劉 鍇，張 宇，張沛源，張家樂(lè)，曹小紅，2△，許 濤，2

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830000）

關(guān)鍵字：凍融循環(huán)；抗剪強(qiáng)度；孔隙比；變化率；初始含水率

新疆地處亞歐大陸腹地，冬季氣候寒冷多降雪，凍融循環(huán)作用下土體損傷現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，對(duì)區(qū)內(nèi)工程建設(shè)造成了一定的阻礙。為有效解決此類災(zāi)害，提出合理有效的解決措施，近年來(lái)已有部分學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)作用下不同初始含水率土體物理、力學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。胡田飛等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在一定范圍內(nèi)，土體凍融循環(huán)劣化效應(yīng)會(huì)隨著初始含水率的增大而加劇，但當(dāng)含水率增大至接近塑限后，凍融循環(huán)會(huì)轉(zhuǎn)而起強(qiáng)化作用。劉曉琪[2]指出各圍壓下土體試樣抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)為先減后增變化。董曉強(qiáng)和陳瑞鋒[3]認(rèn)為凍融溫度對(duì)土體凍融后的特性影響并不大；土體的含水率越高，凍融后土體的各性能衰減越明顯；隨凍融次數(shù)增加，凍融損傷逐漸增大，到達(dá)一定次數(shù)后趨于穩(wěn)定且首次衰減最大土體抗剪強(qiáng)度隨塑性指數(shù)增加而增加。

土體凍融循環(huán)的本質(zhì)是土體中的水，在固態(tài)、液態(tài)間轉(zhuǎn)化的過(guò)程中對(duì)土體本身造成的損傷[4]。為研究初始含水率對(duì)凍融循環(huán)效應(yīng)的影響程度，文章采用新疆烏魯木齊市頭區(qū)文冠谷已發(fā)生滑坡地段的滑帶土作為土樣，進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)，研究土體在凍融循環(huán)作用下土體性質(zhì)的變化，并通過(guò)改變土體初始含水率研究?jī)鋈谘h(huán)作用下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試樣

實(shí)驗(yàn)所用土樣取自新疆烏魯木齊市頭區(qū)文冠谷已滑斜坡土體。所取試樣為淺黃色含礫粉土，礫石細(xì)礫呈角礫狀、磨圓度差，多呈扁平棱角狀，分選性差，大小混雜。通過(guò)進(jìn)一步土體顆粒分析試驗(yàn)得出土樣不均勻系數(shù)Cu，見(jiàn)式1。

土體基本物理指標(biāo)和顆粒分布曲線分別見(jiàn)表1和圖1。

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 土體顆粒分布曲線

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)制備初始含水率5%、10%、12% 3種試樣，首先，將土料過(guò)2 cm孔徑篩子，篩除土料中的礫石。再將土料放入大容量容器中，按照設(shè)計(jì)的含水率加水?dāng)嚢杈鶆?，攪拌結(jié)束后為容器鋪上防水布，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中土體含水率發(fā)生較大變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不良影響。然后，將土料放入冷凍箱凍結(jié)12 h，冷凍箱環(huán)境溫度設(shè)置為-10 ℃。到既定時(shí)間將土樣取出，置于室溫下消融，環(huán)境溫度大約20 ℃。以此作為一次凍融循環(huán)。每結(jié)束一次循環(huán)后從容器中取出部分土樣，分不同含水率壓入環(huán)刀中，環(huán)刀內(nèi)制作好土樣。最后使用應(yīng)變控制式直剪儀和固結(jié)儀對(duì)試樣進(jìn)行快剪和壓縮試驗(yàn)。

直剪試驗(yàn)采用不固結(jié)快剪方法，分別制作3種不同含水率的試樣，將試樣安裝入直剪儀中，并施加100 kPa的豎向壓力，模擬近地表土層的應(yīng)力狀態(tài)。施加豎向壓力后，立刻拔去銷釘，開(kāi)動(dòng)秒表，使3個(gè)試樣以20 s一周勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。手輪每轉(zhuǎn)一周記錄一次量力環(huán)內(nèi)百分表的讀數(shù)，直至試樣剪切破壞。

