汪恩良，肖 堯，許春光，田 雨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

凍融災(zāi)害研究與防治是工程領(lǐng)域難題，季凍區(qū)土質(zhì)邊坡滑坡機理復(fù)雜，春融期在溫度梯度作用下，凍土由表層沿豎直方向融化降雨、融雪入滲，在勢能作用下不斷向土體內(nèi)部遷移。由于土層滲透系數(shù)極低，融化層入滲水分在土凍土-融土交界處大量富集，產(chǎn)生明顯凍融交界面，該界面附近土體接近飽和或過飽和狀態(tài)，具有高含水量、高含冰量特點[1]。該界面臨近土體受凍融作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抗剪強度改變[2]。因此，通過分析凍土-融土交界處力學(xué)性質(zhì)，可為季凍區(qū)土質(zhì)邊坡在凍結(jié)-融化過程中出現(xiàn)淺層滑坡破壞機理提供理論依據(jù)，防止破壞邊坡危害渠道輸水安全。

近年來，土體在凍結(jié)-融化過程中抗剪強度變化成果豐富。靳德武通過青藏高原某典型斜坡現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析，認為地下冰融化引起冰面水分聚集，土體強度顯著降低，沿地下冰面產(chǎn)生滑動[3]；張惠忍等分別研究西寧市、北京市土樣在不同凍融狀態(tài)下抗剪強度指標(biāo)[4]；彭麗云通過單向控溫融化裝置研究凍前含水率、土樣頂端冷卻溫度、頂端融化溫度對土樣強度特性、土樣變形特性影響[5]；程永春等建立小比例尺物理模型試驗，模擬凍融界面滑移過程，擬合凍融循環(huán)后土質(zhì)邊坡滑動臨界深度損傷模型[6]；王博通過高壓直剪試驗系統(tǒng)，研究正融土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特征[7]。目前研究試樣交界面多為人為制作，通過溫控模擬自然形成交界面研究較少，具有一定價值。

融化過程中土體水分遷移研究廣泛。學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗，研究試樣在凍結(jié)-融化過程中水分遷移，發(fā)現(xiàn)水分在凍土-融土交界處出現(xiàn)聚集情況[8]；Li 等通過建立4 種不同初始土壤含水量、不同材料大型路基模型，通過土壤表面空氣溫度變化對模型作凍融作用，研究凍融過程中模型內(nèi)部水分遷移[9]。王愛文等將土壤凍結(jié)和融化問題歸結(jié)為考慮水熱耦合的多運動邊界問題，通過數(shù)值離散，考慮凍結(jié)和融化界面位置移動對水熱過程影響建立水熱耦合模型[10]；付強等通過野外試驗對哈爾濱地區(qū)季節(jié)性凍融黑土在4種不同覆蓋條件下土壤水分遷移規(guī)律作動態(tài)觀測[11]。

目前，土體在融化過程中水分遷移研究較多，但對凍融界面處水分變化情況研究較少。針對這一問題，本文對粉質(zhì)黏土在封閉系統(tǒng)下凍融，通過試樣溫度監(jiān)控結(jié)合、試樣凍深曲線和試樣外觀直接觀測，確定凍融交界面。將凍融交界面控制在直剪試驗剪切面所在高度以實現(xiàn)凍融交界面剪切。剪切試驗類型為快剪試驗，將處于正融狀態(tài)下試樣作快速剪切，將試樣在剪切過程中受溫度影響降至最低，實現(xiàn)凍融交界面抗剪強度參數(shù)研究。對比凍融交界面處抗剪強度參數(shù)與該高度土體初始抗剪強度，研究凍融交界面處抗剪強度參數(shù)隨試樣初始含水率、凍融界面土層含水率變化規(guī)律，為正融土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

