王亮亮,王照騰,楊默涵,田建勝,柳志軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司徐州設(shè)計(jì)院,江蘇 徐州 221000)

膨脹土在我國多個(gè)省份皆有分布[1],除以東北為代表的深季凍區(qū)土體面臨嚴(yán)重凍融劣化問題以外,近年來受極端氣候頻繁影響,以河南平頂山地區(qū)為代表的氣候邊緣區(qū)也屢次出現(xiàn)極端低溫現(xiàn)象。氣溫統(tǒng)計(jì)資料顯示,平頂山地區(qū)在1999年、2008年、2018年均出現(xiàn)-15 ℃的極端低溫事件,使得該區(qū)域地表淺層膨脹土也遭遇間斷性凍融循環(huán)作用,而凍融作用下土體工程性能劣化會大幅度增大路基邊坡病害風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。

抗剪強(qiáng)度作為邊坡穩(wěn)定分析及設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),學(xué)者們針對季凍區(qū)膨脹土抗剪強(qiáng)度演化規(guī)律進(jìn)行了眾多研究。L.Tang[5-6]等采用固結(jié)不排水試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)作用對不同初始濕度及壓實(shí)系數(shù)膨脹土強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)在高初始濕度狀態(tài)(w=27%)下,吉林省延吉市及其周邊地區(qū)弱膨脹土內(nèi)摩擦角及黏聚力均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷減小。朱斯伊等[7]通過固結(jié)快剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),低濕度荊門中膨脹土內(nèi)摩擦角及黏聚力隨凍融次數(shù)增加也呈衰減趨勢。丁志平[8]采用不固結(jié)不排水試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)作用及濕度狀態(tài)對河南省平頂山市及其周邊地區(qū)弱膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響,研究發(fā)現(xiàn)該膨脹土內(nèi)摩擦角在4次凍融循環(huán)后表現(xiàn)出增長趨勢,但增幅隨含水率的升高而減小。張琦等[9]以弱膨脹土為研究對象,探究了凍融循環(huán)作用對非飽和膨脹土剪切特性的影響,發(fā)現(xiàn)其抗剪強(qiáng)度在首次凍融后衰減最為明顯,經(jīng)3～7次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定。Y.l.Li等[10]發(fā)現(xiàn)凍融作用下淺層膨脹土抗剪強(qiáng)度發(fā)生衰減,其主要原因是土體粘聚性降低。高小云等[11-12]發(fā)現(xiàn)干濕凍融耦合作用下,膨脹土內(nèi)摩擦角及黏聚力衰減尤為顯著。

影響土體抗剪強(qiáng)度的因素眾多,例如濕度、壓實(shí)系數(shù)、土體所處自然環(huán)境等,為確定關(guān)鍵影響因子及方便應(yīng)用于工程實(shí)踐,部分專家學(xué)者采用統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,以便得到更加符合工程實(shí)踐的強(qiáng)度指標(biāo)。林魯生等[13]、楊果林等[14]采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法探討了邊坡工程、鐵路路基工程設(shè)計(jì)中土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的取值范圍。李順群[15]、常丹等[16-17]利用統(tǒng)計(jì)方法研究了影響季節(jié)性凍土區(qū)土體強(qiáng)度特性的關(guān)鍵因素?；谝延醒芯砍晒?筆者在不同濕度、初始壓實(shí)系數(shù)、凍結(jié)溫度與經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的氣候邊緣區(qū)膨脹土三軸剪切試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,利用顯著性分析方法研究了凍融循環(huán)和初始狀態(tài)指標(biāo)對膨脹土抗剪強(qiáng)度(黏聚力及內(nèi)摩擦角)的影響,從而為膨脹土邊坡病害機(jī)理分析與綜合處治提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 三軸試樣制備

試驗(yàn)所用土樣取自鄭萬高鐵沿線的河南平頂山地區(qū),為棕紅(黃褐)色黏性土。現(xiàn)場取樣過程中發(fā)現(xiàn)土樣處于堅(jiān)硬狀態(tài),較難挖掘,但在粉碎過程中觀察到大型土塊易沿裂隙及礦物夾雜界面碎裂現(xiàn)象。

