吳旭陽(yáng),任明洋,黃俊杰,梁慶國(guó),王 園
(1.河南城建學(xué)院土木與交通運(yùn)輸學(xué)院,河南 平頂山 467036;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;3.河南城建學(xué)院材料與化工學(xué)院,河南 平頂山 467036)
隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,在黃土地區(qū)建設(shè)高速公路,不可避免地要進(jìn)行大量開挖,在季節(jié)性凍土分布區(qū),太陽(yáng)輻射和地表狀況有明顯的日變化和季節(jié)性變化,土體的凍結(jié)與融化反復(fù)進(jìn)行,將會(huì)對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響[1-2]。已有研究表明,凍融循環(huán)作用對(duì)黃土黏聚力[3-4]及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度[5]具有弱化作用,對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大[6-7]。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,黃土凍結(jié)過(guò)程中冰晶凍脹力破壞土體結(jié)構(gòu)[8-10],融化時(shí)結(jié)構(gòu)不可恢復(fù),反復(fù)凍融是造成土體強(qiáng)度弱化主要原因。從微觀角度來(lái)看[11-12],隨著凍融次數(shù)的增加,土體孔隙中的大孔徑先減少,后增多;小孔徑先增多,后減少,最后向5~10 μm范圍內(nèi)集中。另外,凍融循環(huán)會(huì)造成土樣原孔隙擴(kuò)展、伸長(zhǎng)、分叉、貫通[13],黃土的原始膠結(jié)結(jié)構(gòu)逐漸被破壞[14],顆粒重新排列,土的結(jié)構(gòu)越來(lái)越疏松,顆粒之間原始固有膠結(jié)逐漸減弱,造成黏聚力不斷降低。綜合黃土凍融特性的研究成果來(lái)看,黃土的抗剪強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮性[15]、孔隙特征分布、微觀結(jié)構(gòu)特性、濕陷性[16]等方面?zhèn)涫苎芯咳藛T關(guān)注,并取得了可喜研究成果,對(duì)季節(jié)凍土區(qū)黃土路基凍融病害防治具有重要指導(dǎo)意義。然而對(duì)于黃土路塹邊坡剝落病害,最主要是由坡面黃土在凍融條件下強(qiáng)度劣化引起[17],且大部分學(xué)者[17-20]都從抗剪強(qiáng)度凍融弱化的角度出發(fā)去闡釋邊坡剝落的機(jī)理,而邊坡剝落通常發(fā)生在表層,在這個(gè)過(guò)程中,黃土邊坡的剝落災(zāi)害是在表層黃土顆粒拉-剪耦合作用下發(fā)生,黃土的抗拉強(qiáng)度在凍融過(guò)程中的弱化也起到了關(guān)鍵作用,但是目前關(guān)于黃土抗拉強(qiáng)度凍融特性的研究鮮有報(bào)道。另外,對(duì)原狀黃土路塹邊坡來(lái)說(shuō),坡面不同程度的剝落病害極大地影響了黃土邊坡的整體穩(wěn)定性[18],極有可能導(dǎo)致邊坡整體發(fā)生滑移而影響公路的正常使用,對(duì)過(guò)往的行人和車輛也是一種潛在的危險(xiǎn)[19],同時(shí)剝落也降低了坡面的美觀程度,不符合現(xiàn)代公路建設(shè)“安全、環(huán)保、舒適、和諧”的要求。所以,對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度凍融衰減特性的研究可以為邊坡剝落病害提供更合理的解釋,研究成果也能夠?yàn)楣こ谭乐未胧┨峁└玫闹笇?dǎo)建議。
試驗(yàn)用黃土取自蘭州市和平鎮(zhèn)路塹邊坡,該邊坡高約80 m。有研究表明,季節(jié)性凍黃土區(qū)域內(nèi)最大凍深一般在1 m以內(nèi),故此次試驗(yàn)用土取自坡頂平緩位置,地下2 m深度處未經(jīng)凍融過(guò)的黃土。該地區(qū)為Q3黃土,土質(zhì)呈褐黃色,塑限15.36%,液限28.67%,塑性指數(shù)13.30,最優(yōu)含水量16.5%,最大干密度1.75g·cm-3,顆粒密度2.72 g·cm-3。顆粒級(jí)配采激光測(cè)分儀測(cè)定結(jié)果如圖1所示。
圖1 顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle-size distribution curve
1.2.1 試驗(yàn)方法
