高寒地区河道堤防土体材料冻融特性影响因素及冻融强度试验研究

姚治国

(新疆瑞祥农牧工程咨询设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

在设计修建河道堤防工程之时，会尽可能考虑采用工程场地附近分布范围较广的堆体材料，研究这类堆土材料对提高堤防工程设计具有重要作用，在一些高寒地区由于环境温度较低，常常处于冻结温度(0 ℃)以下，此时考虑堆土材料的冻融特性对保证工程质量安全性具有重要意义[1-3]。国内外已有一些专家学者通过土壤水分运动模型推导，研究了土体在冻融环境下持水特性以及温度传递效应[4-6]。也有一些学者通过自主开发冻融循环试验装置，设计土体的室内冻融试验，研究土体冻融过程中温度传递与含水量变化，为推动寒冷地区工程设计提供试验依据参考[7-9]。本文将结合具体堤防工程应用背景，利用现场所取试样，设计开展冻融特性试验与冻融后三轴应力试验，获得该堤防工程土体材料冻融特性与强度特征参数，为堤防工程设计应用提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 试验方法

利用土体渗透测试仪器装置，如图1所示，试样所在压力舱内可模拟不同外界温度环境下土体的冻融循环，该试验系统温度传递以低温槽电阻丝作为载体，加压装置为液压电脑程序控制，可实现最大压力超过5000 kPa，所有测试传感器均可实时采集数据，并传输至数据采集仪中，可模拟外界温度在-30～90 ℃，试验前均对所有测试装置已进行标定，误差在0.05%RO。

图1 土体渗透测试仪器装置

根据堤防工程实际需求，设计考虑土体含水量、外界温度、系统固结状态三个方面因素，其中含水量根据工程现场土体普遍含水量18%、21%作为对比；外界温度考虑地区环境，以-20 ℃、-28 ℃ 作为试验环境；系统固结状态主要表征了土体内孔隙打开与关闭状态，反映了土体水分子吸收与流失状态，设计有开放与封闭两种状态土对比[10-11]。

1.2 试验步骤

经过试样初步物理参数测量以及精加工后，制作出来符合冻融循环试验要求所用试样后，养护24 h后，认为初始土体材料均为各向同性，并按照以下步骤进行试验操作：

(1)新制作出来的试样进行干燥处理，使土中杂质清除，并测定出来干燥含水量；将土体重塑，试样密度达到与堤防工程实际密度一致状态，并设定两组不同含水量的试样。

(2)安装试样，在压力舱内分层加装试样高度至120 cm，每次加装厚度不超过6 cm，并且需要保证试样表面不可见显著孔隙体，每层加装后的端面应保证平整。

(3)安装含水量、温度测试传感器，并且确保各个传感器之间不要交织，影响量测精度，压力舱外表面包括保温材料，降低温度损耗。

(4)首先调整低温槽温度至目标温度值，压力室内增加小幅压力，压力舱内气相均衡，水分流出视为土体水分融化，即一个冻融循环完成，依次重复进行试验。

2 冻融特性影响分析

2.1 系统状态

根据不同对比组试验所获得土体冻融试验结果，图2即为相同初始含水量、低温槽温度下，土体所处固结环境差异下的各层温度特征曲线，其中高度零点位于土体顶端面。从图中可看出，土体封闭系统环境下，在土层60 cm以下温度随时间变化曲线均为“U”型，即初期土体受低温槽温度传递，土体自身所具备的室温逐渐下降，在愈靠近土体加装下侧，则土体下降愈快，其中土层高度15 cm由室温24 ℃下降至4 ℃用时2.0 d，而土层高度30 cm、45 cm分别用时3.4 d、5.2 d，另从土层各高度温度变化曲线可知，封闭环境下，在土层高度45 cm以下时，均会出现温度降低至0 ℃以下，即土体会发生冻胀高度线位于45 cm处。对比土体内部孔隙开放式环境下，其温度变化曲线亦是在高度60 cm以下均为“U”型，冻胀高度线亦位于45 cm处，各高度温度变化曲线几乎并无显著变化，例如，在系统开放式环境下高度30 cm处土体从室温降低至0 ℃用时4.0 d，而封闭式环境下用时亦是如此，即土体内部孔隙开放或封闭，对温度传递变化并无显著性影响，对土层冻胀高度亦无影响。

