基于冻融界面对路基土体抗剪强度的影响研究

(湖南常德路桥建设集团有限公司, 湖南 常德 415000)

基于冻融界面对路基土体抗剪强度的影响研究

邓爱平

(湖南常德路桥建设集团有限公司, 湖南 常德 415000)

土的抗剪强度是反映土体对外界荷载产生的剪应力的极限抵抗能力的力学指标，以湖南地区某路基工程为背景，主要研究了不同冻融循环次数以及不同含水量条件下，土体冻融界面处的抗剪强度，得出冻融界面强度随影响因素的损伤程度，为地区性路基施工边坡失稳计算提供参考依据。

路基工程； 粉质粘土； 冻融界面； 抗剪强度； 含水率

0 引言

土体在外荷载作用下，受到荷载产生的剪应力，发生剪切变形，当土体内部所受的剪应力达到土的抗剪强度时，土体就会沿着剪切作用面发生相对滑动，从而发生剪切破坏。冻融界面是土体中相对软弱的界面，界面的抗剪强度在一定程度上决定了土体抵抗剪切变形的能力。因此，研究土体冻融界面的抗剪强度是十分必要的。近年来，我国诸多科研学者对冻融界面的抗剪强度进行了研究，并取得了显著的科研成果。杨让宏等[1]研究了冻融界面的变化对冻土区斜坡路堤的稳定性影响，建立了冻融界面位置形态与路堤稳定性的对应关系；吴海燕[2]设计并制作了模拟冻融界面的冻土模型；赵刚等[3]通过试验得出冻融循环过程中冻融界面会出现水分积聚，且含水量越大水分积聚现象越明显；徐学燕等[4]给出了长期荷载作用下冻融界面抗剪强度的计算公式；葛琪[5]提出了抗剪强度随冻融循环的损伤模型，并研究了冻融界面处抗剪强度参数的折减系数；吴志琴[6]对不同含水率的土体在不同冻结温度下冻融后的力学性质进行了研究并得出相关规律。 本文以湖南地区某路基工程中粉质粘土为研究对象，由于湖南当地冬季最低气温在0 ℃左右，在冬季路基施工过程中，土体往往会形成冻融界面，所以研究冻融界面抗剪强度是十分必要的，为地区性冬季路基施工及边坡稳定性分析提供理论依据。

1 试验原理及设计

1.1 影响因子的选取

本试验中选择影响冻融循环前后土力学性质变化的影响因素为含水量。土体含水率直接决定了冻结后未冻水的含量及冻结的速率，对土体造成结构性的影响，所以不同含水量的土体冻融后力学性质必然也不相同。因此，本试验选择含水量为影响因子，研究不同含水量土体冻融界面的力学性质变化规律。

1.2 冻融界面的实现

冻融界面的实现是本试验设计的关键点，也是研究土体冻融界面抗剪强度的先决条件。因此，试件制作时分上下2层制作，上层土用生理盐水配比，下层土用普通自来水配比，上下2层土体积比为1∶1，由于生理盐水的冻结点要比普通自来水低，所以在一定的冰冻温度下，可以实现下层土体中的水分处于冰冻状态，而上层土体中的水分保持融化状态，达到冻融界面实现的目的。

1.3 试验温度的选取

由相关参考文献可知，在正常大气压状态下，生理盐水的冻结点低于-3 ℃，而普通自来水的冻结点0 ℃，所以本试验设置冻结温度为-3 ℃，这样就可以使上层的生理盐水处于流动状态，下层的普通自来水处于冻结状态，实现冻融界面。

2 试验结果

冻融界面抗剪强度试验结果见表1。

表1 冻融界面抗剪强度试验结果记录表含水率/%冻融次数不同加载下的冻融界面抗剪强度/kPa50kPa100kPa150kPa200kPa1365531692856234850666482133314866427951643154676217735301447593741629143257471572744125516878248378507638134549865280623304806307823315463611761184302447593738528843157171362814165546927263396531662823435748160513324816307812315461600751330144258472720428843157071252734085436786263393524654724837350162482183354515671326464611754231844658873133034255647032242874155536915264396528661625237750362872383614826018205317428540