常規(guī)直剪儀由于剪切盒尺寸較小，套箍作用明顯，試驗誤差較大。使用尺寸較大直剪儀，可真實反映試樣抗剪強度。為實現(xiàn)凍融交界面抗剪強度研究，使用自主研制大型直剪儀，凍結(jié)后處于融化階段試樣作快剪試驗。剪切試樣尺寸為φ 10 cm×10 cm，橫截面積約為78.5 cm2。與試樣直徑6.18 cm、高2 cm、橫截面積為30 cm2標(biāo)準(zhǔn)尺寸相比，試樣高度增加可保證凍結(jié)-融化過程中土中水分遷移更充分；試樣面積更大，剪切面上不均勻性對結(jié)果影響較小。

1.1 試樣制備

本試驗用土為重塑土。土體基本物理參數(shù)為：比重2.66，干密度1.55 g·cm-3，液限WL為36.2%，塑限WP為23.6%，塑性指數(shù)Ip為12.6%。按照塑性指數(shù)劃分，本試驗用土類型為低液限黏土，即粉質(zhì)黏土。

根據(jù)本試驗要求對含水率、干密度要求，按照最新土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[12]，制備重塑粉質(zhì)黏土試樣。試樣制備步驟如下：

①將粉好重塑粉質(zhì)黏土分別按照18%、20%、22%、24%含水率，加水?dāng)嚢杈鶆?，并密封養(yǎng)護24 h；

②在常溫下，按照1.55 g·cm-3干密度制備土樣。將攪拌均勻黏土按3、4、3 cm三層分別放入擊樣器內(nèi)夯實，制成直徑10 cm，高度10 cm 試樣。其中，每層擊實后作刮毛處理，保證各層土體充分接觸。

③將制成試樣用厚保鮮膜密封包裹，養(yǎng)護，備用。

1.2 重塑粉質(zhì)黏土溫控模式

通過試樣溫度實時監(jiān)控，將凍融界面控制在剪切面上，實現(xiàn)對凍融交界面剪切。重塑土試樣凍結(jié)-融化過程于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木學(xué)院凍融循環(huán)試驗箱中，如圖1所示。試驗箱由主機和微機控制系統(tǒng)組成，內(nèi)置PT100傳感器及相應(yīng)數(shù)采系統(tǒng)用以觀察土體溫度。主機箱體內(nèi)配備有機玻璃試樣筒，頂板和底板及保溫材料。

圖1 凍融循環(huán)試驗箱及采集系統(tǒng)Fig.1 Freeze-thaw cycle test chamber and collection system

在凍結(jié)-融化過程中，采用單向凍結(jié)，雙向融化溫控模式。室溫下將土樣用保鮮膜均勻包裹放入試驗箱后，將試樣筒周圍覆蓋保溫材料，蓋上頂板，營造封閉環(huán)境，保證在凍結(jié)-融化過程中水分保留無散失。凍結(jié)開始前將試樣在1 ℃環(huán)境中恒溫8～12 h。待試樣內(nèi)溫度均勻后開始凍結(jié)，將頂板設(shè)定為-20 ℃，底板設(shè)為1 ℃，將土樣凍結(jié)8 h；進入融化階段，頂板溫度設(shè)為20 ℃，底板保持1 ℃。當(dāng)試樣融化到預(yù)設(shè)高度時，將土樣取出，立即放入低溫剪切盒，依次加入透水石和不透水蠟紙作快剪試驗。

1.3 凍融交界面確定

本試驗獲得凍融界面位置，準(zhǔn)確與剪切盒位置相匹配，是試驗成功關(guān)鍵。因此，正式試驗前通過大量測試取得凍融交界面確定方式。凍融交界面確定方式主要有3種：

試樣溫度監(jiān)控。在試樣不同高度均布溫度傳感器以觀測試樣各高度溫度，在試樣融化階段，當(dāng)剪切面高度處土體溫度達到正溫后，將試樣取出，立即放入剪切盒中，作快剪試驗。

