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    凍融作用對原狀黃土抗剪強度的影響規律

    2020-04-17 14:45:26 土木建筑與環境工程 2020年1期

    李雙好 李元勛 高欣亞 石冬梅

    摘 要:以西寧市某區域內原狀黃土為研究對象,設計封閉系統下的三向慢速凍結試驗、恒溫恒濕的融化試驗以及三軸剪切試驗。基于土的莫爾庫倫強度理論,利用抗剪強度包線求解黏聚力和內摩擦角,研究不同凍融溫度梯度下抗剪強度指標的變化規律。結果表明:隨著溫度梯度增大,黏聚力衰減速度顯著,衰減為極小值時的最不利凍融溫度梯度為-15~15 ℃;凍融黃土的黏聚力與冷端溫度、融化溫度有關;較低含水率和較小冷端溫度耦合作用或較高含水率和較大冷端溫度耦合作用時,與冷端溫度相比,融化溫度為主導影響因素。隨著冷端溫度的增大,不同含水率試樣的黏聚力降低幅度呈先減小、后增大的規律,最不利的含水率為18.34%。內摩擦角呈現出不規律性波動,變化幅度約為0~14°。由試驗數據擬合出黏聚力隨冷端溫度和含水率變化規律的計算式,經試驗驗證,計算式能較好地描述其變化特性。

    關鍵詞:凍融;原狀黃土;溫度梯度;含水率;抗剪強度

    中圖分類號:TU411.7 文獻標志碼:A 文章編號:2096-6717(2020)01-0048-08

    Abstract:Taking the intact loess in a certain area in Xining as the research object, they were designed the three directions slow freezing test under the closed system, the constant temperature and humidity thawing test and the triaxial shear test. Based on the Mohr-Coulomb strength theory of soil, the cohesion and internal friction were solved by using the shear strength envelope, and the variation of shear strength indexes under different freezing thawing temperature gradients are studied.The results show that: with increase of temperature gradients, the cohesion decay rate is remarkable, and it is -15~15 ℃ for the most disadvantageous freeze-thaw temperature gradient when the cohesion is minimum;The cohesion of frozen-thawed loess is related to the cold end temperature and thawing temperature;Compared with cold end temperature, the thawing temperature is the dominant factor when the moisture content is lower and the temperature at the cold end is lower, or the temperature at the cold end is higher. With the increase of the cold end temperature, the cohesion of samples with different moisture contents decrease firstly and then increase, the most disadvantageous moisture content is 18.34%.The internal friction shows irregular fluctuations, and the extent of variation is about 0°~14°. The calculation formula of the cohesion with the cold end temperature and moisture content is fitted by the experimental data. The experimental formula can better describe the variation characteristics of cohesion.

    Keywords:freeze-thaw; intact loess; temperature gradient; moisture content; shear strength

    在高寒高海拔黃土地區進行工程建設,不僅需要考慮冬季施工中較大的晝夜溫差(夜晚低溫,白天高溫),還要考慮惡劣天氣情況。如凍雨、積雪、霜凍,這些不確定因素將會導致黃土凍融效應愈發強烈。因此,在冬季施工時,要確保工程的長期性和穩定性,如何準確選用黃土的強度指標將成為關鍵。

    目前,凍融黃土強度指標變化規律研究已經取得了一些成果。其一是基于以含水率為影響因素的研究:有的結論為黏聚力減小、內摩擦角增大[1-3],有的結論為黏聚力減小、內摩擦角基本不變[4-5],有的結論為黏聚力、內摩擦角均減小[6];其二是針對凍結溫度對土體凍融效應的影響特性:Liu等[7]在不同的冷端溫度和單向融化溫度條件下進行試驗研究,發現土體強度隨冷端溫度的降低而升高;王鐵行等[3]研究凍融原狀黃土,發現黏聚力的降低值和內摩擦角的增加值分別與凍結溫度成正比;宋春霞等[8]以蘭州黃土容重為試驗變量,使其在不同凍結溫度下進行試驗研究,結果表明凍結溫度增大,黏聚力降低幅度也增大,但內摩擦角增加幅度卻比較小;許健等[9]基于抗剪強度劣化試驗研究,得出黏聚力強度劣化模型。

