冻融循环条件下饱和粉砂的剪切特性研究

程 卓 高泽宁 刚浩航 崔高航

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

粉砂土与黏性土、砂土相比，具有粒径相对均匀，塑性指数较低，毛细作用发达，且黏土颗粒含量较少，粉粒含量相对高，水稳定性差的特点[1-3]。国内外学者于粉砂的冻融循环后的性质开展了大量研究。Klinova[4]对原状样进行室内冻融试验，建立融沉数学表达式与试验数据进行比较。20世纪60年代中国科学院冰川冻土研究所开始进行有关融沉实验，并出版相关教材[5]。柯洁铭[6]总结现有研究成果，评价了目前冻胀和融沉研究中存在的问题，建议在研究过程中应尽量做到理论与工程的相互验证。慈军[7]通过研究盐渍土的冻胀和融沉特性相关性质，得出含水率是影响冻胀和融沉特性的主要因素。张丰帆[8]深入研究现有的典型冻胀机理，进一步得出开放系统下土体冻胀主要由分凝冻胀引起，水分是冻结现象产生的核心这一结论。

但目前有关压实粉砂土的研究报道主要集中在冻融循环对粉砂土的弹性模量、极限强度、黏聚力等力学特性的影响规律研究[9-11]，对于粉砂在冻融循环条件下内摩擦角、黏聚力、抗剪强度的系统研究鲜见报道，且随着开发进程的深入和基础设施建设力度的加大以及工程标准的进一步提高，在一定程度上，冻融作用对寒区工程安全性有重大影响，其通过改变土壤原有力学特性，进而直接影响到寒区土工建筑物的安全和正常使用。因此，对于冻融作用下土壤力学性质的研究具有很大的价值。本文通过饱和粉砂直剪试验，对历经不同冻融循环的砂土抗剪强度、内摩擦角、黏聚力进行了系统检测，总结分析饱和粉砂宏观力学特性受冻融循环作用的影响变化规律和机理。

2 冻融作用下饱和粉砂的力学性能

2.1 试样的制备和实验仪器

试验试样选取，将含水率12%的饱和重塑粉砂置于取土环刀内，静压成型制成直径61.8 mm、高20 mm的两端平整且垂直于长轴的标准直剪试样。在试件制成后，用保鲜膜和不透水的胶带对其进行包裹，以确保其在冻融和储存的过程中不会有水分流失或浸入现象发生。将其置于-20 ℃低温箱内，在确保试样包裹完好无透水的情况下冻结24 h后将其置于20 ℃的恒温箱内24 h，此过程为完成一次完整冻融循环。实验仪器采用南京土壤仪器厂生产的SDJ-Ⅱ型三速电动等应变直剪仪及分度值为0.01 mm的百分度表。

2.2 直剪试验

对土样进行1次～13次冻融，因粉砂具有相对松散的特性，为减小安放试样过程中对土体的扰动，安放土样于剪切盒的过程中保证土样处于冻结状态。最后一个冻融循环，将放有土样的剪切盒置于20 ℃恒温箱进行解冻。分别对经历过不同冻融次数的试件，使用三速电动等应变直剪仪，进行剪切速度为0.8 mm/min的快剪实验并进行数据采集。

将实验数据导入Excel表格进行汇总初步计算，得到不同冻融情况下各组的剪应力τ和剪切位移Δl，将数据导入MATLAB数据算法软件根据公式：

τ=σtanφ+c

(1)

使用最小二乘法进行数据拟合[12,13]，并得到抗剪强度τ—垂直压力p曲线(如图1所示)根据各组的τ—p曲线得到不同条件下饱和粉砂的黏聚力c和内摩擦角φ，并制成表1。根据表1中的数据通过Origin和Excel绘制得到冻融次数(n)—抗剪强度(τ)曲线、冻融次数(n)—内摩擦角(φ)曲线以及冻融次数(n)—黏聚力(c)曲线。根据y=ax+b线性函数，根据最小二乘法进行数据拟合得到各组数据的变化趋势线，辅助数据分析。

