(湖南常德路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 湖南 常德 415000)

基于凍融界面對(duì)路基土體抗剪強(qiáng)度的影響研究

鄧愛平

(湖南常德路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 湖南 常德 415000)

土的抗剪強(qiáng)度是反映土體對(duì)外界荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力的極限抵抗能力的力學(xué)指標(biāo)，以湖南地區(qū)某路基工程為背景，主要研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)以及不同含水量條件下，土體凍融界面處的抗剪強(qiáng)度，得出凍融界面強(qiáng)度隨影響因素的損傷程度，為地區(qū)性路基施工邊坡失穩(wěn)計(jì)算提供參考依據(jù)。

路基工程； 粉質(zhì)粘土； 凍融界面； 抗剪強(qiáng)度； 含水率

0 引言

土體在外荷載作用下，受到荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力，發(fā)生剪切變形，當(dāng)土體內(nèi)部所受的剪應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體就會(huì)沿著剪切作用面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而發(fā)生剪切破壞。凍融界面是土體中相對(duì)軟弱的界面，界面的抗剪強(qiáng)度在一定程度上決定了土體抵抗剪切變形的能力。因此，研究土體凍融界面的抗剪強(qiáng)度是十分必要的。近年來，我國(guó)諸多科研學(xué)者對(duì)凍融界面的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并取得了顯著的科研成果。楊讓宏等[1]研究了凍融界面的變化對(duì)凍土區(qū)斜坡路堤的穩(wěn)定性影響，建立了凍融界面位置形態(tài)與路堤穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)關(guān)系；吳海燕[2]設(shè)計(jì)并制作了模擬凍融界面的凍土模型；趙剛等[3]通過試驗(yàn)得出凍融循環(huán)過程中凍融界面會(huì)出現(xiàn)水分積聚，且含水量越大水分積聚現(xiàn)象越明顯；徐學(xué)燕等[4]給出了長(zhǎng)期荷載作用下凍融界面抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式；葛琪[5]提出了抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)的損傷模型，并研究了凍融界面處抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減系數(shù)；吳志琴[6]對(duì)不同含水率的土體在不同凍結(jié)溫度下凍融后的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究并得出相關(guān)規(guī)律。 本文以湖南地區(qū)某路基工程中粉質(zhì)粘土為研究對(duì)象，由于湖南當(dāng)?shù)囟咀畹蜌鉁卦? ℃左右，在冬季路基施工過程中，土體往往會(huì)形成凍融界面，所以研究?jī)鋈诮缑婵辜魪?qiáng)度是十分必要的，為地區(qū)性冬季路基施工及邊坡穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

1.1 影響因子的選取

本試驗(yàn)中選擇影響凍融循環(huán)前后土力學(xué)性質(zhì)變化的影響因素為含水量。土體含水率直接決定了凍結(jié)后未凍水的含量及凍結(jié)的速率，對(duì)土體造成結(jié)構(gòu)性的影響，所以不同含水量的土體凍融后力學(xué)性質(zhì)必然也不相同。因此，本試驗(yàn)選擇含水量為影響因子，研究不同含水量土體凍融界面的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。

1.2 凍融界面的實(shí)現(xiàn)

凍融界面的實(shí)現(xiàn)是本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是研究土體凍融界面抗剪強(qiáng)度的先決條件。因此，試件制作時(shí)分上下2層制作，上層土用生理鹽水配比，下層土用普通自來水配比，上下2層土體積比為1∶1，由于生理鹽水的凍結(jié)點(diǎn)要比普通自來水低，所以在一定的冰凍溫度下，可以實(shí)現(xiàn)下層土體中的水分處于冰凍狀態(tài)，而上層土體中的水分保持融化狀態(tài)，達(dá)到凍融界面實(shí)現(xiàn)的目的。

1.3 試驗(yàn)溫度的選取

由相關(guān)參考文獻(xiàn)可知，在正常大氣壓狀態(tài)下，生理鹽水的凍結(jié)點(diǎn)低于-3 ℃，而普通自來水的凍結(jié)點(diǎn)0 ℃，所以本試驗(yàn)設(shè)置凍結(jié)溫度為-3 ℃，這樣就可以使上層的生理鹽水處于流動(dòng)狀態(tài)，下層的普通自來水處于凍結(jié)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)凍融界面。

2 試驗(yàn)結(jié)果

凍融界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 凍融界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果記錄表含水率/%凍融次數(shù)不同加載下的凍融界面抗剪強(qiáng)度/kPa50kPa100kPa150kPa200kPa1365531692856234850666482133314866427951643154676217735301447593741629143257471572744125516878248378507638134549865280623304806307823315463611761184302447593738528843157171362814165546927263396531662823435748160513324816307812315461600751330144258472720428843157071252734085436786263393524654724837350162482183354515671326464611754231844658873133034255647032242874155536915264396528661625237750362872383614826018205317428540

