基于三轴冻融试验的土体力学特征变化研究

蔡学博

（辽宁省沈阳市康平县自然资源保护与行政执法中心，辽宁 沈阳 110500）

1 引言

研究土体材料力学特性对提升水利设计水平具有重要作用，而由于天然环境下土体受力状态受到多方面因素影响，因而研究土体力学特征影响变化规律对实际水利工程运营设计很有必要[1,2]。余启清[3]、王瑶[4]、高军军等[5]采用离散元仿真的手段，建立土体材料计算模型，设计不同运营荷载工况，分析土体材料应力场与变形场特征，为探讨土体力学特性提供计算参考。室内试验作为可直接反应现场土体力学特征的研究手段，一些学者利用精密土工仪器，设计单轴、三轴、渗流等试验方案，获得室内试验条件下土体材料的力学变化，推动水利工程中对土体材料力学水平的认识[6,7]。本文根据水利工程现场实际填土料取样，开展室内三轴冻融循环试验，为揭示土体材料力学特征影响特性提供重要依据。

2 试验介绍

2.1 试验背景

华北地区生活用水很大部分来自于南水北调工程，特别是在保定等地区冬天水资源很大程度上依赖于南水北调所储蓄水资源，为此在地区内建设有南水北调中转调度枢纽，统筹调度水资源，确保水资源高效利用，该中转水利枢纽工程主要以抽水泵站和蓄水池组成。由于华北地区冬天温度较低，工程场地地表监测最低温度可达-15℃，这种环境对场地内土层沉降变形、承载能力均是较大影响，考虑以上因素，应针对性的对泵站建设场地土体开展冻融影响下力学稳定性研究。

2.2 试验概况

冻融交替下土体力学特征变化很大程度上与土体含水量有关，土体含水量高低对土体冻融损伤程度影响较大，另一影响因素则为冻融交替次数，本文以上述两因素设计三轴力学试验。每次冻融交替试验中的冻、融温度均为-15℃、20℃，冻融交替次数设定为 0、2、4、6、8、12 次，根据工程场地内土体含水量分布范围，试验中使用的土体试样含水量分别为12%、14%、16%、18%、20%，三轴围压为 50 kPa、200 kPa，具体实验方案如表1所示。以工程现场所钻孔取出土样在室内精加工后，满足三轴试验要求，土体试样直径高度比保持为1∶2，尺寸为38～76 cm。

表1 各组试样含水量与冻融交替参数表

本次实验中冻融循环采用冻融交替试验箱，加温速率选择为0.4℃/min，当达到目标温度后，保温2 h。三轴试验仪采用TFB-型全自动程序控制液压加载试验机，变形控制加载速率为0.2 mm/min，安装的轴向变形传感器最大量程可达±10 mm，传感器误差不超过0.5%。

3 土体三轴力学特性影响性

3.1 含水量

经试验后获得不同含水量土体应力应变曲线，如图1所示。从图中可看出，相同冻融交替次数下含水量与土体加载应力水平为负相关关系，在循环次数2次时，轴向应变4%下含水量12%的土体试样加载应力为630.2 kPa，而含水量14%、16%、20%的土体试样相同条件下的加载应力相比前者分别降低了11.1%、27.8%、58.7%。当土体初始含水量愈大，则试样土颗粒骨架充满水含量更多，在相同冻融交替试验下水分子的冻结膨胀体积更广，对土体内部孔隙的稳定性起着促进发育的作用，导致土颗粒骨架更具松散，故承载能力稳定性大大降低，表现在三轴加载应力水平较低的现象。

图1 不同含水量土体试样应力应变曲线

从各土体试样应力应变曲线表现亦可看出，当初始含水量愈小，则试样线弹性变形阶段应力应变增长斜率愈大，即含水量愈小的土体试样线弹性模量愈大，在冻融循环6次试验组中含水量为20%的试样线弹性模量为49.1 kPa，而含水量为12%、16%的试样线弹性模量相比前者分别增大了2.1倍、1.15倍；笔者经统计得知当含水量降低2%，土体试样线弹性模量平均增长了33.2%；从含水量影响土体三轴力学特征结果可知，当含水量愈大的土体，经历冻融交替后，线弹性变形能力大大降低，试样更趋于塑性变形，颗粒骨架脆性变形破坏可能性大大降低，土体更会长期处于塑性变形区段内。从塑性硬化变形阶段应力应变曲线斜率可知，含水量较大的试样变形模量愈大，冻融循环6次时的含水量20%试样的变形模量为7.2 kPa，而含水量12%、16%土体试样塑性阶段变形模量相比前者降低了28.3%、63.4%，即土体初始含水量对土体塑性变形能力有促进作用。