表1 实验结果分析

3 冻融作用对饱和粉砂力学参数的影响

3.1 冻融作用对饱和粉砂内摩擦角的影响

含水率12%饱和粉砂黏聚力随冻融次数的规律从图2，图3可见，粉砂土黏聚力随着冻融次数的改变而不断改变。在冻融作用初期，内摩擦角受冻融次数影响较大，波动较明显，在经历三次冻融循环后，内摩擦角到达一个相对较高的水平。在经历6次～13次冻融作用后，黏聚力受冻融循环影响基本保持平稳，曲线波动较小。这里的分析要具体，可以把具体的数值写进来，增强分析规律的合理性。综合考虑冻融全过程，结合线性拟合所得趋势线分析，冻融次数对粉砂内摩擦角影响呈现出先增大后减小的趋势，最终内摩擦角改变至与初始为冻融情况大致相同。

3.2 冻融作用对饱和粉砂黏聚力的影响

冻融循环作用对饱和粉砂黏聚力影响情况如图4，图5所示。在冻融作用初期，冻融作用会导致内摩擦角在一定范围内具有较大波动性。此处建议同上，当饱和粉砂经历6次～13次冻融作用后，其黏聚力的变化趋于平缓，仅在相对小的范围内上下波动。从总体趋势上来看，饱和粉砂的黏聚力受到冻融作用影响有所减小，这一规律也在由最小二乘法进行线性拟合得到的图线有所反映。

3.3 冻融作用对饱和粉砂的抗剪强度的影响

由图6，图7，当忽略由于竖向应力不同导致初始抗剪强度不同的影响时，四条折线在走势上呈现出相同的趋势。在冻融作用初期，抗剪强度随冻融次数的增加发生显著的改变，在冻融作用进行三组后变化趋势逐渐趋于平缓，在土样经历10次～13次冻融作用后，抗剪强度随冻融次数改变的趋势逐渐减小，最终出现近似水平。

对比四条折线的变化趋势，冻融次数增量一定时，抗剪强度的变化随着垂直压力的增加呈现出逐渐减小的趋势。控制冻融次数一定，仅考虑垂直应力对抗剪强度的影响时可得，随着垂直应力的增加，抗剪强度显著增加。且此变化规律不受冻融次数改变的影响。不同垂直压力下，冻融次数(n)—抗剪强度(τ)曲线呈现出相似的变化，但随垂直压力的增加，曲线变化趋势呈现出增加的态势。

综合观察和比较冻融次数(n)—抗剪强度(τ)曲线、冻融次数(n)—内摩擦角(φ)曲线以及冻融次数(n)—黏聚力(c)曲线的变化趋势，可以发现在一定程度上呈现出高度相似的特点。

试验研究表明，在含水率12%的情况下，饱和粉砂土抗剪强度与冻融循环变化规律，可用下述函数进行描述函数进行表示：

(2)

其中,τ为抗剪强度，kPa；n为冻融次数；y0,A,xc,w均为拟合参数，与土体所受垂直压力相关，见表2。

表2 拟合参数

4 结语

1)随着冻融次数的增加，饱和粉砂黏聚力和内摩擦角总体均呈现先波动后平缓，总体下降的趋势。这一变化趋势与其抗剪强度的变化趋势有极大的相似之处。砂土的冻结是原位水冻结，土体冻融的过程中伴随着土粒间水的不断融化重结晶，土骨架受力发生变化，导致土的孔隙体积和粒间距离不断发生变化，改变粒间分子键结力。引起黏聚力和内摩擦角的不断变化，从而导致粉砂抗剪强度发生变化。

2)当含水量一定的情况下，增大土体受到垂直压力作用，土体内部的孔隙减小，从而减小了饱和度。密度较小的土体发生冻结时，用充分的自由空间供冰自由膨胀，而不会导致土颗粒间的距离发生相对较大的变化。冻融作用对粉砂黏聚力和内摩擦角造成相对小的影响。随着垂直应力的增加，冻融次数的改变对于土体黏聚力、内摩擦角和抗剪强度的影响也愈加明显。并得到粉砂土抗剪强度随冻融循环变化表达式。

3)现有研究表明，当含水量增大时冻融循环导致的内摩擦角，黏聚力变化波动更加明显，结合本次实验的结论，在实际工程对于含水率不小于12%粉砂的冻融性质检测出于安全的角度考虑，冻融循环次数应尽量不小于13次。