李 剛，唐麗云，金 龍，崔玉鵬，奚家米

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710004)

0 引言

土石混合體是由一定工程尺度的塊石、細粒土及孔隙組成的松散地質材料，在中國西南、西北季節(jié)性凍土區(qū)廣泛分布[1-2]。這些地區(qū)土石混合體構造復雜、粒度組分極不均勻、松散程度高且具有強環(huán)境依賴性[3-5]。隨著中國西部地區(qū)水電項目大規(guī)模的推進建設，在季節(jié)大周期及晝夜小周期的凍融循環(huán)下，河流、庫區(qū)等水利工程沿岸土石混合體邊坡內部孔隙結構重組、骨架變形將會誘發(fā)其抗滑能力弱化，進而導致滑坡等地質災害，嚴重威脅水利工程的安全運營[6-8]。

土石混合體的力學特性不僅取決于其內部結構參數，如含石率、碎石巖性及空間分布等，還受降雨、地下水及凍融循環(huán)等外界環(huán)境的影響[9]。有學者針對不同含水率下土石混合體的力學特性進行了大量研究，發(fā)現水分的增加使得顆粒間的潤滑和軟化作用增強，弱化了土顆粒間的聯結及膠結作用[10]，導致試樣剪切強度隨含水率的增加而降低[11-12]。同時當含水率增大時，試樣“啃掘式”的破壞現象愈發(fā)明顯[13]。文獻[14]開展了室內三軸試驗，研究凍融循環(huán)下不同細粒含量粗粒土的力學行為。文獻[15]研究了凍融作用對川藏線粗粒土力學特性的影響，認為凍融環(huán)境下粗粒土力學行為與其含水率關聯較大，低含水率試樣在經歷凍融循環(huán)后其抗剪強度會有所增加。文獻[16]通過建立粗粒土凍融參數-單軸抗壓強度-電阻率之間的關聯，基于電阻率模型分析了非飽和粗粒土的凍融損傷。針對凍融循環(huán)下土石混合體的力學行為及其內部損傷機制，文獻[17-18]從宏細觀尺度探究凍融循環(huán)下土石混合體的損傷機理，認為損傷是由土石細觀界面強度衰減造成的，并基于此引入土石界面損傷系數，建立土石混合體凍融損傷模型。文獻[19]利用柱狀纖維細觀力學模型的剖面形式描述了凍結土石混合體的雙包體模型，將其視為一種三層嵌入復合材料。文獻[20]對凍融循環(huán)下不同含石率的土石混合體損傷進行了探究，在微觀尺度上用配位數解釋了含石率對凍融循環(huán)的敏感性，宏觀尺度上發(fā)現凍融循環(huán)后土石混合體的彈性模量和強度均有所降低，含石率為55%的試樣損傷量最大。此外，文獻[21]基于核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)測試結果并借助分形理論，對凍融環(huán)境中土石混合體的內部孔隙結構進行了定量分析，結合試樣體積變化揭示了其強度劣化機制。

以往的研究大多局限于常溫狀態(tài)下含水率或凍融環(huán)境下含石率對土石混合體力學特性的研究，對于不同含水率土石混合體在凍融循環(huán)下的力學特性及其強度劣化特征認識不足。因此，本文聚焦凍融循環(huán)下不同含水率土石混合體的剪切力學特性和孔隙結構變化，開展宏細觀研究。對經歷不同凍融循環(huán)次數后的土石混合體進行室內直剪試驗得到其剪切力學特性，再通過NMR測試獲取其孔隙結構特征。最后，基于凍融循環(huán)下土石混合體的內部孔隙特征變化揭示出其強度劣化機制。以上研究為評判季節(jié)凍土區(qū)土石混合體壩體及庫岸邊坡的穩(wěn)定性提供了理論依據。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