3.2 冻融交替

图2为不同冻融交替次数下土体试样应力应变曲线特征。从图中可看出，当循环次数在0～8次，冻融循环次数与土体加载应力水平为负相关关系，而循环次数超过8次，加载应力水平与循环次数为正相关关系；含水量14%试验组中相同加载应变4%时冻融循环0次的加载应力为582.5 kPa，而循环4次、8次、12次后相同条件下的加载应力相比前者分别降低了28.8%、60.5%、53.6%，在循环12次时，加载应力水平相比8次时有一定幅度增长。分析认为，当冻融循环次数处于一定节点时，相同含水量的土体内部的水晶体在较多冻融交替次数下，内部孔隙经历一轮一轮的膨胀，对颗粒骨架的稳定性是较大损伤，造成土体试样的承载能力大大降低；但当冻融交替次数超过一定节点后，此时试样内部水分子不仅仅是在内部形成了冻结晶体，在土体表面以及内部均形成冻结层，一定程度上降低了土体含水量，推动试样承载能力正向发展，因而造成加载应力水平递增的现象。

图2 不同冻融交替次数下土体试样应力应变曲线

比较不同冻融循环下的土体变形特征可看出，三轴冻融循环下的两阶段变形均为“线弹性变形-塑性硬化变形”，变形转变临界节点应变值随循环次数为先增后减变化，其中以冻融交替次数8次时拐点应变值为最大，含水量12%时该条件下的应变值为7.5%，而循环2次、4次、12次后拐点应变分别为3.4%、4.5%、3.8%，即循环次数不超过冻融循环临界力学特征点，则冻融次数愈多，则土体线弹性变形与塑性硬化变形之间衔接节点愈滞后，而循环次数超过临界力学特征点后，则两阶段的变形拐点有所提前。

4 抗剪强度特征

以三轴数据为依据获得图3所示抗剪强度变化特征，因硬化阶段无显著峰值点，以应变15%作为抗剪强度特征点。从图3中可看出，相同冻融次数下，土体初始含水量越大，抗剪强度愈低，冻融交替次数4次时含水量12%抗剪强度为697.12 kPa，而含水量16%、20%试样的抗剪强度相比前者降低了39.5%、56.3%，当循环至8次后，降低幅度又为32.4%、49.1%，表明冻融循环增多，对含水量抑制抗剪强度增长效应有所减弱；相同含水量下的抗剪强度与冻融次数呈先减后增变化，含水量18%试验组中冻融循环0次时的抗剪强度为477.6 kPa，而循环4、6、8次后的抗剪强度相比前者分别降低了24.5%、36.3%、55.4%，而循环12次后抗剪强度又相比循环8次时增长了12.3%。从抗剪强度变化幅度特征可知，在含水量为12%，冻融循环0～8次时，每增长2次冻融交替，土体抗剪强度平均损耗了20.2%，而含水量增大至16%后，损耗幅度约为16.8%，甚至含水量增长至20%，强度损耗幅度进一步降低，仅为14.3%；表明在冻融影响力学特征临界次数前，当含水量增大，则抗剪强度损耗幅度递减。当冻融循环为8～12次后，含水量14%组中冻融循环增长2次，抗剪强度平均增大了7.2%，且各含水组中超过冻融循环临界次数后的强度增长幅度基本接近。

图3 抗剪强度随冻融次数、含水量变化关系曲线

5 结论

（1）相同冻融交替次数下含水量与土体加载应力水平为负相关关系，相同冻融4次时含水量16%、20%试样的抗剪强度相比含水量12%降低了39.5%、56.3%，但冻融次数增多，含水量抑制强度增长效应有所减弱。

（2）含水量愈小的土体线弹性模量愈大，含水量为12%、16%的试样线弹性模量相比含水量20%试样分别增大了2.1倍、1.15倍，但在塑性变形硬化阶段的变形模量以含水量较大的试样为最大，含水量12%、16%土体试样塑性阶段变形模量相比含水量20%降低了28.3%、63.4%。

（3）相同含水量下的抗剪强度与冻融次数呈先减后增变化，影响临界次数为8次，循环0～8次时，每增长2次冻融，抗剪强度平均损耗了20.2%，且随含水量增大，抗剪强度损耗幅度递减；冻融8～12次时，每增长2次，强度平均增大了7.2%。

（4）三轴冻融循环下的土体变形为“线弹性变形-塑性硬化变形”两阶段，当冻融次数愈多，则两阶段变形衔接节点愈滞后，而循环次数超过临界点后，则两阶段变形拐点有所提前，含水量12%时循环 0、2、4、6、8、12 次时拐点应变分别为 2.1%、3.4%、4.5%、5.6%、7.5%、3.8%。