季节冻土粉质粘土冻融循环作用下抗剪强度试验研究

李香瑞 刘旭 郑美玉

摘要：研究季节冻土区粉质粘土冻融后的力学指标变化规律，以哈尔滨地区的粉质粘土为研究对象，进行了不同含水率，不同冻结温度，不同冻融循环次数及干密度情况下的剪切试验.试验结果表明：粉质黏土硬度随含水率的上升而增加，并且因循环次数增加而变硬.

关键词：季节冻土；粉质粘土；冻融循环；抗剪强度

中图分类号：P642.14 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）03-0086-03

1 引言

我国是世界第三大冻土国，在高海拔地区以及纬度高于24°的地区，季节冻土广泛分布，面积约为514万平方千米，占整个国土面积的53.5%.黑龙江省是典型的冻土区，土体随着季节的周期性变化，土体呈冬季冻结夏季融化的状态.因此，该地区的工程建设及安全稳定都受到冻土的影响[1].对此，国内外学者对冻土物理力学参数的变化规律及影响因素进行了大量的研究.

赖远明等[2]改进了Ducan-Chang模型，使之对于冻结砂土的应变硬化及应变软化现象均适用，其提出的非线性莫尔强度准则，很好地描述了冻结砂土剪切强度随围压增大而先增大后减小的规律.孙义强[3]研究了粉质黏土在含水率不同、温度不同情况下的抗剪强度特性，研究结果表明在低围压下，季节温度降低时，其破坏强度更加严重，呈现线性增长，随着含水率的不断变化其破坏强度存在临界值，基于此，建立一种综合考虑含水率、温度的冻结粉质黏土抗剪强度模型.杨成松等[4]通过进行室内试验，研究分析了冻融作用对土体干容重和含水量的影响，经过试验其结果为：在冻融循环次数不断增加时，土体的干容重会趋于稳定值，且此稳定值与初始干容重无关，只与土体种类有关.王大雁等[5]研究了冻融循环作用对青藏粘土物理力学性质的影响，得出反复的冻融循环会引起土体的很多物理及力学性质的变化，使土体转向新的动态稳定平衡状态.

D.V.Okur等人[6]基于动三轴试验，在围压、塑性指数不同的情况下，天然细粒土在大环境变化的情况下，其动力特性得到了改变，从而得出动剪切模量和阻尼比的经验关系式，为试验获得细粒土的动剪切模量和阻尼比提供了经验参考.

本文针对哈尔滨地区粉质粘土为研究对象，分析其在不同冻结条件下抗剪强度指标的变化规律.

2 试验土样介绍

2.1 试验土样

试验中使用的土样选自黑龙江哈尔滨地区粉质粘土.土的基本物理指标为最大干密度1.75g/cm3，最优含水率为14.5%，液限为31%，塑限为18.3%，塑限指数为12.7，土体为低液限粘土.

2.2 试验方法

本试验所用的土样均采用重塑土，将风干土用筛孔直径为2mm的筛子进行过滤，选用筛下的土，根据试验所需用土量以及目标含水量，进行试验用料配比.本实验中土样制备方法均使用分层压样法，试样桶采用筒高250mm，内径100mm的有机玻璃筒，试样高度控制为120mm，试验使用直径为100mm的圆柱体土样.土样制备完成后，将其放入有机玻璃筒内后，再將箱体、顶板、底板温度均调至+1℃，保持6小时恒温不变，保证土样内温度均匀，不发生水分迁移.冻结和融化过程，将底板温度及箱体温度始终保持为+1℃，调节顶板温度实现土体冻结和融化状态.当土体冻融循环稳定后，取出试样，分层进行不同土层的直接剪切试验.

试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ四联应变控制式直剪仪测定融土试样及冻融交界面试样的抗剪强度，试验法向应力分别为50、100、150、200 kPa，250kPa法向应力下进行快剪试验，剪切速度为0.3mm/min.

