王 丹， 劉恩龍， 楊成松

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

0 引言

隨著高土石壩、基礎(chǔ)工程建設(shè)等的修建，粗顆粒土的力學(xué)性質(zhì)已成為巖土工程中重要的研究課題之一［1］。在寒區(qū)，以一定粗顆粒含量的摻和土為填料的路基、壩基以及土石混合物邊坡［2］等經(jīng)常遭受凍脹和融沉病害，易造成基礎(chǔ)的變形和開裂等，這些病害與凍融循環(huán)作用息息相關(guān)。此外，建筑物的地基、天然土坡或土工結(jié)構(gòu)物中的土體，在靜荷載作用下將產(chǎn)生靜應(yīng)力和變形。但是，在某些情況下，由于地震、風(fēng)浪、爆破、車輛或機(jī)械振動(dòng)，土體將產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形，并附加于靜應(yīng)力及相應(yīng)變形之上，這將是一個(gè)比靜荷載單獨(dú)作用時(shí)更為復(fù)雜的力學(xué)過程。研究指出，寒區(qū)巖土材料在遭受凍融循環(huán)和動(dòng)力荷載的雙重作用時(shí)，土體承載性能顯著劣化，累積塑性應(yīng)變?cè)黾樱a(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形，進(jìn)而造成工程結(jié)構(gòu)的損傷和破壞，嚴(yán)重影響寒區(qū)工程的服役性能和運(yùn)營安全［3］。由此可見，研究寒區(qū)凍結(jié)摻和土料在凍融循環(huán)作用和動(dòng)力荷載共同作用下力學(xué)與變形性能的變化具有重要的意義。

隨著環(huán)境溫度的周期性變化，巖土材料中的水分發(fā)生反復(fù)的相變作用，造成土料強(qiáng)烈的風(fēng)化劣化，使得土體中礦物顆粒間的排列和聯(lián)結(jié)改變，宏觀上表現(xiàn)為試樣力學(xué)性質(zhì)的弱化［4-8］。Liu 等［9］研究了季節(jié)凍結(jié)區(qū)粉質(zhì)砂土經(jīng)過12 次凍融循環(huán)作用后其靜力學(xué)特性的變化，分析得出凍融循環(huán)作用改變了試樣的應(yīng)力-應(yīng)變特征、破壞強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角。由于凍融循環(huán)作用的復(fù)雜性，學(xué)者們關(guān)于凍融循環(huán)作用對(duì)土強(qiáng)度的影響結(jié)論差異性較大，發(fā)現(xiàn)凍融使得土的強(qiáng)度有所降低，也有研究表明凍融后的土樣強(qiáng)度有所增加，還有一些研究認(rèn)為凍融前后土的強(qiáng)度基本保持不變［10-13］?？梢姡瑑鋈谘h(huán)作用對(duì)巖土材料力學(xué)性質(zhì)的影響非常復(fù)雜。此外，學(xué)者們也關(guān)注于凍融循環(huán)作用對(duì)土體動(dòng)力性質(zhì)的影響。目前，學(xué)者們研究了凍融循環(huán)作用后融土的動(dòng)力特性變化規(guī)律，Lu等［14］研究了西南地區(qū)路基土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下其塑性累積變形的變化特征，指出凍融循環(huán)對(duì)土樣塑性累積變形具有強(qiáng)烈的影響。Kong等［15］分析了混合土（含粉粗顆粒砂土）遭受不同凍融循環(huán)作用后在多級(jí)動(dòng)力加載條件下，其動(dòng)剪切模量和泊松比的削減。Tian 等［16］探討了含砂顆粒混合土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下動(dòng)剪切模量和泊松比的影響。蘇永奇等［17］研究了凍融循環(huán)對(duì)融化狀態(tài)青藏粉質(zhì)黏土動(dòng)力非線性參數(shù)的影響，指出凍融循環(huán)對(duì)土體動(dòng)力骨干曲線和動(dòng)剪切模量比有顯著的影響。凍土中由于膠結(jié)冰的存在，動(dòng)力荷載作用下表現(xiàn)出更加復(fù)雜的變化［18-21］，如塑性變形的累積［22］、疲勞損傷［23］，以及動(dòng)力變形的滯回性［24］等。Xu 等［25］研究了凍結(jié)黏土在動(dòng)力加載條件下凍融循環(huán)對(duì)塑性累積應(yīng)變的影響，給出了塑性累積應(yīng)變的預(yù)測(cè)模型。Fan 等［26］對(duì)凍結(jié)黏土進(jìn)行不同凍融循環(huán)試驗(yàn)和動(dòng)力加載試驗(yàn)，分析了塑性累積應(yīng)變的變化規(guī)律，并指出凍結(jié)黏土的塑性累積變形可以分為兩個(gè)階段，即壓實(shí)后的壓縮階段和第二循環(huán)壓縮階段。以上的研究或局限于單一土料的動(dòng)力特性研究，或局限于試樣個(gè)別動(dòng)力參數(shù)的研究，不能系統(tǒng)且全面的反映凍結(jié)摻和土料在凍融循環(huán)作用下的動(dòng)力特性。

