冻融作用对碎石土-结构接触面力学特征影响分析

高晓萍

（西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西 西安 710000）

在季节性冻土区或多年冻土区的季节性活动层中，周期性的冻融作用会不断改变土壤-碎石混合物的微观结构和物理性质[1-2]。对于浅层土石混合物，土与碎石之间的结合强度会随着冻结和融化而变化，这进一步影响了接触面的物理和力学性能[3-4]。特别是在反复冻融条件下，碎石土的剪切应力-位移关系、强度变化以及接触面是分析季节性冻土地区基础工程承载力和稳定性的关键。在岩土工程结构中，当两种连接的材料的变形特性区别非常大时，在一定的应力条件下，两者的接触面将造成打滑、错动或破裂的现象[5-6]。在共同承受外部载荷的过程中，土壤结构充当传递应力和变形的介质[7]。

1 试样制备和试验方法

为研究冻融循环作用下土石混合体-混凝土接触面力学行为，基于现场地质勘查和工程施工报告[8]设定不同冻融循环时间、含石率下土石混合体-混凝土室内直剪试验，明晰其强度劣化规律。

1.1 试样制备

土石混合体-混凝土组合体试样制备：①首先制备尺寸为直径（内径）150 mm高度50 mm的圆柱体土石混合体样，同时保证初始接触面平整、光滑；②利用不锈钢圆片将制备好的高为50 mm的圆柱体土石混合体样移至直径150 mm高度100 mm模具内；③根据实际的现浇混凝土混合比（水泥：沙子：碎石：水=1:2:1.5:4.5）称量所需的水、水泥、碎石和沙子以配置混凝土浆；④将均匀混合的混凝土倒入装有土石混合体试样的模具盒中，并充分振动。随后养护14天（温差±1 ℃），然后冷冻至指定温度，将试样包裹在保鲜膜中，并置于温度可调的低温测试箱中，以快速冷冻12小时（环境温度设置为-25 ℃），并在室温（15～25℃融化）下融化12小时。土颗粒物理参数见表1。

表1 土颗粒物理参数

1.2 试验方法

接触面剪切试验步骤如下：

（1）制作不同含水率、含石率条件的土石混合体试样；（2）于土石混合体试样上浇筑混凝土，恒温养护14天；（3）将土石混合体-混凝土试样置于温度可调的低温测试箱中，以快速冷冻12小时（环境温度设置为-25 ℃），并在室温（15～25℃融化）下融化12小时，以此来模拟一次冻融循环周期；（4）对试样进行直剪试验；（5）对试验数据进行整理与分析。

2 试验结果整理与分析

2.1 冻融对接触面剪切应力-位移特征的影响

剪切破坏面由混凝土表面和覆盖有一定厚度的土石混合物组成，表明剪切破坏前剪切应力在土石混合物与混凝土接触面之间传递，因此剪切破坏时会发生破坏面，破坏面在接触面附近的土壤中，接触面的剪切应力-剪切位移曲线形状主要取决于土石混合体与混凝土接触面之间的相互作用，并且还受冻融循环次数及碎石含量的影响。

如图1所示，由W=18%，P=200 kPa条件下不同冻融次数组合体接触面剪切应力-位移关系典型曲线中可以得到接触面力学行为在不同冻融次数（0、1、3、5、10）下与剪切应力-位移呈同样趋势，它可以分为峰值前的剪切应力快速增长阶段和峰值后的软化阶段和残余稳定阶段。冻融后土石混合体与混凝土组合体在剪切过程中，到达某一位移后剪应力会发生较大的释放，并且其释放程度与含石率密切相关。含石率越大，其释放程度越大。接触面抗剪强度在碎石增加时呈指数增长，并且在四个碎石含量条件下的残余强度值非常接近。这表明，一旦接触面发生剪切破坏，剪切强度的关键作用就是内摩擦角φ的值。随着接触面土石接触状态的完全破坏以及土颗粒和碎石的滑动，接触面进入残余稳定阶段，剪切应力不再随剪切位移的增加而发生明显变化。

由不同冻融次数组合体接触面剪切应力-位移关系典型曲线还可以看出，相同含石率下，最大剪切应力与冻融次数呈负相关关系，究其原因主要是碎石土-混凝土接触面初次受强烈的冻结和融化作用，从而导致内部结构不断发生变化。部分孔隙开始形成，破坏了由颗粒间接接触形成的初始化学键，从而导致组合体的剪切应力逐渐降低。同时，冻融循环作为一种强风化机制，在冻融过程中对土石混合体内部孔隙产生增大和压密的双重作用，使得土石混合体试样内部颗粒间的排列向着更加粗糙、随机的方向发展。在相同冻融次数下，最大剪切应力与含石率呈正相关关系，主要原因是当碎石含量低时，碎石悬浮在以土壤为主要成分的介质中，碎石之间的距离比较大，在接触面上只有少量的碎石可以提供“咬合力”。

