封闭条件下粉质黏土冻融交界面抗剪强度研究

汪恩良，肖 尧，许春光，田 雨

（东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030）

冻融灾害研究与防治是工程领域难题，季冻区土质边坡滑坡机理复杂，春融期在温度梯度作用下，冻土由表层沿竖直方向融化降雨、融雪入渗，在势能作用下不断向土体内部迁移。由于土层渗透系数极低，融化层入渗水分在土冻土-融土交界处大量富集，产生明显冻融交界面，该界面附近土体接近饱和或过饱和状态，具有高含水量、高含冰量特点[1]。该界面临近土体受冻融作用，结构发生变化，抗剪强度改变[2]。因此，通过分析冻土-融土交界处力学性质，可为季冻区土质边坡在冻结-融化过程中出现浅层滑坡破坏机理提供理论依据，防止破坏边坡危害渠道输水安全。

近年来，土体在冻结-融化过程中抗剪强度变化成果丰富。靳德武通过青藏高原某典型斜坡现场监测及数值分析，认为地下冰融化引起冰面水分聚集，土体强度显著降低，沿地下冰面产生滑动[3]；张惠忍等分别研究西宁市、北京市土样在不同冻融状态下抗剪强度指标[4]；彭丽云通过单向控温融化装置研究冻前含水率、土样顶端冷却温度、顶端融化温度对土样强度特性、土样变形特性影响[5]；程永春等建立小比例尺物理模型试验，模拟冻融界面滑移过程，拟合冻融循环后土质边坡滑动临界深度损伤模型[6]；王博通过高压直剪试验系统，研究正融土与结构接触面剪切力学特征[7]。目前研究试样交界面多为人为制作，通过温控模拟自然形成交界面研究较少，具有一定价值。

融化过程中土体水分迁移研究广泛。学者通过室内模型试验，研究试样在冻结-融化过程中水分迁移，发现水分在冻土-融土交界处出现聚集情况[8]；Li 等通过建立4 种不同初始土壤含水量、不同材料大型路基模型，通过土壤表面空气温度变化对模型作冻融作用，研究冻融过程中模型内部水分迁移[9]。王爱文等将土壤冻结和融化问题归结为考虑水热耦合的多运动边界问题，通过数值离散，考虑冻结和融化界面位置移动对水热过程影响建立水热耦合模型[10]；付强等通过野外试验对哈尔滨地区季节性冻融黑土在4种不同覆盖条件下土壤水分迁移规律作动态观测[11]。

目前，土体在融化过程中水分迁移研究较多，但对冻融界面处水分变化情况研究较少。针对这一问题，本文对粉质黏土在封闭系统下冻融，通过试样温度监控结合、试样冻深曲线和试样外观直接观测，确定冻融交界面。将冻融交界面控制在直剪试验剪切面所在高度以实现冻融交界面剪切。剪切试验类型为快剪试验，将处于正融状态下试样作快速剪切，将试样在剪切过程中受温度影响降至最低，实现冻融交界面抗剪强度参数研究。对比冻融交界面处抗剪强度参数与该高度土体初始抗剪强度，研究冻融交界面处抗剪强度参数随试样初始含水率、冻融界面土层含水率变化规律，为正融土质边坡稳定性研究提供理论依据。

1 材料与方法

常规直剪仪由于剪切盒尺寸较小，套箍作用明显，试验误差较大。使用尺寸较大直剪仪，可真实反映试样抗剪强度。为实现冻融交界面抗剪强度研究，使用自主研制大型直剪仪，冻结后处于融化阶段试样作快剪试验。剪切试样尺寸为φ 10 cm×10 cm，横截面积约为78.5 cm2。与试样直径6.18 cm、高2 cm、横截面积为30 cm2标准尺寸相比，试样高度增加可保证冻结-融化过程中土中水分迁移更充分；试样面积更大，剪切面上不均匀性对结果影响较小。

