不同冻结条件对膨胀土三轴剪切强度的影响

李芙蓉，赵刘群，牛 飞

（1.中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510290；2.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230；3.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；4.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230）

引言

我国的常年冻土区和季节性冻土区面积分别占国土面积的21.5 %和53.5 %[1]。华北平原季节性冻结膨胀土地层分布十分广泛[2]。随季节更替，膨胀土发生冻结溶沉作用对渠道边坡工程而言是较大的不稳定因素，膨胀土对地下水赋存状态具有敏感性，土体体积发生膨胀时，会产生地层侧向应力增大和不均沉降现象[3]。此外，冻结膨胀土的饱和度、含冰量在季节变化时会发生较大变化[4]。这种变化使得土体的变形和膨胀应力发生变异。因此,为保证冻结膨胀土分布地区边坡、地基等工程建设的稳定性与安全性，须对土体在不同试验条件下开展强度测试[5]。

冻土中的水分为冻结水与未冻结水，前人对季节性冻土的力学性质与含水量、含冰量、围压级别和温度等影响因素的关系开展了大量研究。Tsytovich和Sumgin[6]以冻结黏土在-12 ℃下的单轴抗压实验为基础，进行了冻土强度与含水量关系的研究，得出冻土的强度先随着初始含水量上升而增大，之后又逐渐减小的规律。 Shusherina和Bobkov[7]对接近于饱和的膨胀土在温度范围为-10～-55 ℃的条件下进行了力学试验，结果表明强度随着含水量增大而降低。 Enokido和Kameta基于冻土的三轴剪切试验，提出在恒定温度、 恒定加载速率下，对于饱和度大于100 %的冻土，强度与干密度呈正相关的结论[8]。马巍等[9]进行了不同围压级别的冻土三轴剪切试验，给出了强度变化的第三个阶段，即强度随围压的降低受到抑制。霍明等[10]就围压和含水率对冻土的综合影响进行了探究，获取了冻土在高含冰量条件下的弹塑性模型。针对冻土的研究成果比较丰富，有针对微观结构[11]和宏观力学特性[12]的研究，也有针对冻土力学特性变异机理[13]的研究。

本文以华北平原的膨胀土为对象，在三轴实验的基础上较系统地分析了冻结温度、含冰量与围压级别因素对强度特性的影响，并讨论了不同试验条件因素对强度的作用机理。

1 试验方法

1.1 实验材料

本实验采用的是采自山西省某护岸整治工程附近的膨胀土散土样，该地区地质环境如图1所示。

图1 取样点附近地貌

在对附近地层进行地质勘查的过程中，发现区内地层含有丰富的膨胀土。基本物理特性指标如表1所示。该地区土样呈灰色，塑性较低，天然饱和度高，强度低，具有较强的膨胀性，土样的主要矿物成分包括：长石、石英以及由高岭石、蒙脱石和伊利石构成的黏土矿物。

表1 膨胀土的基本物理特性

1.2 试样制备

本研究采用试样为高度80 mm、直径39.1 mm的标准圆柱体，本实验分别对重塑冻结膨胀土试样开展剪切，操作步骤遵循《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999），采用实地取回来的散土进行制样，然后进行三轴固结不排水剪切实验，结果见表2。

重塑试样的具体操作步骤相对复杂，以原状土的物理性质为依据，设计试样的干密度为1.35 g/cm3。制样步骤如下：先将散体泥岩晒干并粉碎，过2 mm的细筛；再将过筛后的试样置于105 ℃的烘箱中烘干24 h；然后，向干燥散体样中加入适量的水，配置的试样饱和度为15 %、25 %、35 %、75 %和100 %，拌和均匀后放在保鲜袋里密封24 h，使水分在试样内分布均匀。最后将上诉散体样放入制样筒内进行压制，分三次击实试样。制样完成后将重塑样放入温控箱中在-30 ℃的环境中进行多向冻结，48 h后脱模，制成直径冻结膨胀土的试样，并套入橡皮膜置于相应温度的冻土三轴剪切试验机中恒温静置12 h以上以备试验。

