寒区渠道粉土质砂换填料力学特性试验研究

朱锐，郭万里

(1. 南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京，211816；2. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京，210098；3. 南京水利科学研究院岩土工程研究所，江苏南京，210024)

近年来，我国陆续建设了一批引调水渠道，如南水北调中线工程、引江济淮工程等[1-2]，在一定程度上缓解了沿线城市的工农业用水压力。这些渠道是线性工程，不可避免地会穿越一些膨胀土地区。蔡正银等[3-5]通过研究发现，位于新疆北部地区的膨胀泥岩渠段失稳现象十分严重。对此，人们采用一种当地土料对新疆北部输水渠道膨胀泥岩渠段进行了换填改造，以期提升该渠段渠道边坡的稳定性。

换填法作为膨胀土地区工程建设的常用手段之一，可以从源头上消除膨胀土的不良工程特性的影响[6]。目前，已有学者对膨胀土工程换填料的物理力学特性进行了研究，取得了一定的成果[7-9]。程永辉等[10]开展了黏土换填料处治膨胀土渠坡的离心模型试验，其结果表明黏土换填料的处治方案是可行的；对于低、中膨胀性渠基土而言，换填厚度约2 m的黏土即可取得良好的防护效果。明经平等[11]针对水泥改性弱膨胀土换填料开展了一系列室内试验研究，发现换填料的力学强度与原生土的力学强度相差较小，但其膨胀性远小于原生土的膨胀性，采用水泥改性弱膨胀土换填浅层土体有利于提升河道膨胀土边坡的稳定性。胡雪松等[12]对煤矸石换填膨胀土路基进行了可行性研究，试验结果表明煤矸石换填料具有较好的压实性，是一种良好的路基填料。田海波等[13]研究了动荷载作用下石灰改性膨胀土换填路基的变形特性，发现采用60 cm厚的石灰改性膨胀土换填料能够满足路基的强度要求。上述研究分析了不同膨胀土工程中换填料的物理力学特性，为相关工程提供了参考依据。

新疆北部输水渠道膨胀泥岩渠段换填料依据粒径应划分为粉土质砂，一般认为粉土质砂的物理力学性质与砂土的力学性质接近，较为稳定。但是已有研究[14]表明这种粉土质砂换填料的矿物成分含有约27%(质量分数)的蒙脱石和高岭石，而在寒区复杂环境下粉土质砂换填料的力学性质是否会劣化尚未有相关研究。新疆北部输水渠道为季节性供水渠道，粉土质砂换填料需经历湿干循环过程；同时，渠道地处中高纬度地区，冬季平均温度低于-20 ℃，夏季平均温度高于30 ℃，粉土质砂换填料还需经历冻融循环过程[15-17]。因此，研究湿干循环或冻融循环下粉土质砂换填料的力学特性，明确复杂环境对粉土质砂换填料强度的影响是十分必要的。

鉴于此，本文作者开展湿干循环(WD)、冻融循环(FT)及湿干-冻融耦合循环(下面简称耦合循环或WDFT)下粉土质砂换填料三轴固结排水剪切试验，研究湿干循环、冻融循环及耦合循环下粉土质砂换填料的应力-应变关系以及弹性模量、破坏强度和抗剪强度指标的变化特征。在此基础上，对比分析粉土质砂换填料与膨胀泥岩的力学特性，从颗粒级配演化关系的角度揭示粉土质砂换填料强度演化特征的形成机理。

1 试验方法与试验方案

1.1 试验材料

试验所用粉土质砂换填料取自新疆北部输水渠道膨胀泥岩渠段换填施工现场，外观呈灰白色，多结为体积不一的土块。这种天然粉土质砂广泛分布于渠道沿线，无需加工即可用作换填料，与碎石、固化材料等其他换填料相比具有显著的经济性。依据规范[18]测定换填料的基本特性，可知其液限和塑限分别为29.9%和14.8%，最大干密度约为1.98 g/cm3，最优含水率为10%，相对密度为2.62，颗粒级配曲线如图1所示。同时，采用XRD测定所取换填料的矿物成分，可知主要成分为石英、蒙脱石、高岭石，其质量分数分别为66%，15%和12%[14]。

