冻融循环下荆门膨胀土剪切试验研究

朱斯伊 王志俭 曹 玲 邵杰鹏

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

膨胀土是一种广泛分布于陆地的特殊土，具有典型的“三性”，即胀缩性，裂隙性和超固结性[1]，在膨胀土地区建造工程往往容易引发地基隆起、塌陷、边坡滑塌等灾害，且发生的滑坡多为浅层缓坡，故而引起工程人的重视．针对膨胀土的特性，前人开展了大量的试验研究，如Mohamed Khemissa等[2]进行了严重超固结膨胀粘土的一系列室内试验结果，分析了压实和干湿循环对膨胀黏土力学参数的影响，建立了地下水位变化后土体运动的预测模型．杨和平等[3-6]对边坡膨胀土开展了一系列研究，发现不管原状还是重塑样经干湿循环后的强度衰减主要是c值大幅降低，其Φ值虽也减小但降幅都不大；用双直线能较好表征其抗剪强度特征，强度指标宜按高、低应力段分别获取；膨胀土的抗剪强度受饱和度影响大，其抗剪指标随饱和度和含水量的变化而变化．边加敏[7]研究了弱膨胀土的干湿循环直剪强度特征，提出应采用低应力下的强度参数作为膨胀土边坡稳定性分析的参数．

近年来，也有少部分学者考虑到不同气候地区的温度差异，对膨胀土进行了冻融循环试验研究，如Jun Luo等[8]对不饱和中膨胀粘土和粉质粘土进行了冻结温度试验和分步冻结试验，发现膨胀粘土的冻结点随初始含水量变化很大，孔隙水的状态和变化是决定非饱和膨胀粘土冻胀特性的关键因素．许雷[9-12]等对南阳膨胀土进行了研究，发现含水率对膨胀土力学性质影响最明显,含水率和冻结温度间的交互作用对强度影响较为显著；冻结温度对膨胀土体积变化影响最大，膨胀土的体积变化表现为“冻缩融胀”特性．王凤华等[13]发现经离子土壤固化剂加固后的膨胀土在冻融过程中土体温度变化较为缓慢，不同位置处的土壤含水率变化较小，孔隙率较小，整体稳定性较高．

以上学者通过不同方向对膨胀土进行研究，为后人探索膨胀土性质提供了数据和经验．但迄今为止，对膨胀土经历冻融循环后的物理特性的研究还很少．本文以荆门膨胀土为研究对象，从不同含水率的角度出发，研究常规直剪条件下，不同含水率、不同冻融循环次数的重塑膨胀土经历冻融循环下的强度指标变化，为偶发霜冻地区的膨胀土工程提供理论依据．

1 试验方案

1.1 试验材料

试验用土取自荆门某高速公路边坡，其外观为黄灰色，团块状、颗粒细腻、具滑感、遇水软化崩解，自由膨胀率为60.67%，塑性指数20.99，属于中等膨胀土，其基本物理特性见表1，粒径累计曲线如图1所示．

表1 膨胀土基本物理特性

图1 膨胀土粒径累计曲线

1.2 试样制备

现场取回的膨胀土经晾晒，碾散后过2 mm筛，测定其风干含水率，配置15%、19%、23%(±0.05%)含水率土样，焖料一昼夜，用压样法制作环刀试样，试样尺寸为Φ61.8 mm×20 mm，每组制作3个平行试样，共制作了54个试样．为了保证膨胀土的膨胀潜势相同，试样的干密度统一控制为1.4 g/cm3(±0.02 g/cm3)，并将制作好的试样用保鲜膜包裹防止水分散失，养护1 d后进行冻融循环试验．

1.3 冻融循环试验

冻融试验设定为冷冻室内零下18℃下冻结12 h，然后取出在实验室内(平均温度25℃)融化12 h，以此为一个冻融循环周期．记录冻融循环次数，分别对不同含水率下的膨胀土进行0、1、2、4、8、12次冻融循环试验．

1.4 直剪试验

用四联直剪仪对经过冻融循环的试样进行非饱和固结快剪试验，固结荷载分别为100、200、300、400 kPa，设定剪切速率为0.8 mm/min，为防止水分蒸发，采用湿棉花覆盖压力板周围．由于试样在剪切过程中其强度一直在上升，没有出现峰值，属于典型的应变硬化型曲线，故剪切至6 mm时停止试验，并以6 mm时剪切强度作为破坏强度．

