盧連長(zhǎng)，張 澤，馮文杰，杜 微，劉博懷1, ,周成林

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院/西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

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凍融循環(huán)作用下凍結(jié)黏土礦物物理力學(xué)性質(zhì)研究

盧連長(zhǎng)1,2,，張 澤2，馮文杰2，杜 微1,2,，劉博懷1,2,周成林2

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院/西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院/凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

凍土工程破壞主要的原因之一是凍融循環(huán)作用。通過(guò)對(duì)高嶺土(主要黏土礦物為高嶺石)、膨潤(rùn)土(主要黏土礦物為蒙脫石)在反復(fù)凍融作用下的物理性質(zhì)試驗(yàn)及球模儀試驗(yàn)，研究高嶺土及膨潤(rùn)土在凍融循環(huán)作用下的物理力學(xué)性質(zhì)變化，并由此推定不同黏土礦物含量土在凍融循環(huán)作用下物理力學(xué)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)前10次凍融循環(huán)對(duì)高嶺土及膨潤(rùn)土的物理力學(xué)性能影響很大，凍融10次后，隨凍融次數(shù)的增加，高嶺土的密度下降，孔隙比增加，膨潤(rùn)土的密度增加，孔隙比減小；(2)凍融過(guò)程中物理性質(zhì)的變化不僅與土樣的種類有關(guān)，也與土樣的礦物成分有關(guān)；(3)高嶺土的長(zhǎng)期強(qiáng)度C24遠(yuǎn)高于膨潤(rùn)土，但是凍融過(guò)程中高嶺土的力學(xué)性能變化較大，而膨潤(rùn)土相對(duì)比較穩(wěn)定。

凍融循環(huán)；黏土礦物；物理力學(xué)性質(zhì)；長(zhǎng)期強(qiáng)度

凍融循環(huán)可以被理解為一種特殊的強(qiáng)風(fēng)化作用，其對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有著強(qiáng)烈的影響[1]。研究?jī)鋈谧饔脤?duì)土的物理性質(zhì)影響的成果較多,得到公認(rèn)的結(jié)論也較多。一般來(lái)說(shuō), 凍融循環(huán)作用使粉粒級(jí)及以上的土顆粒向下一個(gè)粒級(jí)轉(zhuǎn)變，而發(fā)生團(tuán)聚作用的黏土顆粒則向上一個(gè)粒級(jí)轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致土顆粒向某個(gè)粒組富集[2]，土的界限含水率也會(huì)隨之變化[3]；凍融對(duì)土具有擾動(dòng)作用,密實(shí)土的孔隙比會(huì)增大[4],而松散土的孔隙比會(huì)減小[5]；細(xì)顆粒土經(jīng)過(guò)凍融后滲透性會(huì)增大[6～7]。以上研究結(jié)果都認(rèn)為土質(zhì)的不同造成土體凍融后物理力學(xué)性質(zhì)的差異。然而，土是一個(gè)由多種礦物組成的集合體，而黏土礦物對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有著重大影響，其中最為典型的是高嶺石和蒙脫石。由于晶體結(jié)構(gòu)的不同[8]，即使有時(shí)黏粒的含量在土中不占優(yōu)勢(shì)，其對(duì)土的工程性質(zhì)也表現(xiàn)出明顯的控制作用。研究表明：隨著蒙脫石含量的減小，高嶺石含量的增加，土體液限持續(xù)減小，塑限先減小后增大[9]。也有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)富含黏土礦物的黏性土，蒙脫石干重比例高于25 %時(shí)，對(duì)黏性土抗剪強(qiáng)度具有絕對(duì)控制作用[10]。另外，土中的蒙脫石與高嶺石含量存在一個(gè)比例界線，在比例界線的兩邊土的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[11]。但已有成果中涉及凍融循環(huán)作用下黏土礦物影響的研究還比較少。

