冻融循环作用下砂质黄土强度劣化特性及影响因素研究

卢 智,谢 波,宋 飞,邓军涛*

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043;2.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054)

我国黄土多分布于较高纬度地区,季节性冻土发育,冻融作用导致黄土强度劣化常引起滑坡等地质灾害发生,研究冻融作用下黄土强度特性十分重要。前人关于冻融循环作用下土体强度的研究结论差异较大。有的研究认为土体粘聚力随冻融循环先减小后趋于稳定,内摩擦角无明显变化[1-3],但有些研究发现冻融循环作用导致土体粘聚力减小,但内摩擦角有所增大[4-6]。还有一些研究结论比较特殊,例如:Guo等[7]研究发现土体粘聚力随冻融循环先减小后增大再减小,内摩擦角先增大后减小并趋于稳定;李丽等[8]试验发现土体粘聚力随冻融循环先增大然后趋于稳定。冻结温度也是影响冻融作用的关键因素,胡再强等[9]发现不同含水率土体粘聚力随冻结温度的降低而增大。张辉等[10]研究发现冻结温度对不同含水率原状土体冻融后粘聚力与内摩擦角的影响不明显。Sun等[11]试验发现冻融后土体的粘聚力随冻结温度降低而减小,内摩擦角受冻结温度影响较小。此外有些研究还发现不同土体存在特殊的最不利冷却温度或最不利冻融温度梯度,在此条件下土体的冻融力学性质最差[12-13]。

目前针对砂黄土冻融力学性质的研究较少,具体冻融特性尚不十分清楚,且试验条件少有同时考虑含水率、温度及冻融次数。故本文以榆林市子洲县砂黄土为研究对象,研究冻融循环次数、初始含水率及冻结温度对其冻融强度的影响,以期为当地地质灾害防治及工程建设提供参考。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验用土取自榆林子洲某地Q3砂质黄土,为充分体现冻融作用对土体的影响,试验用土需采取新鲜未冻融土体。子洲县最大冻土深度为1.15 m,因此自地面2 m以下切取新鲜未冻融土体,测定其基本物理性质指标,试验结果见表1。图1为土体粒径分布曲线,土中粉粒(0.005～0.075 mm)含量为79.78%,砂粒(>0.075 mm)含量为8.64%,物质组成特点说明研究区黄土为较典型砂黄土[14]。

图1 土体粒径分布曲线Fig.1 Soil particle size distribution curve

表1 土体基本物理性质指标Tab.1 Indexes of basic physical properties of soil

1.2 土样制备

本次试验使用原状土样,制备方法参照《土工试验方法标准》,抗剪强度测定采用三轴剪切试验,将原状土体先削成比标准三轴试样稍大的土块,再用切土器切削成尺寸为φ39.1 mm×80 mm的标准三轴试样,按规定取余土测定含水率。土样含水率配置采用增湿法,配置完成后,为防止试验时与外界发生水分交换,使用保鲜膜完全包裹土样密封,并将其放置在保湿皿中保湿24 h以上,使土样中的水分分布均匀。

1.3 试验方案

本次试验分为两部分,先对三轴试样进行冻融循环试验,再对冻融后试样进行三轴剪切试验。

(1)冻融循环试验:冻融试验设置为封闭环境下的多向快速冻结试验,冻融时将试样用密封袋密封。试样含水率分别设置为天然含水率5.11%、塑限含水率15.8%及中间含水率10%。冻结温度根据子洲县近10年霜冻期最低气温及平均低温分别设置为-25、-10 ℃。冻结过程在低温试验箱中进行,融化时将土样放在室温(29 ℃)条件下自然融化,冻结及融化时间均为12 h。根据前人研究经验,土体力学性质在冻融10次后基本稳定,因此设置冻融循环次数(N)分别为0、1、4、7、10、14,冻融一轮为一次完整循环。

(2)三轴剪切试验:对冻融完成后的土样立即进行三轴剪切试验,为避免固结过程影响冻融循环后土体的结构特征,采用不固结不排水剪(UU)试验。围压按100、200、300 kPa设置,剪切速率为0.4 mm/min,剪切结束条件为土样轴向应变达到20%。试验方案见表2。

