含水率和温度影响下的高原土体力学特性试验研究

王 瑞，郭聚坤, ，魏道凯, ，卞贵建，雷胜友，琼 吉，张庆鑫

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.山东交通职业学院 公路与建筑系，山东 潍坊 261206； 3.日喀则市交通运输局公路工程项目管理中心，西藏 日喀则 857021)

在我国青藏高原地区，分布着大片多年冻土、岛状多年冻土和高山多年冻土，地表均存在着冬冻夏融的冻结-融化层[1]。作为地基的冻结-融化层，负温情况下，土中水充斥在土颗粒间冻结成冰，引起土体冻胀变形[2]，会造成建筑物的开裂和不稳，温度升高情况下，冻结土会因温度升高而融化，造成建筑物的不均匀沉降等问题。土的冻融状态是影响青藏高原地区铁路、公路等重大工程修建的关键因素[3]。为此，众多学者做了大量研究。孙志忠等[4-7]对青藏高原地区路基稳定性进行了分析；周亚龙等[8-9]对青藏高原地区桩与土体稳定性进行了探讨，并提供了合理的施工建议。充分认识青藏地区土体的物理力学性质是该地区开展土木工程建设的重要前提。李顺群等[10]基于试验数据和统计学知识，对青藏高原土体力学性质影响因素的显著性进行了研究，指出温度对青藏高原冻土力学性质影响最为明显。冻融循环作为一种特殊的强风化作用形式，对土的物理力学性质有着极强的影响。为了与工程实际情况相符合，众多学者开展了冻融循环下的青藏高原冻土物理力学性质的研究[11-14]。王大雁等[15]以青藏黏土为研究对象，经过0～21 次完整冻融循环后进行了三轴压缩试验，发现冻融过程使土体从不稳定态向动态稳定态发展。常丹等[16]指出青藏粉砂土的力学性质受冻融循环次数的影响较大，且在经历 7～9 次冻融循环后抗剪强度达到最小值。郑郧等[17]认为冻融循环对土结构性影响的根本原因是冻融过程中水分相变、冰晶生长和水分迁移对土颗粒和孔隙产生了反作用力。Cao等[18]研究发现地下冰是由于土样水分在冻融循环后向下迁移造成的。

为研究青藏高原土体的力学性质，选取青藏高原日喀则地区土样，利用自主研制的土体冻融循环剪切试验仪，考虑试验温度和土体含水率两种因素，对青藏高原土体压缩过程的法向位移-时间关系、降温过程中的冻结和冻胀、恒温过程中的土体剪切特性进行分析。

1 试验前期准备

试验设备为自主研制的土体冻融循环剪切试验仪。该设备由法向系统、剪切系统、温度控制系统和计算机操作系统组成。法向荷载由SMC公司产的电气比例阀调制气缸来施加，并通过4个5 kN弹簧传递给土体，法向荷载传感器最大量程为40 kN，精度为±1%，法向位移传感器量程为 0～30 mm，精度为±1%。剪切力由0.75 kW的三菱伺服电机提供，最大剪切力为50 kN，水平荷载传感器的最大量程为50 kN，精度±1%，剪切位移传感器量程为0～50 mm，精度±1%。剪切盒分上下两个部分，其中上剪切盒和下剪切盒的内径均为100 mm，高度均为60 mm。温度控制系统示意见图1，外置循环泵将一定温度的液体通过循环管道进入上下剪切盒内部，以实现土样的升温或降温，温度传感器布置在土体内部中间位置，以此进行土样温度的实时检测。温度控制系统可以实现温度-20～70℃的施加。计算机操作系统控制法向力和剪切力的施加，实时记录法向应力、剪切应力、剪切位移及法向位移等数据。