固結(jié)實(shí)驗(yàn)同樣制備3種不同含水率的試樣，將試樣安裝入固結(jié)儀中。首先分別對(duì)3種試樣施加第一級(jí)豎向壓力，當(dāng)百分表讀數(shù)不再變化時(shí)則施加下一級(jí)壓力。逐級(jí)施加的壓力為200 kPa、300 kPa、400kPa、500 kPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土體物理性質(zhì)變化

在對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析后，可以得到部分土體物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，此處先以含水率10%時(shí)土體物理、力學(xué)性質(zhì)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加產(chǎn)生的變化為例。由表2可見(jiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加試樣抗剪強(qiáng)度、黏聚力和孔隙比呈明顯下降趨勢(shì)，剪切模量、壓縮模量數(shù)值變化呈波浪狀起伏，內(nèi)摩擦角度數(shù)先下降后上升且變化幅度不大。

表2 含水率10%時(shí)固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)所得土體物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)土體物理、力學(xué)性質(zhì)變化的分析，土體剪應(yīng)力、黏聚力、孔隙比顯著下降。土體凍融循環(huán)的過(guò)程中會(huì)造成土體中水分的遷移，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到在土體經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，土體表面和容器內(nèi)壁結(jié)有一層霜，這是由土體內(nèi)的水分遷移至土體表面形成的。土體內(nèi)部在凍結(jié)時(shí)，其靠近表層的自由水會(huì)先凍結(jié)，并引起土體中其余水分向凍結(jié)峰面的遷移。這一現(xiàn)象導(dǎo)致土粒之間的膠結(jié)物被破壞，土體在凍結(jié)過(guò)程中孔隙比暫時(shí)增大。當(dāng)土體內(nèi)的冰融化后，因?yàn)楸鶎?duì)土體的作用力消失且土體喪失部分膠結(jié)物，導(dǎo)致土體力學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，被冰撐大的孔隙結(jié)構(gòu)改變，引起孔隙比減小。膠結(jié)物的破壞同時(shí)減少了土體剪切時(shí)所受到的摩擦力和土粒之間的膠結(jié)程度，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度和黏聚力同時(shí)下降。

2.2 土體物理性質(zhì)變化率

在工程建設(shè)中，土體物理、力學(xué)性質(zhì)的變化速率對(duì)工程建設(shè)的安全性有不可忽視的影響。因此，對(duì)黏聚力、剪應(yīng)力、孔隙比3個(gè)存在明顯劣化趨勢(shì)的指標(biāo)再次進(jìn)行討論，研究這些指標(biāo)在不同含水率情況下隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化率。3個(gè)指標(biāo)的變化曲線如圖2—圖4所示。

圖2 黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化曲線

圖3 剪應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化曲線

圖4 孔隙比隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化曲線

圖2—圖4表明，當(dāng)含水率差別較大時(shí)，土體含水率越高黏聚力、剪應(yīng)力、孔隙比的降低速率就越大?？紫侗入S著凍融循環(huán)次數(shù)增加其降低的速率逐漸減小，剪應(yīng)力和黏聚力的變化趨勢(shì)則不明顯，需要增加凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步研究觀察。為了解釋不同初始含水率下土體隨凍融循環(huán)次數(shù)增多剪應(yīng)力、黏聚力、孔隙比的變化情況，提出如下推測(cè)：土體含水率越高則當(dāng)土體中冰透鏡體形成時(shí)土粒之間斷裂的情況就越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致土體黏聚力、抗剪強(qiáng)度下降。同時(shí)含水率的增加也導(dǎo)致被冰透鏡體占據(jù)的空間增加，冰透鏡體融化后留下的孔隙就隨之增大。冰透鏡體的形成對(duì)孔隙周圍的土體有輕微的擠壓作用，含水率越高冰透鏡體對(duì)周圍土體的擠壓作用就越明顯，周圍土體的密實(shí)度略有上升，孔隙體積增加越發(fā)困難，孔隙比的下降趨勢(shì)會(huì)逐漸減慢。