通過前期預(yù)實驗繪制試樣凍深發(fā)展曲線，如圖2所示。凍深線可直觀反映試樣隨時間凍結(jié)、融化情況。該曲線中，試樣在5 cm 高度處對應(yīng)時間t=t0與凍深交點即代表凍融交界面融化到剪切面所在位置。因此在溫控模式固定、初始含水率相同試驗條件下，將t=t0設(shè)為預(yù)設(shè)時間，t=t0時將試樣取出，剪切。

圖2 試樣凍深發(fā)展曲線Fig.2 Development curve of freezing depth of sample

通過對試樣外觀直接觀察方法。將正融試樣取出，觀察試樣表面土體狀態(tài)，輕觸試樣觀察試樣不同高度土體狀況，如圖3所示。

圖3 融化到指定位置試樣Fig.3 Sample melted to designated position

觀察試樣可見，在試樣預(yù)設(shè)剪切面所在高度（即試樣中部）出現(xiàn)一個顏色深淺發(fā)生明顯變化分界面，即為凍融交界面。在凍融交界面上方土體為已融土，顏色較淺，與未經(jīng)凍融常溫下試樣外觀相近，質(zhì)地較為松軟，可徒手破壞；而界面下方試樣約3 cm 以內(nèi)土體依舊處于凍結(jié)狀態(tài)，顏色較深，表面少許冰晶體存在，質(zhì)地較堅硬，強度大，徒手無法破壞。

以上3種確定凍融界面方法，方法①通過溫度監(jiān)控凍融交界面位置，具有直觀、簡便優(yōu)點，但由于試樣融化溫度無法直接測量，土體本身融化具有一定過程，即使預(yù)設(shè)高度土體溫度超過0 ℃，也不代表該高度內(nèi)土體正在融化，因此凍融界面出現(xiàn)在預(yù)設(shè)高度時，該高度土體溫度應(yīng)稍高于0 ℃。方法②靠凍深線判斷凍融界面位置精度稍差，因為試驗允許一定范圍內(nèi)誤差，導(dǎo)致即使每次試驗溫控模式相同，凍融交界面達到指定位置時間與凍深線預(yù)設(shè)時間稍有不同，而試樣凍融界面移動較快，1～2 min 時差使試樣凍融界面偏離預(yù)設(shè)平面。因此，本試驗判定凍融界面是否在指定位置方法為①②取交集，即試樣溫度達到正溫，同時取出試樣時間與凍深線對應(yīng)預(yù)設(shè)時間較為符合，方可認為試樣融化至指定位置。方法③觀察試樣凍融界線是否處在相同高度。

1.4 重塑粉質(zhì)黏土剪切試驗

直剪試驗實用性高，具有儀器簡單、便于操作、試驗固結(jié)快、試驗歷時短等特點。尤其是對于黏性較大細粒土，三軸試驗需要固結(jié)時間較長，為使試樣在剪切時孔隙水壓力分布均勻，剪切速率要求較慢，尤其是快剪試驗，剪切需3～5 min，效率較高。

直剪試驗由于是對固定破壞面（即剪切面）作剪切，固定剪切面上土體代表破壞面力學(xué)性質(zhì)，不能完全代表試樣力學(xué)性質(zhì)。本試驗利用直剪試驗這一特點，將試樣融化到指定位置后，即凍融交界面出現(xiàn)在剪切面所在位置，剪切后可得到該界面抗剪強度參數(shù)。

本次剪切試驗使用實驗室自主研制大型直剪儀，剪切盒尺寸為內(nèi)徑10 cm，高度10 cm。配備拉壓力傳感器并使用東華DHDAS 動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)。剪切試驗所用直剪儀、力學(xué)傳感器及信息采集系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 直剪儀及相應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.4 Direct shear apparatus and corresponding data acquisition system