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 不同豎向荷載條件下土體抗剪強(qiáng)度隨含水率與凍融次數(shù)的變化，見圖1。

圖1 不同含水率對(duì)凍融界面抗剪強(qiáng)度的影響

從圖1中可以看出，隨凍融次數(shù)的增加含凍融界面的試件抗剪強(qiáng)度減小，并且含水率越大的相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度越小。

2) 凍融界面對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，見圖2。

圖2 凍融界面對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

從圖2中可以看出，在以上幾組試件的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果中，存在凍融界面的土體粘聚力及內(nèi)摩擦角均為最小，抗剪強(qiáng)度值最低，約為普通土樣試件的70%，而且強(qiáng)度低于該種普通土樣經(jīng)歷一次凍融循環(huán)作用后的抗剪強(qiáng)度值。在極端冰雪條件下，存在凍融界面的土體的強(qiáng)度最低，其凍融界面可能存在導(dǎo)致邊坡沿此面滑動(dòng)。

3) 含水量及凍融次數(shù)對(duì)凍融界面土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，見圖3。

圖3 含水量及凍融次數(shù)對(duì)凍融界面土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

從圖3中可以看出，隨含水量逐漸增大，存在凍融界面的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c呈明顯的下降態(tài)勢(shì)，當(dāng)含水量從16%增大到22%時(shí)，c值降低了約30%，這也是土體抗剪強(qiáng)度降低明顯的主要原因?？辜魪?qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角φ的整體趨勢(shì)也隨之損傷，當(dāng)含水量從16%增大到22%時(shí)，內(nèi)摩擦角φ也降低30%。從土體結(jié)構(gòu)本身分析，當(dāng)含水量越高時(shí)，土體內(nèi)部的級(jí)配結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土應(yīng)力傳遞的方式從顆粒之間的相互作用變?yōu)橥ㄟ^孔隙水介質(zhì)傳遞，土顆粒之間咬合作用降低，這樣就導(dǎo)致了土顆粒之間的粘聚力降低。

4) 凍融界面路基邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

利用路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，分別得出普通土和含凍融界面土體在凍融循環(huán)作用后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，見圖4。

圖4 路基邊坡安全系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

如圖4所示，在凍融循環(huán)過程中，路基邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是由于凍融循環(huán)過程中土體抗剪強(qiáng)度降低造成的。普通土體邊坡安全系數(shù)下降趨勢(shì)均勻，且有出現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)；含凍融界面的土體邊坡在第1次凍融循環(huán)中安全系數(shù)下降較大，后續(xù)下降速率也均大于普通土體，因此在計(jì)算含凍融界面土體邊坡穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮凍融界面對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。

4 結(jié)論

1) 隨凍融次數(shù)的增加含凍融界面的試件抗剪強(qiáng)度減小，并且含水率越大的相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度越小。

2) 存在凍融界面的土體粘聚力及內(nèi)摩擦角均為最小，抗剪強(qiáng)度值最低，約為普通土樣試件的70%，凍融界面的存在可能導(dǎo)致邊坡沿此面滑動(dòng)。

3) 隨含水量逐漸增大，存在凍融界面的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c呈明顯的下降態(tài)勢(shì)，內(nèi)摩擦角φ值也明顯降低，這與普通土體在凍融循環(huán)過程中內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加而增加是不相同的。

4)存在凍融界面的土體邊坡安全系數(shù)下降速率較普通土體邊坡更快，且在第1次凍融循環(huán)過程中安全系數(shù)下降較大，在計(jì)算含凍融界面土體邊坡穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮凍融界面對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。

[1] 楊讓宏, 朱本珍.凍融交界面變化對(duì)于多年凍土區(qū)斜坡路堤穩(wěn)定性的影響分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,29(3):1-6.

[2] 吳海燕.模擬凍融界面的凍土模型實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué), 2007.

[3] 趙剛, 陶夏新, 劉兵. 重塑土凍融過程中水分遷移試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 40(2):519-525.

[4] 徐學(xué)燕,丁靖康.凍融界面土體的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 1992(3):37-42.

[5] 葛琪.基于凍融界面強(qiáng)度損傷的季凍區(qū)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2010.

[6] 吳志琴.凍融循環(huán)作用對(duì)粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響的研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué), 2012.

1008-844X(2017)03-0091-03

U 416.1

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2017-02-17

鄧愛平(1980-)，男，工程師，主要從事道路與橋梁施工及項(xiàng)目管理。