冻融循环对季冻土区粉质黏土混凝土界面剪切性能的影响

摘要：

为探究季冻土区粉质黏土混凝土界面剪切性能，进行了不同冻融循环次数、土体含水率和法向应力的粉质黏土混凝土二元体冻融循环试验和直剪试验，探讨了界面抗剪强度、抗剪强度参数和抗剪强度损伤度的变化规律。结果表明：直剪试验得到的应力应变曲线均发生应变硬化现象，可分为弹性变形阶段（剪切位移为0～3 mm）和弹塑性变形阶段（剪切位移为4～15 mm）；冻融循环对界面抗剪强度有劣化作用，即通过对土体造成损伤，导致界面内摩擦角和黏聚力下降，从而降低界面抗剪强度；随着冻融循环次数增加，界面抗剪强度损伤度增加，当冻融循环进行0、4次，抗剪强度损伤迅速，冻融循环进行12～20次，抗剪强度损伤较缓，最大界面抗剪强度损伤度为25%；土体含水率的增加对抗剪强度有削弱作用，随着土体含水率的增加，界面内摩擦角降低，但黏聚力先增加后减小，当土体含水率为20.7%时，黏聚力达到最大值；法向应力的增加对抗剪强度有增强作用。

关键词：

混凝土；粉质黏土；界面；剪切性能；冻融循环；抗剪强度；季冻土区

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230114

中图分类号：TU445

文献标志码：A

王伯昕，高银龙，王清，等.冻融循环对季冻土区粉质黏土混凝土界面剪切性能的影响.吉林大学学报（地球科学版），2024，54（5）：15921603. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230114.

Wang Boxin，Gao Yinlong，Wang Qing，et al. Effect of Freeze-Thaw Cycles on Shear Properties of Seasonal Frozen Soil Area Silty Clay-Concrete Interface. Journal of Jilin University （Earth Science Edition） ，2024， 54（5）：15921603. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230114.

收稿日期：20230506

作者简介：王伯昕 （1980-），男，教授，博士生导师，主要从事土混凝土界面力学性能方面的研究，E-mail： boxinwang@jlu.edu.cn

通信作者：王清（1959-），女，教授，博士生导师，主要从事土体工程地质方面的研究，E-mail： wangqing@jlu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（42072296，42330708）；吉林省自然科学基金项目（20220101164JC）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42072296，42330708） and the Natural Science Foundation of Jilin Province （20220101164JC）

Effect of Freeze-Thaw Cycles on Shear Properties of Seasonal Frozen Soil Area Silty Clay-Concrete Interface

Wang Boxin，Gao Yinlong，Wang Qing，Liu Jiaqi

College of Construction Engineering， Jilin University， Changchun 130026， China

Abstract：

In order to explore the interfacial shear properties between silty clay and concrete in seasonal frozen soil area， the freeze-thaw cycles test and the interface direct shear test of silty clay-concrete binary with different freeze-thaw cycles， normal stress and moisture content of soil were completed， and the changes of interface shear strength， shear strength parameters and shear strength damage degree were discussed. Through direct shear tests， the variation rules on shear properties of the interface and strength parameters were investigated. The results showed that the strain-stress relation underwent strain hardening phenomenon， which can be divided into elastic deformation stage （03 mm） and elastoplastic deformation stage （415 mm）. The freeze-thaw cycles deteriorated the interfacial shear strength， that is， by causing damage to the soil， the friction angle and cohesion of interface were reduced， thereby reducing the interfacial shear strength. With the increase of the number of freeze-thaw cycles， the damage degree of interfacial shear strength increased. However， when the freeze-thaw cycles were 0 and four times， the shear strength damage was rapid， and the damage was slow when the freeze-thaw cycles were 1220 times， in which the maximum interfacial shear strength damage degree was 25%. With the increase of moisture content of soil， the increase of moisture content of soil weakened the shear strength， the friction angle of interface decreased， however the cohesion first rose and then reduced. When the soil moisture content was 20.7%， the cohesion reached the maximum. The rising of normal stress enhanced the shear strength.