抗拉強(qiáng)度采用軸向壓裂法間接測(cè)定[圖2(b)],試樣直徑控制為6.18 cm,高度6.25 cm,加載柱為直徑1.545 cm,高度2 cm的剛性圓柱,軸心對(duì)中環(huán)采用內(nèi)直徑為1.55 cm,厚度0.2 cm的鋁制空心圓環(huán),抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)在GTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[圖2(a)],通過(guò)剛性加載柱施加軸向荷載,加載速率控制為1.0 mm/min,抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為[21-22]:
圖2 GTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Test process using the GTS universal testing machine
(1)
式中:σt為抗拉強(qiáng)度(kPa);P為荷載(N);K為與土壤類別性質(zhì)相關(guān)的參數(shù),本試驗(yàn)取1[23];b為試樣半徑(cm);H為試樣高度(cm);a為加載圓柱半徑(cm)。
1.2.2 試樣制備
試樣制備采用靜壓制樣法。首先,控制含水量分別為:11%、13%、15%、17%、19%,相同含水量下控制干密度分別為:1.55 g·cm-3、1.60 g·cm-3、1.65 g·cm-3、1.70 g·cm-3、1.75 g·cm-3;凍融循環(huán)次數(shù)分別設(shè)計(jì)為0次、1次、3次、5次、7次、11次、15次,每個(gè)試樣設(shè)計(jì)一個(gè)平行樣,取其測(cè)定值的平均值作為最終抗拉強(qiáng)度值,試驗(yàn)依次共完成350個(gè)樣品。將制好的試樣用保鮮膜緊貼試樣包裹,而后用寬膠帶繞纏密封[圖2(c)],防止在凍融過(guò)程中水分散失,最后設(shè)定凍結(jié)12小時(shí)融化12小時(shí)為一次凍融循環(huán),凍結(jié)過(guò)程將試樣置于-16 ℃冷凍恒溫冰箱中[圖2(d)],融化過(guò)程置于室溫(25 ℃)自由融化(由于試驗(yàn)期間為6月至9月之間,室外溫度相對(duì)較高,滿足融化過(guò)程需要),待凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到目標(biāo)要求,即進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。
2.1.1 凍融循環(huán)對(duì)抗拉強(qiáng)度-貫入深度特性的影響
文中貫入深度指上下加載柱沿試樣軸線的相對(duì)位移。以含水量15%,干密度1.60 g·cm-3的試樣為例,由圖3可看出,抗拉應(yīng)力隨貫入深度的增大而增大,達(dá)到峰值強(qiáng)度后有一陡降過(guò)程,陡降幅度達(dá)到其抗拉強(qiáng)度的1/3,而后隨貫入深度的增加呈上凸型逐漸減小,這是因?yàn)榧虞d柱下方楔形體形成后相對(duì)移動(dòng)過(guò)程中與劈裂面土顆粒相互摩擦作用引起,該過(guò)程殘余抗拉強(qiáng)度主要由摩擦強(qiáng)度組成,就其強(qiáng)度值而言,未凍融的黃土抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)16.9 kPa,凍融一次降低幅度最大,降為13.1 kPa,而后凍融3次以后抗拉強(qiáng)度降到最低且基本趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定于12 kPa左右。對(duì)于其抗拉強(qiáng)度隨貫入深度發(fā)展關(guān)系而言,圖4可看出,抗拉強(qiáng)度隨貫入深度的增加先由A點(diǎn)線性增大至B點(diǎn),而后BC段相對(duì)平緩,而后由C點(diǎn)近似線性增至峰值抗拉應(yīng)力D點(diǎn)(抗拉強(qiáng)度),在此過(guò)程中,AB段可認(rèn)為彈性階段,即剛性柱與試樣接觸并壓縮的初始階段,BC段為加載柱上下方土體逐漸壓縮擠密[21],即楔形體形成階段,在此之前試樣軸向加載抗力主要由形成楔形體過(guò)程中的剪切力承擔(dān),C點(diǎn)之后,楔形體形態(tài)基本形成,并沿軸線相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生劈裂力,CD段主要試樣主要在楔形體作用下處于受拉狀態(tài),D點(diǎn)達(dá)到抗拉強(qiáng)度,從試樣隨貫入深度變化的形態(tài)來(lái)看,試樣在達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前,外邊沒有明顯裂紋出現(xiàn),當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度D點(diǎn)時(shí),試樣表面初始裂紋出現(xiàn),而后裂紋迅速擴(kuò)張,同時(shí)伴隨拉應(yīng)力急劇減小至E點(diǎn),此時(shí)試樣上下裂紋貫通,在此之后(EF段)拉應(yīng)力隨貫入深度呈現(xiàn)上凸型減小,這是由于此時(shí)試樣內(nèi)部抗力主要有楔形體楔形剪切面與顆粒摩擦產(chǎn)生,此過(guò)程中的試樣殘余抗拉強(qiáng)度已經(jīng)非常小。F點(diǎn)以后抗拉應(yīng)力隨貫入深度的增大呈下凹式減小,并伴隨試樣拉裂紋寬度逐漸增大,最終至試樣完全破裂為兩瓣或者三瓣,軸向壓裂法測(cè)定黃土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束。