1.1 试样制备

本试验用土为重塑土。土体基本物理参数为：比重2.66，干密度1.55 g·cm-3，液限WL为36.2%，塑限WP为23.6%，塑性指数Ip为12.6%。按照塑性指数划分，本试验用土类型为低液限黏土，即粉质黏土。

根据本试验要求对含水率、干密度要求，按照最新土工试验方法标准[12]，制备重塑粉质黏土试样。试样制备步骤如下：

①将粉好重塑粉质黏土分别按照18%、20%、22%、24%含水率，加水搅拌均匀，并密封养护24 h；

②在常温下，按照1.55 g·cm-3干密度制备土样。将搅拌均匀黏土按3、4、3 cm三层分别放入击样器内夯实，制成直径10 cm，高度10 cm 试样。其中，每层击实后作刮毛处理，保证各层土体充分接触。

③将制成试样用厚保鲜膜密封包裹，养护，备用。

1.2 重塑粉质黏土温控模式

通过试样温度实时监控，将冻融界面控制在剪切面上，实现对冻融交界面剪切。重塑土试样冻结-融化过程于东北农业大学水利与土木学院冻融循环试验箱中，如图1所示。试验箱由主机和微机控制系统组成，内置PT100传感器及相应数采系统用以观察土体温度。主机箱体内配备有机玻璃试样筒，顶板和底板及保温材料。

图1 冻融循环试验箱及采集系统Fig.1 Freeze-thaw cycle test chamber and collection system

在冻结-融化过程中，采用单向冻结，双向融化温控模式。室温下将土样用保鲜膜均匀包裹放入试验箱后，将试样筒周围覆盖保温材料，盖上顶板，营造封闭环境，保证在冻结-融化过程中水分保留无散失。冻结开始前将试样在1 ℃环境中恒温8～12 h。待试样内温度均匀后开始冻结，将顶板设定为-20 ℃，底板设为1 ℃，将土样冻结8 h；进入融化阶段，顶板温度设为20 ℃，底板保持1 ℃。当试样融化到预设高度时，将土样取出，立即放入低温剪切盒，依次加入透水石和不透水蜡纸作快剪试验。

1.3 冻融交界面确定

本试验获得冻融界面位置，准确与剪切盒位置相匹配，是试验成功关键。因此，正式试验前通过大量测试取得冻融交界面确定方式。冻融交界面确定方式主要有3种：

试样温度监控。在试样不同高度均布温度传感器以观测试样各高度温度，在试样融化阶段，当剪切面高度处土体温度达到正温后，将试样取出，立即放入剪切盒中，作快剪试验。

通过前期预实验绘制试样冻深发展曲线，如图2所示。冻深线可直观反映试样随时间冻结、融化情况。该曲线中，试样在5 cm 高度处对应时间t=t0与冻深交点即代表冻融交界面融化到剪切面所在位置。因此在温控模式固定、初始含水率相同试验条件下，将t=t0设为预设时间，t=t0时将试样取出，剪切。

图2 试样冻深发展曲线Fig.2 Development curve of freezing depth of sample

通过对试样外观直接观察方法。将正融试样取出，观察试样表面土体状态，轻触试样观察试样不同高度土体状况，如图3所示。

图3 融化到指定位置试样Fig.3 Sample melted to designated position

观察试样可见，在试样预设剪切面所在高度（即试样中部）出现一个颜色深浅发生明显变化分界面，即为冻融交界面。在冻融交界面上方土体为已融土，颜色较浅，与未经冻融常温下试样外观相近，质地较为松软，可徒手破坏；而界面下方试样约3 cm 以内土体依旧处于冻结状态，颜色较深，表面少许冰晶体存在，质地较坚硬，强度大，徒手无法破坏。