图2 温度-时间变化曲线(含水量18%、温度-20 ℃)

图3为两种孔隙系统环境下含水量与时间关系曲线，从图中可看出，在封闭式土体孔隙环境下，高度45 cm以上至顶端面，在冻结阶段内含水量均维持在8.6%，而愈靠近底端，含水量平稳段量值愈高，高度60 cm处由于并未处于冻结，因而含水量较大，处于13.2%，在接近底部的高度90 cm、105 cm含水量基本与初始状态一致。分析冻胀高度线以上土体含水量变化可知，在含水量下降阶段，自顶端面往下，含水量下降时间越长，其中高度45 cm下降持续时长7 d，相比来说15 cm、30 cm分别仅用时3.0 d、5.0 d。分析表明，在土体达到冻结温度后，内部液态水分子逐渐流失，而冻结高度线逐渐由顶端延伸至高度45 cm处，需要温度一定时间持续传递，故而呈现愈靠近下端含水量下降用时越长。对比开放式土体孔隙环境可知，冻胀高度线以上部位几乎一致性表现，但在冻胀高度线以下，即接近土层底端高度处，含水量较之有所增大；封闭式环境下高度90 cm、105 cm含水量与初始含水量几乎一致，但在开放式系统环境下含水量由初始状态下均有一定程度增大，其中高度105 cm处增大幅度约为16.7%；分析表明出现这种现象主要是由于在开放式土体孔隙环境下，底端面可接受外界水分补充，由开放式孔隙运动至土体内部，产生含水量增大现象。

图3 含水量-时间变化曲线(含水量18%、温度-20 ℃)

2.2 低温槽温度

图4为外界温度在-28 ℃下土层温度与含水量变化特征曲线，对比2.1节中-20 ℃外界温度试验结果可知，温度传递变化曲线走向基本与之一致，但冻胀高度线位于60 cm处，另冻胀高度线以下部位土层，仅高度120 cm处温度并无变化，其中高度90 cm、105 cm处最低温度分别可达11 ℃、18.3 ℃，土层温度升高时间均位于第12天，相比外界温度-20 ℃下滞后了3 d；分析是由于低温槽低温增大，将进一步促进低温对土体冻结影响，增大冻结高度，升温时间限制滞后。

图4 冻融特征参数变化曲线(封闭系统、含水量18%、温度-28 ℃)

对比含水量曲线可知，冻胀高度线以上部位土层在冻结阶段内含水量达9.7%，相比温度-20 ℃下有所增大，另冻胀高度线以上部位土层15 cm、30 cm、45 cm的含水量下降至稳定状态持续时长为2 d、3 d、6 d，相比另一温度对比组，持续时间显著缩短；分析表明，低温槽温度愈低(低温增大)，增进冻结速率，温度传递至底端面效率加快，且在冻胀高度线以内，在水分子还未流失至下底端时可能即已完成冻结，故而水分子还残留在冻结区段土层内，故而稳定段含水量较高。

2.3 初始含水量

图5为其他参数与2.2节一致情况下，仅初始含水量改变为21%时土层温度、含水量变化曲线。从图中可看出，冻胀高度线并未发生变化，但初始含水量增大，一定程度缩减了冻胀温度平稳阶段持续时长，土层高度30 cm处温度平稳段持续时长为3 d，相比初始含水量为18%下减少了1 d；分析是由于含水量增大，在冻胀高度线以上低温传递速率会有所减缓，传递时长亦会拉长，故导致压缩温度平稳阶段持续时长。从含水量变化可知，在冻胀高度线以上部位冻结阶段内含水量几乎并未发生较大改变，均为9.6%，土层15 cm、30 cm、45 cm的含水量下降至稳定状态持续时长为3 d、4 d、7 d，相比含水量18%下均有一定程度延长，即初始含水量影响冻结速率，含水量愈高，冻结速率减缓，为对温度传递、含水量降低，均会有一定迟缓影响。

图5 冻融特征参数变化曲线(封闭系统、含水量21%、温度-28 ℃)

