不同湿度膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环的演化规律

王亮亮，丁志平

(1.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116;2.中铁上海设计院集团有限公司徐州设计院，江苏 徐州 221000)

0 引言

我国是全世界膨胀土分布范围最广的国家之一，东起渤海之滨的山东龙口，西到新疆的六道湾，南起海南龙塘，北到黑龙江鸡西都有分布。近年来随着我国基础设施建设迅速发展，季节性冻土区工程建设中遇到的膨胀土问题也越来越多。季冻区膨胀土除了存在湿胀干湿特性诱发的工程问题外，还承受着冻融循环作用，而冻融循环作用易导致岩土体结构损伤和工程性质劣化问题是岩土工程工作者的共识，膨胀土作为一种特殊黏性土，其强度与变形特性必然同样会随季节性冻融循环而衰减。

冻融循环严重影响着土的物理、化学、力学性质以及微观结构等，而同一种土在相同初始状态下的冻融损伤程度又与冻融循环方式有关[1]：循环次数、持续时间、冻结深度等。Sazzad Bin-Shafique等[2]对取自美国圣安东尼奥重塑膨胀土进行了冻融循环试验，冻融温度分别为-5°C和25°C，经过24次冻融循环后，在排水条件好与差两种工况下，膨胀土的膨胀势分别增加3.97%和15.08%，无侧限抗压强度分别减小2.79%和37.43%。赵晓东[3]对初始含水率为最优含水率的强膨胀土在封闭系统中进行了冻融循环试验，研究发现，经过7次冻融循环后，强膨胀土的无侧限抗压强度降低24%，膨胀力减小10%。赵晓东等[3]研究发现：在冻结褐色膨胀土的卸荷过程中，偏应力随轴向变形的增长速率衰减幅度与温度梯度的关联性较弱。许雷等[4]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。时伟等[5]对高含水率(26.3%)状态的人工配置膨胀土研究发现随着冻融循环次数的增加，膨胀土黏结力、摩擦角、动剪切模量出现减小而阻尼比增大的现象。朱斯伊等[6]通过最优含水率以下不同初始湿度状态膨胀土试验发现土体黏聚力随冻融循环先增大后减小而摩擦角却持续降低，且剪切过程表现出应变硬化趋势。此外，研究人员在针对石灰[7]、风化砂[8-9]、木质素[10]等改良膨胀土的冻融循环效应的试验研究过程中同样发现了工程特性劣化的现象。

与膨胀土干湿循环与湿胀耦合效应方面的丰富研究成果相比，冻融循环作用下膨胀土工程特性演化研究工作尚处于起步阶段，由于土体强度和变形特性与土体密实度[11]、含水率等[12]、冻融方案等密切相关[13]，季冻区膨胀土工程问题仍亟待深入研究[14-16]。为此，以膨胀土最优含水率为基准，开展了不同初始湿度状态的膨胀土试样进行冻融循环试验，研究膨胀土无侧限抗压强度随湿度状态和冻融循环次数的演化规律。

1 试验方案

1.1 重塑膨胀土试样制备

试验用弱膨胀性膨胀土呈棕红(黄褐) 色黏土间夹灰白色矿物，以硬塑-坚硬为主，黏性较强，颗粒细腻具有滑感，裂隙较发育，土块极易沿灰白色矿物界面开裂。液限67.6%，塑限36.1%。由击实试验获得该膨胀土的最优含水率为20.6%，最大干密度为1.746 g/cm3。先将膨胀土风干，然后利用碎土机将其粉碎并过2 mm标准筛备用。为研究不同湿度状态下膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化规律，以压实度为0.9为控制指标，配置初始含水率分别为20%，23%，26%湿土，利用图1所示制样器(护筒内部尺寸为直径39.1 mm，高80 mm)采用静压1次成型的方法制样。

图1 试样制样器Fig.1 Sample preparation equipment

1.2 冻融方案

考虑到浅表层膨胀土胀缩裂缝较发育，土体法向和径向的温度在冻融循环过程中可近似为同步进行，为此，将制备好的试样放入冻融循环试验箱，以-15 ℃为低温控制标准启动冻结过程，根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)，冻融变形稳定标准为变形速率不超过0.05 mm/h，本次试验中采用连续3次测量试样变形速率不超过0.01 mm/h 作为冻融变形稳定标准。待冻结稳定后，调整试验箱温度至20 ℃开始融化过程直至试样变形稳定且融化时间不少于8 h，以此作为1次冻融循环过程。对经历0，1，2，3，5，7，10次冻融循环作用后的膨胀土试样，利用全自动三轴仪(TSZ-6型)进行无侧限抗压强度试验，轴向应变速率取2.0 mm/min，剪切直至应力-应变关系曲线达到峰值后停止试验。