图1 温度控制系统示意Fig.1 Schematic diagram of temperature control system

试验所用土体选自青藏高原日喀则地区某工地，颜色为灰褐色，土体经2 mm方孔筛筛余后作为试验土样，其物理力学性质指标依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）[19]获得。试验土样的级配曲线如图2所示，土样内细粒组质量大于总质量的15%，且小于总质量的50%，同时测得细粒组的液限为28.13%、塑性指数为12.17，可知该青藏高原土体为黏土质砂，属于粗粒土。经击实试验测得试验土样的最大干密度为2.18 g/cm3，最佳含水率为8.55%，击实曲线如图3所示。

图2 试验土样级配曲线Fig.2 Grading curve of test soil

图3 试验土样击实曲线Fig.3 Compaction curve of test soil

试验考虑土体含水率和试验温度两个因素，正交试验方案如表1所示。为研究不同深度处土体的剪切特性，法向应力取为300、600、900和1 200 kPa，试验共计36组。

表1 正交试验方案Tab.1 Scheme of orthogonal test

试验时土样分3次装入剪切盒，每次装样完成后通过击样器对土样进行击实，击实完成后对土样表面拉毛，以保证上下层粘结紧实。装样完成后，将剪切盒放入设备保温箱内的试验导轨上，施加法向应力，固结时间设置为1.5 h，以保证重塑土的密实度与原状土相近。通过循环泵将酒精送入剪切盒内部的循环管道，待土样温度达到设定温度30 min后开始试验。试验剪切速率设置为0.3 mm/min，最大剪切位移取为20 mm。

2 压缩试验结果分析

图4展示了900 kPa下法向位移和时间的关系。可以发现：（1）法向位移随时间先急剧增大，随后趋向稳定，含水率越大，达到稳定所用时间越长。（2）土体的压缩量随含水率的增大而增大，从含水率9%到12%的增加幅度较含水率从6%到9%要更大。（3）绘制压缩时间1.5 h时的法向位移与法向应力关系曲线（图5），发现在同一含水率下，法向位移随法向应力的增加而增大，但增幅呈减小趋势，二者可用双曲线模型进行描述，计算式如下：

图4 900 kPa下法向位移-时间关系Fig.4 Relationship between normal displacement and time at 900 kPa

图5 法向位移-法向应力关系Fig.5 Relationship between normal displacement and normal stress

式中：a和b为双曲线参数。将式（1）标准化，得到式（2）：

通过式（2）可得σ/δν1.5h与σ的线性关系，参数a和b的值见表2。相关系数R2在0.995以上，拟合效果良好，参数a和b均随土体含水率的增大而减小，但a在含水率从6%到9%的减小量大于含水率从9%到12%的减小量，b在含水率从6%到9%的减小量小于含水率从9%到12%的减小量。

表2 σ/δν1.5h 与σ线性拟合结果Tab.2 Linear fitting results of σ/δν1.5h and σ

3 土的冻结及冻胀分析

本试验所用土体为黏土质砂，是砂颗粒和黏土的组合体。土力学[20]中指出黏土颗粒表面常带有负电荷，水受到黏土颗粒表面电荷电场的作用，水分子和水化阳离子会向颗粒周围聚集。根据水受到颗粒表面静电引力强弱划分为强结合水、弱结合水和自由水，其中强结合水和弱结合水紧密结合在黏土颗粒周围，自由水存在于土体的孔隙中。对于砂颗粒而言，其表面电荷极其微弱，吸引水的能力远远不及黏土颗粒。因此，当有水分进入土体后，首先与黏土颗粒结合，在黏土颗粒表面依次形成强结合水、弱结合水和自由水，自由水出现后一部分被砂颗粒吸收，另一部分存在于砂颗粒表面和土中的孔隙。关于砂的吸水率，将试验用土中的黏土洗除掉，对剩余砂颗粒烘干后用四分法取样3 000 g，按照水工混凝土试验规程[21]规定的试模法开展了砂颗粒饱和面干吸水率测定，测得砂颗粒饱和面干吸水率为0.34%，这说明本试验用土中的砂颗粒基本不吸水。根据上述分析，本文认为水与试验土体进行拌合本质是与黏土的拌合，土体试验含水率本质为黏土含水率，通过土体级配可知黏土占比为34.35%，计算得6%、9%和12%的试验土体含水率对应的黏土含水率分别为17.47%、26.20%和34.93%。