Key words：

concrete；silty clay；interface；shear properties；freeze-thaw cycles；shear strength；seasonal frozen soil area

0" 引言

在基础工程、岩土工程中，土与混凝土结构接触十分常见，但接触面也出现了很多问题，其中接触面力学性能受环境影响的问题广受关注，如季冻土区土与桩基础、挡土墙等混凝土结构

间的接触面［1］。冻融循环会使土体的微观样貌和物理参数发生改变［25］，也会对土体宏观力学性能产生较大影响［69］；另外，冻融循环也会在一定程度上影响混凝土的性质，例如其强度下降，进而其结构性能受到影响［1012］。但土体与混凝土在变形及强度等方面相差悬殊，受力会发生变形不同步，从而在接触面上产生滑动、错位等变形［1315］。

有学者［1618］研究发现可利用摩尔库仑理论计算界面的抗剪强度。为了准确描述土混凝土界面剪切应力与位移的关系，陈慧远［14］、Clough等［19］、Brandt［20］和Desai等［21］先后提出了双曲线模型、斜线水平直线的弹塑性模型、双斜线的弹塑性模型和RO模型。随着粗糙度及法向应力的增加，界面从应变软化的滑移破坏变为应变硬化的弹塑性破坏。当界面粗糙度和法向应力较小时，破坏形式为界面边缘破坏，但随着粗糙度和法向应力的增大，破坏形式逐渐以土体内部的剪切破坏为主［2225］。

界面的黏聚力和内摩擦角共同构成了界面的抗剪强度，二者是研究界面抗剪强度的主要参数［26］。界面的粗糙度对内摩擦角的影响较小，粗糙度在一定范围内变化时内摩擦角保持不变；但粗糙度的增加会导致黏聚力增加［2728］，而提高试验剪切速率会减小界面摩擦系数［29］，降低粗糙度。土体含水率对黏聚力的影响较为显著，随着土体含水率增加，黏聚力呈先上升后下降的趋势［30］，且土的抗剪强度线性下降［31］，而且土体内部黏聚力的变化也会影响峰值强度与剪切速率的关系［32］。另外，外部荷载会使土体内部孔隙孔径减小和孔隙数量降低，进而对黏聚力和内摩擦角造成影响［3334］。

不同温度条件对界面抗剪强度与抗剪强度参数变化规律的影响不同。如：Di Donna等［35］ 研究发现，在黏土混凝土界面抗剪强度随着温度的升高而增加；Yavari等 ［36］研究发现，加热冷却循环对土混凝土界面抗剪强度峰值和残余界面摩擦角有影响；何菲［37］进行了冻土混凝土结构直剪试验，发现在不同法向应力和含水率条件下，接触面抗剪强度随着试验温度降低而增加；潘一鸣等［38］考虑了冻结与常温对界面抗剪强度的影响；桑松魁等［39］发现低温会影响浅层土体超孔隙水压力。此外，高温条件会使界面剪切性能发生改变［4042］，例如：He等［43］发现峰值位移和残余摩擦角均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低；Zhao等［44］研究了冻结温度保持恒定和持续升高对界面抗剪强度的影响。

目前，多数学者的主要研究仍集中在冻结或者低温融化阶段的界面抗剪强度上面。在低温条件下，土体中冰胶结力的出现使得界面的抗剪强度得到提高。但当土中冰晶开始融化时，冰胶结力逐渐减小，抗剪强度也逐渐减小；同时，冰晶融化，土体颗粒表面形成水膜，摩擦力降低，导致界面变得润滑，界面的抗剪强度降低。

综上所述，目前关于常温条件下融化后的界面抗剪强度变化规律的研究较少。本文通过冻融循环试验和直剪试验，探究了冻融循环、法向应力和土体含水率等对粉质黏土混凝土界面剪切性能的影响，并研究了界面黏聚力和内摩擦角在冻融循环作用和土体含水率影响下的变化规律，以期探究季冻土区粉质黏土混凝土界面剪切性能。