注:DR為凍融次數(shù)圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下拉應(yīng)力與貫入深度Fig.3 Relationship between tensile stress and penetration depth under different freeze-thaw cycles
圖4 試樣隨貫入深度的破壞過(guò)程Fig.4 Failure process of specimen with penetration depth
2.1.2 凍融循環(huán)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響
取不同含水量及不同干密度下350個(gè)試樣抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù),取平行試驗(yàn)平均值作為該試樣真實(shí)抗拉強(qiáng)度值,共175個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),根據(jù)同一干密度進(jìn)行分組,每組每個(gè)含水量下不同凍融循環(huán)次數(shù)為一單組如圖5所示。干密度1.55 g·cm-3時(shí)抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加衰減程度較小,基本沒有變化,隨著干密度的增大,凍融作用逐漸顯著。
圖5 不同干密度下凍融循環(huán)次數(shù)(n)對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of freeze-thaw cycles (n) on the tensile strength under different dry densities
干密度為1.55 g·cm-3含水量11%和13%及干密度1.60 g·cm-3含水量11%條件下試樣在凍融一次時(shí)抗拉強(qiáng)度最高,在經(jīng)歷三次凍融循環(huán)時(shí)抗拉強(qiáng)度減小至最低值,由此說(shuō)明凍融作用對(duì)黃土顆粒間抗拉接觸黏結(jié)具有弱化作用,凍融循環(huán)四次以后其抗拉強(qiáng)度基本穩(wěn)定。對(duì)于含水量相對(duì)較大(w=15%、w=17%、w=19%)的黃土抗拉強(qiáng)度在經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后強(qiáng)度呈衰減狀態(tài),且在基本均是在3次凍融作用時(shí)強(qiáng)度降至最低,而后隨凍融作用的增加變化幅度不大,這是由于含水量較大時(shí)顆粒之間的孔隙相對(duì)較小,土顆粒外側(cè)水膜厚度較大,顆粒間分子引力及顆粒間的接觸黏結(jié)強(qiáng)度均較大,也就是說(shuō)顆粒骨架較強(qiáng),故其未凍融時(shí)的抗拉強(qiáng)度較大,在凍結(jié)過(guò)程中,初始含水量可能達(dá)到或者大于土樣起始凍脹含水量,土樣會(huì)在凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生凍脹,由于外部溫度低,內(nèi)部溫度高,從而引起水分由試樣中心向外緣凍結(jié)面遷移,在此過(guò)程中土樣自身原有顆粒間黏結(jié)結(jié)構(gòu)遭到破壞,大顆粒團(tuán)簇結(jié)構(gòu)會(huì)破碎,顆粒之間裂隙增多,間距增大,顆粒與顆粒之間的排列方式發(fā)生改變,在融化過(guò)程中,冰融化成水,體積減小形成孔隙,在水分遷移力作用下部分土顆粒會(huì)在融化過(guò)程中填充這些孔隙,然后有大量孔隙無(wú)法填充,這是造成黃土凍融衰減的主要原因,故在凍融1次、3次作用下其抗拉強(qiáng)度均呈減小狀態(tài),含水量15%的土樣在超過(guò)3次凍融循環(huán)后其抗拉強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增多或略微增大或持續(xù)減小,然而就其強(qiáng)度大小而言,基本趨于穩(wěn)定。不同含水量及干密度下黃土抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)均呈指數(shù)衰減關(guān)系,指數(shù)衰減方程為:σt=ae(-n/b)+c,具體系數(shù)如表1所列。
