蔡學(xué)博

（遼寧省沈陽(yáng)市康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽(yáng) 110500）

1 引言

研究土體材料力學(xué)特性對(duì)提升水利設(shè)計(jì)水平具有重要作用，而由于天然環(huán)境下土體受力狀態(tài)受到多方面因素影響，因而研究土體力學(xué)特征影響變化規(guī)律對(duì)實(shí)際水利工程運(yùn)營(yíng)設(shè)計(jì)很有必要[1,2]。余啟清[3]、王瑤[4]、高軍軍等[5]采用離散元仿真的手段，建立土體材料計(jì)算模型，設(shè)計(jì)不同運(yùn)營(yíng)荷載工況，分析土體材料應(yīng)力場(chǎng)與變形場(chǎng)特征，為探討土體力學(xué)特性提供計(jì)算參考。室內(nèi)試驗(yàn)作為可直接反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)土體力學(xué)特征的研究手段，一些學(xué)者利用精密土工儀器，設(shè)計(jì)單軸、三軸、滲流等試驗(yàn)方案，獲得室內(nèi)試驗(yàn)條件下土體材料的力學(xué)變化，推動(dòng)水利工程中對(duì)土體材料力學(xué)水平的認(rèn)識(shí)[6,7]。本文根據(jù)水利工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際填土料取樣，開(kāi)展室內(nèi)三軸凍融循環(huán)試驗(yàn)，為揭示土體材料力學(xué)特征影響特性提供重要依據(jù)。

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試驗(yàn)背景

華北地區(qū)生活用水很大部分來(lái)自于南水北調(diào)工程，特別是在保定等地區(qū)冬天水資源很大程度上依賴于南水北調(diào)所儲(chǔ)蓄水資源，為此在地區(qū)內(nèi)建設(shè)有南水北調(diào)中轉(zhuǎn)調(diào)度樞紐，統(tǒng)籌調(diào)度水資源，確保水資源高效利用，該中轉(zhuǎn)水利樞紐工程主要以抽水泵站和蓄水池組成。由于華北地區(qū)冬天溫度較低，工程場(chǎng)地地表監(jiān)測(cè)最低溫度可達(dá)-15℃，這種環(huán)境對(duì)場(chǎng)地內(nèi)土層沉降變形、承載能力均是較大影響，考慮以上因素，應(yīng)針對(duì)性的對(duì)泵站建設(shè)場(chǎng)地土體開(kāi)展凍融影響下力學(xué)穩(wěn)定性研究。

2.2 試驗(yàn)概況

凍融交替下土體力學(xué)特征變化很大程度上與土體含水量有關(guān)，土體含水量高低對(duì)土體凍融損傷程度影響較大，另一影響因素則為凍融交替次數(shù)，本文以上述兩因素設(shè)計(jì)三軸力學(xué)試驗(yàn)。每次凍融交替試驗(yàn)中的凍、融溫度均為-15℃、20℃，凍融交替次數(shù)設(shè)定為 0、2、4、6、8、12 次，根據(jù)工程場(chǎng)地內(nèi)土體含水量分布范圍，試驗(yàn)中使用的土體試樣含水量分別為12%、14%、16%、18%、20%，三軸圍壓為 50 kPa、200 kPa，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。以工程現(xiàn)場(chǎng)所鉆孔取出土樣在室內(nèi)精加工后，滿足三軸試驗(yàn)要求，土體試樣直徑高度比保持為1∶2，尺寸為38～76 cm。

表1 各組試樣含水量與凍融交替參數(shù)表

本次實(shí)驗(yàn)中凍融循環(huán)采用凍融交替試驗(yàn)箱，加溫速率選擇為0.4℃/min，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度后，保溫2 h。三軸試驗(yàn)儀采用TFB-型全自動(dòng)程序控制液壓加載試驗(yàn)機(jī)，變形控制加載速率為0.2 mm/min，安裝的軸向變形傳感器最大量程可達(dá)±10 mm，傳感器誤差不超過(guò)0.5%。