分別選擇磨圓度較差的礫石和粉質黏土作為試樣的粗粒和細粒部分，制作尺寸為φ150 mm×100 mm的圓柱體土石混合體重塑試樣。細粒部分黏土的液限和塑限分別為31.87%和15.57%。根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[22]，土石混合體的最大粒徑不超過試樣直徑的1/8及高度的1/4。因此，本試驗所用礫石的最大尺寸不超過20 mm，超徑礫石采用等量替代法進行剔除，土石混合體顆粒級配曲線如圖1所示。對陜西某水庫土石混合體邊坡現場調查，其含石率為40%～60%，因此選取45%為重塑試樣的含石率?，F場土體天然含水率為21.7%，為方便試驗計算，控制以21%含水率配置重塑試樣，還原現場天然含水率的工況。此外，根據現場兩處邊坡中布設的水分探頭進行斷面水分監(jiān)測。在干旱季節(jié)和雨季含水率測試結果分別為17%和29%，分別接近土體的塑限和液限，同時考慮含水率過高或過低不利于試樣的制備，故選擇18%和27%分別作為近塑限、近液限含水率代表值；除了考慮以上3種含水率，還考慮了1種中間含水率(24%)的情況。綜上考慮，確定W=18%、21%、24%和27%作為試樣制備的4種含水率。

制樣過程首先將黏土顆粒風干、碾碎后過2 mm篩，然后在烘箱內烘干。將烘干后的土平鋪至塑料膜上，再將相應質量的水均勻噴灑至土體表面，然后用保鮮膜密封靜置24 h，待水分自然、均勻潤濕土體?？刂圃嚇用芏群銥?.0 g/cm3，根據級配曲線計算所需粗、細料的質量，再將粗、細料混合均勻后分5層擊實。擊實前在底部放一層塑料膜以防止顆粒的散落，擊實過程中每一層采用相同擊實次數，每層目標高度在20 mm左右。每層擊實后將表層翻松，以盡量保持試樣的均勻性。土石混合體試樣如圖2所示。

圖1 土石混合體顆粒級配曲線 圖2 土石混合體試樣

1.2 試驗方案

1.2.1 凍融循環(huán)試驗

將不同含水率的試樣用保鮮膜包裹后分組編號。放入制冷冰柜冷凍12 h，冷卻溫度為-15 ℃。低溫凍結后，將試樣取出并在常溫(25 ℃)下自然融化12 h，算作1次凍融。根據文獻[17,21]的研究，凍融循環(huán)次數分別選定為0次、1次、3次、6次、10次、15次和20次。

1.2.2 室內直剪試驗

利用改進尺寸的直剪儀在法向應力為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa條件下，開展不同含水率土石混合體室內直剪試驗。儀器自帶應力-應變自動采集系統(tǒng)，可同步記錄剪切過程中垂直和水平方向的應力和位移。直剪儀改進尺寸：直徑為150 mm、高為100 mm，剪切速率為0.8 mm/min。

1.2.3 核磁共振測試

由于土、石顆粒的非連續(xù)性導致混合體中孔隙及裂隙發(fā)育普遍，在凍融作用下孔隙擴展較快，導致整體穩(wěn)定性及強度劣化。核磁共振技術對試樣孔隙內流體敏感，可準確獲取多孔介質的孔隙分布變化等細觀結構信息[23]，因此，本文通過核磁共振微觀結構分析系統(tǒng)(設備型號：MacroMR12-150H-I)對凍融循環(huán)下土石混合體的內部結構變化進行了研究。飽和試樣中孔隙水的核磁共振信號強度及磁場中的弛豫時間與其孔隙結構具有對應關系。因此，測試前先對土石混合體試樣進行浸水飽和，再通過核磁共振對飽和樣施加自旋回波(Carr-Purcell-Meiboom-Gill, CPMG)脈沖序列得到橫向弛豫時間T2曲線。T2曲線反映試樣內部孔徑大小及分布，核磁信號強度反映不同孔徑的孔隙含量。

橫向弛豫時間T2與孔徑大小r的對應關系如下：

r=ρ2FsT2，

(1)

