松花江松浦段岸坡土凍融直剪強(qiáng)度試驗研究★

韓 雪 趙子龍 高子睿

(黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

松花江松浦段岸坡土凍融直剪強(qiáng)度試驗研究★

韓 雪 趙子龍 高子睿

(黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022)

為了對凍融作用對松花江松浦段岸坡土抗剪強(qiáng)度影響特征進(jìn)行研究，對該段岸坡土體進(jìn)行了凍融和直剪試驗，試驗結(jié)果表明：試樣土體經(jīng)過單次凍融后粘聚力會大幅度下降，內(nèi)摩擦角會大幅度上升，土體抗剪強(qiáng)度會大幅度上升，試樣多次凍融后粘聚力大幅度下降，土體內(nèi)摩擦角會大幅度上升，土體抗剪強(qiáng)度會經(jīng)第一次凍融后有所增加，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體抗剪強(qiáng)度大幅度下降，該結(jié)果可為松花江岸坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)依據(jù)。

坡土，凍融作用，抗剪強(qiáng)度

0 引言

松花江松浦段岸坡位于黑龍江省哈爾濱市，地處東經(jīng)125°42′～130°10′,北緯44°04′～46°40′，地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點非常明顯，冬季寒冷漫長，夏季炎熱多雨，春季干燥多風(fēng)，秋季很短，年內(nèi)溫差較大，多年平均氣溫在3 ℃～5 ℃之間，年內(nèi)7月溫度最高，日平均可達(dá)20 ℃～25 ℃，最高曾達(dá)40 ℃以上；1月溫度最低，月平均氣溫-20 ℃以下，最低氣溫為-42.6 ℃[1-3]。

影響凍土力學(xué)性質(zhì)的因素很多，主要分內(nèi)部影響因素和外部影響因素，內(nèi)部因素主要由土的三相構(gòu)成、顆粒結(jié)構(gòu)、土體狀態(tài)決定[4，5]。外部影響因素包括應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力方向，溫度等。結(jié)合松花江松浦大橋段岸坡實際情況，本文主要從兩個外部變量，即凍融溫度、凍融次數(shù)兩個方面，來討論凍融作用后松花江松浦大橋段岸坡土體的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，可為維護(hù)該岸坡工程穩(wěn)定決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 凍融與直剪試驗

1.1 實驗設(shè)備

直接剪切試驗按試驗方法不同可分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種[6]，本試驗采用電動電聯(lián)DSJ-2型直剪儀以快剪的方式進(jìn)行試驗。凍融實驗采用無錫市華南實驗儀器有限公司制造的DB-2B凍融實驗箱，溫控范圍為-40 ℃～50 ℃。

1.2 試樣制備

為研究凍融對該區(qū)段岸坡土抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，實驗采用原狀土樣。單次凍融實驗共制作環(huán)刀試樣60個，保留部分試樣作為未凍試樣，其余試樣按照試驗方案，分批次放入冷凍箱內(nèi)。鑒于使用的試樣為環(huán)刀試樣，為了方便試驗進(jìn)程以及試驗數(shù)據(jù)的處理與對比，為了確保試驗進(jìn)度安排，以及提高試驗數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，要確保試驗變量的唯一性，本試驗將凍融時間設(shè)置為48 h，其中24 h的凍結(jié)時間，24 h的自然融化時間。本試驗根據(jù)不同凍融溫度將試樣分為4組，每組4個環(huán)刀試樣，第1組為未凍試樣，用于試驗結(jié)果的對比；第2組的凍結(jié)溫度設(shè)置為-10 ℃；第3組的凍結(jié)溫度設(shè)置為-20 ℃；第4組的凍結(jié)溫度設(shè)置為-30 ℃。根據(jù)試驗設(shè)計的不同凍結(jié)溫度將試樣分組編號后，為了防止水分在凍融過程中的流失會使試驗結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，試驗制取的環(huán)刀試樣均用玻璃片滑入密封，將制備好的試樣放入凍融試驗箱內(nèi)進(jìn)行凍結(jié)，并在干燥箱內(nèi)恒溫融化24 h后，最后把經(jīng)過凍融作用的環(huán)刀試樣放入剪切儀上進(jìn)行剪切試驗。多次凍融循環(huán)試驗共制作環(huán)刀試樣30個，試樣制備方法與單次凍融相同，實驗凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次、1次、2次和3次。

