冻融循环作用下冻结冰碛土剪切特性_刘耀辉.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 冻融循环作用下冻结冰碛土剪切特性刘耀辉，陈志敏，郭利民，李宁，李高娟，李江鹏（兰州交通大学土木工程学院，兰州 ；中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 ）摘要：针对中国西南某高速铁路昌林段沿线冰碛土的特殊环境，通过相似级配法对冻结冰碛土进行固结排水直剪试验，研究冻融循环次数与初始含水率对冻结冰碛土力学性能的影响。结果表明：冻融循环次数是影响冻结冰碛土抗剪强度的重要因素，而初始含水率影响不大；该土样的抗剪强度与冰饱和度密切相关，在初始含水率为 时存在最大值；冻融循环致使土体强度持续降低，较低初始含水率时的强度损失与冻融次数基本呈线性关系，高初始含水率时前期冻融循环对土体的破坏作用更为明显；个因素对土体内摩擦角的影响不大，对黏聚力的影响显著。引入综合性参数（），建立了黏聚力与值的指数函数模型，回归分析结果表明，该模型能够较好地描述值与黏聚力之间的关系。关键词：冰碛土；冻融循环；含水率；抗剪强度；指数模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；甘肃省建设科技攻关项目（）第一作者：刘耀辉（），男，硕士研究生，主要研究方向为桥隧工程通信作者：陈志敏，教授，主要研究方向为岩土与地下工程，冰碛土指土壤在冰期被冰包裹、在间冰期温度升高而形成的特殊土壤，具有分选性差、不具层理、碎屑物无定向排列等特点，崩塌、滑坡等工程问题突出。冰碛土作为一种特殊的岩土材料，在高海拔、高纬度地区分布广泛。第四纪以来，冰川作用多次在青藏高原发生，典型的冰碛地貌在该地区形成。中国西南某高速铁路昌林段（以下称昌林铁路）沿线气候环境恶劣，沿途众多隧道、边坡、地基工程都建设在广袤的冰碛地貌上。近年来，由于冰碛物特殊的工程特性和越来越多的工程建设需要，国内外诸多学者对冰碛土进行了广泛研究。国际上对冰碛土研究较早，等研究了冰碛土的颗粒级配，得到了粗细颗粒最优组合比例，并提出了拇指法则；等将试验结果与工程实际相结合，在房建方面提出了处理冰碛土地基的方案；等通过空心圆筒仪器试验、三轴试验和小应变应力探测试验，研究了英格兰 冰碛土的刚度和抗剪强度各向异性，展示了各向异性对岩土工程的重要意义；等通过一系列排水直剪试验，对饱和、非饱和冰碛土剪切特性和临界状态进行了深入研究，发现含水率是影响冰碛土剪胀性的重要因素。我国对冰碛物的研究起步较晚，近年来，冰碛地貌上的工程项目越来越多，特别是进入 世纪以来，研究成果丰硕。何迎红等、张斌等、屈智炯等、肖晓军等 从高低压力、微观结构方面研究了冰碛土的应力应变强度特性，提出了优于剑桥模型、剑桥修正模型的剪胀模型；王明年等 采用现场取样、室内土工试验和数值第期刘耀辉，等：冻融循环作用下冻结冰碛土剪切特性模拟的方法，对冰碛层围岩稳定性及亚分级展开了研究；罗飞等 研究了寒区冰碛土的变形特性，改进了冻结冰碛土应变软化模型；张永双等 现场调查了玉龙雪山西麓的冰碛物，研究了冰碛砾岩的胶结成分与胶结作用；李骅锦等 对四川理县小歧村冰碛土的水敏特征进行了研究，建立了 修正模型。现有研究成果大多是研究非冻结且级配优良冰碛土的本构模型、成分及结构特征，而冰碛土具有极大的不均匀性，对于级配不良冰碛土在冻融循环条件下初始含水率变化对其强度影响的研究尚不多见。反复冻融环境下，水分相变、冰晶生长和水分迁移对土颗粒和孔隙的反作用力 会对土体的结构性产生影响。昌林铁路沿线气候环境恶劣，受昼夜交替及季节变化影响，冻融效应显著。同时，受降雨影响，冰碛土含水率也随之变化。本文依托昌林铁路建设，针对冰碛土易滑塌的工程特性和昌林铁路沿线的恶劣环境，对经历不同冻融循环次数、不同初始含水率的冻结冰碛土进行直剪试验，研究其剪切特性，以期为昌林铁路建设提供参考依据。固结排水直剪试验 试样制备采用相似级配法配置试验土样，将土样过筛，筛分后的土样如图所示。