表1 各干密度與含水量下抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)的指數(shù)衰減系數(shù)Table 1 The exponential attenuation coefficient of tensile stren-gth with freezing-thawing cycles under different drydensities and different water contents
凍融循環(huán)下強(qiáng)度衰減率通過(guò)下式計(jì)算:
(2)
式中:Ψ為凍融衰減率(%);σ0為未凍融時(shí)的強(qiáng)度值(kPa);σn為凍融n次時(shí)的強(qiáng)度值(kPa)。
由抗拉強(qiáng)度不同含水量不同干密度在經(jīng)歷各次凍融循環(huán)后的衰減程度可看出(圖6),抗拉強(qiáng)度衰減率在3次凍融時(shí)達(dá)到最大,而后在5次凍融后有所提高,最終穩(wěn)定。其中干密度1.55 g·cm-3的抗拉強(qiáng)度衰減率在經(jīng)歷多次凍融后相對(duì)最小,最終穩(wěn)定于20%左右;而干密度1.60 g·cm-3、1.65 g·cm-3、1.70 g·cm-3、1.75 g·cm-3凍融衰減率則在一次凍融時(shí)衰減程度最大,可達(dá)15%~20%,3次凍融時(shí)衰減率最大,可達(dá)30%以上。含水量19%時(shí),凍融作用對(duì)其強(qiáng)度衰減程度影響較大,隨著凍融次數(shù)的增加強(qiáng)度衰減率持續(xù)增大,最終可達(dá)50%左右。圖6(e)可看出含水量較高時(shí)凍融作用對(duì)其強(qiáng)度影響不大,這是由于含水量超過(guò)臨界值后其強(qiáng)度本身就很低,而經(jīng)歷凍融作用后從其強(qiáng)度值方面看確實(shí)變化不大,但是如果從其衰減程度上看,其衰減率時(shí)最高的,由此可見,含水量越大,凍融作用越明顯。
現(xiàn)將不同含水量不同干密度下抗拉強(qiáng)度在多次凍融循環(huán)后的最大衰減率列于表2中,可看出,不同含水量下抗拉強(qiáng)度最大衰減率的方差與變異系數(shù)均相對(duì)較小,由此可將黃土按照含水量不同而區(qū)分其最大凍融衰減率,即用同一含水量下不同干密度在多次凍融循環(huán)后的最大衰減率的平均值作為該含水量下的一般最大凍融衰減率。由表1可知,含水量11%,13%、15%、17%時(shí)抗拉強(qiáng)度最大衰減率在30%左右,而當(dāng)含水量19%時(shí),抗拉強(qiáng)度最大衰減率較大在52%左右。
表2 不同含水量及干密度的最大凍融衰減率Table 2 Maximum freezing-thawing attenuation rate under different water contents and different dry densities
2.3.1 單因素抗拉強(qiáng)度凍融衰減模型
為探究不同含水量與相同凍融循環(huán)條件下其抗拉強(qiáng)度衰減率的關(guān)系,現(xiàn)對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理:首先將同一含水量相同凍融次數(shù)不同干密度的強(qiáng)度衰減率取平均值,用來(lái)近似反映在某一含水量及凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度衰減率,而后通過(guò)該平均值結(jié)合不同含水量及凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行整理,結(jié)果如圖7所示,含水量19%時(shí),每次凍融造成的抗拉強(qiáng)度衰減率均最大。1次凍融時(shí),含水量11%的抗拉強(qiáng)度衰減率最小,接近5%,含水量13%、15%、17%的抗拉強(qiáng)度衰減率比較接近,接近18%。凍融3次后不同含水量衰減程度差異表現(xiàn)出來(lái),其中含水量13%、15%、17%時(shí)抗拉強(qiáng)度衰減率隨含水量的增大而減小,含水量11%的抗拉強(qiáng)度衰減率處于第三位,19%含水量時(shí)抗拉凍融衰減率最大。15次凍融循環(huán)時(shí),11%、13%、15%、17%含水量下凍融衰減率基本處于30%左右,19%含水量下凍融衰減率處于52%。由以上分析可知,含水量19%時(shí)與其他含水量的強(qiáng)度凍融衰減率在不同凍融循環(huán)次數(shù)下有較大差異,故將19%含水量的強(qiáng)度衰減率單獨(dú)指數(shù)衰減擬合。將11%、13%、15%、17%含水量下隨凍融循環(huán)次數(shù)的強(qiáng)度衰減率進(jìn)行全部數(shù)據(jù)指數(shù)衰減擬合,得出的擬合結(jié)果如圖7所示,并將擬合參數(shù)列于表3中。通過(guò)擬合方程來(lái)近似反映黃土不同含水量下強(qiáng)度衰減率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變化的量化規(guī)律。由表3中擬合參數(shù)可看出,參數(shù)a與c的絕對(duì)值相差不大,差值平均為0.6%,故將a與c的絕對(duì)值簡(jiǎn)化為等值,即凍融循環(huán)對(duì)黃土強(qiáng)度衰減率的影響可通過(guò)下式描述:
表3 不同含水量下凍融衰減率的擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of freezing-thawing attenuation ratio under different water content
圖7 不同含水量下抗拉強(qiáng)度衰減率與凍融循環(huán) 次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between the attenuation rate of tensile strength and the number of freezing-thawing cycles under different water contents
Ψ=a[e(-n/b)-1]
(3)
2.3.2 多元抗拉強(qiáng)度凍融衰減模型
以上研究均以控制變量為核心,即控制含水量不變探討干密度變化是對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響或者控制干密度不變探討含水量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。然而實(shí)際上干密度與含水量對(duì)黃土強(qiáng)度的影響同時(shí)存在,為探究黃土抗拉強(qiáng)度與含水量和干密度的多元相關(guān)關(guān)系,通過(guò)Tablecurve3D 可得出未凍融情況下抗拉強(qiáng)度、含水量、干密度多元三維空間分布情況,如圖8(a)所示,可看出黃土強(qiáng)度隨含水量的減小及干密度的增大呈螺旋狀上升趨勢(shì),通過(guò)對(duì)所生成曲面進(jìn)行三維多元非線性擬合可看出[圖8(b)],抗拉強(qiáng)度隨含水量及干密度服從多元非線性方程:
圖8 未凍融時(shí)含水量、干密度與抗拉強(qiáng)度的多元非線性關(guān)系Fig.8 Multivariate nonlinear relationship among the water content,dry density,and tensile strength without freezing and thawing
(4)
相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99以上。
如果引入凍融循環(huán)衰減率變量(Ψ),則可近似求解各種含水量及干密度條件下在不同凍融情況下的抗拉強(qiáng)度值,即:
σt-n=σt-0(1-Ψσt)
(5)
式中:σt-n為凍融n次時(shí)的黃土抗拉強(qiáng)度值;σt-0為未凍融時(shí)的黃土抗拉強(qiáng)度值;Ψσt為黃土不同凍融次數(shù)下的抗拉強(qiáng)度的衰減率變量。由于黃土在含水量19%時(shí)的抗拉強(qiáng)度凍融衰減率與其他含水量下有較大差異,故將含水量19%時(shí)單獨(dú)考慮。
綜合整理[聯(lián)立式(3)、(4)、(5)]可得不同含水量(不包括含水量≥19%)以及不同干密度條件下黃土經(jīng)歷n(n≥1)次凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度值可表示為:
(6)
含水量為19%時(shí),不同干密度條件下黃土經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度值可表示為:
(7)
黃土是一種具有結(jié)構(gòu)性與水敏感性的特殊土,此次研究所取黃土試樣具有不同孔隙比與飽和度,理論上對(duì)于含水量在塑限以下,其凍融過(guò)程中水分對(duì)結(jié)構(gòu)甚至顆粒的影響不大,即不會(huì)對(duì)抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。但是試驗(yàn)結(jié)果顯示,干密度為1.55 g·cm-3含水量11%和13%及干密度1.60 g·cm-3含水量11%條件下試樣在凍融一次時(shí)抗拉強(qiáng)度最高,在經(jīng)歷三次凍融循環(huán)時(shí)抗拉強(qiáng)度減小至最低值。可能原因是初始干密度較小及含水量較小情況下顆粒間排列較為疏松,空隙較大,在經(jīng)歷第一次凍結(jié)過(guò)程中,由于凍脹破壞了初始團(tuán)簇大顆粒黏結(jié)狀態(tài)從而在凍結(jié)過(guò)程中破碎,變成相對(duì)較小的顆粒,在融化過(guò)程中相對(duì)較小的顆粒位置發(fā)生變化填充了原本較大的空隙,使得顆粒與顆粒接觸數(shù)目增多,黏結(jié)增強(qiáng),故在經(jīng)歷一次凍融后強(qiáng)度呈增大趨勢(shì),具體原因尚需補(bǔ)充一次凍融過(guò)程中土體微觀顆粒狀態(tài)及孔隙特征加以證明。