2.3 试验方案

试验方案设计旨在探讨冻融循环对季冻区典型土体抗剪强度指标的影响规律.试验中主要有4个变化因素，分别为土样中的含水量、干密度、冻结温度及冻融循环次数.具体试验方案组合见表1.

3 试验结果分析

冻结过程中，土中未冻水含量的变化（图1），第Ⅰ阶段：过冷阶段，过冷温度约为-3℃，未冻水含量没有发生显著变化；第二阶段：快速冻结阶段（-3℃～-5℃），土中水由过冷温度达到冻结温度后，随着温度的降低土中水快速冻结，未冻水含量大幅度下降，含冰冻融过程中未冻水含量随温度的变化量快速增大，-3℃时，土中76%的水已经发生相变；第三阶段：稳定冻结阶段（<-3℃），当温度持续降低时，土中水缓慢冻结，未冻水含量变化很小，含冰量有小幅度的增大.融化过程中随着温度的上升，未冻水含量变化只有两个阶段：稳定融化阶段（<-3℃），未冻水含量缓慢增加，滞回现象存在但不明显，快速融化阶段（>-3℃）未冻水含量快速升高，滞回现象非常明显.

冻结过程中，土体内摩擦随着未冻水含量的降低而呈折线形增大，分两段，每段均呈近线性，如图2所示.快速冻结阶段，未冻水含量与初始含水量的比值从100%降至24%，土中76%的孔隙水发生冻结，此时内摩擦角降低了约6.5%.稳定冻结阶段，未冻水含量与初始含水量的比值从24%降至17%，土中7%的孔隙水发生冻结，此时内摩擦角降低了约12%.

融化过程中，土体内摩擦角随未冻水含量的变化与融化时呈现出相同的规律，如图3所示.

稳定融化阶段，未冻水含量与初始含水量的比值从17%升至21%，土中4%的孔隙冰发生融化，内摩擦角增大了约7.3%（-10℃内摩擦角与-2℃内摩擦角差值与融土内摩擦角之比）.快速融化阶段，未冻水含量与初始含水量的比值从21%升至100%，土中79%的孔隙冰发生融化，内摩擦角升高了约6.9%.

如图4中a曲线所示：将同一冻融循环次数水平下不同含水率的抗剪强度曲线进行比较，如图4中b曲线所示.

由图中曲线可以看出试验结果，未经冻融循环和经历冻融循环作用的土试样应力应变曲线均属于硬化型，季节冻土粉质黏土含水量越高抗剪强度越强，冻融作用循环次数越多抗剪强度也就越强[6].由此便可得出试验结论，含水率多的粉质黏土更硬、经历循环次数越多土质越硬.

4 结束语

常规的试验方法所得到的冻土抗剪强度指标是综合性的指标，其中也包含了试验时不饱和状态对抗剪强度指标的贡献.含水状态变化对季节冻土抗剪强度指标具有显著的影响，通过试验分析出冻融作用对季节性冻土抗剪能力的影响从而找到对应的解决方案，改善冻土对人们生活的负面影响.

参考文献：

〔1〕程国栋.冻土力学与工程的国际研究新进展——2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述[J].2001，6（3）：293–299.

〔2〕赖远明，程红彬，高志华，等.冻结砂土的应力-应变关系及非线性莫尔强度准则[J].岩石力学与工程学报，2007，6（8）：1612–1617.

〔3〕孙义强.粉质粘土负温抗剪强度试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

〔4〕杨成松，何平，程国栋，朱元林等.冻融作用对土体干容重和含水量影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2003，22（增2）：2695-2699.

〔5〕王大雁，马巍，常小晓，孙志忠等.冻融循环作用对青藏粘土物理力学性质的影响[J].岩石力学与工程学报，2005，24（23）：4313-4319.

〔6〕D.V.Okura，A.Ansalb，Stiffness degradation of natural fine grained soils during cyclic loading[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering.2007（27）：843–854.

〔7〕Sally Shoop，Rosa Affleck，Robert Haehnel，Vincent Janoo.Mechanical behavior modeling of thaw-weakened soil[J].Cold Regions Science and Technology，2008（52）：191-206.