冻融循环条件下膨胀土力学特性试验研究

时 伟，张 亮，杨忠年，张莹莹，李国玉，刘学森

(1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛266033；2. 中国科学院 西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

人工配制膨胀土与原位膨胀土相比物理力学性质更加均一，各项参数可控性更强，便于获得，可以在实验室内完成制备，广泛应用于边坡工程等膨胀土模型试验中.与膨胀土相关的工程，如膨胀土边坡工程在施工阶段与使用过程中，膨胀土的膨胀性是其最显著的工程特性，这一特性主要由膨胀土所含的粘土矿物种类与含量所决定[1-4].膨胀土具有塑形高，遇水膨胀，失水干缩的特性[5]，采用常规粒径判断矿物 为粘土矿物的方法不够准确，矿物成分标定检测是准确的判断方法[6].

冻融循环对膨胀土边坡工程的稳定性影响显著.人工配制膨胀土所表现出的力学特性在冻融循环中要与原位膨胀土保持一致.膨胀土物理力学性质在冻融循环过程中的变化情况受到很多学者的广泛关注和研究.王超通过剪切试验测试经历不同冻融次数下膨胀土的抗剪强度，发现两者之间呈负相关，冻融循环会降低膨胀土抗剪强度[7].许雷通过无侧限压缩试验测试经历不同冻融次数下膨胀土的压缩性，发现两者之间呈正相关[8].与之类似的是胡莫珍等人以软粘土为研究对象，通过试验研究发现，随着冻融循环次数的累积，土体的压缩模量会呈现降低的趋势[9].杨俊、童磊等通过剪切试验测试含砂量不同的膨胀土经历不同冻融次数下的抗剪强度，研究表明经历相同冻融循环次后，膨胀土含砂量越大，内摩擦角越大，黏聚力越小[10].黄志全通过动三轴试验，观测了不同的围压条件下膨胀土在动荷载施加过程中的应变量(弹性应变与塑性应变)，通过分析滞回曲线，对膨胀土动应变与动荷载关系进行了阐述[11].膨胀土的膨胀性与其动力特性也存在着一定的联系，毛成选取不同膨胀率的膨胀土进行动三轴试验，分析了膨胀土的膨胀性与其动力特性的关系[12].目前关于膨胀土受冻融循环影响的国内外研究，主要集中在膨胀土结构性改变[13]、静力特性变化[14-15]等，相对缺乏在冻融循环条件下，膨胀土动力特性的研究.

本文进行膨胀土人工配制的样本土是取自吉图珲高速铁路延吉段的原位膨胀土，主要研究内容是进行膨胀土的人工配制，并对人工配制膨胀土的各项物理力学参数与原位膨胀土进行对比分析，确定最优配比.研究冻融循环条件下人工配制膨胀土与原位膨胀土的静力与动力特性，分析冻融循环对膨胀土各项力学参数的影响规律，对比两种土在试验过程中的差异情况，为人工配制膨胀土在模拟实际工程中应用提供依据.

1 膨胀土的矿物成分研究

1.1 X射线衍射分析原位膨胀土矿物成分

通过X射线衍射(XRD)试验对延吉膨胀土进行矿物的成分及其含量分析.

膨胀土的矿物组成主要有两种，分别为非粘土矿物和粘土矿物，膨胀土中粘土矿物的种类取决于所在地域与其成土历史.[16]

图1为延吉原位膨胀土的X射线衍射图谱，将原位膨胀土的X射线衍射图谱与各类矿物标准衍射图谱进行比对，最终确定其主要矿物成分是蒙脱石、二氧化硅和钠长石.根据对衍射峰强度与半高宽的定量计算，得出原位土三种主要矿物成分的占比(见表1).对其矿物组成进行分析可知，原位土中蒙脱石含量占比最大.本次试验还对同一地段的其它几个取样点的土体进行了对比试验，结果表明该地段原位膨胀土的矿物组成及其相对含量基本一致，故本文所展示的矿物组成及其相对含量具有代表性.

图1 膨胀土的X射线衍射图Fig.1 X ray diffraction of expensive soil

矿物名称石英蒙脱石钠长石百分含量%15.165.019.9

1.2 膨胀土基本土质学性质与人工配制

通过对延吉原位膨胀土进行基本土工试验，测定其基本土质学性质，详细结果见表2，本次试验研究的原位膨胀土是自由膨胀率为80%的中膨胀性土.根据原位土颗粒级分试验绘制其颗粒级配曲线(见图 2)，粒径小于0.005 mm的颗粒占10%，，粒径在0.2～0.06 mm的颗粒占70%，该土体级配不良.