杨东旭等 实地调研了昌林帕隆藏布段冰碛土，指出冰碛土天然密度为 ，含水率、含石率是主要影响因素，含水率为 ，不均匀系数（）、曲率系数（）分别为、，土颗粒明显少于其他粒组。考虑冰碛物具有极大的不均匀性，配置试样不均匀系数，曲率系数，干密度为 ，属于不均匀级配不良土，颗粒级配曲线如图所示。与普通非冰碛土相比，配置的土样不具层理，砾、砂无定向排列。采用快速固结的方法进行土体固结，对土体分级加压约，测试记录的压缩稳定时的千分表读数不足 ，故认为达到快速固结试验标准。图筛分后的土样 图颗粒级配曲线 昌林铁路沿线山高谷深，沟壑纵横，经调研，该地区冰碛土分布广泛，埋深不同。昌林铁路沿线气候变化明显，最低平均气温为，最高平均气温为，同时昼夜温度变化显著。受西南季风影响，雨季集中在夏季。为探究该地区冰碛土在不同环境下的强度特性，以冻融循环次数和初始含水率为变量 设 置 试 验。冻 融 循 环 次 数 分 别 为、次，同时综合考虑季节和昼夜温度变化带来的温度差异，将制备好的环刀试样放入 低温环境中冷冻 后取出，再放入 常温环境下，此过程重复进行，用以模拟冻融循环过程；初始含水率分别为、。为防止水分挥发，用保鲜膜将试样包裹严密，如图所示。图部分试样 实验仪器采用 型调速应变控制四联直剪仪。为尽量减小装样过程中试样融化而造成的不利影响，将低温箱搬至直剪仪器旁边，从中取出试样后迅速装样试 验。添 加 的 法 向 应 力 分 别 为 、，装样时在试样上、下均放滤纸。考虑到剪切时周边环境温度的影响，不宜使剪切时间过长，调整剪切速率为 ，剪切位移达时停止，对试样进行固结排水直剪试验。整理所得试验数据，消去无效点对试验结果的影响。试样剪应力计算公式为 。（）式中：为 剪 应 力，；为 测 力 计 率 定 系 数，（）；为测力计读数，；为试样初始面积，由于是标准环刀试样，取值为 。中 国 科 技 论 文第 卷 冰碛土的剪切行为根据试验数据绘制应力应变关系曲线，不同初始含水率下的剪应力与剪切位移关系曲线如图所示。由图知：在低法向应力（）下，试样表现为弱应变软化现象；法向应力为 、时，试样表现出弱应变硬化现象。试样在经历了相同的冻融循环之后，初始含水率对其应力应变曲线有影响，具体表现为：在冻融循环次数较少（冻融循环、次）时，剪应力随初始含水率的增大而升高；但当经历较多次冻融循环作用后这一规律发生改变，初始含水率为 时剪应力最大，当初始含水率为 时该曲线明显降低，在较高法向应力下甚至低于初始含水率为 时的剪应力。图不同初始含水率下的剪应力剪切位移关系曲线 试样均经历了个变形阶段：线弹性阶段、非线性阶段和破坏阶段。在线弹性阶段，法向应力越高，直线的斜率越大，即剪应力增长趋势更为剧烈。根据试验数据对试样在破坏阶段的应力应变曲线进行线性拟合后发现，所反映出的剪应力增长速率并无规律，可见初始含水率和冻融循环次数不是影响破坏阶段应力应变模型的因素。应力应变曲线总体表现出滞后现象，法向应力由低到高，曲线分别在剪切位移达到、后趋于稳定，伴随法向应力升高，试样的峰值或临界强度呈现出持续升高的趋势。图中所表现出的应力应变曲线存在由应变软化向应变硬化的转换，该现象与 等所研究的非冻结冰碛土得到的各法向应力均表现为应变软化现象有所不同。经对比分析认为：试样中冰的强度对应力应变曲线的线型有较大影响，并且由于在较高法向应力作用下，试样中的冰存在一定的压融现象，试样中冰与水共存，这为剪切过程中土样颗粒空间位置发生变化创造了条件，土颗粒滚落到空隙中找到新的平衡，使试样中颗粒排列更为密实。但这种应变硬化增长趋势并不明显，这是由于在较高应力下，部分冰融化造成强度损失，对应变硬化趋势有抑制作用。试验结果与分析 初始含水率对冰碛土抗剪强度的影响由于冰的存在，冻土强度受土颗粒强度、冰的强度以及两者相互作用 的共同影响。不同初始含水率下的抗剪强度关系曲线如图所示。