為了判定土樣的膨脹潛勢,采用四分對角線法取代表性風(fēng)干試樣約150 g,進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)及蒙脫石含量測試,試驗(yàn)結(jié)果表明,該土樣自由膨脹率受粒徑大小影響較大,為35%～80%[18-20],蒙脫石含量為8%～17.5%。按照《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB 10038—2012)分類標(biāo)準(zhǔn),該土體可判別為弱～中膨脹性膨脹土[21]。土體最優(yōu)含水率為20%,以最優(yōu)含水率為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)了如表1所示試樣初始狀態(tài)。并依據(jù)表1初始含水率、壓實(shí)系數(shù)制備高為80 mm、直徑為39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣。

表1 試樣初始狀態(tài)與凍融溫度Table 1 Initial state of sample and freeze-thaw temperature

1.2 試驗(yàn)方案

在凍融過程中,為了避免試樣初始濕度變化過大,在封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行凍融試驗(yàn),即對試樣編號密封后在凍融循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。具體步驟:按表1所示凍結(jié)溫度設(shè)定試驗(yàn)箱低溫且凍結(jié)8 h以上,然后在室溫條件(約20 ℃)下融化8 h以上,視為1次凍融循環(huán)。采用以上凍融方法制備如表1所示凍融狀態(tài)膨脹土試樣。

為測得不同狀態(tài)下膨脹土黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ,依據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010),利用TSZ-6型全自動三軸儀對初始狀態(tài)及凍融后的膨脹土試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)。

2 凍融循環(huán)作用下膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)演化規(guī)律

2.1 黏聚力隨凍融循環(huán)變化規(guī)律

不同初始狀態(tài)下膨脹土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖1所示。由圖1可知:①周期性凍融循環(huán)作用下膨脹土黏聚力隨著凍融次數(shù)的增加整體呈衰減趨勢。②壓實(shí)系數(shù)k為0.90,凍結(jié)溫度Tfreeze為-15 ℃試驗(yàn)組,隨著初始濕度的增加,黏聚力逐漸降低,10次凍融循環(huán)后黏聚力衰減幅度增大,分別為27.50%(w=20%)、30.66%(w=23%)、43.03%(w=26%)。③當(dāng)凍結(jié)溫度為-15 ℃,最優(yōu)含水率(w=20%)膨脹土試樣黏聚力隨著初始壓實(shí)系數(shù)的增大而逐漸增加,而10次凍融循環(huán)后黏聚力衰減幅度則隨初始壓實(shí)系數(shù)增大而逐漸減小,分別為39.64%(k=0.85)、27.50%(k=0.90)、24.82%(k=0.95)。④初始壓實(shí)系數(shù)為0.90,最優(yōu)含水率(w=20%)試驗(yàn)組,在5次凍融循環(huán)后,隨著凍結(jié)溫度的降低,黏聚力逐漸降低,而10次凍融循環(huán)后,黏聚力衰減幅度卻逐漸增大,分別為16.65%(Tfreeze=-5 ℃)、23.41%(Tfreeze=-10 ℃)、27.50%(Tfreeze=-15 ℃)。

圖1 不同初始狀態(tài)下膨脹土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.1 Development of cohesion in expansive soils with freeze-thaw cycles in different initial states

2.2 內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)變化規(guī)律

不同初始狀態(tài)下氣候邊緣區(qū)膨脹土內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖2所示。由圖2可知:①壓實(shí)系數(shù)為0.90、凍結(jié)溫度為-15 ℃試驗(yàn)組,膨脹土內(nèi)摩擦角隨土樣含水率的升高而逐漸減小,但隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加整體呈緩慢增長趨勢,10次凍融循環(huán)后增幅分別為15.33%(w=20%)、9.84%(w=23%)、44.88(w=26%)。②凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí),最優(yōu)含水率狀態(tài)(w=20%)膨脹土試樣內(nèi)摩擦角在初始5次凍融過程中隨著初始壓實(shí)系數(shù)的增加而迅速增長,此后凍融過程中,壓實(shí)系數(shù)為0.95和0.90試驗(yàn)組內(nèi)摩擦角相差不大,10次凍融循環(huán)后,內(nèi)摩擦角增幅隨初始壓實(shí)系數(shù)增加而減小。③壓實(shí)系數(shù)為0.9,最優(yōu)含水率狀態(tài)(w=20%)膨脹土內(nèi)摩擦角在首次凍融循環(huán)過程后發(fā)生了衰減,而2～10次循環(huán)過程中內(nèi)摩擦角卻呈現(xiàn)出緩慢增長趨勢,10次凍融循環(huán)后,內(nèi)摩擦角增幅分別為0.87%(Tfreeze=-5 ℃)、4.71%(Tfreeze=-10 ℃)、15.33%(Tfreeze=-15 ℃)。

