章文姣，王志強(qiáng)，宋碧亞

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧錦州 121001;2.遼寧工業(yè)大學(xué)研究生院，遼寧錦州 121001)

東北地區(qū)鐵路建設(shè)經(jīng)常遇到凍脹和融沉現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍脹和融沉對(duì)工程穩(wěn)定性的影響已做過(guò)許多研究[1-3]，并提出了一些有效防止或改善巖土體凍融破壞的方法[4-7]。馬巍等[8]研究發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融循環(huán)對(duì)石灰粉土的強(qiáng)度特性有著較大的影響。一次凍融循環(huán)后未加石灰的粉土剪切強(qiáng)度變化不大，但石灰粉土剪切強(qiáng)度明顯低于未凍融的，而且隨凍融次數(shù)的增加，石灰粉土的剪切強(qiáng)度逐漸衰減，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)的飽水石灰粉土強(qiáng)度最低。楊成松等[9-10]對(duì)含鹽凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，得出了抗壓強(qiáng)度隨含鹽量的減小和溫度的降低呈線性增大，初始彈性模量和偏應(yīng)力最大值隨著含鹽量的減小和溫度的降低而增加。馮勇等[11]對(duì)新疆地區(qū)廣泛用作建(構(gòu))筑物地基的黏土和粉土進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，黏土和粉土的c，φ值隨著凍融次數(shù)的增加總體呈下降趨勢(shì)，土體的含水量、易溶鹽量、黏粒含量、密實(shí)度等對(duì)c，φ值也有著重要影響，但影響程度各不相同。

巖土體的工程特性具有地域性，對(duì)不同地域巖土體需要進(jìn)行單獨(dú)的土工試驗(yàn)。本文對(duì)遼寧錦州粉質(zhì)黏土進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)試其凍融前后的位移、含水率、密度、抗剪強(qiáng)度等，以找出凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)錦州粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)的影響規(guī)律，并對(duì)其變化機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣選用遼寧錦州小凌河附近廣泛用作路基的粉質(zhì)黏土，試驗(yàn)用土顆粒組成見表1，主要物理指標(biāo)見表2。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)的要求，分別制取直徑61.8 mm、高20 mm和直徑50 mm、高100 mm兩種標(biāo)準(zhǔn)試樣。

表1 粉質(zhì)黏土的顆粒組成

表2 試驗(yàn)用土的主要指標(biāo)

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

錦州地區(qū)冬季氣溫變化范圍在－20℃ ～+20℃，因此本文選取的凍融環(huán)境溫度為－20℃ ～+20℃。將加工好的試樣裝入模具，并將模具放入恒溫冷凍箱中，在試樣的底部放置補(bǔ)水瓶以模擬地下水的補(bǔ)給，系統(tǒng)處于開放狀態(tài)。凍結(jié)過(guò)程頂部溫度為－14℃，底部溫度為1℃，試樣由上至下單向凍結(jié)，凍結(jié)時(shí)間為12 h。融化過(guò)程頂部溫度為16℃，底部溫度為1℃，融化時(shí)間為12 h。為了模擬粉質(zhì)黏土在初冬和初春的凍融交替，設(shè)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，1，2，…，7次，每組試樣進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，分別記錄每次凍脹、融沉后試樣的最大位移量。

1.3 土工試驗(yàn)

試樣經(jīng)過(guò)凍融交替，達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)后立即取出進(jìn)行含水率、密度和抗剪強(qiáng)度測(cè)試。含水率測(cè)試采用烘干法，土樣的密度測(cè)試采用環(huán)刀法，抗剪強(qiáng)度測(cè)試采用三軸排水剪切試驗(yàn)，圍壓分別為100，200，300，400 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍脹與融沉

表3是試樣經(jīng)不同凍脹和融沉次數(shù)后的最大位移量，由表3可以看出，在5次凍融循環(huán)之內(nèi)，土在凍脹和融沉過(guò)程中發(fā)生的位移量并不相等，凍脹量明顯大于融沉量，而兩者差值逐漸減小。隨著凍融次數(shù)的增加，凍脹量先增大后減小，超過(guò)5次凍融循環(huán)后，凍脹量基本趨于穩(wěn)定，約為2.50 mm;融沉量也有著類似規(guī)律，穩(wěn)定值約為1.65 mm。

表3 土的凍脹和融沉量

這是因?yàn)樵趦雒涍^(guò)程中土樣原含水分和地下水補(bǔ)給的水分在溫度效應(yīng)下由水向冰轉(zhuǎn)化體積膨脹，引起的凍脹力推動(dòng)土顆粒移動(dòng)，使得土體產(chǎn)生變形。土在融沉過(guò)程中，凍土中的冰融化成水，體積縮小，土顆粒在重力作用下開始堆積，填補(bǔ)土體中的孔隙。