基于此，本文以寒區(qū)礫石摻和土料為研究對(duì)象，通過開展不同凍融循環(huán)次數(shù)下的凍結(jié)摻和土料在不同加載條件（圍壓和動(dòng)應(yīng)力幅值比）下的動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)，討論分析了凍融循環(huán)作用對(duì)凍結(jié)摻和土料動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和動(dòng)體變曲線的影響，系統(tǒng)地探討了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)凍結(jié)摻和土料的動(dòng)力破壞振次、滯回曲線、軸向累積應(yīng)變、回彈模量、殘余變形以及動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律的影響。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)所用的土料取自青藏高原東南沿某特高土石壩施工現(xiàn)場(chǎng)，場(chǎng)地所在地年平均氣溫10.9 ℃，極端最低溫度為-15.9 ℃［27］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程條件，選用接觸黏土與粒徑為2～5 mm 的礫石作為室內(nèi)研究對(duì)象，二者按照礫石含量為30%組成摻和土料，如圖1 所示。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—1999）對(duì)試驗(yàn)土樣分別進(jìn)行基本物理參數(shù)測(cè)試和擊實(shí)試驗(yàn)，分別獲得接觸黏土的液限、塑限和塑性指數(shù)，如表1，接觸黏土的粒徑級(jí)配曲線如圖2，同時(shí)可知摻和土料的最大干密度為1.97 g·cm-3以及最優(yōu)含水率為11.8%。

圖1 試驗(yàn)土樣Fig. 1 Tested soils

圖2 接觸黏土的顆粒級(jí)配曲線Fig. 2 Particle size distribution curve of clay

表1 接觸黏土的基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical properties of clay

凍結(jié)摻和土料（礫石含量為30%）試樣的具體制備方法如下所述。首先對(duì)土樣進(jìn)行曬干和碾壓并過2 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩，而后按照控制混合土的最大干密度1.97 g·cm-3進(jìn)行配土，添加蒸餾水使土樣的含水率達(dá)到最優(yōu)含水率11.8%，為確保試樣含水量的均勻性，將配置的土樣置于密封袋中靜置24 小時(shí)。采用凍土工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室研制的制樣機(jī)，將摻和土料按照其最大干密度（1.97 g·cm-3）壓制成高125 mm，直徑為61.8 mm 的三軸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣，其中試樣符合高徑比大于2 的要求，如圖3（a）所示。隨后，將試樣側(cè)向套箍三瓣膜，試樣上下兩端分別放置透水石，如圖3（b），置于密閉真空飽和壓力罐中，抽取真空4小時(shí)，抽真空完畢后注入純凈水使試樣充分飽和12小時(shí)，真空飽和結(jié)束后測(cè)得試樣的飽和度大于95%，如圖3（c）所示。試樣飽和完成后將其上下兩端的透水石換成防止透水的環(huán)氧樹脂墊片，并放置于-30 ℃控溫冰箱進(jìn)行快速凍結(jié)（防止冰透鏡體的產(chǎn)生），凍結(jié)48 小時(shí)。最后脫下凍結(jié)試樣的三瓣膜，制成標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)試樣（61.8 mm×125 mm），套上橡皮套，放置于-10 ℃恒溫冰箱靜置24 小時(shí)后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)［如圖3（d）所示］和循環(huán)三軸試驗(yàn)。