本文以高嶺土和膨潤(rùn)土為研究對(duì)象，利用球模儀對(duì)其經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)凍融循環(huán)后的物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，以期得到高嶺土和膨潤(rùn)土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的物理力學(xué)性能的變化規(guī)律，并由此推定不同黏土礦物對(duì)于凍土物理力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)方案與樣品制備

以高嶺土(主要黏土礦物為高嶺石)和膨潤(rùn)土(主要黏土礦物為蒙脫石)為研究對(duì)象，用于重塑的高嶺土和膨潤(rùn)土均為分析純，粒徑均小于3 μm。兩種土樣的礦物成分及基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1、2。

表1 高嶺土、膨潤(rùn)土礦物成分

表2 高嶺土、膨潤(rùn)土土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

制備樣品時(shí)，利用制樣機(jī)將重塑高嶺土、膨潤(rùn)土制成均一樣品，環(huán)刀及樣品高為20 mm，地面內(nèi)徑為61.8 mm。制樣過(guò)程中，為了避免水分在凍融過(guò)程中的損失，將飽和后的環(huán)刀土樣裝入保鮮膜中，并用膠帶密封。利用凍融循環(huán)試驗(yàn)箱對(duì)樣品進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并將凍融過(guò)程中凍結(jié)與融化的溫度分別設(shè)定為-20 ℃與+20 ℃。凍融采取多向凍融的方式，在試驗(yàn)前對(duì)單個(gè)環(huán)刀樣進(jìn)行凍結(jié)和融化試驗(yàn)，并確定樣品的凍結(jié)與融化時(shí)間為2 h?？紤]到凍融循環(huán)對(duì)土樣物理力學(xué)性能的影響多集中在前10次，凍融10次后，凍融對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響已經(jīng)逐漸平緩，向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。因此，設(shè)定凍融循環(huán)次數(shù)為4，6，8，10，50次，按照凍融次數(shù)將樣品分為5組，單組有3個(gè)平行樣品。凍融試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)的樣品進(jìn)行測(cè)試，剩余樣品繼續(xù)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

(1)密度及液塑限測(cè)定

將達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)的試樣從試驗(yàn)箱中取出，切取體積不小于30 cm3的代表性試樣，按照《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)的要求，采用蠟封法和液、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定該試樣的密度和液塑限。

(2)球形模板壓入試驗(yàn)

凍土黏聚力長(zhǎng)期強(qiáng)度(Ct)是凍土體在長(zhǎng)期荷載作用下，隨著加荷時(shí)間的持續(xù)，材料強(qiáng)度逐漸降低的特性。凍土具有強(qiáng)烈的流變性，凍土的長(zhǎng)期強(qiáng)度直接影響凍土工程的穩(wěn)定性，是凍土工程的設(shè)計(jì)依據(jù)[12]。

凍土抗剪強(qiáng)度與融土一樣也是由黏聚力和內(nèi)摩擦角兩部分組成，并在一定條件下符合庫(kù)倫定律：

τ=C(θ,W,t)+σtgφ(θ,W,t)

(1)

式中：C(θ,W,t)——凍土黏聚力/MPa;σ——應(yīng)力/MPa;φ(θ,W,t)——凍土內(nèi)摩擦角/(°)。

C和φ隨土溫、含水量及作用歷時(shí)的變化而變化，這是凍土強(qiáng)度特征區(qū)別于融土最為明顯的標(biāo)志之一。凍結(jié)黏性土，特別是高溫凍結(jié)黏性土，可以視為理想黏塑性土，其內(nèi)摩擦角φ(θ,W,t)趨于0，這時(shí)式(1)可簡(jiǎn)化為：

τ=C(θ,W,t)

(2)

即凍土的抗剪強(qiáng)度實(shí)際上等于黏聚力。從塑性理論精確解答中推導(dǎo)出黏聚力值[14]：

(3)

式中：Ct——單位面積隨時(shí)間變化的黏聚力/MPa；P——作用在球形壓板上的豎向荷載/N；K——比例系數(shù)，塑性材料等于0.18；d——球形壓板直徑/mm；St——球形壓板隨時(shí)間壓入深度/mm。