其中：r為孔隙半徑，μm；ρ2為橫向表面弛豫強度，μm/ms；Fs為形狀幾何因子；T2為核磁共振測試的橫向弛豫時間，ms；ρ2Fs取0.2 μm/ms[21]。

2 剪切力學特性分析

2.1 抗剪強度特征變化

圖3 凍融循環(huán)下試樣剪切強度變化曲線

表1 凍融循環(huán)下土石混合體剪切強度衰減率 %

依據法向應力為100 kPa的直剪試驗數據，對凍融循環(huán)造成不同含水率的土石混合體宏觀剪切強度的變化進行定量分析。凍融循環(huán)下試樣剪切強度變化曲線見圖3。由圖3可知：不同含水率下土石混合體的剪切強度隨凍融循環(huán)次數的增加均呈現先減小后增大再減小的趨勢。根據其變化趨勢將凍融循環(huán)下剪切強度的變化分為3個階段，在0～1次凍融循環(huán)過程中(階段1)土石混合體的剪切強度衰減，第2～3次凍融循環(huán)過程中(階段2)剪切強度出現“反翹”并達到強度最大值，隨后(階段3)剪切強度逐漸減小。含水率增加導致顆粒間的潤滑作用增強，咬合、摩擦作用減弱，因此，相同凍融次數下含水率越高，土石混合體抗剪強度越低。

由于不同含水率的試樣在冰水反復相變過程中產生冷生結構的差異性，導致不同含水率土石混合體對凍融循環(huán)的敏感性不同。表1為凍融循環(huán)下土石混合體剪切強度衰減率。從表1可以看出：隨凍融循環(huán)次數的增加，土石混合體剪切強度的衰減整體上呈現疊加的趨勢，但在第3次凍融循環(huán)后，剪切強度的“反翹”導致其衰減率出現負值。凍融循環(huán)后，含水率越高的土石混合體剪切強度衰減越明顯。第1次凍融循環(huán)后高含水率(W=24%和W=27%)試樣強度衰減率明顯大于低含水率(W=18%和W=21%)的試樣，約為其3倍。而由于第3次凍融過程中高含水率試樣更明顯的骨架變形導致其強度增長率更大，這也是第6次凍融循環(huán)后高含水率試樣強度衰減率比低含水率試樣小的原因。在第10次凍融循環(huán)后，由于高含水率試樣在凍融過程中冰晶體消融、重聚及遷移對試樣內部結構造成更顯著的影響，其強度衰減率明顯大于低含水率試樣的強度衰減率，因此，含水率27%的試樣在15次凍融后的強度衰減率比含水率為18%和21%的試樣在20次凍融后的更大。

2.2 剪切強度參數變化

圖4為凍融循環(huán)下土石混合體剪切強度參數的變化。由圖4可知：土石混合體黏聚力和內摩擦角隨凍融循環(huán)次數的增加具有相似的變化趨勢，即先減小后增大再減小。圖4a中，第1次凍融循環(huán)過程中,黏聚力驟降是由于試樣中黏土顆粒的粒徑較小，總比表面積大，顆粒間黏結作用較強，初次凍結過程中冰晶體形成及發(fā)育破壞了顆粒間的黏結所致；而在第2～3次凍融循環(huán)過程中,土顆粒聯結形式的改變導致黏聚力的增大。圖4b中第1次凍融循環(huán)后內摩擦角的顯著降低是由于顆粒的大小、結構和形態(tài)發(fā)生明顯的變化導致；而內部骨架及孔隙結構的塌陷、收縮導致內摩擦角在第2～3次凍融循環(huán)中增大。由圖4a和圖4b可知：在第3次凍融循環(huán)后內摩擦角和黏聚力逐漸減小，說明在一定凍融次數后凍融風化的持續(xù)作用會導致土石混合體強度參數下降。凍融循環(huán)后試樣黏聚力、內摩擦角的衰減率與含水率成正比，試樣含水率為18%和27%時，黏聚力的衰減率分別為22.63%和31.97%，內摩擦角的衰減率分別為24.98%和38.32%。這說明不同含水率土石混合體對凍融循環(huán)的力學響應差異性在內摩擦角方面更明顯。