1.2 试验工况及试验方法

新疆北部季节性供水渠道经历往复的湿干循环过程，在此基础上，若考虑温度场的变化，则渠道处于湿干-冻融耦合循环下，如图2 所示。本文开展湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料的三轴剪切试验和颗粒分析试验，其中三轴剪切试验旨在研究换填料的力学特性，颗粒分析试验旨在探索换填料的颗粒级配演化关系。

将所取换填料进行翻晒、风干、碾碎、过筛。依据现场渠道换填后浅层土体的饱和度实测数据，按初始饱和度为70%来配制试验所用土料，并密封24 h 使土体含水率分布更均匀。将配制好的土料依据试验方案分别制备高为80 mm、直径为39.1 mm 的三轴试样(分3 层击实)和高为20 mm、直径为61.8 mm的环刀试样。依据现场换填后浅层土体的实测干密度，三轴试样和环刀试样的干密度均控制在1.60 g/cm3。随后，制备完毕的试样分别经历湿干循环和耦合循环过程，循环边界设置如表1 所示。依据文献[19-20]中的研究成果，将粉土质砂试样的循环次数设为0，1，3和7次。

表1 湿干-冻融耦合循环边界的模拟Table 1 Simulation of coupled wet-dry-freeze-thaw cycle boundary

待达到目标循环次数后，分别对三轴试样和环刀试样进行如下处理：1)将三轴试样再次进行抽气饱和，采用TSZ 型三轴仪开展三轴固结排水剪切试验，每组试样的固结压力依次为50，100，200 和400 kPa。待固结稳定后进行等应变剪切，剪切速率设为0.08 mm/min，待试样轴向应变达到16%即停止剪切试验。需要说明的是，为了减小试验误差，每组试样均进行3组平行试验，所得弹性模量、破坏强度、黏聚力和内摩擦角均为3组平行试验结果的平均值。2)对环刀试样开展颗粒分析试验，每组同样设置3个平行试样，颗粒分析结果均为3个平行试样的平均值。

2 粉土质砂换填料的力学特性

2.1 应力-应变曲线

湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料的典型应力-应变关系见图3。由图3可以看出，在湿干循环、冻融循环和耦合循环下，试样的应力-应变关系多呈硬化型。具体来讲，在同一围压下，循环次数增大使得等轴向应变下试样的偏应力呈下降趋势，但这种变化特征不甚明显，表明不论是湿干循环过程、冻融循环过程还是耦合循环过程，循环次数对粉土质砂换填料应力-应变关系的影响均较小。另外，吴旭阳等[21]将岩土体的应力-应变关系划分为强硬化型、一般硬化型、弱硬化型、强软化型、一般软化型和弱软化型。当循环次数恒定时，围压增大使得试样的应力-应变关系由弱硬化型向强硬化型转变。

2.2 弹性模量

在岩土体力学性质分析中，弹性模量是重要参数之一。依据文献[22]中的研究成果，以轴向应变为1%时所对应的偏应力增量与轴向应变增量的比值作为试样的弹性模量。不同围压下试样弹性模量随循环次数的变化如图4所示。由图4可以看出：在湿干循环和耦合循环下，试样的弹性模量随着循环次数增大而呈逐步下降并趋于稳定的趋势。在这一过程中，第1次循环过程造成的试样弹性模量衰减量最高，分别占整个湿干循环和耦合循环过程中产生的衰减量的75%和80%以上，表明在湿干循环和耦合循环下，第1次循环过程显著促进了粉土质砂换填料的弹性模量衰减，而耦合循环中的冻融过程又会使粉土质砂换填料的弹性模量小幅度衰减，因此需在工程实践中关注这一现象。

另外，不同于湿干循环和耦合循环下试样弹性模量的变化特征，冻融循环下试样弹性模量的衰减趋势则不那么显著，当围压为200 kPa 或400 kPa 时，试样的弹性模量几乎保持恒定。这表明在不同围压下，冻融循环次数对粉土质砂换填料弹性模量的影响较小。