根據(jù)球形模板沉入土中的深度St計(jì)算出凍土的平均阻力，也就是黏聚力Ct值，因?yàn)榇嬖趦?nèi)摩擦力的影響，可視為等效黏聚力Cequ。在長(zhǎng)期荷載作用下，凍結(jié)土體的長(zhǎng)期強(qiáng)度可以根據(jù)長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線的現(xiàn)時(shí)坐標(biāo)確定。該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單易用，且在試驗(yàn)周期和試驗(yàn)效果方面均有很大的優(yōu)勢(shì)[14]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，將一組球模儀放入控溫箱內(nèi)。

箱體環(huán)境溫度控制在-20 ℃，將凍結(jié)樣品放入球模儀中，使球模儀圓形壓頭表面與土樣剛好接觸，扭緊球模儀固定栓，并在豎向加荷15 kg，位移計(jì)指針尖頭置于砝碼平面上一點(diǎn)，位移計(jì)保持豎直，不能傾斜。記錄位移計(jì)初始數(shù)據(jù)，松開(kāi)球模儀固定栓，進(jìn)行黏聚力長(zhǎng)期強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試時(shí)間設(shè)定為24 h。球模儀試驗(yàn)過(guò)程為點(diǎn)接觸施加荷載，由于土體不均勻可能造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，因此，在每個(gè)凍結(jié)高嶺土、膨潤(rùn)土樣品上至少進(jìn)行6次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融過(guò)程中物理性質(zhì)的變化分析

對(duì)凍融循環(huán)后高嶺土及膨潤(rùn)土試樣進(jìn)行物理性質(zhì)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3～5。兩種黏土礦物隨著凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。

隨著凍融次數(shù)的增加，高嶺土與膨潤(rùn)土的液限變化較為劇烈，而塑限基本不受凍融循環(huán)的影響。高嶺土液限在凍融6次時(shí)達(dá)到最低值，并在6～10次的凍融循環(huán)過(guò)程中呈直線上升，凍融10次后平穩(wěn)地下降。膨潤(rùn)土的液限變化在6次時(shí)達(dá)到一個(gè)低值，并在凍融8次左右有一個(gè)較大的起伏，凍融10次后，液塑限基本保持不變(圖1)。分析其原因，主要是凍融循環(huán)對(duì)土樣團(tuán)聚體的分裂與再次團(tuán)聚作用造成的[2]，凍融循環(huán)作用可以使高嶺石打破解理面而形成細(xì)小晶片，且?guī)讉€(gè)細(xì)小的晶片結(jié)合在一起形成較為粗大的黏粒。在凍融10次后，凍融循環(huán)作用對(duì)于高嶺土液限的影響以團(tuán)聚為主，團(tuán)聚減小了高嶺石單礦物個(gè)體的含量，因此液限下降。而膨潤(rùn)土的團(tuán)聚顆粒的分裂和團(tuán)聚相對(duì)平衡，在凍融循環(huán)作用下，液限基本保持不變。

圖1 高嶺土、膨潤(rùn)土界限含水率隨凍融次數(shù)變化曲線Fig.1 Changes in WL ,WP and IP of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

高嶺土的密度在凍融第4次到第6次過(guò)程中變化較為劇烈，在整個(gè)凍融過(guò)程中，高嶺土密度持續(xù)減小，并從第6次凍融后，密度的變化逐漸平緩(圖2)。說(shuō)明凍融6次后，土樣的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，顆粒的排列與土的結(jié)構(gòu)趨于新的平衡狀態(tài)，并在以后的凍融過(guò)程中逐漸更加穩(wěn)定。膨潤(rùn)土的密度變化與高嶺土有巨大的不同, 這主要受到膨潤(rùn)土遇水膨脹，失水收縮的性質(zhì)影響。膨潤(rùn)土在前10次的凍融過(guò)程中變化較為劇烈，并在凍融第6次時(shí)的密度最低；凍融8次以內(nèi)，膨潤(rùn)土的密度波動(dòng)最大，凍融8次后，密度的變化趨于穩(wěn)定；并在凍融10次后，密度保持持續(xù)的增長(zhǎng)，但變化量明顯減小，表明在凍融10次后，膨潤(rùn)土已經(jīng)達(dá)到了新的平衡狀態(tài)，并在此狀態(tài)下有細(xì)小的波動(dòng)。