3 孔隙結構變化特征

3.1 孔隙分布變化

核磁共振測試所得到的T2曲線反映各孔徑孔隙的分布及含量。根據孔徑大小將土石混合體NMR測試孔隙分為3類，即小孔徑孔隙(T2<10 ms，r<2 μm)、中孔徑孔隙(10 ms≤T2≤100 ms，2 μm≤r≤20 μm)和大孔徑孔隙(T2>100 ms，r>20 μm)[19]。對經歷不同凍融循環(huán)次數后的土石混合體進行核磁共振測試得到其T2特征曲線。圖5a～圖5d分別是含水率為18%、21%、24%和27%土石混合體試樣在不同凍融循環(huán)次數下的T2曲線。由圖5可知：試樣孔隙分布具有多孔隙并存、多個峰值，曲線從左到右整體呈現“階梯型”下降分布的特點。圖5a～圖5d中，T2曲線在凍融循環(huán)后整體向右偏移，在第3次凍融循環(huán)后峰值所對應的孔徑及各孔隙所對應的峰值均減小。由圖5a可知：含水率為18%試樣的大孔徑孔隙在第3次凍融循環(huán)后甚至沒有形成明顯的峰值，說明在第3次凍融循環(huán)后各孔徑孔隙數量減少，這種變化與試樣的骨架變形有關。根據各含水率土石混合體在凍融循環(huán)下各特征峰值的變化幅度可發(fā)現，凍融循環(huán)對中、小孔徑孔隙影響較小。這是由于這類孔隙屬于顆粒間的扁平空隙，水分以強結合水形式為主并呈膜狀存在，故凍結過程所造成的孔隙體積變化較小。而大孔徑孔隙的峰值變化明顯，可認為大孔徑孔隙的變化是凍融循環(huán)下小孔徑孔隙轉變?yōu)榇罂讖娇紫都按罂讖娇紫稊D壓小孔徑孔隙造成的。

對比圖5a～圖5d可以發(fā)現：隨含水率的增大，土石混合體T2曲線中小孔徑孔隙峰值逐漸降低，而大、中孔徑孔隙峰值逐漸增大，且凍融循環(huán)下含水率越大，大、中孔徑對應的T2曲線變化越明顯。圖5a中的T2曲線在20次凍融循環(huán)后大孔徑段趨于平緩，無明顯峰值，試樣的T2曲線可近似認為有2個峰，凍融循環(huán)后T2曲線形態(tài)的主要變化體現在大孔徑段的向右平移。隨著含水率的增大，試樣孔隙結構對凍融循環(huán)更為敏感。圖5b～圖5d中，T2曲線在20次凍融循環(huán)后大、中孔徑孔隙處出現了顯著的變化，T2曲線呈現明顯的3個波峰。凍融循環(huán)后圖5b中T2曲線的變化體現在中孔徑段峰值的增大和大孔徑段曲線的右移及峰值的增大。圖5c中T2曲線中孔徑段曲線的右移、峰值的增大和大孔徑段峰值的增大是其凍融后的主要變化。而圖5d中T2曲線的變化體現在大、中孔徑段曲線的右移及峰值的增大。

圖6 凍融循環(huán)下含水率18%試樣各孔徑孔隙含量變化

不同孔徑的T2曲線面積與其對應的孔隙數量有關，將各類孔徑T2曲線面積占總T2曲線面積的比值視為該孔徑的孔隙占比，進而得出不同凍融循環(huán)次數下各孔徑孔隙含量變化。不同含水率試樣各孔徑孔隙含量隨凍融循環(huán)次數呈現一致的變化規(guī)律，本文以含水率為18%試樣為例進行分析(見圖6)。由圖6可知：在第1次凍融循環(huán)后小孔徑孔隙含量下降，而中孔徑、大孔徑孔隙含量增大，說明第1次凍融循環(huán)過程中各孔徑孔隙均增大，且向大孔徑發(fā)展。第3次凍融循環(huán)后，大、小孔徑孔隙含量均減小，而中孔徑孔隙含量增大，由此可以認為第2～3次凍融循環(huán)過程中孔隙分布向均一化發(fā)展，而這種趨勢與黏土顆粒的粒徑均一化密切相關[19]。隨后，小孔徑孔隙含量基本呈現減小的趨勢，而大、中孔徑孔隙含量持續(xù)增大，可見第3次凍融循環(huán)后各孔徑孔隙受凍融風化作用影響繼續(xù)增大。