2 結(jié)果分析

2.1 不同凍融溫度下單次凍融后土的抗剪強(qiáng)度

將試樣直剪試驗結(jié)果以凍結(jié)時間為橫坐標(biāo)，土體粘聚力為縱坐標(biāo)，繪制t—c曲線，見圖1。

由圖1可直觀觀察到松花江松浦大橋段岸坡土在不同凍融溫度下的土體粘聚力呈下降趨勢。當(dāng)原始狀態(tài)的土體經(jīng)過凍融作用后，其土體粘聚力會大幅度下降，而隨著凍融溫度的下降，土體粘聚力下降趨勢放緩，當(dāng)凍結(jié)溫度每下降10 ℃時，粘聚力下降幅度保持在15%左右，而當(dāng)土體凍融溫度降至-30 ℃時，土體粘聚力下降幅度已達(dá)46%，土體粘聚力主要是由土顆粒之間引力、斥力相互綜合作用影響，土體經(jīng)過凍融作用后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土體固體顆粒排列的變化引發(fā)了其引力、斥力的改變，從而使得粘聚產(chǎn)生巨大變化，由庫侖定理可知，土體粘聚力與土體抗剪強(qiáng)度成正比，因此，粘聚力的大幅度降低會對土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。

下面本文將對影響抗剪強(qiáng)度的另一個因素內(nèi)摩擦角在不同凍融溫度下的變化趨勢進(jìn)行分析。利用多元回歸分析法將實驗數(shù)據(jù)繪制成圖2:不同凍融溫度與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線t—φ曲線。

由圖2可直觀觀察到松花江松浦大橋段岸坡土在不同凍融溫度情況下的土內(nèi)摩擦角上升趨勢。當(dāng)原始狀態(tài)的土體經(jīng)過凍融作用后，其土體內(nèi)摩擦角會大幅度上升，而隨著凍融溫度的下降，土體內(nèi)摩擦角上升趨勢放緩，當(dāng)凍結(jié)溫度每下降10 ℃時，內(nèi)摩擦角上升幅度保持在7%左右，而當(dāng)土體凍融溫度降至-30 ℃時，土體內(nèi)摩擦角上升幅度已達(dá)42.1%。

將試驗測得的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在不同凍融溫度作用下的變化趨勢進(jìn)行詳細(xì)分析后，對經(jīng)試驗測得土體抗剪強(qiáng)度的變化趨勢進(jìn)行分析。為了更直觀的觀察松花江松浦大橋段岸坡土體在不同凍融溫度條件下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，現(xiàn)將計算得出的抗剪強(qiáng)度利用多元回歸分析法繪制成t—τf曲線圖，見圖3。

將松花江松浦大橋段岸坡土在經(jīng)過不同溫度凍融后各級荷載作用下土體抗剪強(qiáng)度變化幅度進(jìn)行對比分析，可以較明顯看出，當(dāng)原始狀態(tài)的土體經(jīng)過凍融作用后，其土體抗剪強(qiáng)度會大幅度上升，而隨著凍融溫度的梯度下降，土體抗剪強(qiáng)度上升趨勢放緩，當(dāng)凍結(jié)溫度每下降10 ℃時，土體抗剪強(qiáng)度上升幅度保持在3%左右，而當(dāng)土體凍融溫度降至-30 ℃時，抗剪強(qiáng)度上升幅度為15%左右。

2.2 多次凍融循環(huán)對土體抗剪強(qiáng)度的影響

將各組試樣直剪試驗結(jié)果以凍融次數(shù)為橫坐標(biāo)，土體粘聚力為縱坐標(biāo)，繪制n—c曲線，見圖4。

由圖4可直觀觀察到松花江松浦大橋段岸坡土在多次凍融循環(huán)作用下的土體粘聚力呈下降趨勢。將松花江松浦大橋段岸坡土在多次凍融循環(huán)作用下土體粘聚力變化幅度進(jìn)行對比分析，可以較明顯看出，當(dāng)原始狀態(tài)的土體經(jīng)過凍融作用后，其土體粘聚力會大幅度下降，而隨著多次凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體粘聚力下降趨勢較穩(wěn)定，當(dāng)凍結(jié)溫度每下降10 ℃時，粘聚力下降幅度保持在13%左右，而當(dāng)多次凍融循環(huán)次數(shù)增加到3次時，土體粘聚力下降幅度已達(dá)39.8%。

將試驗測得土體內(nèi)摩擦角φ值數(shù)據(jù)整理并利用多元回歸分析法繪制成圖5：多次凍融循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線n—φ曲線。

由圖5可直觀觀察到松花江松浦大橋段岸坡土在不同凍融溫度情況下的土體內(nèi)摩擦角上升趨勢。當(dāng)原始狀態(tài)的土體經(jīng)過凍融作用后，其土體內(nèi)摩擦角會大幅度上升，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)摩擦角上升趨勢放緩，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)迭次累加，內(nèi)摩擦角上升幅度保持在4%左右，而當(dāng)土體經(jīng)過三次凍融循環(huán)后，土體內(nèi)摩擦角上升幅度為23.6%。