圖3 凍結(jié)試樣的準(zhǔn)備過程Fig. 3 Specimens preparation：specimen（a）；preparation（b）；saturation（c）；freeze-thaw cycles（d）

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

為了探究?jī)鋈谘h(huán)作用下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)力特征及變形特性，試驗(yàn)過程包括凍融循環(huán)試驗(yàn)和低溫動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)兩部分。

1.2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

將制備好的凍結(jié)試樣放入可控溫的恒溫箱內(nèi)，使其在規(guī)定的負(fù)溫下凍結(jié)和正溫下融化，每一個(gè)凍融循環(huán)周期為24 h，即試樣在-10 ℃下凍結(jié)12 h，室溫（23 ℃）下融化12 h，確保試樣能夠達(dá)到指定負(fù)溫和完全融化。共制備試樣36 件，按照圍壓（0.3 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa）分為3組，每一組12個(gè)試樣（3個(gè)試樣用來備用）依次進(jìn)行0 次、5 次和20 次凍融循環(huán)試驗(yàn)，而后進(jìn)行不同動(dòng)應(yīng)力幅值比下的動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)。

1.2.2 低溫動(dòng)力循環(huán)加載三軸試驗(yàn)

將上述3組試樣分別在低溫MTS-810材料測(cè)試儀里面進(jìn)行-10 ℃下的動(dòng)力循環(huán)加載試驗(yàn)，如圖4所示。該測(cè)試儀器由加載裝置、壓力艙、液壓系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五部分組成，其可控制的溫度范圍為-30～20 ℃，同時(shí)試驗(yàn)過程中的軸壓、圍壓、加載速率、加載頻率以及加載方式可由電腦同步控制，可以采集試樣加載過程中的加載時(shí)間、軸向位移、軸壓、圍壓位移、圍壓以及溫度。

圖4 低溫MTS-810材料測(cè)試儀Fig. 4 MTS-810 material test device

如圖5所示，動(dòng)力試驗(yàn)加載方式采用正弦波形，分別向試樣上下兩端施加不同的偏差應(yīng)力來模擬往復(fù)循環(huán)荷載作用，加載過程為應(yīng)力控制（Δσ=0.0125 MPa）。軸向偏差應(yīng)力的確定與試樣的靜強(qiáng)度相關(guān)，分別采用不同的動(dòng)應(yīng)力幅值比R（0.80、0.90、0.98），通過所加動(dòng)應(yīng)力σd與對(duì)應(yīng)圍壓和凍融循環(huán)次數(shù)下試樣在靜力荷載作用下強(qiáng)度的比值來確定。根據(jù)土動(dòng)力破壞標(biāo)準(zhǔn)方法，本文選用應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)，即對(duì)于塑性破壞的凍土試樣（如圖6所示），以5%的軸向塑性累積應(yīng)變作為應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)［28］，其對(duì)應(yīng)的振次為試樣的破壞振次。凍融循環(huán)作用下凍結(jié)摻和土料動(dòng)力特性試驗(yàn)研究的具體研究方案如表2。