2 试验结果分析

2.1 最优含水率膨胀土应力应变曲线随冻融变化规律

图2给出了初始含水率为最优含水率时的膨胀土在经过不同冻融循环次数后的应力应变关系曲线。由图可知，膨胀土的无侧限应力应变关系总体呈现为应变软化型。在未承受冻融循环作用(冻融循环次数N=0)时，在轴向应变达到ε=1.5%(剪切变形量约12 mm)前轴向应力随应变呈现线形增长关系，此后迅速进入过渡阶段(ε=1.5%～2.5%)，至轴向应变增长至ε=2.5%时达到最大值(σ=508.5 kPa)，随着轴向应变的进一步增长，轴向应力进入近似线形衰减阶段；随着冻融循环次数的增加，相同轴向应变对应的轴向应力迅速减小，最大衰减幅度出现在第1次冻融循环，且轴向应变越大轴向应力的衰减幅度越大，土体应力应变关系曲线随冻融循环次数的增加而呈梯度性向应变横轴靠拢收缩。

图2 最优含水率(w=20%)膨胀土应力应变曲线随冻融变化规律Fig.2 Curves of stress-strain of expansive soil under optimal moisture content varying with freeze-thaw cycles

2.2 高含水率膨胀土应力应变曲线随冻融变化规律

图3给出了初始含水率高于最优含水率时膨胀土应力-应变曲线随冻融变化规律。由图可知，高含水率状态下土体的应力应变关系与最优含水率状态(图2)下存在显著差异，且同一含水状态下应力应变曲线形态随冻融循环作用次数的增加而发生着改变。由图3(a)可知，当土体初始含水率由最优含水率增大为23%时，应力应变关系曲线的“软化”趋势相较图2明显降低，应力应变关系曲线呈现出弱应变硬化形态，曲线的线形增长阶段明显缩减(ε=0～1%)，而过渡阶段显著增加(ε=1%～3.75%)；应力应变关系在土体未承受冻融循环作用时呈现“弱硬化型”，而随着冻融循环作用次数的增加则转变为“软化型”；未冻融膨胀土峰值应力随着含水率的增加而由508.5 kPa(图2)减小为285.9 kPa；首次冻融循环导致的膨胀土峰值强度衰减幅度显著增加。

图3 高含水率膨胀土应力-应变曲线随冻融变化规律Fig.3 Curves of stress-strain of expansive soil under high moisture content varying with freeze-thaw cycles

由图3(b)可知，随着土体初始含水率进一步增大至w=26%时，无侧限应力应变簇曲线大部分已趋向于“硬化型”发展，且在第5次冻融循环后转为“软化型”；在经过2次冻融循环后，应力应变关系曲线线形增长阶段显著增加(ε=0～4%)；土体峰值强度对应的轴向应变随含水率和冻融次数的增加而不断增大。

2.3 不同湿度状态下无侧限抗压强度随冻融衰减规律

图4给出了不同初始含水率条件膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环次数的衰减规律。由图可知，初始湿度状态与冻融循环次数均对膨胀土的无侧限抗压强度具有显著影响，无侧限抗压强度随着初始湿度的增加而迅速降低，同一湿度状态下，无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加而迅速降低，但衰减幅度随着冻融次数的增加而不断减小并趋于稳定。

图4 无侧限抗压强度与冻融循环次数关系曲线Fig.4 Relationship curve between unconfined compressive strength and number of freeze-thaw cycles

为对比分析不同初始湿度状态下无侧限抗压强度随冻融循环次数的衰减幅度，对试验结果按照下式进行归一化处理：

φi=σi/σ0，

(1)