在對試驗測得的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在多次凍融循環(huán)作用下的變化趨勢進(jìn)行詳細(xì)分析后，對經(jīng)試驗測得土體抗剪強(qiáng)度的變化趨勢進(jìn)行分析。將實測得的各組試樣在不同豎向荷載作用下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行匯總整理，為了更直觀的觀察松花江松浦大橋段岸坡土體在多次凍融循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，將計算得出的抗剪強(qiáng)度利用多元回歸分析法繪制成n—τf曲線圖，見圖6。

分析可知：當(dāng)原始狀態(tài)的土體經(jīng)過凍融作用后，其土體抗剪強(qiáng)度先有所上升，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體抗剪強(qiáng)度呈微弱下降趨勢，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加一次，土體抗剪強(qiáng)度下降幅度平均保持在1%左右，而當(dāng)土體經(jīng)過三次凍融循環(huán)后，抗剪強(qiáng)度下降幅度為2%左右。

3 結(jié)語

對一系列凍融、直剪試驗的實驗數(shù)據(jù)分析，揭示了松花江松浦段岸坡土體強(qiáng)度與凍融作用的相關(guān)規(guī)律。

1)將試驗變量設(shè)置為凍融溫度，取松花江松浦大橋段岸坡土原狀試樣分組制備，進(jìn)行了直接剪切試驗研究，不僅詳細(xì)介紹了試驗方法，并對試驗所測得的數(shù)據(jù)利用多元回歸線性分析法繪制出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的發(fā)展趨勢曲線，并對其趨勢曲線進(jìn)行定性分析：在將凍融溫度設(shè)置為試驗唯一變量的條件下，當(dāng)凍結(jié)溫度設(shè)置為-30 ℃時，土體粘聚力較未凍土下降了46%左右，土體內(nèi)摩擦角較未凍土上升了42.1%，土體抗剪強(qiáng)度上升了15%，即抗剪強(qiáng)度與凍融溫度負(fù)增長成正比。2)將試驗變量設(shè)置為凍融次數(shù)，對經(jīng)過多次凍融循環(huán)作用后的天然含水率狀態(tài)下的松花江松浦大橋段岸坡重塑土試樣進(jìn)行了直接剪切試驗研究，介紹了試驗方法，對試驗成果進(jìn)行定性分析，得到以下結(jié)論：在其他影響因素不改變的情況下，當(dāng)土體經(jīng)過3次凍融循環(huán)作用后，土體粘聚力較未凍土下降了39.8%左右，土體內(nèi)摩擦角較未凍土上升了23.6%，土體抗剪強(qiáng)度上升了2%，即抗剪強(qiáng)度與凍融溫度負(fù)增長成正比。

[1] 高 堯.松花江流域水資源管理模式研究[D].大連：大連理工大學(xué),2011.

[2] 張耀為,劉蘇峽.松花江區(qū)降水特征分析與農(nóng)田灌溉需水量估算[A].發(fā)揮資源科技優(yōu)勢 保障西部創(chuàng)新發(fā)展——中國自然資源學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集(下冊)[C].2011.

[3] 張志秀,李 帥,袁美英.松花江流域面雨量預(yù)報業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)簡介[J].黑龍江氣象,2003(4):25-26.

[4] 楊 平，張 婷.人工凍融土物理力學(xué)性質(zhì)研究[J].冰川凍土，2002，24(5)：665-667．

[5] 王鐘琦.巖土工程測試技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986：24-53．

[6] 吳 明,傅旭東,夏唐代,等.壓實土不固結(jié)不排水單剪、直剪試驗對比[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(S2):4147-4152.

On the test of the strength of direct shear for the soil of bank slope in Songpu section of the Songhua river★

HAN Xue ZHAO Zi-long GAO Zi-rui

(HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China)

In order to study characteristics of soil strength freeze-thaw weakening in the Songhua river Songpu bank, freeze-thaw tests and direct shear tests were performed on that paragraph bank. The results showed that: after thawing the sample cohesion will drop substantially, the internal friction angle will increase greatly and soil shear strength will increase significantly, the cohesion of sample after repeated freezing and thawing will significantly decline, internal friction angle of soil will greatly increase, the soil shear strength will increase after the first freezing and thawing, with the increase in the number of freeze-thaw cycles, the soil shear strength will significantly decline. The results can provide Songhua river slope stability analysis with a scientific basis.

slope soil, freeze-thaw effects, shear strength

1009-6825(2014)03-0075-03

2013-11-08★：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究面上項目(項目編號：12511484)

韓 雪(1969- )，男，教授； 趙子龍(1989- )，男，在讀碩士； 高子睿(1987- )，女，碩士

TU413.1

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