圖2 高嶺土、膨潤(rùn)土密度隨凍融次數(shù)變化曲線Fig.2 Changes in density and dry density of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

高嶺土與膨潤(rùn)土的孔隙比變化(圖3)與干密度變化對(duì)應(yīng)，呈現(xiàn)明顯的“共軛”關(guān)系[3]。Viklander[6]基于凍融作用試驗(yàn)提出了殘余孔隙比的概念，即松散土和密實(shí)土經(jīng)過(guò)若干凍融循環(huán)次數(shù)后，松散土的孔隙比降低，密度增加，而密實(shí)土的孔隙比增加，密度減小，并且其孔隙比及密度都趨向一個(gè)穩(wěn)定值，人們將其歸結(jié)為土體種類的原因造成的[15]。

圖3 高嶺土、膨潤(rùn)土孔隙比隨凍融次數(shù)變化曲線Fig.3 Changes in void ratio of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

因此，不同黏土礦物含量的土在凍融循環(huán)過(guò)程中，物理性質(zhì)表現(xiàn)出不同的變化狀態(tài)。如果高嶺石含量占主導(dǎo)地位，則在凍融的過(guò)程中，土樣的干密度減小，孔隙比增大；如果蒙脫石對(duì)于土的性質(zhì)其主導(dǎo)作用，則在凍融的過(guò)程中，土樣會(huì)有干密度增大、孔隙比減小的變化。同時(shí)也得出結(jié)論，殘余孔隙比不僅與土樣的種類有關(guān)，土樣的礦物成分更是殘余孔隙比的決定因素。

2.2 凍融過(guò)程中黏聚力長(zhǎng)期強(qiáng)度的變化分析

對(duì)每個(gè)凍結(jié)高嶺土、膨潤(rùn)土樣品至少進(jìn)行6次試驗(yàn)，取中間擬合度高的數(shù)據(jù)作為土樣的平均水平進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(圖4)。由圖可以看出，土樣在荷載作用下，黏聚力隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，并在試驗(yàn)開(kāi)始段的下降速度較快，在10 min左右土樣產(chǎn)生破壞，破壞后土樣的強(qiáng)度相對(duì)平穩(wěn)下降。在凍融循環(huán)的過(guò)程中，高嶺土的長(zhǎng)期強(qiáng)度(圖5)以凍融第10次的強(qiáng)度最高，凍融循環(huán)50次的強(qiáng)度最低。膨潤(rùn)土的長(zhǎng)期強(qiáng)度(圖5)以凍融第4次的強(qiáng)度最高，凍融50次的強(qiáng)度最低。比較兩者的曲線圖形態(tài)分布可以發(fā)現(xiàn)：(1)高嶺土的等效黏聚力明顯高于膨潤(rùn)土；(2)高嶺土隨凍融次數(shù)的變化，其長(zhǎng)期強(qiáng)度的變化波動(dòng)較大，而膨潤(rùn)土的變化較小。高嶺土與膨潤(rùn)土等效黏聚力的差異主要是由高嶺土與膨潤(rùn)土不同的晶體結(jié)構(gòu)造成的：高嶺土存在聯(lián)結(jié)較強(qiáng)的氫鍵，而膨潤(rùn)土的晶格間距較大，聯(lián)結(jié)比較弱；膨潤(rùn)土等效黏聚力變化較小主要是膨潤(rùn)土的密度隨凍融次數(shù)的增加而增加，這有效地抑制了凍融循環(huán)對(duì)膨潤(rùn)土強(qiáng)度的弱化作用[16]。

圖4 高嶺土與膨潤(rùn)土等效黏聚力隨凍融次數(shù)變化圖Fig.4 Changes in the equivalent cohesion strength of frozen kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