通過直剪儀及相應(yīng)系統(tǒng)，分別開展不同含水率未凍融、正融試樣直剪試驗。直剪試驗分為固結(jié)慢剪、固結(jié)快剪和快剪試驗3 種基本類型，并從排水條件上與三軸試樣相對應(yīng)：3種直剪試驗分別對應(yīng)三軸試驗中固結(jié)排水、固結(jié)不排水及不固結(jié)不排水。本試驗對試樣采用快剪試驗，具有以下優(yōu)點：

①對于黏性較大土樣，作快速剪切時，可保證孔隙水壓力幾乎不消散，密度幾乎不發(fā)生變化，與三軸不固結(jié)不排水試驗所測得性質(zhì)接近；

②快剪試驗剪切時間一般為3～5 min，相比于其他抗剪強度測定試驗，剪切速率較快，實現(xiàn)正融試樣剪切。由于剪切時間短，試樣在試驗過程中受外界條件影響較小。

本試驗，試樣剪切速率設(shè)定為2 mm·min-1。每個含水率至少制備4個試樣，分別在50、100、150和200 kPa 法向壓力下剪切。剪切前，將剪切盒放入溫度較低環(huán)境中，減少剪切過程中外界溫度對試樣性質(zhì)影響。剪切時將剪切盒內(nèi)壁及上下盒接觸面涂抹凡士林潤滑，并將杠桿調(diào)平。將試樣放入剪切盒，試樣頂端及底端放置透水石后貼好不透水蠟紙，防止排水。蓋好傳壓板，按相應(yīng)法向應(yīng)力施加荷載。調(diào)節(jié)傳感器探頭使之與剪切盒剪輕微接觸。

由上述方程容易看出,無論哪種模型得到的均方末端距都與統(tǒng)計單元數(shù)目的一次方成正比,而單元數(shù)目恰恰與分子量是線性相關(guān)的,因此均方末端距與分子量呈線性正比關(guān)系.用均方末端距除以鏈的分子量就可以得到一個能表征分子鏈剛?cè)嵝缘奶卣鲄?shù)——分子無擾尺寸:

剪切試驗準(zhǔn)備工作完成后開始剪切試樣。打開信號采集系統(tǒng)，選擇相應(yīng)信號采集及數(shù)據(jù)輸出模式，清零，之后采集。DHDAS 動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)可自動采集傳感器數(shù)據(jù)并輸出為應(yīng)力。將數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為6 s，根據(jù)收集數(shù)據(jù)繪制剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 未凍融土體抗剪強度

土抗剪強度指標(biāo)關(guān)鍵在于內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。根據(jù)庫侖試驗結(jié)果，提出土抗剪強度公式：

式中，τf-剪切面上剪應(yīng)力，即土抗剪強度（kPa）；φ-土摩擦角（°）；c-土摩擦力，法向應(yīng)力為零時抗剪強度（kPa）；σ-剪切面的法向應(yīng)力（kPa）。

在常溫下，分別對含水率為18%、20%、22%、24%，干密度同為1.55 g·cm-3土樣作快剪試驗。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所收集數(shù)據(jù)，繪制剪應(yīng)力和剪切位移關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 未凍融土體剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.5 Shear stress shear displacement curve of unfrozen soil

分析各含水率下未凍融重塑粉質(zhì)黏土剪切應(yīng)力-位移曲線。剪切初始階段剪切位移較小時，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性，表現(xiàn)為彈性應(yīng)變；隨剪切位移增加，土體很快轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變，但并未出現(xiàn)明顯峰值。

取剪切應(yīng)變?yōu)?0 mm（試樣橫截面直徑10%）處剪應(yīng)力為各法向應(yīng)力下最大剪應(yīng)力，即土體抗剪強度，繪制抗剪強度曲線，如圖6所示。

2.2 粉質(zhì)黏土凍融交界面快剪試驗

在試樣融化過程中，將凍融交界面控制在預(yù)設(shè)高度，即試樣5 cm 處，以實現(xiàn)直剪試驗時剪切面在凍土-融土交界區(qū)域內(nèi)。此時上部土體已融化，界面下部分土體則處于凍結(jié)狀態(tài)。正融試樣剪切面及剪切面下凍土層如圖7、8所示。