图1 不同冻融次数下18%含水率、不同含石率试样剪切应力-位移曲线

当含石率较高时，上部土体达到最小孔隙比，混合体中有大量碎石，其中处于接触面处的碎石具有更多咬合机会，可以提供更强的抗剪强度，与上部混合体中的碎石相互作用可以承担大部分剪切力。在碎石咬合和转动翻滚过程中土体充填于其孔隙中。尤其是在高应力作用下，碎石咬合作用会更加明显。除了上部土体中碎石咬合过程中不断推挤与旋转外，还有就是碎石部分嵌入下部混凝土中和水泥浆液渗入接触面处都将提供较大咬合力，当含石率较低时实际剪切面类似波浪上下起伏，当含石率较大时，剪切面将出现大面积啃掘破坏。

2.2 冻融对接触面黏聚力、内摩擦角的影响

由于土石混合体与混凝土的刚度相差很大，特别是土石混合体具有特殊结构性，因此分析两者相互作用时不能单纯地考虑各自的性质，必须对两者接触面上剪力的传递机理进行分析。土石混合体中碎石含量是影响土石混合体—混凝土接触面抗剪性能的最主要因素之一。图2显示了在不同碎石含量下试样的黏聚力c与冻融循环次数之间的关系曲线。接触面的黏聚力c随着碎石含量的变化而显示出不同的变化，试样在经历冻融循环后黏聚力值呈现急速下降后又稍微有所起伏，这与冻融循环下土石混合体碎石骨架劣化重组密切相关。经过1次循环后这种劣化现象发展缓慢，黏聚力c降低速度明显减慢。从曲线上可以看出，经过5次冻融循环后，黏聚力c有小幅度的增加，这是因为土体膨胀收缩一定次数后其总体骨架发生塌落，骨架间孔隙减少细粒土之间的接触点增加，破碎的土颗粒包裹碎石以及细粒土在法向压力下与混凝土面黏结紧密，在剪切过程中黏聚力有所提升。随后在此基础上，土体在冻融循环下继续劣化，黏聚力c继续减小并趋于稳定。接触面上的强度参数不仅仅取决于土石混合体或混凝土本身，而是由土石混合体、混凝土相互作用共同控制的。

冻融会通过改变土壤-碎石混合物的内部结构以及土壤-碎石混合物与混凝土表面颗粒之间的连接来影响接触表面的力学性能。试样内摩擦角φ与不同碎石含量比率下的冻融循环次数之间的关系曲线如图2所示，可以看出：不同含石率试样的内摩擦角φ在经历1次冻融后有个增大的过程，这是因为1次冻融后粗土颗粒就出现微裂缝，其与混凝土接触面黏结力也相应降低，此时，摩擦角φ主要由碎石承担，但在冻融后，由于土中水的冻结，使土壤体积膨胀，从而对土壤产生压实作用。土石混合物与混凝土之间的咬合力增强了土石混合物与混凝土表面之间的连接。之后，接触表面的强度参数随着冻融时间的增多而降低，并且该降低量逐渐减小，最终稳定。

图2 黏聚力、内摩擦角随含石率变化关系曲线

这是因为冻融循环毕竟是一种强烈的风化现象，并且对碎石土的破坏也不容忽视。粗粒土骨架在冻融循环下经过冻胀消融发生劣化，粗粒土产生微裂缝甚至破碎分解，黏附在碎石表面的土颗粒破碎后，细小颗粒土由于骨架变形产生的挤压而紧紧包裹在碎石表面，碎石此时棱角不再尖锐，进而与混凝土的咬合及嵌固能力减弱，在剪切过程中出现较明显的滑移段，内摩擦角φ同时也相应减小。由于碎石土与混凝土之间的作用力是相互的，因此上述变化将改变土颗粒的分布，从而削弱土颗粒框架之间的连接，并导致土石混合料与混凝土之间的咬合摩擦和滑动摩擦力逐渐降低并最终稳定。特别是对于接触表面的摩擦角，它主要受土壤颗粒与混凝土之间的接触面积以及土壤颗粒形状的影响。经过几次冻融循环后，土壤颗粒与混凝土之间的接触面积和土壤颗粒的形状趋于稳定。因此，接触表面的摩擦角逐渐趋于基本不变。

3 结论

冻融作用对碎石土-混凝土界面的黏聚力和内摩擦角有不同的贡献。对试样的黏聚力有更大的影响黏聚力的变化规律和剪切强度的趋势大致相同，1～3次冻融表现出急剧降低的趋势，3～5次时有小幅度增加，5～10次时缓慢下降。且随含石率增加，黏聚力有明显提高。含石率越高，内摩擦角越小，且随着冻融次数的增加呈现先增加后减小趋势。