表2 试验方案一览表Tab.2 List of test programs

2 试验结果

2.1 试样表观特征

图2为天然含水率土体及塑限含水率土体冻融循环后的表观特征。可以看出,在未经冻结时,两种土表面均较为光滑平整,可见黄土的天然孔隙结构。冻融7次后,土体表面均出现了颗粒脱离现象,局部可见较多脱离颗粒形成小团粒。冻融14次后,两种土样表面都出现了较为明显的破坏现象,裂隙扩张,局部土粒剥离产生的凹坑逐渐扩展、连通,相较于天然含水率土体,塑限含水率土体土粒剥离现象更为明显,产生凹坑数量也更多。

图2 试样冻融后表观特征Fig.2 Apparent characteristics of specimens after under freeze-thaw cycles

2.2 粘聚力

2.2.1 循环次数的影响

图3(a)为-25 ℃冻结时不同含水率土体粘聚力与冻融循环次数的关系曲线,可见土体的粘聚力随着冻融循环次数的增加先降低后有所回升。例如:含水率为5.11%时,土体粘聚力在循环次数为1、4、7、10、14时,下降量分别为3、4、2、3、-4 kPa;含水率为10%时,下降量分别为13、8、5、13、-20 kPa;含水率为15.8%时,下降量分别为6、3、0、0、0 kPa,可见同一含水率下,粘聚力在最初几次冻融时下降量大,下降量随循环次数增大而减小,且下降量基本在10次循环左右达到最大。

图3 砂黄土冻融后粘聚力特征图(-25 ℃)Fig.3 Statistical chart of cohesive forces after freezing and thawing of sandy loess (-25 ℃)

2.2.2 含水率及冻结温度的影响

图3(b)为-25 ℃冻结时粘聚力与含水率关系曲线。可见,土体冻融后粘聚力随含水率增大而减小,且含水率越大,粘聚力下降量越大,例如:N=4时,含水率由5.11%增大至10%时,粘聚力下降了5 kPa,由10%增大至15.8%时,下降了21 kPa。天然含水率下,粘聚力随循环次数增加变化明显;含水率增大至塑限,粘聚力仅在首次冻融时减小,之后则无明显变化。

如图4可见冻结温度对不同含水率土体粘聚力的影响不同。以5.11%、10%含水率土体为例:当含水率为5.11%时,粘聚力随着冻结温度降低而增大;当含水率为10%时,粘聚力随冻结温度降低而减小。

图4 不同冻结温度下粘聚力与循环次数关系图Fig.4 Cohesive forces versus number of freeze-thaw cycles relationship curves under different freezing temperatures

2.3 内摩擦角

图5为不同含水率土体内内摩擦角与循环次数关系曲线,可见,5.11%和15.8%含水率土体的内摩擦角整体上略有下降,但是下降幅度不大,10%含水率土体内摩擦角特征表现为不规则波动,整体无明显变化。此外,同一循环次数下,内摩擦角基本随含水率的增大而减小。对比图6(a)(b)能够发现,同一含水率土体的内摩擦角在不同冻结温度下数值十分接近,说明冻结温度对土体内摩擦角无较大影响。

图6 不同含水率土体峰值强度与循环次数曲线(100 kPa)Fig.6 Shear strength versus number of number of cycles for soils under different moisture contents (100 kPa)

2.4 峰值强度

2.4.1 循环次数的影响

图6是围压为100 kPa时不同含水率土体峰值强度与循环次数关系曲线。可见,土体的峰值强度随着冻融循环次数增加而减小,冻融进行到一定次数时,土体峰值强度的下降趋势逐渐减弱,甚至表现为有所回升。例如图6(a)中,10%含水率土体在冻融次数为1、4、7、10、14次时,峰值强度分别下降了27.07、39.14、2.44、17.31、-35.38 kPa,循环4次后下降量最大,之后下降趋势减缓,循环14次时峰值强度有所回升。

2.4.2 含水率及冻结温度的影响

由图6可以看出,同一循环次数下,含水率越大,土体峰值强度越小,且冻融后峰值强度下降空间减小,例如图6(a)中,含水率5.11%、10%、15.8%土体粘聚力最大值分别为355.48、299.59、194.47 kPa,最小值分别为208.89、213.63、137.79 kPa,较最大值分别下降了146.59、85.96、56.68 kPa。当含水率达到15.8%时,土体峰值强度整体较小。