3 土體三軸力學(xué)特性影響性

3.1 含水量

經(jīng)試驗(yàn)后獲得不同含水量土體應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1所示。從圖中可看出，相同凍融交替次數(shù)下含水量與土體加載應(yīng)力水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在循環(huán)次數(shù)2次時(shí)，軸向應(yīng)變4%下含水量12%的土體試樣加載應(yīng)力為630.2 kPa，而含水量14%、16%、20%的土體試樣相同條件下的加載應(yīng)力相比前者分別降低了11.1%、27.8%、58.7%。當(dāng)土體初始含水量愈大，則試樣土顆粒骨架充滿水含量更多，在相同凍融交替試驗(yàn)下水分子的凍結(jié)膨脹體積更廣，對(duì)土體內(nèi)部孔隙的穩(wěn)定性起著促進(jìn)發(fā)育的作用，導(dǎo)致土顆粒骨架更具松散，故承載能力穩(wěn)定性大大降低，表現(xiàn)在三軸加載應(yīng)力水平較低的現(xiàn)象。

圖1 不同含水量土體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

從各土體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)亦可看出，當(dāng)初始含水量愈小，則試樣線彈性變形階段應(yīng)力應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)斜率愈大，即含水量愈小的土體試樣線彈性模量愈大，在凍融循環(huán)6次試驗(yàn)組中含水量為20%的試樣線彈性模量為49.1 kPa，而含水量為12%、16%的試樣線彈性模量相比前者分別增大了2.1倍、1.15倍；筆者經(jīng)統(tǒng)計(jì)得知當(dāng)含水量降低2%，土體試樣線彈性模量平均增長(zhǎng)了33.2%；從含水量影響土體三軸力學(xué)特征結(jié)果可知，當(dāng)含水量愈大的土體，經(jīng)歷凍融交替后，線彈性變形能力大大降低，試樣更趨于塑性變形，顆粒骨架脆性變形破壞可能性大大降低，土體更會(huì)長(zhǎng)期處于塑性變形區(qū)段內(nèi)。從塑性硬化變形階段應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率可知，含水量較大的試樣變形模量愈大，凍融循環(huán)6次時(shí)的含水量20%試樣的變形模量為7.2 kPa，而含水量12%、16%土體試樣塑性階段變形模量相比前者降低了28.3%、63.4%，即土體初始含水量對(duì)土體塑性變形能力有促進(jìn)作用。

3.2 凍融交替

圖2為不同凍融交替次數(shù)下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線特征。從圖中可看出，當(dāng)循環(huán)次數(shù)在0～8次，凍融循環(huán)次數(shù)與土體加載應(yīng)力水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系，而循環(huán)次數(shù)超過(guò)8次，加載應(yīng)力水平與循環(huán)次數(shù)為正相關(guān)關(guān)系；含水量14%試驗(yàn)組中相同加載應(yīng)變4%時(shí)凍融循環(huán)0次的加載應(yīng)力為582.5 kPa，而循環(huán)4次、8次、12次后相同條件下的加載應(yīng)力相比前者分別降低了28.8%、60.5%、53.6%，在循環(huán)12次時(shí)，加載應(yīng)力水平相比8次時(shí)有一定幅度增長(zhǎng)。分析認(rèn)為，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)處于一定節(jié)點(diǎn)時(shí)，相同含水量的土體內(nèi)部的水晶體在較多凍融交替次數(shù)下，內(nèi)部孔隙經(jīng)歷一輪一輪的膨脹，對(duì)顆粒骨架的穩(wěn)定性是較大損傷，造成土體試樣的承載能力大大降低；但當(dāng)凍融交替次數(shù)超過(guò)一定節(jié)點(diǎn)后，此時(shí)試樣內(nèi)部水分子不僅僅是在內(nèi)部形成了凍結(jié)晶體，在土體表面以及內(nèi)部均形成凍結(jié)層，一定程度上降低了土體含水量，推動(dòng)試樣承載能力正向發(fā)展，因而造成加載應(yīng)力水平遞增的現(xiàn)象。

圖2 不同凍融交替次數(shù)下土體試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

比較不同凍融循環(huán)下的土體變形特征可看出，三軸凍融循環(huán)下的兩階段變形均為“線彈性變形-塑性硬化變形”，變形轉(zhuǎn)變臨界節(jié)點(diǎn)應(yīng)變值隨循環(huán)次數(shù)為先增后減變化，其中以凍融交替次數(shù)8次時(shí)拐點(diǎn)應(yīng)變值為最大，含水量12%時(shí)該條件下的應(yīng)變值為7.5%，而循環(huán)2次、4次、12次后拐點(diǎn)應(yīng)變分別為3.4%、4.5%、3.8%，即循環(huán)次數(shù)不超過(guò)凍融循環(huán)臨界力學(xué)特征點(diǎn)，則凍融次數(shù)愈多，則土體線彈性變形與塑性硬化變形之間銜接節(jié)點(diǎn)愈滯后，而循環(huán)次數(shù)超過(guò)臨界力學(xué)特征點(diǎn)后，則兩階段的變形拐點(diǎn)有所提前。

