冻融作用下饱和渠基土物理力学性质的变化

韩财宝

(皖江工学院 基础部，安徽 马鞍山 243000)

0 引言

冻土广泛分布于地球表面，分为瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土，冻土区蕴含丰富的资源.冻土的性质与温度密切相关，土中的水结冰膨胀后，物理力学性质发生了根本改变，容重、状态变化，并在冰胶结的作用下变得坚硬.温度随季节变化在所难免，冻土的性质也表现为动态特征，十分不稳定.

住建部定义的土地退化指数(Land Degradation Index)指出，冻融侵蚀面积反映了土地退化程度.冻土工程中广泛存在冻胀和融沉的冻害问题，在土体发生冻结、冰侵后，地表因土体积增大出现不均匀上升，后又随土层的升温出现消融沉陷，土体处于饱和状态时造成地基承载力下降.冻土的冻融还影响着区域内水分的动态分布，严重影响寒区工程建设[1].

大量交通、水利、能源等工程需建在冻土上，不良冻土威胁着工程安全，需要利用人工冻结法进行施工.最初研究冻土问题，就是为了解决寒区的工程问题，随着对冻土区的开发利用，遇到的问题越来越多，亟需进一步探究.要充分考虑冻融前后的物理力学性质变化，为工程设计提供依据.

1 材料与方法

1.1 冻土的选择

本研究选用兰州地区取样的黄土，黄土具有冻胀敏感性[2]，选择相同初始状态的重塑饱和渠道基土土样，以不同的冻融条件进行循环试验，观察冻融作用前后的力学性质变化.

1.2 试验内容

本研究就干容重恒定为饱和容重的渠基土，在不同冻融条件下进行冻融试验，以研究不同温度下试样冻胀、融沉过程呈现的变化规律，并尝试通过力的变化探寻其中机理.具体通过一维压缩试验和剪切试验，来观察先期固结压力Pc、土强度变化和土模量变化.

1.3 试验方法

本研究通过一维固结试验来观察冻融作用前后土样的压缩特性，着重观察先期固结压力Pc和压缩模量Es.本研究还对冻融作用前后土体抵抗剪切破坏的极限能力变化进行了观察.室内的直接剪切试验操作方便，主要分析冻融作用前后土样内摩擦角φ和粘聚力c的变化规律.整体试验流程见图1所示.

图1 试验设计整体流程

在冻结冷端选择4个温度水平，对重塑后的兰州黄土土样分别做冻融样和未冻融样的力学试验，以观察不同温度对冻融作用前后土样力学性质变化的影响，总结规律以应对工程实际需要.样本基本信息详见表1所列.

表1 兰州黄土的干容重、饱和含水量和试验选择冻融温度

本研究选用的渠基土有明显的结构效应，在应力水平低时可以较好地保持结构完整，而应力超过某个阈值，会大量破坏土的结构，土的物理力学性质会变差.在研究中采用侧限压缩仪对土的压缩模量Es进行测定，求得不允许有侧限变形条件下的饱和渠基土压缩模量.

1.4 试验过程

试验过程主要包括土样准备、融沉试验和土工试验3部分.在土样准备过程中需要将取来的土样先碾碎再重塑成型.分别制作相同初始条件下的冻融样和未冻融样，未冻融样用于试验后的对照.首先将成型后的冻融土样装于自制的恒温箱内，通过顶部制冷采集顶部位移数据，观察冻胀规律.再分别于冻融作用前后就相同初始条件下的冻融样和未冻融样做固结试验和直剪试验，整理相关数据进行分析，探究冻融作用下饱和渠基土的物理力学性质变化.

2 试验结果与分析

2.1 不同冻结冷端温度下的冻融时程曲线与膨胀率、融沉系数的变化

对干容重为17.3 kN/m3、饱和水含量为20.8%的兰州黄土进行不同冷端温度下的冻融试验，以探究温度对冻融特性的影响，得到不同温度下的冻融时程曲线，如图2(a～d)所示.

除冻融时程曲线外，试样冻融过程的膨胀率和融沉系数随温度降低而降低，变化曲线呈现明显的正相关.由上述结果可见，冻结冷端温度对兰州黄土的冻胀-融沉特性有显著影响，随着温度的升高，土样冻胀增大，冻胀率和融沉系数则随温度的降低而减小.究其原因，不同冻结冷端温度下的土样膨胀原理不同[3].当温度较低时，土体内大梯度的温度差使得土内水分迅速冻结，并推进下方水分全部冻结，因这一过程发展迅速，多为分布均匀的原位冻结，能量动态平衡，因孔隙变化不大，故冻胀率较小；随着温度的升高，冻结过程加长，土体中形成分凝冰层，并逐渐增厚，试样会出现细微裂缝，孔隙增大.土体再次融化时，水分相对冻结过程逆向运动，此时冻胀率越大的试样融沉特性越明显，即融沉系数随温度升高而增大[4].

2.2 不同冷端温度下冻融作用对饱和兰州黄土物理力学性质的影响

对不同冷端温度冻融后饱和兰州黄土试样的压缩特性进行分析，因冷生作用的影响，饱和渠基土的结构有所弱化，冻融后土样的压缩性变大，而干容重较未冻融的试样有所减小，即冻融作用下其先期固结压力Pc和压缩模量Es均下降.温度较高时冻融后土样的先期固结压力Pc和压缩模量Es随之变大，即冻融作用的强弱与冷端温度的增减呈现正相关[5].

(a)冷端温度为-20℃时的冻融时程曲线

冻融前后兰州黄土的凝聚力随冻结冷端温度降低而降低，而内摩擦角却随冷端温度降低而增大.土颗粒的结构形态与土的内摩擦角相关，土颗粒间的联结则影响土的凝聚力.冻融后土样在结构性能上发生变化，尺寸较大的孔隙数量变大而总面积减小，使得土颗粒间的接触点增多，摩擦力增大，而变小的孔隙形状更加不规则，造成与之紧密接触的土颗粒更加粗糙[6].分子自由力、颗粒间胶结力、颗粒间咬合等因素的共同作用让饱和土样具有了粘聚力，这些力受土样容重的影响，容重降低会造成粘聚力降低，即冻融作用破坏土结构会导致土样的粘聚力降低.

3 结论

本研究针对兰州地区典型的黄土土样进行试验，其结论适用于同类粉质土的其他类型饱和渠基土[7]，即此类冻土经不加水条件下的单向冻融后，其物理力学性质呈现随冷端温度变化的规律性变化[8].

具体结论包括：①初始条件相同的饱和渠基土，其冻胀率和融沉系数随冷端温度降低而降低；②饱和渠基土的干容重因冻融作用减小，其变化趋势随温度降低而减小；③饱和渠基土的先期固结压力Pc和压缩模量Es因冻融作用减小，且影响随温度降低而降低，与干容重变化相似[9]；④饱和渠基土的粘聚力因冻融作用降低，而内摩擦角增大，该作用随冷端温度的降低而增强.以上物理力学性质变化的发生，主要由于冷端温度变化影响孔隙水的成冰方式.