而后的凍融過(guò)程中,其抗拉強(qiáng)度具有較為明顯的衰減作用,究其原因可能與其凍融過(guò)程伴隨顆粒間水分遷移與脹縮有關(guān)。已有研究表明[11-12],凍融作用可引起非飽和黃土黏粒含量增多,小孔隙減少,大孔隙增多,說(shuō)明非飽和黃土在凍融過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞,是引起抗拉強(qiáng)度衰減的主要原因。然而,結(jié)構(gòu)的破壞有可能是在凍結(jié)過(guò)程中水分向小孔隙處遷移集中(大孔隙處由于水分不足以填充產(chǎn)生的凍脹力弱)由凍脹力引起,也有可能在融化過(guò)程中水分集中融化弱化了顆粒之間的黏結(jié)致使抗拉強(qiáng)度降低,或是兩者對(duì)抗拉強(qiáng)度的衰減均有貢獻(xiàn),這是個(gè)值得探討的問題。對(duì)于含水量高(19%)其衰減率高的問題,有可能是因?yàn)槠涑跏伎估瓘?qiáng)度更低,相對(duì)衰減率就更高,實(shí)際上凍融作用對(duì)高含水量黃土的抗拉強(qiáng)度影響更小,如果用相對(duì)強(qiáng)度衰減率來(lái)表征黃土的凍融衰減程度,則高含水量(>17%)與低含水量(≤17)黃土不建議采用同一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量,此次研究?jī)H僅提供了19%的高含水量樣品,數(shù)據(jù)相對(duì)較少,下一步計(jì)劃補(bǔ)充飽和黃土的凍融循環(huán)強(qiáng)度試驗(yàn),來(lái)完善高含水量條件下的凍融強(qiáng)度衰減模型。圖8中的數(shù)據(jù)為每種含水量下不同干密度每次凍融之后強(qiáng)度衰減率的平均值,所擬合出的曲線方程體現(xiàn)了黃土抗拉強(qiáng)度凍融衰減特性的一般規(guī)律,旨在說(shuō)明擬合參數(shù)及方程對(duì)于蘭州及其周邊黃土具有一定適用性,是否對(duì)于其他地區(qū)黃土具有適用性或者對(duì)公式進(jìn)行修正后是否對(duì)黃土抗拉強(qiáng)度凍融衰減規(guī)律具有普適性尚需進(jìn)一步研究(用其他地區(qū)不同性質(zhì)的黃土抗拉強(qiáng)度凍融試驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證)。另外,黃土邊坡剝落病害是由于邊坡表層黃土凍融作用引起,其剝落機(jī)理不僅僅是由于抗剪強(qiáng)度弱化不足引起,與其抗拉強(qiáng)度的弱化也有關(guān)系,應(yīng)該由拉-剪耦合強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則去解釋更為合理,故筆者在已有研究的基礎(chǔ)上,計(jì)劃下一步進(jìn)行黃土凍融拉-剪耦合強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則的研究工作。
此次黃土抗拉強(qiáng)度凍融特性及衰減模型的研究工作是在多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上探索其規(guī)律的普遍性同時(shí)發(fā)現(xiàn)其特殊性,得出如下結(jié)論:
(1) 對(duì)于文中在低干密度、低含水量的情況下(如干密度為1.55 g·cm-3含水量11%和13%及干密度1.60 g·cm-3含水量11%),試樣在凍融一次時(shí)抗拉強(qiáng)度最高,而后凍融過(guò)程抗拉強(qiáng)度減小至最低值,說(shuō)明抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)并不完全呈現(xiàn)衰減特性。但是,從整體趨勢(shì)上而言,黃土抗拉強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)衰減,其中,凍融3~5次達(dá)到衰減程度的穩(wěn)定值。含水量越大或者干密度越小,凍融作用對(duì)其強(qiáng)度值的影響越小,但是對(duì)其強(qiáng)度衰減率的影響越大。
(2) 黃土抗拉強(qiáng)度的衰減率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)衰減關(guān)系一般在3次凍融作用后強(qiáng)度衰減率達(dá)到最大值。其中,含水量在11%至17%之間時(shí)的最終強(qiáng)度衰減量均在15%~30%之間,而含水量19%時(shí)的最終強(qiáng)度衰減量可達(dá)50%,這說(shuō)明高含水量黃土的凍融衰減規(guī)律具有一定的特殊性。
(3) 在同時(shí)考慮黃土抗拉強(qiáng)度凍融規(guī)律普遍性與特殊性的基礎(chǔ)上,提出了適用于估算蘭州黃土抗拉強(qiáng)度的凍融衰減模型。