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环次数对膨胀土直剪强度影响

不同冻融循环次数后膨胀土的照片如图2所示．由图可见，相较于干湿循环，冻融循环造成的裂隙较轻微．

图2 不同冻融循环次数后的试样照片

2.2 冻融循环下膨胀土剪应力-剪位移曲线及拟合

由图3可以看出，膨胀土在试验中不出现峰值，呈现应变硬化性状[14]．但是大部分强度的增长发生在剪切位移2 mm之前(可以达到65%～85%的剪切强度)．当剪切位移为0～1 mm时，剪切强度基本呈线性增长，说明此时膨胀土处于弹性阶段，由土体整体结构提供抗剪强度．在剪切位移持续发生的情况下，在1～2 mm之间，增长曲线出现拐点，说明土体开始接近极限强度，结构发生破坏，增长速度明显变缓，土体进入塑性变形阶段．在剪切位移达到2 mm之后，土体实际上已经发生了部分剪切破坏，但是强度一直在上升，这是由于膨胀土本身的高粘聚性，呈现出很强的延展特性，其中垂直压力越高表现的越明显．随着垂直荷载的增加，膨胀土的剪切面由疏松的断裂形态转变为光滑的上下错位形态，剪切面油腻泛有光亮，似搓痕，剪切后试样如图4所示(从左到右试样的固结压力分别为100、200、300、400 kPa)．

图3 不同冻融循环次数下剪应力-位移曲线

图4 剪切后试样

剪应力-剪位移曲线不断上升可能有以下3个方面的原因：1)膨胀土没有达到先期固结压力，处于欠固结状态，所以出现应变硬化现象[14]．2)膨胀土在剪切过程中水分逐渐散失，导致土体固结程度加大，进而出现剪切强度不断上升．3)由于荆门膨胀土有成团的特性，不易断裂，试样在剪切过程中，剪切面上的土体一直相互嵌挤，在剪切面面积不断减小的过程中，膨胀土被不断压密，导致其抗剪强度不断上升．

将剪应力-剪位移曲线通过origin软件进行拟合，发现膨胀土在不同阶段的剪应力-剪位移曲线非常接近于指数函数曲线，其增长曲线的拟合公式为：

(1)

其中，τ为剪切强度(kPa)；Δl为剪切位移(mm)；τ0为理想峰值抗剪强度(kPa)；A为放大系数；n为衰变常数．

由origin的拟合结果，得到0.966

根据图3中origin拟合的结果分析可知，随冻融循环次数的增加，A呈现出先升后降的规律；随着垂直压力的增加，A呈线性增加，符合抗剪强度曲线(如图5所示)的线性规律．衰变常数n的值较小，在0.5～2的范围内波动，其值在冻融循环试验过程中并无明显规律，但是在不同垂直压力P的作用下，衰变常数n随垂直压力P的增加呈曲线变化，接近于二次多项式曲线．

由于剪切位移为0时，剪切强度τ=τ0-A=0，即τ0=A，故将曲线修正为

(2)

又因为

(3)

故该曲线的准线为τ=τ0，即当剪切位移Δl持续增加的情况下，抗剪强度最终收敛于τ0，但是土工试验规程中规定，对于剪应力-剪位移曲线无明显峰值的剪切试验，剪切至位移Δl=6 mm时即停止了试验，此时的剪切强度

(4)

说明剪切位移在6 mm时已经非常接近真实值，故本试验采用剪切位移6 mm时的剪切强度作为抗剪强度是合理的．

2.3 冻融循环试验下膨胀土抗剪强度变化

不同冻融循环次数下，3种不同含水率的膨胀土的抗剪强度与垂直压力关系如图5所示，抗剪强度与垂直压力呈较好的线性关系．

图5 抗剪强度曲线

经历冻融循环后，各级垂直压力下的膨胀土的抗剪强度的变化如图6所示．由图可见，在冻融循环的作用下，膨胀土的抗剪强度整体上呈衰减趋势，而且含水率越低，衰减幅度越大．高含水率(19%、23%含水率)的土样在冻融循环过程中，抗剪强度出现了先增大后减小的趋势．含水率低的膨胀土在经历2次冻融循环后，强度几乎不变；而含水率较高的膨胀土，需要经历8次冻融循环后方可基本达到稳定，这说明，不同含水率下，膨胀土经历冻融循环造成的破坏是不一致的．在低含水率时，垂直压力对膨胀土强度衰减的抑制作用明显，垂直压力越大，经历冻融循环之后膨胀土抗剪强度衰减速度越快．但是随着含水率的上升，垂直压力对抗剪强度的衰减速率影响并不十分显著，当接近最佳含水率时(即含水率为23%时)，不同垂直压力下的衰减曲线几乎平行，说明含水率较大时，膨胀土抗剪强度的衰减速度由冻融循环起主导作用．