    綜上所述,學者們已對凍融黃土強度研究做了大量工作,發現含水率、凍結溫度等是影響黃土強度的重要因素。但大多研究影響黃土強度的溫度變量較為單一,缺少對凍融溫度梯度影響因素的研究,也缺少凍融溫度梯度與含水率耦合作用下對土體強度變化規律的影響研究。因此,有必要以溫度梯度、含水率為變量,研究凍融原狀黃土強度指標變化規律。筆者針對青海西寧地區特殊的地質和氣象條件,開展了凍融循環作用下的原狀黃土抗剪強度指標研究。

    1 試驗概況

    1.1 試驗材料

    試驗用原狀黃土取自青海西寧某區域,取土深度范圍為0.5~2.0 m,顏色為黃色。由地勘報告知,試驗用土由第四系①1層植被土(Q3pd)、①1層素填土(Q4ml)

    1.2 試驗方法

    1.2.1 凍融循環試驗 試樣凍結采用專業試驗箱,溫度控制范圍為-50~50 ℃,精度為0.1 ℃,能夠滿足試驗要求。為了模擬封閉系統下無外界水源補給的試驗情況,首先,使用保鮮膜將原狀黃土三軸試樣密合地包裹,放置于密封袋中,防止水分散失。然后,將密封袋中裝有密切貼合的保鮮膜試樣,放置在墊有雙層氣泡膜的試驗托盤上,防止試樣在凍融過程中出現破損現象等,以免對試驗結果造成影響。接下來,在試驗箱上分別設置冷端溫度-5、-10、-15 ℃,試樣在試驗箱凍結12 h。最后是試樣融化,分別放在空調溫度設置為10、15 ℃的試驗室,保證試樣在恒溫恒濕的環境下融化12 h。試樣經歷一次凍融循環時間為24 h,溫度傳感器測量證明,試樣凍結12 h可以完全凍透,融化12 h能夠徹底融透。

    首次凍融后強度指標變化明顯,但與黃土初始狀態無關,且能總體反映其大致變化趨勢。在青海高寒黃土地區的實際工程應用中,基坑、邊坡開挖后暴露,突遇雨雪等惡劣天氣情況等,不能得到有效的防護,導致坑壁至少經歷一次凍融循環。資料表明,凍融循環初期對其影響劇烈,破壞性較強,會帶來不可估量的損失。且由于單次凍融試驗次數較少,故試驗周期較短,試驗進度較快。從工程建設角度考慮,有較好的參考價值,所以只進行了單次凍融黃土試驗。

    1.2.2 三軸剪切試驗 凍融循環試驗完成后,進行三軸剪切試驗,操作步驟嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)規定。根據原狀欠固結黃土被埋置的不同深度,先估算出相應靜止土壓力,然后考慮儀器誤差對試驗結果帶來的影響(低圍壓影響大),在一定范圍內,找到圍壓的一個平衡點,使得施加圍壓值大于先期固結壓力,得出的黏聚力才不會偏大,更符合實際情況。得到圍壓值分別為50、80、120 kPa。利用SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀進行三軸剪切試驗(UU),剪切速率為0.4 mm/min。

    1.3 試樣制備

    現場取原狀黃土時,先用箭頭標示出土體沉積方向,然后,在垂直于箭頭方向切割成土條,制備成直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體三軸試樣。由土樣干密度計算出試樣需要增加或減濕質量,使用蒸餾水滴定來配置目標含水率,分別為18.34%、24.34%。或用烘箱烘干試樣至恒重,再使用蒸餾水滴定來配置目標含水率8.34%,天然含水率為12.34%。使用密封袋密封養護試樣數天,使水分通過水膜壓力作用在各個方向上得到轉移,最終達到水分在試樣內分布均勻的目的。試樣含水率為8.34%、12.34%、18.34%、24.34%時,相應的試樣飽和度分別為0.23、0.34、0.50、0.65。