圖2 不同初始狀態(tài)下膨脹土內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.2 Development of internal friction angle of expansive soils with freeze-thaw cycles in different initial states

3 顯著性分析

3.1 顯著性分析原理

膨脹土抗剪強(qiáng)度會受到濕度狀態(tài)、壓實(shí)系數(shù)、凍融循環(huán)作用(凍結(jié)溫度及凍融次數(shù))等多種因素影響。經(jīng)過多次試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度(c和φ)數(shù)據(jù)往往會有所波動。其中由偶然因素(如儀器精度、人為因素等)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異的現(xiàn)象稱為試驗(yàn)誤差;由試驗(yàn)條件導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異的現(xiàn)象稱為系統(tǒng)誤差[15]。為明確各影響因子對氣候邊緣區(qū)膨脹土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響程度,找到關(guān)鍵影響因子,采用在一定置信概率下進(jìn)行F檢驗(yàn)[22]的方法對其進(jìn)行分析。筆者主要考慮土體初始狀態(tài)及凍融循環(huán)次數(shù)對膨脹土抗剪強(qiáng)度劣化現(xiàn)象的貢獻(xiàn)作用,故不考慮各影響因子之間交互作用。

對于雙影響因子M、N,假設(shè)影響因子M包含m個(gè)水平(M1,M2,…,Mm),影響因子N包含n個(gè)水平(N1,N2,…,Nn)。記M因子和N因子組合水平(Mi,Nj)的數(shù)據(jù)為xij,則共有mn組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。水平Mi的均值、Nj的均值及總均值分別為

(1)

(2)

(3)

影響因子M、N及誤差偏差平方和分別為

(4)

(5)

(6)

則影響因子M、N的F值為

(7)

(8)

式中:fM、fN、fe分別為影響因子M、N及誤差的自由度。對于給定的顯著性水平α,存在FM≥Fα(fM,fe),說明在(1-α)概率條件下影響因子M對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了影響。

依據(jù)α的取值范圍,顯著性水平可分為Ⅰ級(α<0.001)、Ⅱ級(0.01≤α<0.001)、Ⅲ級(0.01≤α<0.10)、Ⅳ級(α≥0.10),其中Ⅰ級為高度顯著因素,Ⅱ級為顯著性因素,Ⅲ級為有一定影響因素,Ⅳ級為非顯著性因素。且F值與相應(yīng)臨界值之間的差距越大,表明該因素對膨脹土黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響越大。文中所需F檢驗(yàn)臨界值見表2。

表2 F檢驗(yàn)的臨界值Table 2 F test critical values

3.2 黏聚力影響因素顯著性分析

不同影響因子作用下膨脹土黏聚力顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由表可知,土體狀態(tài)(濕度及壓實(shí)系數(shù))、凍融次數(shù)均對膨脹土產(chǎn)生了顯著影響,各影響因子對土體黏聚力的影響程度及作用機(jī)理如下:

表3 黏聚力影響因子顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Significant test of cohesion

(1)當(dāng)凍融次數(shù)與初始濕度、初始壓實(shí)系數(shù)、凍結(jié)溫度任意一種影響因子共同作用于膨脹土試樣時(shí),凍融循環(huán)次數(shù)在任何顯著性水平下均對膨脹土黏聚力產(chǎn)生了顯著影響,顯著性水平為Ⅰ級。這是由于在經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)過程中,膨脹土承受著內(nèi)部水分凝結(jié)成冰體積膨脹擠壓、融化遷移濕脹/局部失水收縮等復(fù)雜作用,導(dǎo)致土顆粒間的膠結(jié)作用受損,土體趨于相對松散化,宏觀表現(xiàn)為膨脹土黏聚力減小。

(2)壓實(shí)系數(shù)為0.90、凍結(jié)溫度為-15 ℃的凍融循環(huán)試驗(yàn)組,初始濕度在任何顯著性水平下對黏聚力的影響是顯著的,顯著水平為Ⅰ級。初始濕度代表水分對膨脹土黏聚力的影響,初始濕度越大,試樣內(nèi)部形成的結(jié)合水膜越厚,潤滑作用越強(qiáng),呈現(xiàn)出黏聚力隨初始濕度增大而降低。