1.3 冻土三轴剪切试验

本实验采用的是由成都电力自动化设备厂生产的应变控制式冻土三轴剪切仪，在剪切过程中，位移和应力数据均由电脑自动采集。本试验采用固结不排水的剪切模式。安装好试样之后，根据对试样按照100 kPa、200 kPa、300 kPa的围压级别进行固结，固结过程持续48 h再进行剪切，剪切速率设置0.08 mm/min。试验时，将试样快速装入压力腔，通过预冷的液压油提供温度和围压环境，设置油温并调节至目标温度，在温度波动范围小于±0.1 °C条件下开展恒温轴向加载，直至变形达到20 %。

2 试验结果

2.1 剪切破坏形式

经过冻结后的试样在三轴荷载作用下发生剪切破坏时，试样没有出现明显脆性断裂现象。从试样表面格子网的变化形状可以看出破坏时，在试样中部形成贯穿的塑形剪切带，剪切带与试样径向大致保持 60°的角度。从破坏后的试样还可以看出发生破坏时，土样中间区域出现剪切带，而两端则保持较好的形态。

图2 冻土的剪切破坏形式

2.2 应力-应变曲线

图3 典型的冻土破坏曲线

如图3所示，一般冻土破坏曲线可以根据达到破坏强度形式分为应变软化与应变硬化两种类别。其中，软化型曲线在达到峰值之后，应力随应变增长而下降，取峰值应力值作为试样强度；硬化型曲线应力随应变持续增长，取试验的轴向应变为20 %对应的应力为强度值。

图4所示的是不同温度下各围压级别对应的应力-应变曲线，从中可以发现：在加载过程中，-5 ℃以上温度环境中的冻土应力应变曲线均保持为硬化型，-5 ℃以下温度环境中的冻土应力-应变曲线均保持为软化型。随着冻结温度降低，冻土的强度值逐渐增大。温度对于冻土应力-应变关系的影响与土体中冻结水所占比例和冰胶结键的强度有关[14]。环境温度越低，冻土内孔隙水冻结比例越高，使冰胶结键的强度增强，导致冻土弹性模量的升高，进而提高了冻土整体强度。

图4 不同温度下试样的应力-应变曲线

图5所示的是在-2 ℃的试验条件下，饱和度分别为0.3、0.6和0.95的试样应力-应变曲线。在-2 ℃的温度下，试样的强度曲线均为应变硬化型，且随试样饱和度下降，冻土的强度值也保持下降趋势，该现象与牛亚强的试验结果保持一致[14]。饱和度对于应力-应变关系的影响与土体中孔隙水结冰后的含冰量有关。饱和度越高，孔隙水越多，在冻结后含冰量越大，进而使得土体冰胶结作用越强，强度也随着提高。

图5 不同饱和度下试样的应力-应变曲线

3 抗剪强度指标分析

依各试样破坏类型，分别取得冻结膨胀土的强度数据如表2和表3，分析l试样的强度与冻结温度、 围压和饱和度的关系。饱和度分别为 0.3、0.6和0.98换算为含水率θ=15 %、30 %和49 %。

表2 不同温度下三轴剪切实验结果（初始含水率15 %）

表3 不同含水率下三轴剪切实验结果（冻结温度t=-20 ℃）

3.1 围压对剪切强度的影响

固结围压对试样的强度关系表现出线性负相关的特点。受初始含水量和干密度的影响，界限围压的具体数值会有不同。前人所总结的不同含水量的试样强度随围压的三种变化形式可能是由于含水量的不同导致界限围压不同。随着初始含水量的升高，初始干密度逐渐降低，界限围压逐渐降低，本实验采取的围压级别大于界限围压。