    1.4 凍融試樣變化特性

    圖1為試樣在不同含水率下的密度變化曲線。由圖1可知,凍融后試樣密度均隨含水率增大呈增大趨勢。而凍融后試樣密度比未凍融試樣密度均降低,密度降低最大幅度為0.09 g/cm3,平均降低了0.04 g/cm3。試樣密度降低的主要原因在于土體中水分在冷端溫度下發生相變,水分變成冰,相對體積增大。同時增加了側向位移量,從而相應的孔隙體積也會增大。含水率為8.34%、12.34%、18.34%的試樣,凍結時體積均增大。含水率越大,體積膨脹量越明顯,所以18.34%的試樣體積增大最為明顯,側向變形量達到1.3 mm。當含水率為24.34%時,在凍結溫度梯度下密度和未凍結時變化量不明顯,說明試樣體積變化不明顯。高含水率試樣體積出現脹縮趨勢,說明凍融作用會對土體密度產生雙向性。

    2 不同條件下的原狀黃土抗剪強度指標變化規律

    為便于分析與理解,將8.34%~18.34%的含水率定義為較低含水率,相應的較低飽和度為0.23~0.34;將18.34%~24.34%的含水率定義為較高含水率,相應的較高飽和度為0.50~0.65。試驗箱設定的凍結溫度傳遞到試樣表面為冷端溫度,凍融溫度梯度由冷端溫度和融化溫度組成。由于溫度梯度是矢量,所以定義的溫度梯度值(標量)為冷端溫度絕對值和融化溫度之和,即冷端溫度的大小表示為其數值的絕對值,文中的溫度梯度、冷端溫度均為標量。溫度梯度值小于等于20 ℃時定義為較小溫度梯度,則較小溫度梯度分別為-5~10 ℃、-10~10 ℃、-5~15 ℃,較大溫度梯度分別為-15~10 ℃、-10~15 ℃、-15~15 ℃。

    2.1 不同溫度梯度條件下對原狀黃土黏聚力的影響

    圖2為不同溫度梯度下的黏聚力變化曲線。圖2(a)中融化溫度為10 ℃時,隨著冷端溫度增大,不同含水率試樣的黏聚力總體均呈降低趨勢,說明冷端溫度是影響凍融黃土黏聚力變化的因素。與胡田飛等[10]的研究結果一致,由于相變特征,試樣內未凍水含量越少。冷端溫度越大,轉化為冰晶的比例更大,從而冰晶擠壓土骨架,降低有效應力,土顆粒之間會產生相對位移,削弱顆粒間聯結性。宏觀表現為黏聚力下降。隨著溫度梯度由-5~10 ℃增加到-15~10 ℃,不同含水率(8.34%、12.34%、18.34%、24.34%)試樣的黏聚力降低幅度分別為36%、21%、17%、23%,

    即黏聚力的破壞程度隨含水率的增大呈先減小后增大的趨勢。在含水率為18.34%時,凍融黃土試樣膨脹的側向位移量最大,凍融前后密度變化量相對較小,故18.34%是臨界含水率值。即存在一個最不利的含水率使得凍融黃土黏聚力衰減幅度最為明顯。

    圖2(b)中融化溫度為15 ℃時,隨著冷端溫度增大,不同含水率試樣的黏聚力總體均呈降低趨勢。冷端溫度影響凍融試樣的黏聚力值。于琳琳等[11]指出,凍結溫度越低,且達到一定臨界值時,黏聚力變化趨勢會發生改變。隨著溫度梯度由-5~15 ℃增加到-15~15 ℃,不同含水率試樣的黏聚力相應降低幅度分別為36%、29%、41%、52%。從試驗結果可知,隨著溫度梯度增加,較高含水率的黏聚力降低幅度較大。可見,當冷端溫度越大,隨飽和度(含水率)增大時黏聚力明顯減小。較高飽和度試樣融化后水分較多,即顆粒間的水膜厚度增大,使得試樣內存在的膠結體消失,故較高含水率的黃土試樣在較大的冷端溫度下凍結,其黏聚力會明顯降低。當含水率分別為18.34%、24.34%,融化溫度為15 ℃時,冷端溫度由-5 ℃變化到-10 ℃,黏聚力變化幅度分別為17%、12%;由-10 ℃變化到-15 ℃,黏聚力變化幅度分別為30%、46%。由此可見,-10~15 ℃是黏聚力衰減幅度顯著的轉折點,黏聚力從此處下降速度加快。即存在一個最不利的凍融溫度梯度值-15~15 ℃。究其原因,由于試樣為慢速凍結,試驗箱內的試樣達到冷端溫度-15 ℃時,大部分水分將遷移到冷端處凍結,故凍結后的試樣表面上析出一部分小冰晶體,而后在較高溫度15 ℃融化時,試樣內部和表面的固態冰晶完全轉化為液態水,孔隙體積比例縮小,得到有效密合,這與試樣凍融后出現的凍縮趨勢相一致。同時,從物理性質解釋,凍融前后密度變化量相對來說最小,最后結果是黏聚力變小。