以上3种确定冻融界面方法，方法①通过温度监控冻融交界面位置，具有直观、简便优点，但由于试样融化温度无法直接测量，土体本身融化具有一定过程，即使预设高度土体温度超过0 ℃，也不代表该高度内土体正在融化，因此冻融界面出现在预设高度时，该高度土体温度应稍高于0 ℃。方法②靠冻深线判断冻融界面位置精度稍差，因为试验允许一定范围内误差，导致即使每次试验温控模式相同，冻融交界面达到指定位置时间与冻深线预设时间稍有不同，而试样冻融界面移动较快，1～2 min 时差使试样冻融界面偏离预设平面。因此，本试验判定冻融界面是否在指定位置方法为①②取交集，即试样温度达到正温，同时取出试样时间与冻深线对应预设时间较为符合，方可认为试样融化至指定位置。方法③观察试样冻融界线是否处在相同高度。

1.4 重塑粉质黏土剪切试验

直剪试验实用性高，具有仪器简单、便于操作、试验固结快、试验历时短等特点。尤其是对于黏性较大细粒土，三轴试验需要固结时间较长，为使试样在剪切时孔隙水压力分布均匀，剪切速率要求较慢，尤其是快剪试验，剪切需3～5 min，效率较高。

直剪试验由于是对固定破坏面（即剪切面）作剪切，固定剪切面上土体代表破坏面力学性质，不能完全代表试样力学性质。本试验利用直剪试验这一特点，将试样融化到指定位置后，即冻融交界面出现在剪切面所在位置，剪切后可得到该界面抗剪强度参数。

本次剪切试验使用实验室自主研制大型直剪仪，剪切盒尺寸为内径10 cm，高度10 cm。配备拉压力传感器并使用东华DHDAS 动态信号采集分析系统。剪切试验所用直剪仪、力学传感器及信息采集系统如图4所示。

图4 直剪仪及相应数据采集系统Fig.4 Direct shear apparatus and corresponding data acquisition system

通过直剪仪及相应系统，分别开展不同含水率未冻融、正融试样直剪试验。直剪试验分为固结慢剪、固结快剪和快剪试验3 种基本类型，并从排水条件上与三轴试样相对应：3种直剪试验分别对应三轴试验中固结排水、固结不排水及不固结不排水。本试验对试样采用快剪试验，具有以下优点：

①对于黏性较大土样，作快速剪切时，可保证孔隙水压力几乎不消散，密度几乎不发生变化，与三轴不固结不排水试验所测得性质接近；

②快剪试验剪切时间一般为3～5 min，相比于其他抗剪强度测定试验，剪切速率较快，实现正融试样剪切。由于剪切时间短，试样在试验过程中受外界条件影响较小。

本试验，试样剪切速率设定为2 mm·min-1。每个含水率至少制备4个试样，分别在50、100、150和200 kPa 法向压力下剪切。剪切前，将剪切盒放入温度较低环境中，减少剪切过程中外界温度对试样性质影响。剪切时将剪切盒内壁及上下盒接触面涂抹凡士林润滑，并将杠杆调平。将试样放入剪切盒，试样顶端及底端放置透水石后贴好不透水蜡纸，防止排水。盖好传压板，按相应法向应力施加荷载。调节传感器探头使之与剪切盒剪轻微接触。

由上述方程容易看出,无论哪种模型得到的均方末端距都与统计单元数目的一次方成正比,而单元数目恰恰与分子量是线性相关的,因此均方末端距与分子量呈线性正比关系.用均方末端距除以链的分子量就可以得到一个能表征分子链刚柔性的特征参数——分子无扰尺寸:

剪切试验准备工作完成后开始剪切试样。打开信号采集系统，选择相应信号采集及数据输出模式，清零，之后采集。DHDAS 动态信号采集分析系统可自动采集传感器数据并输出为应力。将数据采集间隔设定为6 s，根据收集数据绘制剪切应力-剪切位移关系曲线。