3 堤防土体冻融强度分析

3.1 试验介绍

堤防土体材料冻融强度采用GDS三轴剪切仪，可测试冻融循环试样后强度特征，可实现三轴加载，并以液压精确加载，精确获得土体材料加载破坏过程中应力应变特征。强度含水量对比参数选择最优含水量10%，并设置两个对比量8%、12%，冻融循环次数考虑为1次、3次、5次、7次，融化温度均为室温，冻结温度分四个梯次对比。试验加载以应变控制，速率为0.1%，设定试验围压分别为0.05 MPa、0.10 MPa、0.15 MPa。

3.2 强度分析

限于篇幅，本文以冻结强度作为反映冻融特征的强度参数，并给出不同含水量、冻结温度的物理参数下试验应力应变曲线，如图7所示。从图中可看出，各含水量下应力应变曲线基本一致性走向变化，但从量值上来看，含水量愈低，则峰值偏应力愈低，含水量8%时峰值偏应力为1362.3 kPa，含水量12%相比增长了9.5%。冻结温度愈高，则峰值偏应力愈大，且峰值应力后应变曲线下跌更特征，即愈趋于脆性剪切破坏，土体脆性得到增强；而在冻结温度为-3 ℃时峰值偏应力为1054.2 kPa，峰值应变为12%，在之后偏应力下降幅度不超过4%，塑性变形较强，硬化特征较显著，相比来说，冻结温度-10 ℃峰值偏应力增大了80.4%，其峰值应变为9.2%，破坏形式主要为脆性破坏特征。分析表明，含水量愈高，则土体内流场占比愈大，固相场占比愈低，当冻融循环后，土体流场转变为硬固相场，增强土体晶体矿物稳定性，而土体强度直接承载为其内部晶体矿物结构，流场、固相场一减一增，势必会提高土体材料冻结强度；当冻结温度愈大时，土体内水相更易于冻结，水相场在不流失情况下，不仅会较快形成固态，且土体冻结体积占比更多，对土体架构稳定性具有增强作用，增强承载应力；但不可忽视，固相场占比增大，会促进土体材料趋于脆性材料，在偏应力加载下，呈现显著峰后应力下跌现象。

图7(a)为试验过程中不同围压组应力应变曲线，与其他土体材料类似[12-13]，围压增大土体材料强度，在围压150 kPa时峰值偏应力为1681.3 kPa，相比另两个围压100 kPa、50 kPa分别增大了20.3%、29.5%。对比三个围压试验所获得剪应力参数q，如图7(b)所示，符合M-C强度准则，其中含水量8%时抗剪参数分别为222 kPa、40°，含水量增大，抗剪参数均会一定程度增大，其中含水量10%相比前者黏聚力稍增大了3.1%。

图6 应力应变曲线(围压均为100 kPa)

图7 应力应变与P-q曲线(冻结温度-5 ℃)

4 结 论

针对某高寒地区内陆河堤防工程土体材料，设计开展冻融试验与三轴强度测试，获得了土体冻融特性与冻融后强度特征，得到了以下几点结论：

(1)研究了影响土体冻融特性的系统状态因素，温度随时间变化为“U”型，内部孔隙状态对温度传递影响较弱，在封闭或开放系统中土层冻胀高度均为45 cm；系统开放下，冻胀高度以下土层相比封闭式系统含水量均有一定程度增大，高度105 cm处增大幅度约为16.7%。

(2)分析了影响土体冻融特性的低温温度与初始含水量因素，低温温度影响土层冻胀高度线，温度-28 ℃下位于60 cm，升温时间亦有所滞后；冻结阶段含水量相比增大，冻胀高度线以上部位土层温度下降段持续时长缩短；初始含水量增大，并不影响冻胀线高度，但缩短冻结阶段温度稳定时长，且冻胀高度线以上土层温度下降段持续时长延长。

(3)研究了冻融循环后试样三轴强度参数，含水量、低温槽冻结温度均与峰值应力呈正相关，同一围压与冻结低温下，含水量12%峰值偏应力相比含水量8%增长了9.5%，冻结温度-10 ℃峰值偏应力相比-3 ℃增大了80.4%，且峰后应变脆性破坏特征显著；围压增大土体承载强度，含水量增大，会提高抗剪参数值。