圖5 動(dòng)力加載方案Fig. 5 The dynamic test procedures

圖6 塑性破壞的凍結(jié)摻和土料試樣Fig. 6 Plastic failure of frozen mixed soil

表2 試驗(yàn)方案Tab 2 Test program

2 凍融作用下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)力特性分析

反復(fù)的凍融循環(huán)作用易造成土體的力學(xué)性能產(chǎn)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致工程服役性能的削減。以凍融循環(huán)作用下凍土的動(dòng)力循環(huán)三軸試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析探討了凍融循環(huán)對(duì)凍結(jié)摻和土料的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線、體變曲線、振動(dòng)破壞次數(shù)、滯回曲線、軸向累積應(yīng)變、動(dòng)彈性模量、殘余應(yīng)變以及動(dòng)強(qiáng)度的影響，揭示了凍融作用對(duì)循環(huán)荷載下凍結(jié)土料的動(dòng)力特性的影響規(guī)律。

2.1 動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線和體變曲線變化規(guī)律

土體的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系是表征土動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的基本關(guān)系，也是分析土體動(dòng)力失穩(wěn)的重要基礎(chǔ)。凍融循環(huán)通過改變土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與顆粒間的排列方式來改變其宏觀動(dòng)力特性，表現(xiàn)為不同凍融循環(huán)作用下土體動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系的變化。圖7為相同動(dòng)力加載條件（σ3=0.3 MPa；R=0.98）下，不同凍融循環(huán)次數(shù)（NF-T=0，5，20）下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線及體變曲線。從圖7可知，凍結(jié)摻和土料在往復(fù)荷載作用下其動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線隨著軸向變形的發(fā)展表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性、滯回性和塑性累積性，其體變曲線則整體上表現(xiàn)為先體縮后體脹的變化趨勢(shì)。此外，隨著軸向應(yīng)變的發(fā)展，曲線逐漸由稀疏變得密集，說明在動(dòng)力加載的初始階段，試樣產(chǎn)生較大的不可恢復(fù)的塑性變形，隨著加載振次的累加，試樣的塑性變形逐漸減小致使曲線逐漸密集。對(duì)比不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線和體變曲線，可以看出凍融循環(huán)作用并不改變?cè)嚇拥膽?yīng)力-應(yīng)變和體變的表現(xiàn)形式，只改變其破壞次數(shù)（如圖8所示），即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣達(dá)到破壞應(yīng)變的振次呈線性減小，表現(xiàn)為其動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線和體變曲線逐漸變得稀疏，如圖7 所示。這主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用使得凍結(jié)摻和土料試樣抵抗動(dòng)力破壞的能力產(chǎn)生一定程度的劣化，反復(fù)的凍融作用，增大了土體內(nèi)的孔隙體積，水分相變產(chǎn)生的孔隙無法恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)，降低了顆粒間的膠結(jié)，在外力荷載作用下，試樣更容易產(chǎn)生變形和達(dá)到破壞。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線和體變曲線Fig. 7 Dynamic stress-strain relationship and volumetric strain curves of frozen mixed soil under different freeze-thaw cycles

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的破壞振次Fig. 8 Cyclic number at failure of frozen mixed soil under different freeze-thaw cycles

2.1 滯回圈曲線特征

滯回曲線是描述試樣在動(dòng)力荷載作用下每一個(gè)加載和卸載周期內(nèi)動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，其形態(tài)反映了凍土在動(dòng)力荷載長(zhǎng)期作用下的能量耗散，包括塑性耗散，黏滯性耗散和損傷耗散等。圖9 為凍結(jié)摻和土料在同一圍壓（0.3 MPa）和同一動(dòng)應(yīng)力幅值比（0.98）條件下，經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)下其滯回曲線隨軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律。由圖9可知：（1）在第1 個(gè)加載周期內(nèi)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試樣均產(chǎn)生較大的變形和能量的耗散，但試樣的變形不具有規(guī)律性，主要是因?yàn)閯?dòng)荷載的突然施加使得試樣的變形不穩(wěn)定。（2）隨著加載振次的增加，不同凍融循環(huán)作用下試樣的滯回曲線隨軸向應(yīng)變的發(fā)展表現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化，即未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用試樣的滯回圈明顯滯后于經(jīng)歷5 次和20 次凍融循環(huán)試樣的滯回圈，說明在相同的加載振次下，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣其塑性應(yīng)變的發(fā)展較緩慢，變形較小，而經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣則產(chǎn)生較大塑性變形。當(dāng)加載振次N=1 000 時(shí)，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣其滯回圈出現(xiàn)在軸向應(yīng)變?yōu)?.97%的位置，而經(jīng)歷5 次和20 次凍融循環(huán)后的試樣其滯回圈則分別到達(dá)了軸向應(yīng)變?yōu)?1.24%和11.41%的位置。從不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的滯回圈隨軸向應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)來看，凍融循環(huán)使得試樣在動(dòng)力荷載作用下更容易產(chǎn)生能量的耗散。