4 抗剪強(qiáng)度特征

以三軸數(shù)據(jù)為依據(jù)獲得圖3所示抗剪強(qiáng)度變化特征，因硬化階段無(wú)顯著峰值點(diǎn)，以應(yīng)變15%作為抗剪強(qiáng)度特征點(diǎn)。從圖3中可看出，相同凍融次數(shù)下，土體初始含水量越大，抗剪強(qiáng)度愈低，凍融交替次數(shù)4次時(shí)含水量12%抗剪強(qiáng)度為697.12 kPa，而含水量16%、20%試樣的抗剪強(qiáng)度相比前者降低了39.5%、56.3%，當(dāng)循環(huán)至8次后，降低幅度又為32.4%、49.1%，表明凍融循環(huán)增多，對(duì)含水量抑制抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)效應(yīng)有所減弱；相同含水量下的抗剪強(qiáng)度與凍融次數(shù)呈先減后增變化，含水量18%試驗(yàn)組中凍融循環(huán)0次時(shí)的抗剪強(qiáng)度為477.6 kPa，而循環(huán)4、6、8次后的抗剪強(qiáng)度相比前者分別降低了24.5%、36.3%、55.4%，而循環(huán)12次后抗剪強(qiáng)度又相比循環(huán)8次時(shí)增長(zhǎng)了12.3%。從抗剪強(qiáng)度變化幅度特征可知，在含水量為12%，凍融循環(huán)0～8次時(shí)，每增長(zhǎng)2次凍融交替，土體抗剪強(qiáng)度平均損耗了20.2%，而含水量增大至16%后，損耗幅度約為16.8%，甚至含水量增長(zhǎng)至20%，強(qiáng)度損耗幅度進(jìn)一步降低，僅為14.3%；表明在凍融影響力學(xué)特征臨界次數(shù)前，當(dāng)含水量增大，則抗剪強(qiáng)度損耗幅度遞減。當(dāng)凍融循環(huán)為8～12次后，含水量14%組中凍融循環(huán)增長(zhǎng)2次，抗剪強(qiáng)度平均增大了7.2%，且各含水組中超過(guò)凍融循環(huán)臨界次數(shù)后的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度基本接近。

圖3 抗剪強(qiáng)度隨凍融次數(shù)、含水量變化關(guān)系曲線

5 結(jié)論

（1）相同凍融交替次數(shù)下含水量與土體加載應(yīng)力水平為負(fù)相關(guān)關(guān)系，相同凍融4次時(shí)含水量16%、20%試樣的抗剪強(qiáng)度相比含水量12%降低了39.5%、56.3%，但凍融次數(shù)增多，含水量抑制強(qiáng)度增長(zhǎng)效應(yīng)有所減弱。

（2）含水量愈小的土體線彈性模量愈大，含水量為12%、16%的試樣線彈性模量相比含水量20%試樣分別增大了2.1倍、1.15倍，但在塑性變形硬化階段的變形模量以含水量較大的試樣為最大，含水量12%、16%土體試樣塑性階段變形模量相比含水量20%降低了28.3%、63.4%。

（3）相同含水量下的抗剪強(qiáng)度與凍融次數(shù)呈先減后增變化，影響臨界次數(shù)為8次，循環(huán)0～8次時(shí)，每增長(zhǎng)2次凍融，抗剪強(qiáng)度平均損耗了20.2%，且隨含水量增大，抗剪強(qiáng)度損耗幅度遞減；凍融8～12次時(shí)，每增長(zhǎng)2次，強(qiáng)度平均增大了7.2%。

（4）三軸凍融循環(huán)下的土體變形為“線彈性變形-塑性硬化變形”兩階段，當(dāng)凍融次數(shù)愈多，則兩階段變形銜接節(jié)點(diǎn)愈滯后，而循環(huán)次數(shù)超過(guò)臨界點(diǎn)后，則兩階段變形拐點(diǎn)有所提前，含水量12%時(shí)循環(huán) 0、2、4、6、8、12 次時(shí)拐點(diǎn)應(yīng)變分別為 2.1%、3.4%、4.5%、5.6%、7.5%、3.8%。