由于試驗中出現(xiàn)剪切面上已融土和凍土分布不均勻，需對試驗結(jié)果作篩選處理。處理方法為：分析每次凍融交界面處快剪試驗出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由于凍土具有較高強度，其抗剪強度遠超融土，因此當(dāng)曲線出現(xiàn)陡增或銳減情況，或相同法向應(yīng)力下剪切應(yīng)力遠大于其初始狀態(tài)下剪切應(yīng)力，說明剪切界面并不均勻，界面上局部存在未融化凍土，不能代表正融狀態(tài)土體抗剪強度。

將符合試驗條件正融試樣取出，放入剪切盒作快剪試驗。與初始狀態(tài)下土樣直剪試驗相同，繪制剪切應(yīng)力-剪切位移曲線，如圖9所示。

圖6 未凍融土體抗剪強度曲線Fig.6 Shear strength curve of unfrozen soil

表1 未凍融土體粘聚力及內(nèi)摩擦角Table 1 Cohesion and internal friction angle of unfrozen soil

圖7 試樣剪切面Fig.7 Shear plane of sample

圖8 試樣凍結(jié)層Fig.8 Frozen layer of sample

圖9 凍融交界面處土體剪切應(yīng)力-位移曲線Fig.9 Shear stress displacement curve of soil at freeze-thaw interface

凍融交界面處土體剪切應(yīng)力-位移曲線，與未凍結(jié)前土體剪切應(yīng)力-位移曲線相比，各初始含水率下試樣在各法向應(yīng)力下，土體在剪切開始時略表現(xiàn)出線性剪切應(yīng)力，之后進入塑性應(yīng)變，與初始狀態(tài)相比總體呈降低趨勢。

根據(jù)各法向應(yīng)力下破壞強度繪制摩爾-庫侖強度包線，如圖10 所示。通過擬合曲線，計算粉質(zhì)黏土凍融交界面處抗剪強度參數(shù)，如表2所示。

圖10 凍融界面處土體抗剪強度曲線Fig.10 Shear strength curve of soil at freeze-thaw interface

表2 凍融界面處土體抗剪強度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters of soil at freeze-thaw interface

對比凍融交界面處土體粘聚力與未凍融試樣粘聚力，含水率為24%試樣降低10.79%，其粘聚力降低程度最高；含水率22%試樣降低4.49%；含水率20 土體粘聚力僅降低0.51%，與未凍前相比幾乎無變化；而18%含水率粘聚力降低1.12 %。

對比凍融交界面處土體內(nèi)摩擦角與未凍融試樣內(nèi)摩擦角，其數(shù)值總體上呈小幅降低趨勢，但降低程度并不顯著。其中，初始含水率24%、22%、18%試樣凍融交界面處內(nèi)摩擦角分別降低2.4%、3.28%和0.44%，初始含水率20%凍融交界面處內(nèi)摩擦角升高2.03%。

正融試樣凍融交界面處粘聚力、內(nèi)摩擦角與未凍融試樣關(guān)系如圖11所示。

圖11 未凍融土體與凍融交界面處土體抗剪強度參數(shù)關(guān)系Fig.11 Shear strength parameters relationship between unfrozen soil and soil at freeze-thaw interface

2.3 粉質(zhì)黏土凍融交界面處含水率變化

由于凍融交界面下方土體依舊處于凍結(jié)狀態(tài)，其力學(xué)性質(zhì)較強；而凍結(jié)層上部融土，在接近凍結(jié)層界面區(qū)域，其抗剪強度在試樣凍結(jié)-融化過程中發(fā)生變化，因此研究各含水率正融試樣凍土層上方1 cm高度內(nèi)融土水分變化情況，見表3。