3.2 孔隙率變化規(guī)律

圖7 凍融循環(huán)下土石混合體孔隙率變化

通過NMR測試獲得不同凍融循環(huán)次數下試樣內部孔隙率，如圖7所示。由圖7可知：隨凍融循環(huán)次數的增加，不同含水率試樣孔隙率變化具有一致性，隨著凍融循環(huán)次數的增加均呈現先增大后減小再增大的規(guī)律。含水率越高，孔隙率隨凍融循環(huán)次數變化的幅值越大，第1次凍融循環(huán)后，含水率為18%、21%、24%和27%的試樣孔隙率增長率分別為3.16%、4.94%、8.25%和9.34%；在第3次凍融循環(huán)后，由于內部骨架壓縮，不同含水率試樣孔隙率發(fā)生不同程度減小。在第4～20次凍融循環(huán)后，凍融損傷持續(xù)疊加造成內部孔隙的增大，且增長速率逐漸減小。在第20次凍融循環(huán)后，含水率為18%、21%、24%和27%的試樣孔隙率的變化率分別為19.04%、25.59%、33.87%和35.85%。

3.3 孔隙分形特征

為開展凍融循環(huán)下土石混合體內部孔隙結構定量化分析，本文引入分形理論，基于NMR測試結果，利用核磁分形維數對試樣孔隙結構的復雜性進行解釋。土石混合體內部孔隙中大于r的孔隙數目N(r)與r滿足如下關系[21, 24]：

(2)

其中：rmax為土石混合體中最大孔隙半徑，μm；P(r)為孔徑分布的密度，μm-1；a為常系數；D為孔隙的分形維數。

對式(2)中r進行求導，得到孔徑分布密度函數P(r)：

(3)

其中：a′=-Da為常系數。

試樣內部孔隙累計體積可表示為：

(4)

其中：a為與內部孔隙形狀相關的系數；rmin為土石混合體中最小孔隙半徑，μm。

將式(3)代入到式(4)中可得：

(5)

進而得出試樣總孔隙體積求解公式：

(6)

孔隙的體積分數則可通過式(5)與式(6)求得：

(7)

其中：rmin<

(8)

根據式(1)中孔隙半徑r和弛豫時間T2的關系，可得：

(9)

對式(9)左右兩邊取對數：

lgSv=(D-3)lgT2,max+(3-D)lgT2。

(10)

圖8 凍融循環(huán)下土石混合體孔隙分形維數變化

通過對NMR測試所得T2曲線中3類孔隙所對應的lgSv和lgT2進行擬合求得分形維數D。各類孔徑孔隙分形維數隨凍融循環(huán)次數的增加均呈現先增大后減小的規(guī)律，以小孔徑孔隙為例進行分析(見圖8)。由圖8可知：分形維數在第1次凍融循環(huán)后達到最大，隨后逐漸減小。凍融循環(huán)下試樣孔隙分形維數變化率隨含水率的增大而增加。20次凍融循環(huán)后，含水率為18%、21%、24%和27%試樣小孔徑孔隙分形維數的變化率分別為4.07%、6.63%、11.12%和18.77%。

土石混合體內部孔隙結構的復雜程度很大程度上取決于土顆粒的團聚程度。當土以細顆粒形式填充于塊石間時，試樣的密實度高，內部孔隙復雜程度較低，相應的分形維數較小。而當土顆粒受外界環(huán)境影響形成團聚大顆粒后，內部變得松散，孔隙復雜程度較高，相應的分形維數較大。