圖9 不同凍融循環(huán)次數(shù)下滯回曲線隨軸向應(yīng)變的變化Fig. 9 The hysteresis curves of frozen mixed soil under different freeze-thaw cycles with different cyclic numbers

2.2 軸向累積應(yīng)變的變化規(guī)律

軸向累積應(yīng)變是指在整個(gè)動(dòng)力加載過程中，試樣同時(shí)產(chǎn)生塑性變形和彈性變形，且每一個(gè)加載周期中的軸向變形隨著循環(huán)加載周期的增大而不斷累積，其大小可通過三軸循環(huán)加載原始數(shù)據(jù)確定，是研究地基土在荷載作用下長(zhǎng)期變形的基礎(chǔ)。圖10 給出了不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料在不同圍壓（0.3 MPa；1.0 MPa；1.4 MPa）和同一動(dòng)應(yīng)力幅值比（0.80）條件下軸向累積應(yīng)變的變化規(guī)律。

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料塑性累積應(yīng)變的變化規(guī)律Fig. 10 The accumulative axial strain with different freeze-thaw cycles under different confining pressure

從圖中可以看出，凍融循環(huán)作用對(duì)凍結(jié)摻和土料的累積變形特性有顯著的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）在相同的圍壓和相同動(dòng)應(yīng)力幅值比條件下，凍結(jié)摻和土料的軸向累積應(yīng)變隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在圍壓為0.3 MPa，動(dòng)應(yīng)力幅值比為0.80的加載條件下，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的凍結(jié)摻和土料當(dāng)加載振次為1 000 時(shí)，其軸向累積應(yīng)變?yōu)?.27%；而當(dāng)凍結(jié)試樣經(jīng)歷了20 次凍融循環(huán)后，相同的加載振次下其軸向累積應(yīng)變達(dá)到了5.79%。2）經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用下凍結(jié)摻和土料在動(dòng)力荷載作用下的累積變形呈現(xiàn)出兩種發(fā)展模式，當(dāng)試樣未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用時(shí)，在同一加載振次條件下所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變較小，且塑性應(yīng)變隨著加載振次的增加而緩慢增加，呈蠕變模式（如曲線NF-T-0）；當(dāng)試樣經(jīng)歷5 次和20 次凍融作用后，塑性累積應(yīng)變隨著加載振次的增加而迅速增加直至破壞，呈現(xiàn)累積增長(zhǎng)模式（如曲線NF-T-5，曲線NF-T-20）。從變形機(jī)理上分析來看，經(jīng)歷凍融循環(huán)后的試樣在動(dòng)力荷載作用下，更容易發(fā)生塑性應(yīng)變的累積，主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)作用改變了凍土顆粒間的膠結(jié)性能，從而降低了試樣抵抗外界變形的能力。

2.3 回彈模量的變化

回彈模量是凍土動(dòng)力學(xué)參數(shù)中的重要指標(biāo)，定義為動(dòng)力荷載作用下加卸載過程中曲線交點(diǎn)的斜率，其確定方法如圖11所示，取每一個(gè)加載周期內(nèi)可恢復(fù)的彈性段（點(diǎn)A和點(diǎn)B），來計(jì)算回彈模量，即：