圖5 高嶺土和膨潤(rùn)土長(zhǎng)期強(qiáng)度隨凍融變化曲線(24 h)Fig.5 Changes in the long term strength of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles(24 hours)

3 結(jié)論

(1)高嶺土與膨潤(rùn)土在凍融過(guò)程中，前10次的物理性質(zhì)變化較為劇烈，并在10次凍融后，土顆粒排列基本達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。隨著凍融次數(shù)的增加，高嶺土密度減小，孔隙比增大。膨潤(rùn)土因其特有的失水收縮性質(zhì)，在凍融過(guò)程中，其物理性質(zhì)受到的影響較小，并在凍融10次后，其變化規(guī)律與高嶺土呈相反狀態(tài)。

(2)凍融過(guò)程中物理性質(zhì)的變化不僅與土的種類有關(guān)，其本質(zhì)是更與土中所含的礦物成分有關(guān)。

(3)高嶺土的等效黏聚力高于膨潤(rùn)土，但膨潤(rùn)土凍融條件下的穩(wěn)定性高于高嶺土。在普通土體中如果膨潤(rùn)土的含量對(duì)土體影響起主導(dǎo)作用，則土體在凍融作用下的穩(wěn)定性相對(duì)較好，但其強(qiáng)度不會(huì)太高。而高嶺土則會(huì)提高土體的強(qiáng)度，但在凍融作用下物理力學(xué)性能變化較大。

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責(zé)任編輯：汪美華

Research on variability of freezing- thawing cycle on basic physical and mechanics properties of clay minerals

LU Lianchang1,2, ZHANG Ze2, FENG Wenjie2, DU Wei1,2, LIU Bohuai1,2, ZHOU Chenglin2

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics/KeyLaboratoryofMechanicsonDisasterandEnvironmentinWesternChinaofMinistryofEducation，LanzhouUniversity，Lanzhou，Gansu730000，China； 2.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering/GoldandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，CAS，Lanzhou，Gansu730000，China)

The effect of freezing- thawing cycle is one of the main causes for destruction of frozen soil engineering. Under the effect of freezing- thawing cycles, tremendous changes will occur in the engineering properties of soil, which resulting in the deformation and failure of engineering in cold regions. By testing the physical properties and conducting spherical template indenter tests of kaolin (with the main clay minerals of kaolinite) and bentonite (with the main clay minerals of smectite). After repeated freezing and thawing tests, the changes in physical- mechanical properties of kaolin and bentonite under the effect of freezing- thawing cycle are examined, and the change rule of the physical- mechanics properties of the soil with different clay minerals under the effect of freezing- thawing cycle can be speculated. The results show that (1) the first 10 times of the freezing- thawing cycle have important effect on the physical and mechanical properties of kaolin and bentonite. After 10 times of freezing and thawing, with the increasing number of freezing and thawing time, the density of kaolin decreases and the pore ratio increases, and the density of bentonite increases and the pore ratio decrease; (2) changes in soil physical properties are not only related to the types of the soil samples, but also the essential effect of the mineral compositions of the soil; (3) kaolin’s long- term strength (C24) is much higher than that of the bentonite (C24). However, in the process of freezing and thawing, the change in the kaolin’s mechanic performance is larger, and the bentonite’s mechanic performance is relatively stable.

freeze- thaw cycle; clay mineral; physico- mechanical properties; long- term strength

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.18

2016- 07- 11;

2016- 09- 09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301070)；中科院西部之光博士項(xiàng)目；甘肅省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2014-03)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(第46批)

盧連長(zhǎng)(1990- )，男，碩士研究生，主要從事凍土土質(zhì)學(xué)、寒區(qū)工程地質(zhì)與環(huán)境研究。E- mail：1057696906@qq.com

張澤(1981- )，男，博士，助理研究員，主要從事寒區(qū)工程地質(zhì)、凍土工程與環(huán)境研究。E- mail: zhangze@lzb.ac.cn

TU411.3

A

1000- 3665(2017)04- 0118- 06