表2 膨胀土土样的物理性质指标

针对原位膨胀土的矿物组成及其相对含量分析结果，以膨润土矿石(蒙脱石矿物含量为80～90%)，钠长石粉，石英粉为主要原料进行膨胀土的人工配制，具体配制方案见表 3.

表3 膨胀土人工配制的配比方案

1.3 人工配制膨胀土物理力学性质与最优配比

1.3.1 人工配制膨胀土自由膨胀率

由表4可知，人工配制膨胀土的膨胀性随蒙脱石含量增大而提高，4号试样自由膨胀率为78%，与原位膨胀土自由膨胀率最接近.

1.3.2 膨胀土膨胀力试验

为了将原位膨胀土与人工配制膨胀土的膨胀力进行对比，在试样配制时含水率均采用原位膨胀土天然含水率26.8%来制样，压实度均采用原位膨胀土天然干密度1.32 g/cm3来制样.膨胀力测试在杠杆式固结仪上完成，试验结果见图2.将六组人工配制膨胀土的膨胀力随时间的变化曲线与原位膨胀土进行对比可发现，膨胀力随时间的变化曲线呈现出试验开始阶段变化迅速，试验后期逐渐趋于平稳.试验初期，人工配制膨胀土膨胀力变化速率随蒙脱石含量增加显著提高.膨胀力最终稳定值第四组人工配制膨胀土与原位膨胀土最为接近.

图2 膨胀力随时间变化曲线Fig.2 Curve of time-varyingexpension

1.3.3 冻融循环条件下压缩性试验

由于土体压缩性受冻融循环影响较大，故对冻融循环条件下压缩性进行试验研究.为对原位膨胀土与人工配制膨胀土的压缩性进行对比，在试样配制时含水率均控制在26.8%，压实度以天然干密度1.32 g/cm3进行控制.先将各组试样置于高低温试验箱内完成相应次数的冻融循环后，开始进行侧限压缩试验，将人工配制土与原位土的压缩模量随冻融次数的变化曲线绘制于图3.

各组试样的压缩模量均随冻融循环次数的增加呈现减小的趋势，证明冻融循环可以使土体的抗压缩性降低，且蒙脱石含量越高，压缩模量降低越快.人工配制膨胀土随着蒙脱石含量的增加，压缩性显著提高，通过与原位土对比可知，在冻融循环条件下，4号与5号试样的压缩模量与原位膨胀土的压缩模量变化曲线接近.

图3 压缩模量随冻融循环次数变化曲线Fig.3 Curve of compression modulus variation

根据对原位膨胀土与人工配制膨胀土在膨胀性、压缩性以及冻融循环条件下的压缩性变化规律试验结果的对比分析，拟定以膨润土70%、钠长石17.1%、石英12.9%为矿物配比进行膨胀土的人工配制.

2 冻融条件下土力学特性试验方案

冻融循环是影响深季节冻土区膨胀土边坡稳定性的直接因素，本次试验考虑0～7次不同冻融次数下土体的静力学与动力学试验研究.土体抗剪强度随冻融循环次数累积的变化情况是寒区膨胀土工程的重要静力学参数，通过温控三轴仪可以进行不同冻融循环次数下的三轴剪切试验，本次冻融循环均在有围压条件下进行.试验温度循环范围为-15～20 ℃.

由于本文针对冻融循环条件下膨胀土与原位土在施加动应变的情况下进行动剪切模量与阻尼比的研究.该试验通过温控动三轴试验仪(见图4),在围压为10 kPa(深季节冻土区冻深平均为1.6 m)的应力状态下对经历不同冻融循环次数后的试样进行动荷载施加，循环荷载采用正弦波波形，震动频率为1 Hz，动荷载的施加采用应变控制，每级循环10次.

图4 温控动三轴仪Fig.4 Temperature controlled dynamic triaxial apparatus

3 试验结果分析

3.1 冻融循环作用下抗剪强度对比分析

由图5可以看出，原位膨胀土与人工配制膨胀土的抗剪强度在冻融循环条件下均有显著的改变.在围压条件相同的情况下，冻融循环次数的累积使土体抗剪强度降低(见图5a)，具体表现为内摩擦角与粘聚力的减小.在围压条件不相同的情况下抗剪强度随冻融次数累积而下降的速率不同，高围压条件下，抗剪强度随冻融循环而下降的速率更快.