    2.2 不同含水率條件對原狀黃土黏聚力的影響

    圖3為不同含水率下的黏聚力變化曲線。圖3(a)中,當含水率為24.34%、溫度梯度為-15~10 ℃時,黏聚力下降到極值9.8 kPa。究其原因,高含水率試樣在較大凍結溫度作用下,土顆粒被較厚的冰包裹,融化后的土顆粒之間進行重組,且凍融后試樣密度比未凍融密度小0.03 g/cm3,密度對較高飽和度試樣的黏聚力變化規律有一定影響。表現為土體越密實,飽和度對土體黏聚力的影響越明顯。

    圖3(b)中,不同含水率和不同溫度梯度-5~15 ℃、-10~15 ℃、-15~15 ℃耦合作用。隨飽和度增大,相應黏聚力降低范圍分別為9%~22%、5%~19%、12%~46%。表明試樣飽和度由0.23增加到0.65時,黏聚力降低幅度有先減小后增大的趨勢。原因在于,較低飽和度試樣內部空氣水壓力與孔隙氣壓力差值較大,較高飽和度試樣差值卻較小。當空氣水壓力和孔隙氣壓力達到一個動態的平衡時,土體內的基質吸力對黏聚力的作用最大。王天亮等[12]研究凍融循環后土體的破壞強度,在冷卻溫度大于-20 ℃范圍內時,強度近似線性減小。本文試樣在溫度梯度為-15~15 ℃時,黏聚力呈線性下降,即轉入線性減小階段。原因在于,前者未凍水含量達到極限狀態的溫度值相對較低,在較高融化溫度(15 ℃)時,試樣中的冰融化成水后,體積縮小,較之前凍脹時產生一定的融陷現象,這與圖1分析的試樣凍縮現象一致,也是密度變化量和未凍結時很接近的原因所在。根據熱能平衡原理,加快融化水分在孔隙中的流動速度,導致裂縫寬度進一步變大,顆粒與顆粒之間的接觸面積變小,黏聚力降低,劣化接近極限。含水率為15%左右、溫度梯度為-10~15 ℃和-15~15 ℃時,黏聚力增大幅度達到46%。當含水率為24.34%時、溫度梯度為-15~15 ℃時,黏聚力下降到極值5.1 kPa。原因同溫度梯度為-15~10 ℃時,黏聚力下降到極值9.8 kPa相同。不同之處在于,融化溫度為15 ℃時,凍融后密度比未凍融密度減小0.01 g/cm3。