对比图6(a)(b)可以看出,冻结温度对不同含水率土体峰值强度的影响不同。例如5.11%含水率土体在-25 ℃和-10 ℃冻结时,峰值强度降到最小所需的循环次数分别为14次、4次,即冻结温度越高,峰值强度下降越快。而10%含水率土体在-25 ℃冻结时,冻融4次后峰值强度便趋于稳定,说明冻结温度越低,强度下降越快。

3 砂黄土冻融特征规律

3.1 土体表观破坏特征分析

冻融循环作用使土体表面发生明显破坏,如图2所示,冻融循环次数越大,破坏作用越强烈。在土体冻融过程中,冻结时水分向冷端迁移,即由土体内部向外层迁移,而融化时,由于室温较高,导致冰晶融化速率快,水分在土中的回迁速度较慢,最终导致水分的迁移量大于回迁量,如此多次循环后土体外层的水量增大,水分冻结形成的冰晶数量和体积较大,冻胀和融沉作用更加强烈,严重破坏土粒间联结,表现为土体表面的破坏现象。高含水率土体冻融后表面的破坏现象更甚于低含水率土体,这是因为高含水率导致冻融过程中迁移到土体外层的水量更大,因此冻融作用对其结构破坏更加强烈。

3.2 土体粘聚力特征分析

同一含水率土体粘聚力随冻融循环次数增加先减小,冻融10次后粘聚力有所回升。这是因为在初始冻融阶段,土体中的水分不断冻结为冰晶,冰晶体快速形成,填充、扩张孔隙,使土颗粒间联结减弱,造成土体强度下降,随着冻融作用的进行,水分逐渐向土体外层迁移造成局部水分集中,土体内冰晶体积不断增大,对土结构持续累加破坏,导致土体强度持续降低。冻融10次左右,土中未冻水含量降低,冰晶体积和数量已逐渐达到峰值,即水分冻结对土的冻胀破坏达到极限,强度下降趋势减弱,而此时土体结构松散,抵抗自身重力及融沉作用的能力降低,两种作用叠加下使土颗粒间联结有所增强,促使土体结构强度有所恢复,因此粘聚力有所回升。但总体上,特别是短期冻融时,冻融作用仍导致了土体粘聚力降低。

土体冻融后的粘聚力随初始含水率的增加而减小,且含水率越大,粘聚力下降幅度越大。天然含水率下,土体随冻融进行表现为明显的累积破坏效应,粘聚力对循环次数有着明显响应,含水率增大到塑限时则没有这种表现,这是因为一方面含水率增大导致土中自由水含量增加,润滑作用及溶解作用弱化了粒间联结,使土体的原始强度下降,含水率越大,土体原始结构强度破坏越严重。另一方面在同一温度下,含水率高的土体内可形成的冰晶体积和数量都显著增多,提升了土体冻胀破坏的效果,从而使冻融作用对土体结构的破坏效应增强;在较少的冻融循环次数下土体结构强度即降到最低,导致冻融累积破坏效应不明显。

不同冻结温度对不同含水率土体粘聚力影响不同,这与不同温度下水分冻结速率和可迁移量有关。对于5.11%含水率土体而言,-10 ℃冻结时,土体中水分的冻结速度较慢,使得水分有较多时间和空间向外层迁移,造成土中局部水量集中,冻胀及水软化作用对土结构破坏效应也就更强;而-25 ℃冻结时,土体中水分冻结速度快,孔隙很快被封闭,水运通道阻塞,水分迁移量和速度都较小,难以出现-10 ℃时的水分集中,形成的冰晶体积不大,冻胀破坏效应不强,故粘聚力在极低冻结温度小反而较大。而10%含水率土体,虽然在-25 ℃冻结时水分迁移较慢,但其水分总量大,水分相对迁移量增加,并且大量自由水可直接冻结形成较大体积冰晶,使相同时间内产生的冰晶体积和数量大于-10 ℃冻结时,冻胀破坏效应更强,故粘聚力随冻结温度降低而减小,这也说明高含水率土体在极端低温冻融条件下更易导致土体强度劣化。含水率达到15.8%时,在不同冻结温度下,土体粘聚力均在首次冻融时下降最大,之后粘聚力则在一定范围内保持相对稳定,与冻融循环次数关系不大,这是因为此含水率下,土中自由水含量很高,土体粘聚力的劣化主要是水对结构的软化作用导致,而冻融循环作用对其影响减弱。