1" 试验设计

1.1" 试验材料

试验材料采用C30自制混凝土，其中：粗骨料选择粒径4.75～10.00 mm的石灰岩碎石；拌合水采用纯净水；水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；细骨料选择细度模数为2.4～3.0、平均粒径为0.35～0.50 mm、含泥量为1.2%的中砂；减水剂选用Sika Ⅲ混凝土超塑化剂。

试验土样取土地点在吉林省长春市范家屯镇。根据《土工试验方法标准》（GB 50123—2019）［45］进行基本土工试验。试验土样的物理参数如表1所示。土样测定结果表明：土样密度2.71 g/cm3，液限34.4%，塑限19.0%，塑性指数15.4，参照《土的工程分类标准》（GBT 50145—2007）［46］，该土样为低液限黏土；土体最优含水率20.7%，黏粒（粒径lt;0.005 mm）质量分数为32.54%，土样依据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［47］定名为粉质黏土。

1.2" 试块制备

试验采用二元体试样，下层为混凝土，上层为粉质黏土。分别制备如下。

混凝土配合比如表2所示，水灰比为0.5，坍落度为50～70 mm ［48］。在试块浇筑、拆模并养护28 d后，对其表面进行打磨至光滑，如图1所示，长×宽×高为150 mm×100 mm×30 mm。

对于粉质黏土土样，首先将土样进行风干，碾碎土体并过2 mm网筛进行筛分；其次将一定质量筛分后的土样放入烘箱，在108 ℃下烘干8 h至恒质量，放入干燥器内冷却至室温，称量土样干质量，计算土样风干含水率；再根据目标含水率和风干含水率的差值，称量能使土样达到目标含水率所需的蒸馏水；然后在搅拌土样的同时喷洒蒸馏水并搅拌均匀，对其进行密封并静置24 h；最后进行含水率检验，若检验结果合格，则该土样可作为试验用土。粉质黏土试块长×宽×高为120 mm×100 mm×30 mm。

进行直剪试验前，先将混凝土放入下剪切盒，再将上剪切盒放在混凝土表面上，之后土样分三层压入上剪切盒中，压实度为90%。二元体试块制备完成后用保鲜膜密封，保证土体含水率准确，二元体试样制备流程和制备完成后的块体如图2所示。

1.3" 试验方案

1.3.1" 冻融循环试验

首先将环境温度设定为-20 ℃，对试块整体进行低温冻结，时间为12 h；完成后再将温度升至20 ℃，对试块整体进行融化，时间为12 h，此步骤即为1次冻融循环。本研究将对试块进行0、4、8、12、16、20次冻融循环试验。

1.3.2" 直剪试验

直剪试验采用YUC.IJZD11型定制单联电机

式直剪仪，如图3所示。根据《土工试验方法标准》

（GB 50123—2019）［45］进行直剪试验，原理如图4所示。在粉质黏土试块上施加法向应力N，在混凝土试块上施加水平推力F，使混凝土恒以0.8 mm/min的速率向右移动，保证试块处于受力平衡状态，记录剪切应力位移曲线，抗剪强度选取位移为15 mm时的剪切应力。粉质黏土试块上施加的法向应力N选取100、200、300、400 kPa。

1.4" 试验分组与编号

本研究采用控制变量法，分别在0、4、8、12、16、20次冻融循环，100、200、300、400 kPa四种法向应力， 以及18.7%、20.7%、22.7%三种土体含水率的条件下进行直剪试验。

根据试验变量的不同对试块分组编号，FT表示冻融循环，N表示法向应力，W表示土体含水率（其中1、2、3分别代表土体含水率为18.7%、20.7%、22.7%）。例如组号FT12N100W2，表示冻融循环进行12次、法向应力为100 kPa、土体含水率为20.7%。