2 结果与分析

2.1 未冻融土体抗剪强度

土抗剪强度指标关键在于内摩擦角φ和粘聚力c。根据库仑试验结果，提出土抗剪强度公式：

式中，τf-剪切面上剪应力，即土抗剪强度（kPa）；φ-土摩擦角（°）；c-土摩擦力，法向应力为零时抗剪强度（kPa）；σ-剪切面的法向应力（kPa）。

在常温下，分别对含水率为18%、20%、22%、24%，干密度同为1.55 g·cm-3土样作快剪试验。

根据数据采集系统所收集数据，绘制剪应力和剪切位移关系曲线，如图5所示。

图5 未冻融土体剪切应力-剪切位移曲线Fig.5 Shear stress shear displacement curve of unfrozen soil

分析各含水率下未冻融重塑粉质黏土剪切应力-位移曲线。剪切初始阶段剪切位移较小时，土体应力-应变曲线近似线性，表现为弹性应变；随剪切位移增加，土体很快转变为塑性应变，但并未出现明显峰值。

取剪切应变为10 mm（试样横截面直径10%）处剪应力为各法向应力下最大剪应力，即土体抗剪强度，绘制抗剪强度曲线，如图6所示。

2.2 粉质黏土冻融交界面快剪试验

在试样融化过程中，将冻融交界面控制在预设高度，即试样5 cm 处，以实现直剪试验时剪切面在冻土-融土交界区域内。此时上部土体已融化，界面下部分土体则处于冻结状态。正融试样剪切面及剪切面下冻土层如图7、8所示。

由于试验中出现剪切面上已融土和冻土分布不均匀，需对试验结果作筛选处理。处理方法为：分析每次冻融交界面处快剪试验出应力-应变曲线，由于冻土具有较高强度，其抗剪强度远超融土，因此当曲线出现陡增或锐减情况，或相同法向应力下剪切应力远大于其初始状态下剪切应力，说明剪切界面并不均匀，界面上局部存在未融化冻土，不能代表正融状态土体抗剪强度。

将符合试验条件正融试样取出，放入剪切盒作快剪试验。与初始状态下土样直剪试验相同，绘制剪切应力-剪切位移曲线，如图9所示。

图6 未冻融土体抗剪强度曲线Fig.6 Shear strength curve of unfrozen soil

表1 未冻融土体粘聚力及内摩擦角Table 1 Cohesion and internal friction angle of unfrozen soil

图7 试样剪切面Fig.7 Shear plane of sample

图8 试样冻结层Fig.8 Frozen layer of sample

图9 冻融交界面处土体剪切应力-位移曲线Fig.9 Shear stress displacement curve of soil at freeze-thaw interface

冻融交界面处土体剪切应力-位移曲线，与未冻结前土体剪切应力-位移曲线相比，各初始含水率下试样在各法向应力下，土体在剪切开始时略表现出线性剪切应力，之后进入塑性应变，与初始状态相比总体呈降低趋势。

根据各法向应力下破坏强度绘制摩尔-库仑强度包线，如图10 所示。通过拟合曲线，计算粉质黏土冻融交界面处抗剪强度参数，如表2所示。

图10 冻融界面处土体抗剪强度曲线Fig.10 Shear strength curve of soil at freeze-thaw interface

表2 冻融界面处土体抗剪强度参数Table 2 Shear strength parameters of soil at freeze-thaw interface

对比冻融交界面处土体粘聚力与未冻融试样粘聚力，含水率为24%试样降低10.79%，其粘聚力降低程度最高；含水率22%试样降低4.49%；含水率20 土体粘聚力仅降低0.51%，与未冻前相比几乎无变化；而18%含水率粘聚力降低1.12 %。

对比冻融交界面处土体内摩擦角与未冻融试样内摩擦角，其数值总体上呈小幅降低趋势，但降低程度并不显著。其中，初始含水率24%、22%、18%试样冻融交界面处内摩擦角分别降低2.4%、3.28%和0.44%，初始含水率20%冻融交界面处内摩擦角升高2.03%。