3 凍融循環(huán)下工程災(zāi)害防治措施建議

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土體中水分的遷移和相變是凍融循環(huán)效應(yīng)的主要原因。在寒冷地區(qū)的工程建設(shè)中，水分的相變和遷移不僅影響著工程場(chǎng)地的土體性質(zhì)，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)物本身也有很強(qiáng)的破壞作用，會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、錨桿體與注漿體黏結(jié)作用失效等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅工程質(zhì)量和施工安全。

在工程建設(shè)中，預(yù)防、治理凍融循環(huán)造成土體損傷的方法大致有水體規(guī)避和土體改良2種思路。

3.1 水體規(guī)避

工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)將建筑物的地基持力層設(shè)置在地下水凍結(jié)影響范圍以外，地下水凍結(jié)影響范圍取決于毛細(xì)管上升高度和地下水凍結(jié)臨界深度，當(dāng)?shù)叵滤_(dá)到凍脹臨界深度時(shí)，土體不發(fā)生凍脹。當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)不存在地下水時(shí)，地基持力層的設(shè)置應(yīng)主要考慮地表水和大氣降水的影響，地基持力層盡量設(shè)置在地表水和大氣降水影響范圍以下。上述方法僅適用于場(chǎng)地內(nèi)水體較少，場(chǎng)地所在地區(qū)氣候較為干旱的情況。當(dāng)?shù)叵滤^為豐富時(shí)，可以使用地基隔層斷層法，利用隔斷層避免地基結(jié)構(gòu)中毛細(xì)水上升[5]。施工階段，應(yīng)當(dāng)及時(shí)修筑排水系統(tǒng)，排出工程場(chǎng)地內(nèi)的多余水分。在建筑物的后期保養(yǎng)期間可以種植適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件且根系發(fā)達(dá)、蒸騰排水效應(yīng)強(qiáng)的植被，提高建筑物的穩(wěn)定性[6]。

3.2 土體改良

因?yàn)楹实脑龈邔?duì)土體凍融循環(huán)有顯著影響，所以土體改良可以從降低土體中水的存儲(chǔ)空間、減小冰透鏡體的體積2個(gè)方向入手。針對(duì)不同種類的土體，采用排水固結(jié)法、擠密砂樁法、強(qiáng)夯法等對(duì)土體進(jìn)行加密或者換填較為密實(shí)的土，減少土體的孔隙度，從而降低土體中水的存儲(chǔ)空間?？梢允褂酶羲院玫母魺釋訙p少地基土與外界土體的熱量交換，從而減小冰透鏡體的體積，緩解土體的凍脹程度[7]。

4 總結(jié)

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)土體凍融循環(huán)作用會(huì)顯著降低土體剪應(yīng)力、黏聚力、孔隙比。隨著含水率的增加，土體剪應(yīng)力、黏聚力、孔隙比受凍融循環(huán)作用的影響會(huì)更加顯著，且孔隙比減小速率逐漸降低。

（2）凍融循環(huán)作用下土體物理、力學(xué)性質(zhì)改變的內(nèi)在原因是土體中的自由水形成冰透鏡體，破壞了土粒間的膠結(jié)物。隨著含水率增加，土顆粒之間膠結(jié)物被破壞的情況就越嚴(yán)重。同時(shí)含水率增加，土體孔隙中形成的冰透鏡體體積增大，當(dāng)冰透鏡體增大到一定程度，會(huì)對(duì)孔隙周圍的土體造成輕微的擠壓作用，從而導(dǎo)致周圍土體密實(shí)度增大，孔隙體積擴(kuò)張更加困難。

（3）預(yù)防、治理凍融循環(huán)造成土體損傷的方法大致有水體規(guī)避和土體改良兩種思路。水體規(guī)避可以采用讓地基避開(kāi)土體凍脹影響范圍的方式，也可以采用地基隔斷斷層法阻隔毛細(xì)水的上升。土體改良采用多種方法增加土體的密實(shí)程度，降低孔隙的體積，從而減少土體中水的存儲(chǔ)空間。或者利用隔溫層，減小地基土與外界的熱量交換，減小冰透鏡體的體積，緩解土體凍脹程度。