4 凍融循環(huán)下土石混合體強度劣化機制

凍融循環(huán)下土石混合體中的水分在溫度的變化下發(fā)生固-液循環(huán)相變，出現凍結、融化、遷移等現象。試驗選用的粉質黏土的結構性對凍融循環(huán)敏感度較高，在經歷凍融循環(huán)后伴隨冷生構造的出現，會形成不同程度的團聚體[25]。在第1次凍融循環(huán)過程中，受塊石間冰晶體的形成和移動影響，土顆粒受擠壓團聚成塊狀大顆粒，致使土石混合體的孔隙率和分形維數均發(fā)生增大，進而導致整體強度下降。根據文獻[26]提出的凍融循環(huán)下殘余孔隙比的概念，可對第3次凍融循環(huán)后強度和孔隙的突變進行合理解釋，即在凍結風化過程中大粒徑的黏土顆粒裂隙中的水膜相變成冰導致其發(fā)生破裂并向下一粒級轉變，而粒徑較小的土顆粒在團聚作用下形成較大的顆粒，土顆粒的粒度成分向均一化發(fā)展。該過程中附著在塊石表面的塊狀大顆粒逐漸分裂、重組，造成試樣內部骨架發(fā)生塌落，進而形成塊石顆粒為核、黏土顆粒在外部覆蓋的包裹體結構，該結構的出現使得內部孔隙復雜程度降低。同時，此過程中試樣內部骨架塌落使土石混合體整體結構性增強，強度增大。隨后在4～20次凍融循環(huán)過程中，附著在塊石表面的土顆粒逐漸剝落，土石混合體骨架沒有明顯變化。剝落后細小的土顆粒填充于孔隙結構中使孔隙率增大、分形維數減小，而凍融損傷持續(xù)疊加造成土石混合體力學性能均出現不同程度的劣化。

含水率越高的土石混合體受凍融過程中冰晶消融重聚影響后所產生的孔隙結構變化越明顯。第1次凍融循環(huán)后含水率越高的試樣孔隙率及孔隙分形維數增長率越大，進而導致其剪切強度及內摩擦角衰減率隨含水率變化逐漸增大。而第3次凍融后隨含水率的增加試樣孔徑收縮及孔徑均一化的趨勢更為明顯，因而在其強度參數上表現出更為明顯的“反翹”現象。隨后由于含水率越高的試樣孔隙結構受冰水相變的影響越大，多次凍融循環(huán)后土石混合體宏觀剪切力學損傷量隨含水率的增加而增大。

5 結論

(1)土石混合體的剪切強度、內摩擦角、黏聚力隨凍融循環(huán)次數的增加，均呈現先減小后增大再減小的規(guī)律，在第3次凍融循環(huán)后，存在“反翹”現象。凍融循環(huán)后含水率越高的土石混合體剪切強度衰減越明顯，不同含水率土石混合體對凍融循環(huán)的力學響應差異性在內摩擦角方面更為顯著。

(2)凍融循環(huán)下土石混合體的T2曲線具有3個特征峰值，呈階梯式排布。在第3次凍融循環(huán)后，大、小孔徑孔隙含量均減少，中孔徑孔隙含量增多，孔隙分布呈現均一化的趨勢。隨凍融循環(huán)次數的增加，土石混合體孔隙率整體呈現增大趨勢，但在第3次凍融循環(huán)后出現減小，而各孔徑孔隙分形維數均呈現先增大后減小的規(guī)律。土石混合體含水率越高，凍融循環(huán)后孔隙分布、孔隙率及孔隙分形維數變化越明顯。

(3)在第1次凍融循環(huán)后，試樣內部的土顆粒聚集成較大的團聚體，導致孔隙率增大，試樣整體性下降。第2～3次凍融循環(huán)后，團聚的土顆粒逐步破裂并趨于均一化，骨架塌落、孔隙收縮，在骨架變形和塊石、冰晶體擠壓、錯動影響下，土顆粒覆蓋在塊石表面，形成包裹體結構，導致剪切強度增大。之后，隨凍融循環(huán)次數的增加，塊石外部的土顆粒逐漸剝落，試樣孔隙率增大，使得其力學性能持續(xù)劣化。

(4)由于含水率越高的土石混合體孔隙結構對凍融循環(huán)越敏感，導致高含水率試樣在第1次凍融循環(huán)后的強度劣化、第3次凍融循環(huán)的“反翹”現象以及20次凍融循環(huán)后的剪切強度衰減率變化更為明顯。