正融试样冻融交界面处粘聚力、内摩擦角与未冻融试样关系如图11所示。

图11 未冻融土体与冻融交界面处土体抗剪强度参数关系Fig.11 Shear strength parameters relationship between unfrozen soil and soil at freeze-thaw interface

2.3 粉质黏土冻融交界面处含水率变化

由于冻融交界面下方土体依旧处于冻结状态，其力学性质较强；而冻结层上部融土，在接近冻结层界面区域，其抗剪强度在试样冻结-融化过程中发生变化，因此研究各含水率正融试样冻土层上方1 cm高度内融土水分变化情况，见表3。

表3 冻土层上方融土含水率变化Table 3 Change of moisture content of thawed soil over permafrost

由冻土层附近融土水分变化可见，各含水率试样，在冻土层上方均呈出水分增大情况。试样4-4.5 cm 高度土体含水量，18%、20%、22%、24%含水率试样分别增加0.13%、0.38%、0.68%、0.80%；试样4.5～5 cm 高度土体含水量，各含水率试样增加0.22%、0.42%、0.81%、1.13%，可见在封闭系统下，越接近冻结层界面，融土含水量变化越大。由表4可知，冻融交界面附近土体含水量升高，试样初始含水率越高，冻融界面附近水分增长越大。

冻融交界面处水分变化原因是，在融化过程中融土内土颗粒表面薄膜水受土颗粒吸附作用相对较弱，在温度梯度作用下向冻层移动，产生水分沿竖直方向迁移。由于冻结层内土体渗透性极低，在冻结层顶部界面上水分无法及时向下迁移，因此冻土层界面上方正融土体处含水量升高，当含水率足够大，冻融交界面附近土体呈饱和甚至过饱和状态。

2.4 粉质黏土冻融交界面处土体抗剪强度参数与水分关系

粉质黏土在冻融交界面处抗剪强度参数变化与试样在冻融交界面处土体含水率变化如图12所示。

由图12 可知，冻融交界面处土体粘聚力随冻融交界面土体含水量增加而减小，冻融界面处土体粘聚力随水分增加表现出对水分更加敏感趋势，粘聚力降幅随含水率增幅增大而增大；冻融交界面处土体内摩擦角变化与冻融交界面附近水分变化关系并不明显，含水率20%试样甚至出现内摩擦角随含水率增大而增大现象。可知，粉质黏土内摩擦角受界面水分影响程度略低于粘聚力，但界面水分总体上使土体内摩擦角降低。

3 结 论

本试验使用自主研制大型直剪仪，将试样在封闭条件下冻结后融化至指定位置后作快剪试验，测得季冻区粉质黏土在不同初始含水率下冻融交界面处抗剪强度参数、冻融界面附近土体内含水量变化。分析界面处含水量变化原因、抗剪强度参数变化与该界面附近土体水分变化关系。

a.粉质黏土在冻融交界面附近土层含水量发生变化，与未冻融式样相比，冻融界面处含水量小幅增加，界面处水分增幅明显高于上层土体，冻融界面处水分聚集情况较显著。冻融界面附近水分变化受试样初始含水率影响，试样初始含水率越高，试样在冻融交界面附近土体含水量增幅越大。

b. 粉质黏土在冻融交界面处抗剪强度与未冻融试样相比发生改变，变化与冻融交界面处土体含水量有关，随界面附近土体含水量增加，界面处土体粘聚力降低，含水率变化量越大，粘聚力降低越明显。冻融交界面处内摩擦角变化随其附近土体水分变化关系不明显。

c.在封闭系统下，由于无外界水源补给，试样水分重分布全部来源于试样本身。将不同含水率试样剪切面附近含水量变化与对应冻融界面抗剪强度参数相关联，为季冻区粉质黏土边坡稳定性研究提供借鉴。当土质边坡在春融期出现短时间内强降水、积雪入渗时，在土体内部冻融界面附近出现土体抗剪强度大幅降低现象，导致边坡稳定性降低造成破坏，需在工程中加以预防或改进。