探究冻融循环对于软土路基强度的影响

张崇康 邱泰瑞 孙侨甫

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

0 引言

软土地基是工程中的常见问题，其抗剪强度直接决定了施工难度以及工程质量。而我国国土面积的53.3%又处于季冻区，位于季冻区的土基会随着气候自然周期的变化发生冻融循环，对于土颗粒之间形成的结构产生作用，因而导致土体的抗压强度、抗剪强度等受到影响产生改变。因此冻融循环对于土体强度的影响一直以来都是众多专家学者的热门研究方向。江宗斌等[1]通过三轴试验，对冻融过程特性的变化进行了研究。王平等[2]从微观角度进行分析，得到冻融循环次数对于软土抗剪强度指标粘聚力c有较大影响的结论。何静科等[3]选取了东三省的路基黏土作为实验材料，探究发现随着冻融循环次数的增加，土体的各项力学性能指标趋于平稳。刘寒冰等[4]进行了多元非线性拟合，以塑性指数、围压大小、冻融循环周期作为参变量，确定了上述参变量对于剪切强度峰值的影响，并且拟合效果非常好。丁智等[5]通过电镜试验，从微观角度对冻融循环之后的软土土样的孔隙特征进行详细分析。崔宏环等[6]基于大量数据建立本构模型，可以较为精准的预测冻融循环作用下路基土的应力与应变之间的关系，对处于季冻区的工程施工提供了一定的参考依据。

1 试验土样与试验步骤

1.1 试验用土

本次采用的土样是取自于内蒙古东部地区的软土，严格依照JTG E40—2007公路土工试验规程，测定试验用土详细的参数，其结果如表1所示。

表1 试验土样物理参数

1.2 试验步骤

通过击实试验测得土样的最佳含水率为23.31%，但由于实际土体所处季冻性区域常年含水率高于此值，根据当地实际地理条件，选定32%作为试验试件的含水率，可以较好的模拟出当地实际的状况。采用0次,1次,3次,6次,10次,15次作为冻融循环次数，结合当地的气候环境将制备好的试件放入-20 ℃的温控箱中冻结12 h，然后取出放入+10 ℃的温控箱融化12 h，作为冻融循环的一个周期。由于土体实际受力是三向受压为主，因此采用三轴试验可以更好的模拟土体的实际受力状态，采用不固结不排水试验(UU)可以得到较好的实验效果，其围压分别采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，采用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的TSZ-6型全自动三轴仪作为试验仪器。通过三轴试验我们能得到摩尔应力圆，内摩擦角φ，粘聚力c以及剪切峰值，如图1所示。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

从图2的趋势可以得出，冻融循环周期对于粘聚力c的作用效果显著，随冻融循环周期的增长粘聚力c也逐渐上升，其大小趋近于未冻融土体的数值。

从图3曲线形式可以发现，随着冻融循环周期的增长，内摩擦角φ表现为先递增后递减再递增的变化形式，且在冻融循环周期为6的附近达到最小极值。当冻融周期达到15时，其内摩擦角φ已经超过了未冻融之前的数值。其变化趋势与薛楠[7]的结论基本吻合。

综合图4中的线形变化，伴随冻融循环次数的增加，在不同围压下的剪切峰值均出现了先增大后减小再增大的趋势，其剪切峰值逐渐趋向于未冻结之前的土样，其变化规律与内摩擦角φ的变化规律大致相同，且在冻融循环周期为6时剪切峰值达到最小值，这与王平等[2]的实验结论是相同的。随环向压力的增长，剪切强度峰值在每个冻融循环周期内都表现为增强。这与刘寒冰等[4]的实验结论是相同的，其变化规律符合实际。

2.2 试验现象分析

随着冻融循环周期的增长，不同围压下的土样试件的剪切峰值及力学指标内摩擦角φ和粘聚力c总趋势是逐渐趋于平稳，并趋近于未进行冻融循环的土体强度以及指标。产生该现象的主要原因是，当产生冻融循环时，位于土体孔隙之间的水产生运动并产生体积膨胀，打破了原本土体建立的骨架结构体系相对稳定的形式，所以最初发生冻融状态时，对土体力学性能的作用效果最大，但随着冻融循环周期的增长，试件内部土颗粒重新发生排列，使其逐渐达到一种相对稳定的状态，因此冻融循环后期孔隙水压力对于强度影响变小。

3 结语

1)粘聚力c随着冻融循环周期的增长而增大，并渐渐趋向于未进行冻融的试件。

2)内摩擦角φ受冻融循环周期的作用效果显著，并随着冻融循环周期的增长，呈现出先递增后递减再递增的线形走向。

3)相同围压条件下，土样剪切峰值的整体趋势呈现出先增大后减小再增大的变化，其线形趋势与内摩擦角φ的线形趋势相近，且拐点都基本位于冻融周期为6的附近。随试件围压的增加，每个冻融循环周期下试件的剪切强度均产生增长。

4)土样剪切峰值受冻融循环的干扰效果显著，且随冻融循环周期的增长逐渐趋于平稳，并有趋近于未进行冻融循环土样的剪切峰值及其抗剪强度指标的趋向。

5)伴随冻融循环周期的增加，该土样的各项力学指标均有趋向于未冻融之前土样的趋势。当冻融现象发生前几次时，土颗粒稳定骨架体系受影响较大，随冻融循环周期的增长，土体重新排列，结构重新整合，使其渐渐达到一种相对稳定的状态，故其剪切峰值、内摩擦角φ和粘聚力c均趋向于稳定，并向未进行冻融循环的土体强度靠近。