圖11 動(dòng)彈性模量計(jì)算方法Fig. 11 Calculation method of dynamic elastic modulus

式中：點(diǎn)A（εmax，A，σmax，A）表示周期加載過程中應(yīng)變的最大值點(diǎn)，點(diǎn)B（εmax，B，σmax，B）表示周期加載過程中應(yīng)變恢復(fù)到達(dá)到的最小值點(diǎn)。

凍融循環(huán)作用強(qiáng)烈改變凍土的回彈模量，圖12給出了同一動(dòng)應(yīng)力幅值比和圍壓條件下，凍結(jié)摻和土料在不同凍融循環(huán)作用下回彈模量的變化。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)力加載的初期（軸向應(yīng)變?chǔ)?<2%），未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的凍結(jié)摻和土料，其回彈模量逐漸增大，隨著軸向應(yīng)變的發(fā)展（ε1> 2%），其回彈模量逐漸趨于穩(wěn)定，如圖12 曲線NF-T-0所示；而經(jīng)歷凍融循環(huán)后的試樣，其回彈模量則先呈下降的趨勢(shì)，然后逐漸趨于穩(wěn)定，如圖12 曲線NF-T-5和曲線NF-T-20所示。對(duì)未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的試樣而言，隨著動(dòng)力荷載的施加，試樣產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形逐漸減小，試樣趨于密實(shí)，土體的剛度增大，此時(shí)試樣的回彈模量逐漸增大并趨于定值。對(duì)經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的試樣而言，凍融循環(huán)使得試樣內(nèi)部產(chǎn)生較多的孔隙，當(dāng)動(dòng)力荷載施加時(shí)，試樣產(chǎn)生較大的變形，土顆粒之間相互錯(cuò)動(dòng)，不斷發(fā)生骨架顆粒的重組，最終逐漸轉(zhuǎn)向新的穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為回彈模量的先衰減后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。這一變化現(xiàn)象，與不同凍融循環(huán)作用下滯回曲線和軸向塑性累積應(yīng)的變化所反映的物理機(jī)制一致。此外，對(duì)比最終不同試樣的回彈模量發(fā)現(xiàn)，凍融作用會(huì)造成凍結(jié)試樣的動(dòng)彈性模量減小，即未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的凍結(jié)摻和土料其回彈模量在2 600 MPa 附近，而經(jīng)歷了5次、20次的凍結(jié)試樣，其回彈模量則在2 450 MPa上下波動(dòng)。

圖12 不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的回彈模量Fig. 12 The variation of resilient modulus of frozen soil under different freeze-thaw cycles

2.4 殘余變形的變化

動(dòng)荷載作用下土的變形特性是土動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，其中土體的殘余變形是表征動(dòng)力變形最重要的部分，定義為每個(gè)加載周期內(nèi)應(yīng)變的最小值［23］。在整個(gè)動(dòng)力荷載加載過程中，殘余變形穩(wěn)定增長(zhǎng)，且動(dòng)荷載停止后變形不可恢復(fù)。圖13為同一動(dòng)力動(dòng)應(yīng)力幅值比和不同圍壓條件下，遭受不同凍融循環(huán)作用后凍結(jié)摻和土料的殘余變形曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，低圍壓加載條件下，凍融循環(huán)作用對(duì)試樣殘余應(yīng)變的影響明顯，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的殘余變形增加。以圍壓為0.3 MPa加載條件為例，主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)摻和土料由于粗顆粒的摻入易產(chǎn)生大的孔隙，初始凍結(jié)時(shí)，這些大孔隙被冰晶填充，隨著溫度的周期性變化，試樣內(nèi)部的水分反復(fù)發(fā)生相變，改變了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顆粒間產(chǎn)生孔隙，當(dāng)動(dòng)力荷載施加時(shí)，試樣易發(fā)生變形。而在高圍壓條件下時(shí)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的殘余變形隨加載振次的增大而趨于一致，未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。主要是由于受圍壓的作用，在變形過程中土顆粒將發(fā)生重新排列，且隨著圍壓的增大，顆粒間的膠結(jié)作用得到一定的增強(qiáng)，試樣在變形過程中剪脹得到抑制，此時(shí)，圍壓對(duì)試樣變形的影響大于凍融循環(huán)對(duì)試樣變形的影響，進(jìn)而導(dǎo)致高圍壓作用下，試樣的殘余變形規(guī)律性不明顯。