3 试验结果分析

1) 不同竖向荷载条件下土体抗剪强度随含水率与冻融次数的变化，见图1。

图1 不同含水率对冻融界面抗剪强度的影响

从图1中可以看出，随冻融次数的增加含冻融界面的试件抗剪强度减小，并且含水率越大的相应的抗剪强度越小。

2) 冻融界面对土体抗剪强度参数的影响，见图2。

图2 冻融界面对土体抗剪强度参数的影响

从图2中可以看出，在以上几组试件的抗剪强度试验结果中，存在冻融界面的土体粘聚力及内摩擦角均为最小，抗剪强度值最低，约为普通土样试件的70%，而且强度低于该种普通土样经历一次冻融循环作用后的抗剪强度值。在极端冰雪条件下，存在冻融界面的土体的强度最低，其冻融界面可能存在导致边坡沿此面滑动。

3) 含水量及冻融次数对冻融界面土体抗剪强度参数的影响，见图3。

图3 含水量及冻融次数对冻融界面土体抗剪强度参数的影响

从图3中可以看出，随含水量逐渐增大，存在冻融界面的土体抗剪强度参数c呈明显的下降态势，当含水量从16%增大到22%时，c值降低了约30%，这也是土体抗剪强度降低明显的主要原因。抗剪强度参数内摩擦角φ的整体趋势也随之损伤，当含水量从16%增大到22%时，内摩擦角φ也降低30%。从土体结构本身分析，当含水量越高时，土体内部的级配结构发生变化，土应力传递的方式从颗粒之间的相互作用变为通过孔隙水介质传递，土颗粒之间咬合作用降低，这样就导致了土颗粒之间的粘聚力降低。

4) 冻融界面路基边坡稳定性安全系数。

利用路基边坡稳定性计算方法，分别得出普通土和含冻融界面土体在冻融循环作用后边坡稳定性安全系数，见图4。

图4 路基边坡安全系数与冻融循环次数的关系

如图4所示，在冻融循环过程中，路基边坡稳定性安全系数都呈现下降的趋势，这主要是由于冻融循环过程中土体抗剪强度降低造成的。普通土体边坡安全系数下降趋势均匀，且有出现平稳的趋势；含冻融界面的土体边坡在第1次冻融循环中安全系数下降较大，后续下降速率也均大于普通土体，因此在计算含冻融界面土体边坡稳定性时，必须考虑冻融界面对土体抗剪强度的影响。

4 结论

1) 随冻融次数的增加含冻融界面的试件抗剪强度减小，并且含水率越大的相应的抗剪强度越小。

2) 存在冻融界面的土体粘聚力及内摩擦角均为最小，抗剪强度值最低，约为普通土样试件的70%，冻融界面的存在可能导致边坡沿此面滑动。

3) 随含水量逐渐增大，存在冻融界面的土体抗剪强度参数c呈明显的下降态势，内摩擦角φ值也明显降低，这与普通土体在冻融循环过程中内摩擦角随冻融次数增加而增加是不相同的。

4)存在冻融界面的土体边坡安全系数下降速率较普通土体边坡更快，且在第1次冻融循环过程中安全系数下降较大，在计算含冻融界面土体边坡稳定性时，必须考虑冻融界面对土体抗剪强度的影响。

[1] 杨让宏, 朱本珍.冻融交界面变化对于多年冻土区斜坡路堤稳定性的影响分析[J].兰州交通大学学报, 2010,29(3):1-6.

[2] 吴海燕.模拟冻融界面的冻土模型实验研究[D].成都：西南交通大学, 2007.

[3] 赵刚, 陶夏新, 刘兵. 重塑土冻融过程中水分迁移试验研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(2):519-525.

[4] 徐学燕,丁靖康.冻融界面土体的长期抗剪强度指标确定[J].哈尔滨建筑大学学报, 1992(3):37-42.

[5] 葛琪.基于冻融界面强度损伤的季冻区土质边坡稳定性研究[D].长春：吉林大学, 2010.

[6] 吴志琴.冻融循环作用对粉质粘土抗剪强度指标影响的研究[D].哈尔滨：黑龙江大学, 2012.

1008-844X(2017)03-0091-03

U 416.1

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2017-02-17

邓爱平(1980-)，男，工程师，主要从事道路与桥梁施工及项目管理。