含水率小于塑限时土中水的类型仅为强结合水，介于塑限和液限之间时为强结合水和弱结合水，大于液限时为强结合水、弱结合水和自由水，如图6所示。本试验黏土的塑限为15.96%，液限为28.13%，塑性指数为12.17，为粉质黏土，A、B和C分别对应试验土体含水率6%、9%和12%，含水率6%和9%土体中水的类型为强结合水和弱结合水，含水率9%土体的弱结合水含量较含水率6%的更多，12%含水率土体中水的类型为强结合水、弱结合水和自由水。另外，自由水在0 ℃时即可冻结，弱结合水层的最外层在-0.5 ℃时可冻结，且冻结温度随着与土颗粒距离的减小逐渐降低，到达弱结合水层的内层时需达到-30～-20 ℃方可冻结，而强结合水的冰点要达到-78 ℃[20]。文献[22]对正冻土划分为3个主要的水相变区，即剧烈相变区、过渡相变区及已冻结区，并给出了粉质黏土的3个水相变区的温度范围，剧烈相变区为-2.0～0 ℃、过渡相变区为-5.0～-2.0 ℃、已冻结区为小于-5.0 ℃。根据上述分析可知，在剧烈相变区，含水率6%、9%土体中的部分弱结合水达到冰点，含水率12%土体中的自由水和部分弱结合水也达到冰点，这说明3种含水率土体在剧烈相变区均发生了冻结现象，随着土体温度的降低，试验土体经过过渡相变区进入已冻结区，在此过程中弱结合水被冻结的含量也随之增加。发生上述现象的根本原因是土中水分在负温条件下，未冻结区的水向冻结区迁移或积聚，且起始含水率的大小决定了结合水膜的厚度，从而决定了水与固体颗粒表面的结合能力，起始含水率越大，土体冻结效果越明显。因此，含水率12%土体的冻结效果最好，含水率9%的次之，含水率6%的最小。

图6 不同含水率土体与所含水类型对应关系Fig.6 Corresponding relationship between soil with different water contents and water types

试验及工程实践[1]表明，并非所有含水土体冻结都会产生冻胀，只有超过起胀含水率时，冻胀才会发生。当土体受压稳定后，黏性土的起胀含水率与塑限含水率存在密切关系，《冻土力学》[1]指出起胀含水率与塑限含水率比较接近，考虑到本文试验土体含水率对应的黏土含水率均大于黏土塑限，这说明试验土体的3种含水率均大于起胀含水率，土体会产生冻胀力，但能否产生起胀现象还与试验施加的法向荷载有关，若法向荷载大于冻胀力，就不会发生土体冻胀现象。本文以法向应力900 kPa下法向位移和温度的关系（图7）为例，分析不同含水率的土样从0 ℃变化至-12 ℃过程中法向位移变化规律。可以看出：含水率6%和9%的土体法向位移随温度的降低而增大，含水率12%的土体法向位移随温度的降低先增大后减小，说明含水率12%的土体发生了冻胀现象，含水率6%和9%的土体在降温过程中未产生冻胀现象。

图7 900 kPa下法向位移-温度关系Fig.7 Relationship between normal displacement and temperature at 900 kPa