图5 抗剪强度参数与冻融循环次数关系Fig.5 Curves of shear strength parameters

由原位膨胀土粘聚力变化曲线可知，随着冻融次数的增加，原位膨胀土粘聚力在前三次冻融循环过程中下降显著，随着冻融循环次数的继续累加，原位膨胀土粘聚力在冻融循环条件下变化幅度越来越小(见图5(b)).人工配制膨胀土抗剪强度参数随冻融循环的变化规律呈现一致性，人工配制膨胀土粘聚力在冻融循环条件下的变化值高于原位膨胀土，变化速率高于原位膨胀土，人工配制膨胀土粘聚力随冻融次数变化曲线的平顺度更高.由图5(c)可以发现，人工配制膨胀土内摩擦角在冻融循环条件下的变化值低于原位膨胀土，变化速率高于原位膨胀土，人工配制膨胀土内摩擦角随冻融次数变化与原位膨胀土相比更早趋于平稳.

3.2 冻融循环作用下动力特性对比

3.2.1 动剪切模量对比

由图6可知，原位膨胀土和人工配制膨胀土的动剪切模量均受冻融循环影响显著，控制动应变相同时，随着冻融循环次数的累积，两者动剪切模量均表现为减小.这是由于冻融循环会破坏原有的土颗粒骨架结构，使达到相同动应变所需施加的动应力减小，故动剪切模量降低.

图6 不同累积冻融次数下Gd-εe关系曲线Fig.6 Curves of Gd-εe under different freeze-thaw cycles

由图6(a)可以看出，原位膨胀土动剪切模量在首次经历冻融循环后下降的比重最大，在这之后，随冻融循环次数增加原位膨胀土动剪切模量减小的速率明显降低，在经历三次冻融循环后动剪切模量降低的速率逐渐趋于稳定.通过对比图6b人工配制膨胀土Gd-εe关系曲线可知，人工配制膨胀土在未经历冻融循环时动剪切模量略高于原位膨胀土，在前三次冻融循环过程中，人工配制膨胀土随冻融循环次数增加的下降速率与原位膨胀土接近，在第三次冻融循环后动剪切模量降低速率并未出现明显衰减，而是到第四次冻融循环才开始出现明显下降趋势，相比于原位膨胀土，推迟了一个冻融循环周期，致使经过5次冻融循环后人工配制膨胀土的动剪切模量低于原位膨胀土.

3.2.2 动阻尼比对比

由图7可知，冻融循环对原位膨胀土和人工配制膨胀土的阻尼比均有明显影响，动应变相同条件下，阻尼比随冻融循环次数增加而增加.

图7 不同冻融循环次数下λ-lnεe关系曲线Fig.7 Curves of λ-lnεe under different freeze-thaw

分析产生该现象的原因是冻融作用下土体的冻胀融沉破坏了原有的土体结构，使土体内部产生微小裂隙，当动荷载施加时，裂隙阻碍了动力波在土体中的传递，消耗了部分能量，故阻尼比提高.

由图7(a)可以看出，原位膨胀土阻尼比改变的最大值发生在第一次冻融循环，第一次冻融循环后阻尼比随冻融循环次数的增加变化量相对较小，且升高速率较稳定.通过对比图7(b)人工配制膨胀土λ-εe关系曲线可知，人工配制膨胀土阻尼比在首次经历冻融循环后下降的比重最大，之后冻融循环过程中阻尼比随冻融循环次数增加的改变量略高于原位膨胀土，其变化速率较稳定，变化情况与人工配制膨胀土表现出规律一致性.

5 结论

(1)原位土的静力特性方面，内摩擦角与粘聚力与冻融循环次累积数变化曲线有明显波动，但在多次冻融循环累积后总体趋势呈现降低.动力特性方面，阻尼比最大变量发生在第一次冻融循环，动剪切模量在前三次冻融循环变化较快，之后趋于稳定.

(2)冻融循环对膨胀土物理力学性质有显著的影响，人工配制膨胀土与原位膨胀土变化规律具有一致性，在冻融循环条件下，两者前期各项参数变化较快，随着冻融次数的累积，均逐渐趋于稳定.

(3)人工配制膨胀土因其恒定的矿物成分与固定的颗粒级配，各项力学参数随冻融循环变化的规律性与原位膨胀土相比更加明显.比后课发现，随冻融循环次数的累积，两者动力学特性变化规律存在细微差异，具体表现为：人工配制膨胀土与原位膨胀土相比，在冻融循环初期，动剪切模量降低速率更快，趋于稳定的周期更长；在阻尼比方面，人工配制膨胀土的变化量高于原位土，作为模型试验中使用的材料时应考虑两者差异.