3.2%。从上述试验结果发现，在冻结条件下，颗粒越粗，孔隙中的未冻含水量越少，负温对土体的抗剪强度影响越小。-15 ℃条件下，不同类型土体的抗剪强度变化基本趋于稳定。

2.3 粗粒含量对抗剪强度的影响

文献[17-18]指出，在粗颗粒土的工程应用中，通常以粒径5 mm作为粗、细颗粒的分界，以大于5 mm颗粒的含量P5(P5指土体中粒径大于5 mm的颗粒质量占土体总质量的百分数)作为粗粒含量进行讨论。一般认为粗颗粒土的抗剪强度主要由细颗粒本身强度、粗颗粒间的强度、粗和细颗粒间的强度组成。本试验中，粗角砾P5的含量为70.2%，超过70%，其抗剪强度主要取决于粗颗粒间的强度；细角砾P5的含量为42.3%，介于30%～70%间，土体的抗剪强度主要由粗、细料间的共同作用决定；砾砂P5的含量为14.8%，小于30%，土体的抗剪强度主要决定于细料。非冻结状态下，相同含水率的土体抗剪强度的大小顺序依次为粗角砾>细角砾>砾砂，说明土体的抗剪强度主要由粗颗粒的大小及颗粒含量确定的，颗粒粒径越大、粗粒含量越多，土体的抗剪强度越大。冻结状态下，由于孔隙冰的介入，土体的抗剪强度不仅仅取决于粗粒含量及颗粒大小，还受土体中孔隙冰多少的因素影响，由图3、图4可见，土体中粗粒含量越多，土体抗剪强度的增幅越不明显。

2.4 含水率对抗剪强度的影响

对粗角砾、细角砾和砾砂分别在不同含水率状态下进行剪切试验，土体抗剪强度随含水率变化试验曲线见图5、图6。试验结果表明，非冻结状态下，随土体含水率的增加，土体的抗剪强度均呈现出降低的变化趋势。对于粗角砾而言，土体的抗剪强度主要以粗颗粒间的强度为主，土体含水率的增加对其摩擦角的影响较大，水在颗粒间主要起润滑的作用，减小了颗粒间的咬合力，使土体的摩擦角减小,当含水率从10%增加到20%时，粗角砾的摩擦角降低21.3%，黏聚力降低了3.4%，黏聚力的变化不显著。对于细角砾，含水率的增加对土体的摩擦角和黏聚力均不同程度的减小，含水量的增加导致结合水膜的增厚，颗粒间的吸引力减小，粗、细颗粒间的咬合力在水的润滑作用下也不同程度的减小，摩擦角降低了16.5%，黏聚力降低了13.2%。对于砾砂，由于其细粒含量较多，含水率的增加导致土粒之间的距离增大，使土颗粒间的吸引力减小，土体的黏聚力大幅降低，黏聚力降低了23.1%，摩擦角降低了9.6%。

冻结状态下，土体的抗剪强度主要由土中的孔隙冰、颗粒之间的黏聚力和咬合力、粗颗粒本身强度等共同确定。随含水率的增加，土体中的孔隙冰含量增多导致土体的黏聚力急剧增加，但由于孔隙中冰水相变膨胀，导致土颗粒之间的咬合力降低，土体的摩擦角呈减小的变化趋势。当冻结温度为-15 ℃，含水率从10%增加到20%时，粗角砾的黏聚力从639 kPa增加到1 040 kPa，黏聚力增加了62.8%，摩擦角从28.6°减小到25.2°，摩擦角降低了12%；细角砾黏聚力从519 kPa增加到814 kPa，黏聚力增加了57%，摩擦角从24.4°降低到20.1°，摩擦角降低了17.6%；砾砂黏聚力从379 kPa增加到550 kPa，黏聚力增加了45%，摩擦角从18.7°降低到14.6°，摩擦角降低了22%。

综合上述试验结果分析，含水率对不同土体在不同状态下的影响不同。在非冻结状态下，随土体含水率的增加，其抗剪强度降低，粗粒含量越多，含水率对其摩擦角的影响越大，反之则主要影响其黏聚力的大小。在冻结状态下，随含水率的增加，土体的黏聚力有所增加，摩擦角呈减小的变化规律，颗粒越粗，孔隙中的水在负温作用下冻结越充分，黏聚力的增加幅度越大，细粒含量越多，未冻结的水分越多，从而导致土体的摩擦角在未冻水和孔隙冰的润滑作用下呈现减小的趋势。

3 结论

(1) 冻融作用对土体抗剪强度的影响变化规律与土体的最优含水率有关，当土体含水率小于最优含水率时，冻融作用使土体的抗剪强度在一定程度上有所增大，当土体的含水率大于最优含水率时，冻融作用使土体的抗剪强度降低。川藏线季节性粗颗粒冻土经过6次冻融作用，其力学性质基本稳定。

(2) 在-15 ℃的冻结条件下，粗颗粒冻土的抗剪强度变化基本趋于稳定。其他条件相同的情况下，颗粒越粗，负温对土体的抗剪强度影响越小。

(3) 非冻结状态下，土体抗剪强度随含水率的增加而降低。对于粗粒含量越多的土体主要表现在摩擦角的减小，反之则体现在黏聚力的减小。

(4) 冻结状态下，随含水率的增加，土体的黏聚力有所增加，摩擦角呈减小的变化规律。

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