3.3 土体内摩擦角特征分析

土体内摩擦角随着冻融循环次数增加而有所减小。这是因为原状土颗粒间接触密实,经过冻融作用,土中孔隙冻胀扩大,土颗粒之间接触减少,因此导致内摩擦角降低,在最初几次冻融时,变动并不明显,但随着冻融累积破坏,结构愈加疏松,内摩擦角逐渐降低。土颗粒表面的结合水膜随含水率增大而变厚,润滑作用使土粒表面的摩擦力降低,因此导致土体内摩擦角随含水率增大而减小。不同冻结温度改变了水分的冻结速度,但并没有改变土粒间结构破坏的方式,因此土体内摩擦角受冻结温度影响小。

3.4 土体峰值强度特征分析

土体峰值强度随着冻融循环次数增加而减小。如图6所示,峰值强度在最初几次冻融后下降明显,之后则处在一个相对稳定区间,图6(b)中,冻融1次、4次时,5.11%含水率土体峰值强度小于10%含水率土体,冻融7次后则相反。分析认为:-10 ℃冻结时,水分冻结速度慢,可发生明显迁移,10%含水率土体内孔隙水含量大,冻结时孔隙被冰封程度高,水分迁移受阻,但5.11%含水率则相反,因此其水分迁移速度快,水分较快集中,冻胀破坏较快使土体结构强度降低,冻融7次后,5.11%含水率土体冻胀破坏达到极限,强度开始回升,而10%含水率土体此时累积水分迁移量大,因此冻胀对土体结构的破坏超过5.11%含水率土体。这一点也说明,较高温冻结时,土体内水分可发生明显迁移且与土体初始含水率密切相关,含水率越小,水分迁移越快,冻融对土体结构破坏速度越快。

与粘聚力变化特征相似,随着土样初始含水率增大,土体的峰值强度明显减小,且含水率越大,峰值强度的总体下降量越小,冻结温度对不同含水率土体峰值强度的影响不同,这一点同样与粘聚力变化特征相同。以上说明冻融后土体强度下降的主要原因是粘聚力的劣化。

4 土体粘聚力劣化趋势拟合

基于-25 ℃冻结条件下粘聚力与冻融循环次数、含水率的数量关系,得到它们的特征曲线如图3所示,土体粘聚力随冻融循环次数的增加呈非线性函数关系,对粘聚力试验数据进行拟合分析时发现,拟合效果较好,具体如下:

C=a+b·exp(-k·N)

(1)

式中,C—粘聚力,kPa;N—冻融循环次数;a、b、k—拟合参数。

不同含水率条件下粘聚力与循环次数的拟合参数具体数值见表3,除10%含水率土体外,相关系数R2均大于0.9,拟合效果较好。

表3 粘聚力与循环次数的拟合参数值(-25 ℃)Tab.3 Fitting parameter values for cohesive forces versus number of cycles relationship (-25 ℃)

由表3可以看出,参数与含水率之间存在数学关系,因此,参数值a、b、k作为已知量,分析含水率的影响,拟合发现拟合参数与含水率w之间存在函数关系,具体见式(2)—(4)。

a=38.787 7-2.17w,R2=0.992 6

(2)

b=-38.937 4+12.665 4w-0.609 8w2,

R2=0.999 6

(3)

k=-0.081 6+0.070 6w2,R2=0.909 9

(4)

将参数拟合式代入式(1)中,可得-25 ℃冻融循环条件下粘聚力劣化的表达式如下:

C=38.787 7-2.17w+(-38.937 4+

12.665 4w-0.609 8w2)·exp(-

(-0.0181 6+0.070 6w2)·N)

(5)

5 结论

1)冻融循环作用导致砂黄土结构破坏,且随冻融循环次数增加或含水率增大而加剧。

2)砂黄土粘聚力随冻融循环次数增加先减小后有所回升、随初始含水率增加而减小。冻结温度对不同含水率土体粘聚力影响不同,含水率为5.11%时,粘聚力随冻结温度降低而增大;含水率为10%时,粘聚力随冻结温度降低而减小;含水率为15.8%时,冻融作用的影响较小。

3)土体内摩擦角在冻融循环作用下有所减小,但总体下降量不大。

4)冻融循环作用导致土体强度下降的主要原因是粘聚力的劣化。

5)高含水率极端低温冻结及低含水率较高温冻结两种组合条件均加速了冻融循环作用对砂黄土强度的破坏。