(3)最優(yōu)含水率狀態(tài)下,初始壓實(shí)系數(shù)只有在顯著性水平α≥0.01時(shí)才對膨脹土黏聚力產(chǎn)生明顯的影響,顯著性水平為Ⅱ級,為顯著性影響因素。初始壓實(shí)系數(shù)反映了土體內(nèi)部孔隙的總體密集程度,初始壓實(shí)系數(shù)越大,孔隙率越小,土體顆粒之間膠結(jié)力及咬合力越大,黏聚力越大。

(4)凍結(jié)溫度只有在顯著性水平α≥0.025時(shí)才對最優(yōu)含水率狀態(tài)(w=20%,k=0.90)膨脹土黏聚力有一定的影響,顯著性水平為Ⅲ級。凍結(jié)溫度是膨脹土在凍結(jié)過程中所處的最低溫度,反映了凍結(jié)速率的快慢,凍結(jié)溫度越低,凍結(jié)速率越快,凍融過程中水分遷移量越大,參與體積變化的水分越多,進(jìn)而改變試樣的孔隙特征,使得試樣內(nèi)部孔隙不斷貫穿并逐漸形成微裂紋,降低了土體的黏聚性,使得試樣黏聚力降低。但由于凍融過程中試樣變形量相近,孔隙結(jié)構(gòu)變化相似,故凍結(jié)溫度對膨脹土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律影響不大。

3.3 內(nèi)摩擦角影響因素顯著性分析

不同狀態(tài)下膨脹土內(nèi)摩擦角的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4。由表可知,初始濕度、初始壓實(shí)系數(shù)、凍融次數(shù)均對膨脹土內(nèi)摩擦角產(chǎn)生了影響,而且隨著試樣初始狀態(tài)及所處凍融溫度的變化,凍融次數(shù)對內(nèi)摩擦角的影響程度也在不斷變化,具體如下:

表4 內(nèi)摩擦角影響因素顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Significant test of internal friction

(1)當(dāng)初始壓實(shí)系數(shù)為0.90、凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí),初始濕度及凍融次數(shù)在任何顯著性水平下均對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生了顯著性影響,顯著性水平均為Ⅰ級,但凍融循環(huán)作用對內(nèi)摩擦角產(chǎn)生的影響要稍弱。初始濕度越大,在凍融循環(huán)過程中發(fā)生遷移、相變的水分越多,在凝冰擠脹、濕脹/局部失水收縮土復(fù)雜作用下土體顆粒間孔隙結(jié)構(gòu)變化越明顯,土體松散趨勢增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角微幅增大[23]。

(2)凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí),在顯著性水平α≥0.01時(shí),初始壓實(shí)系數(shù)對最優(yōu)含水率狀態(tài)(w=20%)膨脹土內(nèi)摩擦角有明顯影響,顯著性水平為Ⅱ級,而凍融次數(shù)在顯著性水平α≥0.025才對膨脹土內(nèi)摩擦角有一定影響,顯著性水平為Ⅲ級,明顯弱于初始壓實(shí)系數(shù)產(chǎn)生的影響。凍融循環(huán)次數(shù)對膨脹土孔隙結(jié)構(gòu)及顆粒排列方式的影響要弱于初始壓實(shí)系數(shù)的影響。

(3)初始壓實(shí)系數(shù)為0.90時(shí),在顯著性水平α≥0.005時(shí),凍融循環(huán)次數(shù)對最優(yōu)含水率狀態(tài)膨脹土內(nèi)摩擦角影響的顯著性水平為Ⅱ級,而凍結(jié)溫度的顯著性水平為Ⅳ級,屬于非顯著性因素。

4 結(jié) 論

(1)氣候邊緣地帶膨脹土黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)及初始含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與初始壓實(shí)系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)膨脹土黏聚力影響因子的顯著性由強(qiáng)到弱依次為初始濕度、凍融循環(huán)次數(shù)、初始壓實(shí)系數(shù)、凍結(jié)溫度。

(3)最優(yōu)含水率(w=20%)狀態(tài)下,膨脹土內(nèi)摩擦角在10次凍融循環(huán)后均呈增大趨勢,且增幅隨著初始壓實(shí)系數(shù)和凍結(jié)溫度的降低而增大。

(4)初始濕度、初始壓實(shí)系數(shù)、凍融循環(huán)作用均對內(nèi)摩擦角具有顯著影響,而凍結(jié)溫度的影響顯著性則相對較弱。