2" 试验结果与影响因素

2.1" 试验结果

直剪试验测得在各种条件下的抗剪强度如图5所示。当冻融循环次数为0、法向应力为400 kPa、含水率为18.7%时，界面抗剪强度为最大值173.6 kPa（图5a）；冻融循环次数为20、法向应力为100 kPa、含水率为22.7%时，界面抗剪强度为最小值45.7 kPa（图5c）。

图6—8分别是不同条件下的抗剪强度位移曲线。抗剪强度位移曲线呈应变硬化型。由图68可见：在位移较小（一般为0～3 mm）时，抗剪强度与位移呈线性关系，当剪切位移增大时，抗剪强度随之增长，此阶段的界面剪切变形为弹性变形阶段；随位移增大（4～15 mm），抗剪强度与位移呈非线性关系，此阶段随剪切位移增大界面抗剪强度仍然增加，但当剪切位移增加到一定范围时，抗剪强度增长速率降低，此阶段为弹塑性变形阶段。

2.2" 影响因素

2.2.1" 冻融循环的影响

在同一条件下，冻融循环会造成界面的抗剪强度降低。例如，在土体含水率为18.7%，法向应力为200 kPa条件下，随着冻融循环次数增加，抗剪

强度依次为119.8、112.1、103.7、99.4、97.2、93.6 kPa（图5a），

呈逐渐降低趋势。图5其余分组实验结果也表明，在不同含水率和法向应力下，抗剪强度呈现相同的变化趋势，说明冻融循环对抗剪强度有劣化作用。

界面黏聚力和内摩擦角均受冻融循环作用的影响。利用不同法向应力下的峰值抗剪强度，计算出不同冻融循环次数和不同土体含水率下的界面抗剪强度参数，如图9所示。在含水率为18.7%（W1）的条件下，冻融循环次数依次为0、12、20时，黏聚力依次为38.50、35.10、33.25 kPa，界面的内摩擦角依次为19.4°、15.6°、14.7°，均呈降低趋势。可见，冻融循环作用会使界面的黏聚力和内摩擦角逐渐降低。

冻融循环会使界面土体孔隙增多，裂缝增多，整体性下降，界面黏土体颗粒与混凝土表面间、黏土体颗粒间的距离增加，有效接触面积减少，黏土体颗粒

与混凝土表面间、颗粒间连接力减弱，导致黏聚力降低；还会使黏土体颗粒与混凝土表面间、黏土体颗粒间的摩擦阻力减小，导致内摩擦角降低。由于黏聚力和内摩擦角降低，界面土体抵抗外部荷载的能力减弱，导致抗剪强度降低。

为了表征界面的抗剪强度在不同冻融循环条件下的损伤程度，引入抗剪强度损伤度D，如式（1）所示。

D=（1－τf，nτf，0）×100% 。（1）

式中：τf，n为n次冻融循环后界面的抗剪强度（kPa）；τf，0为未经历冻融循环条件下界面的抗剪强度（kPa）。

如图10、11所示，随着冻融循环次数的增加，抗剪强度损伤度呈逐渐上升趋势，但增加速率逐渐减小，并且法向应力和含水率不会改变抗剪强度损伤度的发展规律。在对试块进行0、4次冻融循环时，抗剪

强度损伤迅速；在进行12～20次冻融循环时，界面抗剪强度损伤速度逐渐缓慢。这是由于当冻融循环次数较少时，土体内部孔隙水凝结、融化，反复产生冻胀

应力，使得孔隙孔径快速变大，孔隙率也迅速增大，土体内部受损严重；在冻融循环次数为12～20次时，界面

处孔隙率增长减缓，裂缝发展减缓，冻融循环对土体整体性的影响降低。这一规律与图6—8得出的剪切应力位移曲线发展规律基本一致，说明粉质黏土混凝土二元体在冻融循环作用初期抗剪强度下降很快，但冻融循环次数越多抗剪强度下降越慢。

当含水率为18.7%，冻融循环次数为20，法向应力为400 kPa时，界面抗剪强度损伤度最大，为25%（图10a）；当含水率为20.7%，冻融循环次数为4，法向应力为200 kPa时，界面抗剪强度损伤度最小，为4%（图10b）。