可知：在冻融循环次数为、次时，冻结冰碛土抗剪强度伴随初始含水率的升高呈现上升趋势，此时土的强度主要受土颗粒强度、冰的强度和土颗粒与冰的结合程度的影响，但强度增幅有所放缓；当冻融循环次数达到、次时，冻土强度出现峰值，即其强度先随着初始含水率的增加而提高，在初始含水率为时强度最大，初始含水率为 时强度有所降低，种初始含水率下，相同冻融循环次数时的强度差值均低于 。由此可见，初始含水率对土体强度有影响，但影响程度并不明显。这与丑亚玲等 所研究的冻结黄土出现峰值强度类似。何平等 在研究非饱和冻土时提出了冰饱和度的概念，当冰饱和度最大时，土颗粒与冰的结合作用最强，冻土强度越大。由图分析认为，冰饱和度可以很好地解释冻结冰碛土的强度变化规律，且该类冰碛土的冰饱和度在初始含水率为 时达到最大。第期刘耀辉，等：冻融循环作用下冻结冰碛土剪切特性图不同初始含水率下的抗剪强度关系曲线 冻融循环次数对冰碛土抗剪强度的影响根据现行 土工试验方法标准（）规定，在应力应变曲线中取峰值剪应力作为抗剪强度（），若未出现峰值，选取剪切位移时对应的剪应力为抗剪强度（），绘制冻融循环次数与抗剪强度关系曲线，如图所示。图冻融循环次数与抗剪强度关系曲线 土样所经历的冻融循环过程可以看作一种特殊的风化作用。由图可知，土体在经历冻融循环后，抗剪强度呈现持续降低的趋势。水在冻融循环过程中发生相变，在冻结过程中，鉴于冰与水的密度不同，冰晶生长使土样体积膨胀，孔隙中的冰挤压周围土颗粒，从而产生冻胀力，使得土颗粒破裂，土样粒径和形状均会改变。冻融循环会使土样的孔隙结构发生 改 变，中 小 型 孔 隙 增 多，甚 至 贯 通 成 为 大 孔隙，从而造成强度损失。相同条件下经历越多次冻融循环，试样强度越低。这与张彦锋 所得试验结果相似，冻结冰碛土随着冻融循环次数的增多存在损伤劣化，发生碎化现象。在初始含水率为、时，土体由于冻胀损伤引起的强度损失与冻融循环次数基本呈线性关系，这与叶万军等 对黄土的试验得出的首次冻融产生的冻胀损伤最大不同。究其原因，在此过程中，土样中冰的强度、冰与土颗粒的结合强度对土体整体强度的贡献仍然巨大，这会在一定程度上弥补冻融作用产生的抗剪强度损失。当初始含水率达到 时，冻融循环前次产生的冻胀损失较大，后趋于缓和，这是由于较高初始含水率的土样中孔隙水含量较高，在冻结时产生的冻胀力更强，土体的破坏程度更明显，土体强度降低速率升高；当初始含水率为 时，由于冻融作用造成的土体强度损失高达 ，占初次冻融后土体强度的 以上。上述分析表明，冻融作用是影响冰碛土抗剪强度的又一重要因素，但是冻结冰碛土的强度劣化机制还有待进一步研究。冻融作用与初始含水率对冰碛土抗剪强度指标的影响黏聚力（）和内摩擦角（）是衡量土样抗剪强度的基本指标。根据试验数据，计算得出抗剪强度指标，见表。表抗剪强度指标 初始含水率冻融循环次冻融循环次冻融循环次冻融循环 次 （）（）（）（）由表不难看出：不同冻融循环次数和不同初始含水率下，冻结冰碛土的内摩擦角变化并无明显规律，最大差值为 ，出现在含水率为、冻融循环次和含水率为、冻融循环 次这组试样中；而黏聚力则受到个因素的影响呈现较强的规律性。黏聚力与初始含水率呈正相关关系，表明冰与土的结合强度对土体强度的贡献仍然巨大，这是由于初始含水率越高，冻结冰碛土中冰的比重越大，冰对土样有一定的胶结作用，从而提高了土样中冰与土的固化黏聚力；黏聚力与冻融循环次数呈负相关关系，黏聚力随着冻融循环次数的增加持续衰减，冻融循环 次时所得的黏聚力已经接近于，冻融循环次数为、次时，黏聚力的损失程度更为剧烈。这是由于冻融过程造成强度劣化损伤，土样的天然结构被破坏，原始黏聚力持续降低，土颗粒的固化黏聚力随之消失且不可恢复。黏聚力拟合模型影响冻土强度的因素多样且复杂，各种因素的中 国 科 技 论 文第 卷交互作用显著，片面针对某一因素是不合理的。通过上述分析可知，昌林铁路沿线冰碛土的抗剪强度特性受初始含水率和冻融循环次数的影响，该土样黏聚力与这个因素有较强的相关性，但这个因素对内摩擦角的影响甚微。综合考虑这个因素，引入初始含水率与冻融作用综合性参数（），研究其与黏聚力（）之间的关系。（）式中：