圖13 凍融循環(huán)作用下凍結(jié)摻和土料殘余應(yīng)變的變化Fig. 13 The relationship between residual axial strain and the number of cycles of frozen mixed soil

2.5 動(dòng)強(qiáng)度的變化特征

凍土的動(dòng)強(qiáng)度是指在荷載反復(fù)作用次數(shù)下產(chǎn)生某一指定破壞應(yīng)變時(shí)所需的動(dòng)應(yīng)力，是寒區(qū)動(dòng)力工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文基于極限應(yīng)變法確定凍土的動(dòng)強(qiáng)度，即在循環(huán)荷載作用下，當(dāng)凍土軸向應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，認(rèn)為土體發(fā)生破壞，根據(jù)破壞應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力值，繪制動(dòng)強(qiáng)度變化曲線，其中橫坐標(biāo)采用加載破壞振次的對(duì)數(shù)坐標(biāo)（lgNf），縱坐標(biāo)采用軸向動(dòng)應(yīng)力幅值（σd），得到如圖14 所示的不同凍融次數(shù)下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)強(qiáng)度曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)強(qiáng)度曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，即凍融循環(huán)次數(shù)越大，動(dòng)強(qiáng)度愈低，同一凍融循環(huán)作用下，試樣的動(dòng)強(qiáng)度隨加載振次的增加而線性減小。對(duì)比不同圍壓下試樣動(dòng)強(qiáng)度的變化曲線，隨著凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)的增大，在低圍壓（σ3=0.3 MPa）下，凍結(jié)摻和土料的動(dòng)強(qiáng)度曲線逐漸降低；在相對(duì)高圍壓（σ3=1.0 MPa；σ3=1.4 MPa）下，試樣的動(dòng)強(qiáng)度變化曲線逐漸重疊，其動(dòng)強(qiáng)度曲線變化形式趨于一致，即凍融循環(huán)5次后，試樣的動(dòng)強(qiáng)度特征基本保持穩(wěn)定。

圖14 凍融循環(huán)作用下凍結(jié)摻和土料動(dòng)強(qiáng)度變化曲線Fig. 14 The dynamic strength for frozen mixed soil subjected to different freeze-thaw cycles