式中，σ0为未承受冻融循环时膨胀土无侧限抗压强度；σi为经过第i次冻融循环后膨胀土的无侧限抗压强度；φi为经过第i次冻融循环后膨胀土的无侧限抗压强度衰减系数。

将无侧限抗压强度试验数据代入式(1)，结果如图5所示。由图可知，最优含水率状态下膨胀土无侧限抗压强度在前5次冻融循环中基本按照逐次8%～12%的幅度衰减，此后衰减幅度放缓但直至第10次冻融循环土体无侧限抗压强度衰减趋势仍未趋于稳定，经过10次冻融循环后无侧抗压强度约为未经过冻融循环强度的55%，即冻融循环导致的强度衰减率达45%；初始含水率增大后， 膨胀土无侧限抗压强度在首次冻融过程中的衰减幅度显著增加，分别为38%(w=23%)和46%(w=26%)，经过10次冻融循环后膨胀土剩余无侧限抗压强度仅为未冻融土体强度的53%(w=23%)和31%(w=26%)。

图5 无侧限抗压强度衰减系数随冻融次数变化曲线Fig.5 Attenuation coefficient of unconfined compressive strength varying with number of freeze-thaw cycles

3 冻融作用下膨胀土抗压强度衰减机制

由试验结果可知，在未经历冻融循环或在相同冻融循环次数时，膨胀土无侧限抗压强度随含水率的增加而迅速降低，且应力应变曲线的初期线形增长阶段总体上随含水率的增加而减小，过渡阶段则随含水率增加而增大。分析其原因是试样压实度为0.9，土体中的孔隙体积较大，在均匀剪切速率(2 mm/h)条件下，试样内部孔隙体积会优先于颗粒团聚体变形被压缩，宏观上表现为应力应变的线性增长，随着轴向荷载的进一步增加,土颗粒团聚体结构开始产生压缩变形或破坏，应力应变关系转为过渡阶段；随着含水率的增加，膨胀土微观固态颗粒团聚体内部湿度也相应增大，而湿度增加又会降低土颗粒团聚体结构强度，且颗粒间彼此滑移或位置调整阻力下降，从而使土体在轴向荷载作用下在内部孔隙压缩过程中土颗粒团聚体压缩变形、破坏或粒间滑移启动节点提前，宏观上表现为无侧限峰值降低且应力应变线性增长阶段缩小而过渡阶段增加。

在冻结过程中，土体温度由外向内逐步降低直至达到低温平衡状态，而在微观层面孔隙内气体温度会优先于自由水和土颗粒结合水降低而在土体微观层面形成温度梯度，使膨胀土中自由水和土颗粒外层弱结合水(包括膨胀性矿物颗粒层间弱结合水)在温度梯度作用下向孔隙方向迁移，最终凝结成冰并伴随约10%的体积膨胀率。当土体初始湿度处于最优含水率(w=20%)时，迁移至孔隙的水凝成冰膨胀体积并不能填满孔隙，不会对土颗粒产生挤压破坏作用，但滞留在土颗粒表面的水分凝结成冰则会对颗粒产生挤压作用，破坏土颗粒间黏结作用，且这种挤压或破坏作用随着土体含水率的增大而增强。在融化过程中，土体温度由外向内逐步升高并最终再次趋于高温平衡状态，而在此过程中，升温区土体因冰融水体积收缩而与冻结区土体产生拉裂作用。因此，土体内部承受反复水凝成冰“挤胀”与融化“拉裂”作用，且其幅度随土体初始含水率增大而增加，使得土颗粒间黏结作用不断遭到破坏，内部微裂纹总量逐次增长，宏观上导致土体无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而降低，且含水率越大，无侧限抗压强度衰减幅度越大。

由此可见，尽管膨胀土的核心问题为极其敏感的湿胀干缩特性导致的工程综合处治问题[17-18]，但随着季冻区以对变形极其敏感的高速铁路为代表的基础设施大规模发展，冻融循环或冻融与干湿耦合作用下膨胀土的工程特性劣化问题也必须得到高度重视。

4 结论

(1)在压实度为0.9时，膨胀土初始湿度状态从20%(最优含水率)向26%增大过程中，其应力应变曲线由“软化型”向“硬化型”逐步发展；土体湿度状态不变时，应力应变曲线族随着冻融循环次数的增加而不断向应变轴收缩(相同应变下轴向应力不断减小)。

(2)膨胀土无侧限抗压强度随着初始含水率的增加而降低，随着冻融循环次数的增加而迅速衰减，且衰减幅度随着初始含水率的增加而增大。经过10次冻融循环后不同初始含水率膨胀土的剩余无侧限抗压强度分别为其未冻融土体强度的55%(w=20%)、53%(w=23%)和31%(w=26%)。