2.3 破坏强度

对于应力-应变关系曲线而言，若在应变小于15%时偏应力峰值出现，则该值为试样的破坏强度；若应力-应变关系曲线为硬化型，则取应变为15%时的偏应力作为试样的破坏强度。图5所示为不同围压下试样破坏强度随循环次数的变化。由图5可以看出：试样破坏强度的变化特征与弹性模量的较为相似；在湿干循环和耦合循环下，试样的破坏强度随着循环次数增大而呈逐渐衰减并趋于稳定的特征。同样，在这一过程中，第1次循环过程造成试样的破坏强度衰减量约分别为整个湿干循环和耦合循环过程中产生的衰减量的68%和70%，表明在湿干循环和耦合循环作用下，第1次循环过程对粉土质砂换填料破坏强度的影响较大，这也与文献[7-8,23]中的结论较一致。对于冻融循环下的试样而言，其破坏强度随着循环次数增大也出现一定程度的衰减，这一现象在低围压下较明显，但冻融循环下试样破坏强度的总衰减量仅分别为湿干循环和耦合循环下试样破坏强度总衰减量的15%和13%左右。

2.4 抗剪强度指标

图6所示为不同边界条件下试样抗剪强度指标随循环次数的变化。从图6可以看出，无论是在湿干循环、冻融循环下还是在耦合循环下，试样的黏聚力和内摩擦角均随着循环次数增大而呈现出逐渐衰减并趋于稳定的变化特征，但冻融循环下试样的最终黏聚力衰减量显著低于湿干循环和耦合循环下试样的黏聚力衰减量，内摩擦角甚至接近于恒定值。这表明湿干循环和耦合循环削弱了粉土质砂换填料的抗剪强度指标。

产生这一现象的原因如下：一方面，粉土质砂换填料中仍含有一定的蒙脱石，对于水分场的变化较敏感，反复的湿润和干燥过程造成试样内部出现一定的微裂隙，破坏了试样的完整性[24-25]，故湿干循环和耦合循环下粉土质砂换填料的黏聚力衰减特征仍较明显；另一方面，粉土质砂换填料的主要矿物成分为石英，其物理力学性质受冻融影响较小，土体较少出现结构性损伤，故冻融循环下粉土质砂换填料抗剪强度指标的衰减特征并不明显。

为了更好地预测寒区粉土质砂换填料黏聚力和内摩擦角的衰减过程，选取耦合循环下的试样的抗剪强度指标试验结果进行拟合，所得计算公式如下：

式中：N为耦合循环次数；cWDFT为耦合循环下试样的黏聚力；φWDFT为耦合循环下试样的内摩擦角。

式(1)和式(2)的拟合优度(R2)分别约为0.99 和0.98，表明拟合效果较好。

3 粉土质砂换填料与膨胀泥岩的力学特性对比

新疆北部输水渠道膨胀泥岩渠段失稳破坏较为严重，陈皓等[26-27]针对湿干循环、冻融循环和耦合循环下膨胀泥岩的力学特性开展了研究。本文将力学性能指标(具体为弹性模量、破坏强度和抗剪强度指标)衰减幅度定义为7 次循环后试样的力学性能指标相较于未经历循环试样的力学性能指标的衰减比例，通过对比分析粉土质砂换填料与膨胀泥岩的力学性能指标衰减幅度，探究湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料与膨胀泥岩强度衰减特征的差异。

图7所示为循环7次后粉土质砂换填料与膨胀泥岩的弹性模量衰减幅度对比。从图7 可以看出，在不同围压下，湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料的弹性模量衰减幅度均明显比膨胀泥岩的低，表明在不同边界条件下粉土质砂换填料的力学性质更稳定。对于单一边界条件而言，将不同围压下试样的弹性模量衰减幅度取平均值，可以发现湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料的弹性模量衰减幅度分别约为膨胀泥岩弹性模量衰减幅度的47%，8%和44%，表明冻融循环对于粉土质砂换填料弹性模量的影响非常小。

图8所示为循环7次后粉土质砂换填料与膨胀泥岩的破坏强度衰减幅度对比。由图8 可以看出，在不同围压下，湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料的破坏强度衰减幅度同样明显比膨胀泥岩的低；湿干循环和耦合循环下膨胀泥岩的破坏强度衰减幅度为20%～30%。而粉土质砂换填料的破坏强度衰减幅度则为7%～10%；另外，在冻融循环下，粉土质砂换填料的破坏强度衰减幅度更小，不同围压下的最大衰减幅度仅为5%左右，远低于相同条件下膨胀泥岩的破坏强度衰减幅度。这表明相对于膨胀泥岩而言，湿干循环、冻融循环和耦合循环对粉土质砂换填料破坏强度的影响均较小。