2.2.2" 土体含水率的影响

如图12所示，当法向应力为200 kPa，土体含水率依次为18.7%、20.7%、22.7%时，界面的抗剪强度依次为119.8、107.4、96.1 kPa，可见含水率越大，抗剪

强度越低；说明土体含水率的增加对抗剪强度有削弱作用。

图13为冻融循环作用下黏聚力和内摩擦角受土体含水率影响的变化情况。当冻融循环次数为0，土体含水率依次为18.7%、20.7%、22.7%时，界面黏聚力依次为38.50、42.65、37.80 kPa，内摩擦角依次为 19.4°、15.5°、14.3°，可见含水率的增加使界面内摩擦角减小，使黏聚力先增加后减小，其中在最优含水率（20.7%）时达到最大值。这一结论与王永洪等［30］在重塑黏性土混凝土界面直剪试验，与杨大方等［49］在不同刚度、表面粗糙度的黏性土结构物界面单剪试验得出的结论一致，也与图12抗剪强度下降率出现下降和上升的变化相符合。

随着含水率增加，土体颗粒周围的结合水膜厚度增加，导致黏土体颗粒与混凝土接触面间、黏土体颗粒间的滑动摩擦和咬合摩擦降低，内摩擦角随之降低。当含水率较低时，土体与混凝土间的接触面孔隙以空气为主，土体与接触面的吸附力较小，黏聚力较小；随着含水率增加，接触面孔隙由水填充，土体与混凝土间的接触面面积增加，土体与接触面的吸附力增加，黏聚力增加，当含水率达到最优含水率时，接触面面积最大，黏聚力最大；随着含水率继续增加，土体与混凝土间的接触面形成水层，使土体与混凝土的接触面积减小，导致黏聚力降低。土体含水率的增加，导致颗粒周围的结合水膜逐渐变厚，颗粒间的胶结作用减弱，内摩阻力减小，彼此间的阻碍作用减少，故颗粒容易移动，抗剪强度降低。

2.2.3" 法向应力的影响

如图14所示，在土体含水率为18.7%的条件下，当法向应力依次为100、200、300、400 kPa时，抗剪强度依次为65.4、119.8、148.2、173.6 kPa。可以发现，在未进行冻融循环和同一含水率的条件下，法向应力越大，抗剪强度越大；当法向应力依次为200、300、400 kPa时的抗剪强度，相较依次为100、200、300 kPa时的抗剪强度，其增长率依次为83.1%、23.7%、17.1%，即法向应力越大，抗剪强度增长率越小，法向应力的增加对抗剪强度有增强作用。

对二元体施加法向应力，土体被压密，颗粒间的距离减少，随之阻碍作用增加，黏土体颗粒与混凝土接触面间、黏土体颗粒间的咬合作用增强，导致混凝土表面对土体颗粒发生位移的摩擦阻力增加，抗剪强度增加；随着法向应力增加，黏土体颗粒与混凝土接表面间、黏土体间距缩小速度降低，土体密实度增加缓慢，抗剪强度增加变慢。

3" 结论

1） 粉质黏土混凝土二元体界面剪切应力位移曲线发生应变硬化现象，根据应力与位移间的关系可分为弹性变形阶段和弹塑性变形阶段。

2） 冻融循环会使界面内摩擦角和黏聚力降低，进而导致界面抗剪强度下降；冻融循环对界面抗剪强度损伤度的影响在前期（0、4次）较为显著，后期（12～20次）较弱。

3） 土体含水率对内摩擦角、黏聚力和抗剪强度的影响并不相同。当土体含水率增加时，内摩擦角和抗剪强度均降低，但黏聚力先增加后降低，并且当土体含水率达到最优含水率（20.7%）时黏聚力最大。

4） 法向应力对界面抗剪强度有增强作用，法向应力增加导致的抗剪强度增长率最大为83.1%。

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