综合上述分析，将含水率12%的土体在不同法向应力下法向位移随温度的变化规律为例对土体的冻胀现象进行分析，土体的法向位移和温度关系如图8所示，土体冻胀量及冻胀温度和法向应力关系如图9所示。可以看出：（1）法向位移随着温度的降低出现先增后减的变化规律，说明不同法向应力下的土体均产生了冻胀现象。（2）土体发生冻胀时的温度集中在-3～-2℃范围内，且此温度随法向应力的增加而降低。（3）土体从冻结温度至-12℃过程中产生的冻胀量随法向应力的增大而减小，这是由于法向应力的增加，增大了土颗粒之间的接触应力，影响了土体中水分相态的转换。

图8 含水率12%土体法向位移-温度关系Fig.8 Relationship between normal displacement and temperature of soil with water content of 12%

图9 含水率12%土体冻胀量及冻胀温度与法向应力关系Fig.9 Relationship between frost heave and frost heave temperature and normal stress of soil with water content of 12%

4 剪切试验结果分析

4.1 剪切应力、法向位移与剪切位移关系

剪切应力-剪切位移及法向位移-剪切位移关系曲线如图10所示，法向位移增加表示剪缩，法向位移减小表示剪胀。

图10 剪切应力-剪切位移及法向位移-剪切位移曲线Fig.10 Curves of shear stress-shear displacement and normal displacement-shear displacement

由图10可见：

（1）剪切应力-剪切位移关系：①试验开始阶段，剪切应力随剪切位移的增大而增加，二者呈正相关关系，达到峰值剪切应力后，除12 ℃土体的个别试验曲线外，剪切应力随剪切位移的增大出现不同程度的软化，-12 ℃的土体软化程度最大，在试验中后期剪切应力-位移曲线趋于平稳，出现残余剪切应力。②本文将峰值剪切应力对应的剪切位移命名为特征剪切位移，发现特征剪切位移基本随法向应力的增大而增加，-12 ℃土体的特征剪切位移主要集中在1～3 mm，0 ℃和12 ℃土体的特征剪切位移主要集中在5～10 mm。

（2）法向位移-剪切位移关系：①对于12 ℃的土体，在不同含水率下表现出不同的体变特性，含水率6%的土体在300和600 kPa下法向位移随剪切位移的增大而减小，表现出以剪胀为特征的体变，这是因为土体含水率较低，水在土体中存在的类型主要为强结合水，弱结合水较少，黏土颗粒接近固体颗粒，变形较小，且土体内含有大量的砂颗粒，界面附近的颗粒因受到剪切力和较小的法向力作用产生了明显的转动和翻滚现象，这也是低含水率下内摩擦角比较大的原因，在900和1 200 kPa下法向位移随剪切位移的增大而增加，表现出以剪缩为主要特征的体变，说明法向力的增大限制了颗粒的转动和翻滚。含水率9%的土体与含水率6%的土体相比，剪胀特性减弱，剪缩特性增强，这是因为随着土体含水率的增加，弱结合水的含量增加，提高了黏土颗粒塑性变形的能力，减弱了颗粒间的咬合力和摩擦力，提高了颗粒间的黏聚力，从而减小了颗粒转动和翻滚的能力，所以含水率9%的土体表现出以剪缩为主的体变特性。含水率12%的土体在各法向应力下法向位移随剪切位移的增大而增加，完全表现为以剪缩为特征的体变，这是因为水在土中存在的类型出现了自由水，减小了颗粒之间的咬合作用，从抗剪强度指标上看，内摩擦角和黏聚力相比于9%含水率的土体更小，因此在法向力作用下颗粒滚动和相互错动的能力减弱，土体表现出比9%含水率土体更显著的剪缩体变。②对于0 ℃的土体，在不同含水率和不同法向力下表现出的体变特性与12 ℃的土体基本一致，这是因为含水率6%和9%土体中水的类型仅为结合水，没有达到其冰点，含水率12%土体中水的类型虽然有自由水，但达到冰点的水量较少，由此引起土体的冻胀量也不显著，所以对土体的体变特性影响较小。从12 ℃和0 ℃土体的法向位移变化来看，主要集中在-0.5～0.5 mm，二者比较接近，这说明正温的变化对土体状态影响较小，二者的抗剪强度指标比较接近就是对此现象很好的证明。③对于-12 ℃的土体，不同试验条件下均表现出以剪胀为特征的体变，法向位移的变化主要集中在0～-4 mm，比较12 ℃和0 ℃的土体，-12 ℃土体的体变量要大得多，其剪胀量随法向应力的增大而减小，随含水率的增加而增大，这是因为在-12 ℃的负温条件下，各含水率的土体内均有水产生了冻结，且冻结量随含水率的增大而增加，产生此现象的原因前述已分析，水的冻结增强了黏土颗粒的固体特性，减小了其变形特性，加大了黏土颗粒和砂颗粒的转动和翻滚，使得土体表现出很明显的剪胀体变。