3 凍融循環(huán)以及動(dòng)力加載條件下凍結(jié)摻和土料的破壞特征

受溫度周期波動(dòng)的影響，土體內(nèi)的水分發(fā)生反復(fù)的凍結(jié)和融化，改變了土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并由此導(dǎo)致土體力學(xué)性質(zhì)的改變。如圖15 給出了經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用后凍結(jié)摻和土料的動(dòng)力破壞示意圖。從圖中可以看出，初始凍結(jié)狀態(tài)的摻和土料是由黏土顆粒團(tuán)聚體、礫石、冰顆粒以及少量的未凍水組成，在負(fù)溫條件下，黏土團(tuán)聚體與較大粒徑的礫石、冰顆粒共同構(gòu)成凍土的骨架顆粒，各相間由于膠結(jié)作用相互支撐，構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，如圖15（a）所示。隨著溫度的升高，凍結(jié)摻和土料逐漸融化，土體內(nèi)的冰晶相變成水，相對(duì)體積減小9%，產(chǎn)生一定的孔隙，且礦物顆粒由于重力作用相互靠近并重新定向排列，造成黏土團(tuán)聚體與礫石間的孔隙增大。接著溫度逐漸降低，摻和土料從融化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮鼋Y(jié)狀態(tài)，此時(shí)土體內(nèi)孔隙、小孔隙以及超小孔隙中生長(zhǎng)冰晶，進(jìn)一步增加了礦物顆粒間的孔隙體積，由于沒有水分的補(bǔ)充，造成試樣產(chǎn)生無冰填充的微裂紋，如圖15（b）所示。此時(shí)施加循環(huán)動(dòng)荷載時(shí)，固相顆粒間膠結(jié)發(fā)生破壞，顆粒間產(chǎn)生滑移，致使試樣發(fā)生破壞。由于凍融作用造成凍結(jié)摻和土料體內(nèi)的孔隙體積增多，微裂紋增加，礦物顆粒間的接觸面積減小，試樣抵抗外力變形的能力減弱，表現(xiàn)為其動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸變得稀疏，塑性累積應(yīng)變?cè)黾?，?dòng)彈性模量的減小，殘余應(yīng)變累積變形速度的增大以及動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低。在溫度的周期性改變下，如圖15（c）所示，隨著凍結(jié)摻和土料經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部發(fā)生反復(fù)的冰水相變過程，冰的劈裂作用使得黏土顆粒團(tuán)聚體易產(chǎn)生微裂隙，造成大粒徑的黏土團(tuán)聚體分離，孔隙度增加［29］，同時(shí)在外力作用下，礫石顆粒與黏性團(tuán)聚體重新組合和堆積，為了達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，必須要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)構(gòu)的調(diào)整和改變，這些改變和調(diào)整易造成凍結(jié)試樣發(fā)生弱化。此時(shí)施加動(dòng)力荷載作用時(shí)，試樣更容易發(fā)生破壞，表現(xiàn)為動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加稀疏，即在較少的加載振次下，試樣就達(dá)到了破壞，同時(shí)產(chǎn)生較大的累積變形和殘余應(yīng)變，造成了動(dòng)彈性模量的進(jìn)一步降低和動(dòng)強(qiáng)度減弱。

圖15 凍融循環(huán)作用下凍結(jié)摻和土料的動(dòng)力破壞機(jī)制Fig. 15 Dynamic failure mechanism of frozen mixed soil under freeze-thaw cycles

4 結(jié)論

基于對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)摻和土料動(dòng)力特性的研究，揭示了凍融循環(huán)作用對(duì)凍結(jié)摻和土料動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線、體變曲線、破壞振次、滯回曲線、塑性累積應(yīng)變、動(dòng)回彈模量、殘余應(yīng)變，以及動(dòng)強(qiáng)度的影響，得到以下結(jié)論：

（1）凍融循環(huán)作用顯著影響凍結(jié)摻和土料的動(dòng)力特性。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍結(jié)摻和土料的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線和體變曲線逐漸趨于稀疏，即在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后的試樣在較少的加載振次下便達(dá)到了破壞。同時(shí)，凍融循環(huán)作用使得試樣在循環(huán)荷載作用下呈現(xiàn)出較大的能量耗散和不可恢復(fù)的塑性變形。此外，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍結(jié)摻和土料的動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低，且同一加載條件下，動(dòng)強(qiáng)度隨加載振次的增加而線性減小。

（2）凍融循環(huán)作用顯著影響試樣的動(dòng)力變形特性。在相同的加載周期內(nèi)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍結(jié)試樣的滯回曲線隨軸向應(yīng)變發(fā)展較快。同時(shí)，試樣的軸向累積應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，試樣的產(chǎn)生殘余變形的速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸加快。

（3）未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的凍結(jié)摻和土料其回彈模量與經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后試樣的回彈模量表現(xiàn)出不同的變化形式，即未經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的試樣，其回彈模量在加載的初始階段逐漸增大而后隨著加載振次的增加逐漸趨于穩(wěn)定，而經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后的試樣，隨著加載振次的增加，其回彈模量逐漸減小隨后逐漸趨于穩(wěn)定值。整體而言，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍結(jié)摻和土料的回彈模量逐漸減小。