    2.3 不同溫度梯度、不同含水率耦合條件下黏聚力變化規律

    由圖2、圖3可知:1)冷端溫度影響黏聚力衰減顯著,因此,冷端溫度是影響凍融黃土黏聚力衰減的主要因素。從試驗結果的大致趨勢可以看出:隨含水率不斷增大,當為較大溫度梯度時(-15~10 ℃),黏聚力變化幾乎呈線性;而在較大溫度梯度(-10~15 ℃)時,黏聚力變化呈非線性衰減。可見,在較大溫度梯度范圍內,融化溫度是影響凍融黃土聚力值衰減的因素之一。2)圖2(a)中,融化溫度為10 ℃時,冷端溫度由-5 ℃變化到-15 ℃,不同含水率試樣的黏聚力降低幅度分別為36%、21%、17%、23%;圖2(b)較圖2(a),僅融化溫度不同。溫度為15 ℃,相同的冷端溫度,其降低幅度分別為36%、29%、41%、52%。對比圖2(a)、(b)可知,融化溫度15 ℃比10 ℃的降低幅度偏大,且不同含水率試樣的黏聚力降低幅度差分別為0%、8%、24%、29%。可見,試樣含水率越大,幅度差越明顯,融化溫度影響越大。同時,也間接說明較大凍融溫度梯度和較高含水率耦合作用時,溫度梯度和含水率共同影響黏聚力值變化。由圖3可知,當含水率為24.34%、冷端溫度為-15 ℃時,圖3(a)中融化溫度為10 ℃時,黏聚力下降到極值9.8 kPa;圖3(b)中融化溫度為15 ℃,黏聚力下降到極值5.1 kPa。對比圖3(a)、(b)可知,融化溫度10 ℃與15 ℃的黏聚力差值是4.7 kPa,密度變化差值0.02 g/cm3。冷端溫度(-15 ℃)相同時,融化溫度越大,黏聚力越小。

    圖4為融化溫度由10 ℃升高到15 ℃時的黏聚力變化量。較高含水率試樣作用在大于冷端溫度-10 ℃時,融化溫度對黏聚力的變化量比冷端溫度影響明顯。原因在于,當較低含水率和較小的冷端溫度耦合作用下;或較高含水率和較大的冷端溫度耦合作用下。說明原狀欠固結黃土融化后體積增大,試樣相應的體應變增大;且密度比未凍融前變小,土體變疏松,相應的剪應變變小。此時,融化溫度相較于冷端溫度占主要因素,影響凍融黃土黏聚力值。

    2.4 不同溫度梯度條件下對原狀黃土內摩擦角的影響

    圖5為不同溫度梯度下的內摩擦角變化曲線。由圖5可知:含水率為8.34%、12.34%時,隨著溫度梯度的增加,內摩擦角呈增大趨勢。且溫度梯度由-5~10 ℃增加到-15~10 ℃,內摩擦角增大幅度分別為25%、17%;溫度梯度由-5~15 ℃增加到-15~15 ℃,黏聚力增大幅度分別為41%、35%。由此可見,內摩擦角隨凍融溫度梯度增加幅度較大。當融化溫度較高時,試樣內冰融化成水分子速度增快,增加了土顆粒之間的距離,同時改變土顆粒形狀和排列方式。即土顆粒間接觸點增多,內摩擦角增大。當含水率為18.34%時,溫度梯度由-5~10 ℃增加到-15~10 ℃和由-10~15 ℃增加到-15~15 ℃時,內摩擦角均呈減小變化趨勢。凍融后密度比未凍融密度減小,宏觀表現為內摩擦角減小。可見,試樣較未凍融前變疏松,水分對土體顆粒有一定潤滑作用。潤滑作用在較高飽和度試樣上表現顯著,所以,內摩擦角隨溫度梯度的增大而呈現減小趨勢。當含水率為24.34%時,溫度梯度由-10~10 ℃增加到-15~10 ℃時和由-10~15 ℃增加到-15~15 ℃區域段時,摩擦角的變化趨勢剛好相反。究其原因,當融化溫度為10 ℃時,含水率增加,凍融黃土使孔隙比例增大,相應的密度減小,導致土顆粒接觸面積減小;同時,水分在土壤顆粒表面形成潤滑劑,使土顆粒間嵌合作用越小,顆粒松散化,導致內摩擦角下降。

    2.5 不同含水率條件下對原狀黃土內摩擦角的影響

    圖6為不同含水率下內摩擦角的變化曲線。由圖6可知:內摩擦角隨著含水率(飽和度)增加呈減小趨勢。因為飽和度較小時,試樣內部趨于干燥狀態,隨著飽和度增加,土顆粒之間水分增多,水膜加厚,土顆粒之間摩擦系數降低,且原狀欠固結黃土的結構性對強度的影響主要表現在內摩擦角的降低。當溫度梯度為-10~10 ℃、-15~15 ℃時,含水率在18.34%~24.34%范圍內時,內摩擦角呈漸增趨勢。不同溫度梯度的凍融黃土隨著含水率增大,內摩擦角呈減小趨勢,減小的最大幅度高達65%。從內摩擦角總體變化趨勢來看,