图9所示为循环7次后粉土质砂换填料与膨胀泥岩的抗剪强度指标衰减幅度对比。对于黏聚力而言，湿干循环和冻融循环下粉土质砂换填料的衰减幅度均为膨胀泥岩的35%左右，而耦合循环下粉土质砂换填料的衰减幅度仅为膨胀泥岩的18%左右。对于内摩擦角而言，粉土质砂换填料的衰减幅度同样明显比膨胀泥岩的低，这一现象在冻融循环下尤为明显，这也与前面分析结果较为一致，即冻融循环下粉土质砂换填料的内摩擦角几乎没有变化。

从粉土质砂换填料和膨胀泥岩的力学特性对比结果可以发现，在7次循环后，粉土质砂换填料的弹性模量、破坏强度和抗剪强度指标的衰减幅度均明显比膨胀泥岩的低。可以认为，不论是在湿干循环、冻融循环下还是在耦合循环下，相较于膨胀泥岩，粉土质砂换填料的力学性能均更加稳定，尤其是在冻融循环下，粉土质砂换填料的强度衰减幅度极小。因此，采用粉土质砂换填膨胀性渠基土有利于提升渠道边坡的稳定性，且受寒冷地区气候变化的影响较小。

4 粉土质砂换填料的颗粒级配演化特征

颗粒级配是影响土体力学特性的重要因素[28]。为了进一步揭示湿干循环、冻融循环和耦合循环下粉土质砂换填料强度演化特征的形成机理，下面依据颗粒分析试验结果展开叙述。表2所示为湿干循环、冻融循环及耦合循环下粉土质砂换填料的粒径分布(其中d为粒径)。由表2 可以看出，无论是在湿干循环、冻融循环下还是在耦合循环下，随着循环次数增大，粉土质砂换填料的颗粒级配均保持稳定，在7次循环后，单一粒径区间内颗粒质量分数的误差不超过3%。这是因为细粒组(尤其是黏粒组)通常受湿干循环、冻融循环的影响较为显著，由此造成土体内部结构发生改变[29]；膨胀泥岩中的细粒组质量分数大于60%[30]，粉土质砂换填料中的细粒组的质量分数不足25%，故粉土质砂换填料的颗粒级配演化过程受外部条件影响较小，其内部结构也因此处于相对稳定的状态。可以认为，粉土质砂换填料的颗粒级配受湿干循环、冻融循环和耦合循环的影响程度较低，循环次数增大并未显著改变试样的内部结构，这也是复杂边界条件下粉土质砂换填料力学性能衰减幅度较小的原因。

表2 湿干、冻融及耦合循环下粉土质砂换填料的粒径分布Table 2 Grain-size distribution of silty sand subjected to WD,FT and WDFT cycles

5 结论

1)湿干循环和湿干-冻融耦合循环过程使得粉土质砂换填料的力学性能指标出现一定程度的衰减，最大衰减幅度不足10%，平均衰减幅度仅在5%左右，而冻融循环对换填料力学性能指标的影响较小，造成的最大衰减幅度不足5%。

2)在湿干循环、冻融循环和湿干-冻融耦合循环下，膨胀泥岩的力学性能指标最大衰减幅度约为40%，显著高于粉土质砂换填料的力学性能指标的衰减幅度，表明无论是在湿干循环、冻融循环下还是在湿干-冻融耦合循环下，相较于膨胀泥岩，粉土质砂换填料的力学性质都更加稳定。

3)粉土质砂换填料的颗粒级配受湿干循环、冻融循环和湿干-冻融耦合循环的影响程度较低，循环次数增大造成单一粒径区间内颗粒质量分数的误差不超过3%，可以认为复杂环境下粉土质砂换填料的内部结构较稳定。

4)采用粉土质砂换填膨胀性渠基土有利于提升新疆北部渠道边坡的稳定性，且受寒冷地区气候变化的影响较小。