绘制所有土体在不同法向应力下峰值剪切应力、残余剪切应力与温度的关系，如图11和12所示。可以看出：（1）在相同温度下，峰值剪切应力随含水率的增大出现先增后减的变化规律，含水率9%土体的峰值剪切应力最大，这是因为9%的土体含水率与最佳含水率8.55%最接近，其土体密实程度较6%和12%的更大。在相同含水率下，0 ℃和12 ℃土体的峰值剪切应力比较接近，-12 ℃土体的峰值剪切应力要远大于0 ℃和12 ℃土体对的峰值剪切应力，这是由于在试验温度-12 ℃时，3种含水率的土体均出现了冻结现象，土体达到剪切破坏所需要的剪切力更大。（2）残余剪切应力随法向应力的增大而增加，各含水率下土体残余剪切应力没有明显的变化规律。12 ℃和0 ℃土体的残余剪切应力比较接近，较-12 ℃土体的要小。

图11 峰值剪切应力-温度关系Fig.11 Relationship between peak shear stress and temperature

图12 残余剪切应力-温度关系Fig.12 Relationship between residual shear stress and temperature

4.2 抗剪强度指标分析

内摩擦角φ和温度t关系如图13所示，黏聚力c和温度ω关系如图14所示。可以看出：（1）内摩擦角随含水率和温度的增大而减小，含水率6%、9%和12%的土体内摩擦角分别集中在33°～42°、33°～35°和31°～34°。（2）在相同温度下，黏聚力在土体含水率9%时最大，即最佳含水率附近最大，在相同含水率下，黏聚力随温度的升高而降低，含水率6%、9%和12%的土体黏聚力分别集中在40～370 kPa、140～1 560 kPa和 30～1 290 kPa。

图13 内摩擦角-温度关系Fig.13 Relationship between internal friction angle and temperature

图14 黏聚力-温度关系Fig.14 Relationship between cohesion and temperature

5 结 语

（1）在土样压缩的初始阶段，法向位移与时间呈线性关系，之后增速变缓并趋于稳定，土体的压缩量随含水率的增加而增大，土体压缩量和法向应力符合双曲线关系。不同含水率的土体从0 ℃降至-12 ℃过程中均产生了冻结现象。含水率12%的土体发生冻胀时的温度集中在-3～-2 ℃范围内，且此温度随法向应力的增加而减小。

（2）剪切应力-剪切位移关系曲线主要由硬化阶段和软化阶段构成。-12 ℃土体剪切应力的软化程度远大于0 ℃和12 ℃的土体。峰值剪切应力在最佳含水率附近最大，-12 ℃土体的峰值剪切应力和残余剪切应力均大于0 ℃和12 ℃的土体。

（3）12 ℃和0 ℃土体的法向位移变化规律基本一致，在6%和9%含水率下表现为低压下以剪胀为主，高压下以剪缩为主，12%含水率的土体完全以剪缩为主。-12 ℃的土体在不同试验条件下均表现出剪胀特性。

（4）土体内摩擦角随含水率和温度的增大而减小。黏聚力随温度的升高而减小，在土体最佳含水率附近最大。