3.2 冻结温度对强度指标的影响

由表2、表3可以看出，低温状态下试样的强度明显大于高温状态的试样强度。体现了冻结膨胀土的温度敏感性。负温升高导致冻土强度降低，这一规律已被广泛证实[15]。冻土由于冰包裹体和未冻粘滞水的存在，表现出与融土十分不同力学性质。通常认为冻土的结构强度由粒间分子键结力（范德华力），结构键结力和冰胶结键结力三种键结力组成，其中冰胶结键结力对冻结膨胀土强度起控制作用。因此，冻结温度对强度的提升效应主要是因为土中未冻水减少及冰胶结键的增强。

图6 剪切强度随饱和度的变化曲线

从图6可以看出粘聚力c、内摩擦角φ和冻结温度t具有良好的拟合关系，且均随温度值t升高而呈下降趋势。其中粘聚力和温度保持线性关系，内摩擦角和温度保持多项式的二次函数关系。具体关系如式（1）和式（2）所示。

3.3 初始含水量对强度影响

如图7所示，初始含水量对试样强度指标的影响表现为，θ=15 %～30 %时，试样的抗剪强度迅速降低，θ=50 %时，试样的抗剪强度稍有上升，θ=30 %是强度的最不利含水率。此现象与马小杰[15]等得出的规律一致。

究其原因，土体中初始含水率θ增加，一方面使冻土中冰相增多，固体颗粒含量增大；另一方面使冻土干密度降低，且水膜的润滑作用使得颗粒间的键合力降低。冻土的抗剪强度主要由土颗粒承担，随着含水量的升高，土颗粒含量减小，承担荷载的面积减小，冻土强度降低。而当初始含水率增大到某个值后，土颗粒的影响效应已经减至最小，此时若继续增大初始含水率，冻土强度的变化不大。进一步增大初始含水量后，未冻水含量减小，冻土中的冰相逐渐占据主要地位，与土颗粒共同组成固体颗粒承担荷载作用。

图7 冻土强度指标与含水量的关系

从图7可以看出粘聚力c、内摩擦角φ和初始含水率具有良好的拟合关系，且随含水率θ升高，粘聚力和内摩擦力均保持多项式的二次函数关系。具体关系如式（3）和式（4）所示。

3.4 抗剪强度表达式

在三轴剪切试验中，冻土的抗剪强度主要是由黏聚力与内摩擦角组成，受并且受到初始含水率、围压与冻结温度的影响，在一定边界条件下，抗剪强度符合摩尔-库伦定律：

式中：c(θ,t)为黏聚力，MPa；σ为正应力（与围压大小有关），MPa；φ(θ,t)为内摩擦角，°。

不同围压级别下，土体的粘聚力和内摩擦角随初始含水量、温度变化而发生变化，导致冻土的抗剪强度液出现不同程度的变化。c(θ,t)与φ(θ,t)随冻结温度和初始含水率变化的关系如式（1）～（4）所示，将公式代入强度表示式（5），即可得到最终的冻结膨胀土抗剪强度表达式。

4 结语

通过对冻土区膨胀土在不同温度、初始含水量和围压下开展三轴剪切试验，分析了不同条件下冻土的应力应变关系及强度特征，得到以下结论：

1）在加载过程中，-5 ℃以上的冻土应力应变曲线均保持为应变硬化型，-5 ℃以下的冻土应力-应变曲线均保持为应变软化型，且随着环境温度降低，冻结膨胀土的应力值逐渐增大。

2）随冻结温度升高，粘聚力和冻结温度保持线性关系，内摩擦角和温度保持多项式的二次函数关系；随含水率升高，粘聚力和内摩擦力均保持多项式的二次函数关系，最不利含水率为30 %左右。

3）冻结温度对冻结膨胀土强度的提升作用与冻结水所占比例和冰胶结键强度有关；随着初始含水率升高，试样抗剪强度先减后增，这是未冻水的润滑效应和冻结水发挥承载能力相互作用的结果。

4）冻结膨胀土力学行为符合摩尔库伦准则，抗剪强度主要是由黏聚力与内摩擦角组成，受并且受到初始含水率与冻结温度的影响。