表3 凍土層上方融土含水率變化Table 3 Change of moisture content of thawed soil over permafrost

由凍土層附近融土水分變化可見，各含水率試樣，在凍土層上方均呈出水分增大情況。試樣4-4.5 cm 高度土體含水量，18%、20%、22%、24%含水率試樣分別增加0.13%、0.38%、0.68%、0.80%；試樣4.5～5 cm 高度土體含水量，各含水率試樣增加0.22%、0.42%、0.81%、1.13%，可見在封閉系統(tǒng)下，越接近凍結(jié)層界面，融土含水量變化越大。由表4可知，凍融交界面附近土體含水量升高，試樣初始含水率越高，凍融界面附近水分增長越大。

凍融交界面處水分變化原因是，在融化過程中融土內(nèi)土顆粒表面薄膜水受土顆粒吸附作用相對較弱，在溫度梯度作用下向凍層移動，產(chǎn)生水分沿豎直方向遷移。由于凍結(jié)層內(nèi)土體滲透性極低，在凍結(jié)層頂部界面上水分無法及時向下遷移，因此凍土層界面上方正融土體處含水量升高，當(dāng)含水率足夠大，凍融交界面附近土體呈飽和甚至過飽和狀態(tài)。

2.4 粉質(zhì)黏土凍融交界面處土體抗剪強度參數(shù)與水分關(guān)系

粉質(zhì)黏土在凍融交界面處抗剪強度參數(shù)變化與試樣在凍融交界面處土體含水率變化如圖12所示。

由圖12 可知，凍融交界面處土體粘聚力隨凍融交界面土體含水量增加而減小，凍融界面處土體粘聚力隨水分增加表現(xiàn)出對水分更加敏感趨勢，粘聚力降幅隨含水率增幅增大而增大；凍融交界面處土體內(nèi)摩擦角變化與凍融交界面附近水分變化關(guān)系并不明顯，含水率20%試樣甚至出現(xiàn)內(nèi)摩擦角隨含水率增大而增大現(xiàn)象。可知，粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角受界面水分影響程度略低于粘聚力，但界面水分總體上使土體內(nèi)摩擦角降低。

3 結(jié) 論

本試驗使用自主研制大型直剪儀，將試樣在封閉條件下凍結(jié)后融化至指定位置后作快剪試驗，測得季凍區(qū)粉質(zhì)黏土在不同初始含水率下凍融交界面處抗剪強度參數(shù)、凍融界面附近土體內(nèi)含水量變化。分析界面處含水量變化原因、抗剪強度參數(shù)變化與該界面附近土體水分變化關(guān)系。

a.粉質(zhì)黏土在凍融交界面附近土層含水量發(fā)生變化，與未凍融式樣相比，凍融界面處含水量小幅增加，界面處水分增幅明顯高于上層土體，凍融界面處水分聚集情況較顯著。凍融界面附近水分變化受試樣初始含水率影響，試樣初始含水率越高，試樣在凍融交界面附近土體含水量增幅越大。

b. 粉質(zhì)黏土在凍融交界面處抗剪強度與未凍融試樣相比發(fā)生改變，變化與凍融交界面處土體含水量有關(guān)，隨界面附近土體含水量增加，界面處土體粘聚力降低，含水率變化量越大，粘聚力降低越明顯。凍融交界面處內(nèi)摩擦角變化隨其附近土體水分變化關(guān)系不明顯。

c.在封閉系統(tǒng)下，由于無外界水源補給，試樣水分重分布全部來源于試樣本身。將不同含水率試樣剪切面附近含水量變化與對應(yīng)凍融界面抗剪強度參數(shù)相關(guān)聯(lián)，為季凍區(qū)粉質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性研究提供借鑒。當(dāng)土質(zhì)邊坡在春融期出現(xiàn)短時間內(nèi)強降水、積雪入滲時，在土體內(nèi)部凍融界面附近出現(xiàn)土體抗剪強度大幅降低現(xiàn)象，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低造成破壞，需在工程中加以預(yù)防或改進。