    先增大后減小,顯然并沒得出明確相關變化規律,所以,將內摩擦角參數反應強度指標問題放在次要因素考慮。

    3 不同冷端溫度條件下對原狀黃土黏聚力的變化規律

    3.1 黏聚力計算公式

    基于圖3(a)中凍融溫度梯度、含水率、黏聚力之間的變化曲線,通過數學方法處理試驗數據,得到不同含水率條件下凍融黃土的黏聚力變化值。

    分析數據發現,在不同的冷端溫度下,黏聚力與試樣含水率較好地符合指數衰減相關關系,對黏聚力進行變量擬合,得到其函數表達式為

    由圖3(a)中曲線可知,當凍融黃土隨冷端溫度增大時,黏聚力呈階梯下降趨勢,但下降幅度不同;在不同冷端溫度下,試樣黏聚力與含水率變化曲線呈非線性關系;在-15 ℃的冷端溫度時,黏聚力呈現快速衰減趨勢。原因在于冷端溫度越大,試樣內沒有未凍水分,冰晶的膨脹作用降低了土顆粒之間的膠結力。同時,試樣融化后,土顆粒之間被水分包圍,凍結時增大的孔隙在水分子的作用下土顆粒出現一定的融陷作用,所以,黏聚力呈衰減趨勢。對較低含水率試樣進行首次凍融,與黏聚力降低幅度顯著的研究結果相互吻合[13]。不同含水率、黏聚力變量下得出的擬合參數見表2。

    把表2中的擬合參數a、b、c作為已知值,進一步考慮溫度因素影響,進行模型擬合分析。由于冷端溫度影響黏聚力衰減明顯,對凍融效應影響較大,所以,將冷端溫度t作為自變量進行擬合。擬合發現,at符合線性關系,bt和ct符合二次多項式關系。圖7為擬合出的結果,均有較高精度。對模型參數a、b、c進行線性擬合能取得較好結果。擬合公式見式(2)~式(4)。不同冷端溫度的擬合參數見表3。

    3.2 計算值與試驗值驗證

    基于不同含水率(8.34%、12.34%、18.34%、24.34%)建立黏聚力計算公式,并用獨立的試驗數據來驗證其正確性。應用w=22%時的試驗數據進行驗證,結果如圖8所示。在溫度梯度分別為-5~10 ℃、-10~10 ℃、-15~10 ℃時,根據表3、表4擬合參數,得出黏聚力計算值C,其值分別為13.3、11.1、10.2 kPa。黏聚力的試驗值分別為13.5、11.6、10.3 kPa,其差值分別為0.2、0.5、0.1 kPa,誤差比例變化范圍0.97%~4.31%。通過對黏聚力C的計算值和試驗值比較發現,二者吻合較好。由此證明式(5)能夠較好地模擬西寧地區黃土在冷端溫度和含水率共同作用下的黏聚力變化特性。

    4 結論

    1)當融化溫度為15 ℃時,隨冷端溫度增大,含水率為18.34%、24.34%的黏聚力呈折線下降趨勢,出現斜率突減的拐點。由此可知,較高含水率和較大溫度梯度耦合作用時,黏聚力值變化幅值顯著。凍融溫度梯度對黃土強度影響效應大,15℃(融化溫度)比10℃的黏聚力衰減幅值大,融化溫度是影響黏聚力減小的原因,-15~15 ℃和18.34%為最不利凍融溫度梯度值和含水率。

    2)溫度梯度為-15~15 ℃時的黏聚力呈線性規律變化。較低含水率和較小的冷端溫度耦合作用下時,或較高含水率和較大的冷端溫度耦合作用下,融化溫度均占主導影響因素,影響凍融黃土黏聚力變化。此時融化溫度越大,黏聚力越小。

    3)由試驗數據得到了含有含水率和冷端溫度變量的凍融黃土黏聚力表達式,經試驗驗證,表達式能較好地描述土體黏聚力變化特性。

    4)凍融黃土內摩擦角變化呈現出不規律性,變化幅度約為0~14°。

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    (編輯 胡玲)

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