2.2 含水率與密度

土體凍脹和融沉量的大小取決于土中水分遷移的速率，而水分遷移速率與土體的原始狀態(tài)、附加荷載、外界溫度等有關(guān)。在相同的試驗(yàn)條件下，土體經(jīng)凍融循環(huán)后的含水率正是水分遷移后的綜合反映，土樣中含水率越大，表明水分子在土體中的遷移速率越快，同時(shí)也表明土體孔隙率越大，密度越小。圖1和圖2分別為土體凍融循環(huán)前后含水率和密度變化曲線。圖中所示規(guī)律與前面的解釋相吻合。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體中含水率有所增加，且土體在前面2次凍融循環(huán)過(guò)程中含水率上升較快，而經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體中含水率基本穩(wěn)定下來(lái)，由原來(lái)的18.3%上升到27.4%。土體的密度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體密度達(dá)到最低值，由1.833 g/cm3降低至1.730 g/cm3;在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后土體密度有所回彈，但回彈量不大;經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，土體密度為1.740 g/cm3。

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與含水率關(guān)系曲線

圖2 凍融循環(huán)次數(shù)與土體密度關(guān)系曲線

由于土體內(nèi)部的礦物比例不同，土體在經(jīng)歷凍脹時(shí)各種礦物的熱脹系數(shù)不同，使得連結(jié)礦物顆粒的膠結(jié)物產(chǎn)生裂隙，而且凍脹力會(huì)推動(dòng)礦物顆粒移動(dòng)，進(jìn)一步加劇土體裂隙的形成。此外，土體中粒徑大的礦物，本身也會(huì)由于顆粒中心和外部的溫度不同而形成新裂隙。新裂隙的形成使得土體原有結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生改變。凍脹時(shí)間越長(zhǎng)，形成的新裂隙越多，土體滲透性越大。王天亮等[12]指出，負(fù)溫下的溫度梯度所產(chǎn)生的毛細(xì)吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正溫下的。也就是說(shuō)在凍脹時(shí)土體的毛細(xì)吸力大于融沉?xí)r土體的毛細(xì)吸力，因此，在有外界水源補(bǔ)給的條件下，土體經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后土體的含水率會(huì)有所增加。由于土體中孔隙的增加，單位體積內(nèi)孔隙水含量和空氣含量也增大，因此，土體的密度會(huì)有所下降。土樣在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后，土體的密度有所回彈，這可能是由于前幾次的凍融循環(huán)形成了大的裂隙，再次經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)，土體中較小的顆粒填充于裂隙中，使得土體密度有所增加，但增加幅度不大，再次經(jīng)歷凍融循環(huán)后，它將趨于穩(wěn)定。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)土體工程性質(zhì)的影響

土體物理性質(zhì)的變化，會(huì)直接影響到其工程性質(zhì)。對(duì)凍融循環(huán)0，1，3，5和7次后的土樣進(jìn)行室內(nèi)三軸排水剪切試驗(yàn)，圍壓分別為 100，200，300，400 kPa。圖 3和圖4給出了凍融前后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化曲線。由圖可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體黏聚力顯著降低，而內(nèi)摩擦角先增大后減小，經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角又與凍融前相當(dāng)。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與黏聚力關(guān)系曲線

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

粉質(zhì)黏土屬于細(xì)粒土，在正常固結(jié)條件下其黏聚力較大，而在凍脹過(guò)程中，凍脹力破壞了土體中土顆粒之間的聯(lián)結(jié)狀態(tài)，使得凍融循環(huán)后土體中形成了許多新生裂隙;此外，土體內(nèi)部由于不同礦物的熱脹系數(shù)不同，使礦物顆粒之間的膠結(jié)物發(fā)生了開裂，進(jìn)而導(dǎo)致黏聚力下降。而在5次凍融循環(huán)后，黏粒級(jí)以下的礦物會(huì)發(fā)生聚集，對(duì)應(yīng)的黏聚力會(huì)稍微有所增大。新生裂隙的生成破壞了原有土體的結(jié)構(gòu)，使原來(lái)的整體塊狀土體被分割成許多不規(guī)則的小體積土體，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大。而在5次凍融循環(huán)后，小體積的土體會(huì)繼續(xù)風(fēng)化成了更小體積的土體，這些更小的土體大多屬于黏粒礦物，顆粒間粘結(jié)力弱，易產(chǎn)生滑動(dòng)，所以土體的內(nèi)摩擦角會(huì)有所減小。

3 結(jié)論

1)錦州粉質(zhì)黏土在凍融循環(huán)后體積有所增加。隨著凍融次數(shù)的增加，凍脹量和融沉量先增大后減小，超過(guò)5次凍融循環(huán)后，凍脹量基本穩(wěn)定為2.50 mm，融沉量基本穩(wěn)定于1.65 mm。

2)土體中含水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。在前2次凍融循環(huán)過(guò)程中土體含水率上升較快，而經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體含水率基本穩(wěn)定下來(lái)，由原來(lái)的18.3%上升到27.4%。

3)土體密度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后土體密度達(dá)到最低值，由1.833 g/cm3降低至1.730 g/cm3;在經(jīng)歷4次凍融循環(huán)后土體密度有所回彈，但回彈量不大;經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后，基本穩(wěn)定為1.740 g/cm3。

4)隨著凍融次數(shù)的增加，土體黏聚力顯著降低，而內(nèi)摩擦角是先增大后減小，經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角又與凍融前相當(dāng)，約為28.6°。

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