图6 膨胀土抗剪强度变化

2.4 冻融循环试验下膨胀土c、φ值的变化

由图7可以看出，含水率为15%的膨胀土粘聚力明显大于含水率为19%和23%的膨胀土．

图7 不同含水率膨胀土抗剪强度指标对比

随着冻融循环次数的增加，含水率为15%的膨胀土的粘聚力和内摩擦角均呈下降趋势，而含水率为19%与23%的膨胀土的粘聚力呈先增大后减小的趋势，内摩擦角则呈整体下降趋势．其中含水率为15%的试样粘聚力逐渐降低，内摩擦角也整体呈下降趋势，而且第1次和第2次下降幅度较大，分别下降了2.5°和4.27°，在两次冻融循环过后，膨胀土的内摩擦角几乎不变．而含水率为19%的试样，在第1次冻融循环后，其粘聚力增长了5.42 kPa，而后开始下降，经过12次冻融循环后，粘聚力共下降了11.25 kPa；其内摩擦角则呈下降趋势，经过12次冻融循环后内摩擦角共下降了5.33°．含水率为23%的试样在冻融循环过程中，粘聚力由30.39 kPa下降至10.80 kPa，而内摩擦角由4.76°下降至2.26°；虽然相比之下，23%含水率下的膨胀土内摩擦角降幅较小，但这是由于此时含水率接近最佳含水率(22.8%)，膨胀土受水润滑作用大，膨胀土本身的内摩擦角小所致．

部分试样的有效粘聚力呈现先增大后减小的趋势，不同于许雷等[10-12]作出的粘聚力逐渐下降的结论，而内摩擦角则呈现逐渐减小的趋势．这是由于本实验采用封闭式系统，防止水分散发，而许雷等采用开放系统，水分散失严重的缘故．在第1次冻融循环过程中，粘聚力出现增大的现象，其主要原因是水分的迁移带动部分土粒，使土粒更加均匀，释放了由于压样过程中的不均匀压力，所以第1次冻融循环后膨胀土的粘聚力上升．根据温度梯度理论，土样与外界温度梯度越大，水分迁移的速率越快[15]．由于室内融化温度为25℃，而冷冻温度达到了-18℃，在温度梯度达到43℃的情况下，膨胀土特性变化明显．而从第2次冻融循环开始，膨胀土的粘聚力开始衰减，说明冻融循环破坏了土粒结构，土粒的黏聚性下降，整体性逐渐下降．冻融循环2次以后，膨胀土的粘聚力与内摩擦角均不断下降．这表明，冻融循环在整体上会降低土体的抗剪强度，其中对土体粘聚力的削减程度较大，而内摩擦角的降低幅度较小．

3 结果与建议

1)膨胀土在剪切试验过程中不出现峰值，呈现应变硬化性状[14]，提出膨胀土应变硬化型曲线可以用指数函数拟合，相关性良好，并且提出修正后的剪应力-剪位移曲线公式，提出对于应变硬化型曲线，取6 mm时的剪切强度作为抗剪强度是合理的．

2)在冻融循环的作用下，膨胀土的抗剪强度整体上呈衰减趋势，而且含水率越低，衰减幅度越大．在低含水率时，垂直压力对膨胀土强度衰减的抑制作用明显，但是含水率较大时，膨胀土抗剪强度的衰减速度由冻融循环起主导作用．

3)在冻融循环的作用下，当膨胀土的含水率较低时，其粘聚力和内摩擦角均呈逐渐减小的趋势；当含水率较高时，膨胀土的有效粘聚力呈现先增大后减小的趋势，而内摩擦角则呈现逐渐减小的趋势．

4)建议开展微细观试验，从微细观角度进行对比分析，揭示其抗剪指标变化的内在规律．