探究凍融循環對于軟土路基強度的影響

張崇康 邱泰瑞 孫僑甫

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.東北農業大學水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引言

軟土地基是工程中的常見問題，其抗剪強度直接決定了施工難度以及工程質量。而我國國土面積的53.3%又處于季凍區，位于季凍區的土基會隨著氣候自然周期的變化發生凍融循環，對于土顆粒之間形成的結構產生作用，因而導致土體的抗壓強度、抗剪強度等受到影響產生改變。因此凍融循環對于土體強度的影響一直以來都是眾多專家學者的熱門研究方向。江宗斌等[1]通過三軸試驗，對凍融過程特性的變化進行了研究。王平等[2]從微觀角度進行分析，得到凍融循環次數對于軟土抗剪強度指標粘聚力c有較大影響的結論。何靜科等[3]選取了東三省的路基黏土作為實驗材料，探究發現隨著凍融循環次數的增加，土體的各項力學性能指標趨于平穩。劉寒冰等[4]進行了多元非線性擬合，以塑性指數、圍壓大小、凍融循環周期作為參變量，確定了上述參變量對于剪切強度峰值的影響，并且擬合效果非常好。丁智等[5]通過電鏡試驗，從微觀角度對凍融循環之后的軟土土樣的孔隙特征進行詳細分析。崔宏環等[6]基于大量數據建立本構模型，可以較為精準的預測凍融循環作用下路基土的應力與應變之間的關系，對處于季凍區的工程施工提供了一定的參考依據。

1 試驗土樣與試驗步驟

1.1 試驗用土

本次采用的土樣是取自于內蒙古東部地區的軟土，嚴格依照JTG E40—2007公路土工試驗規程，測定試驗用土詳細的參數，其結果如表1所示。

表1 試驗土樣物理參數

1.2 試驗步驟

通過擊實試驗測得土樣的最佳含水率為23.31%，但由于實際土體所處季凍性區域常年含水率高于此值，根據當地實際地理條件，選定32%作為試驗試件的含水率，可以較好的模擬出當地實際的狀況。采用0次,1次,3次,6次,10次,15次作為凍融循環次數，結合當地的氣候環境將制備好的試件放入-20 ℃的溫控箱中凍結12 h，然后取出放入+10 ℃的溫控箱融化12 h，作為凍融循環的一個周期。由于土體實際受力是三向受壓為主，因此采用三軸試驗可以更好的模擬土體的實際受力狀態，采用不固結不排水試驗(UU)可以得到較好的實驗效果，其圍壓分別采用100 kPa，200 kPa，300 kPa，采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產的TSZ-6型全自動三軸儀作為試驗儀器。通過三軸試驗我們能得到摩爾應力圓，內摩擦角φ，粘聚力c以及剪切峰值，如圖1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

從圖2的趨勢可以得出，凍融循環周期對于粘聚力c的作用效果顯著，隨凍融循環周期的增長粘聚力c也逐漸上升，其大小趨近于未凍融土體的數值。

從圖3曲線形式可以發現，隨著凍融循環周期的增長，內摩擦角φ表現為先遞增后遞減再遞增的變化形式，且在凍融循環周期為6的附近達到最小極值。當凍融周期達到15時，其內摩擦角φ已經超過了未凍融之前的數值。其變化趨勢與薛楠[7]的結論基本吻合。

綜合圖4中的線形變化，伴隨凍融循環次數的增加，在不同圍壓下的剪切峰值均出現了先增大后減小再增大的趨勢，其剪切峰值逐漸趨向于未凍結之前的土樣，其變化規律與內摩擦角φ的變化規律大致相同，且在凍融循環周期為6時剪切峰值達到最小值，這與王平等[2]的實驗結論是相同的。隨環向壓力的增長，剪切強度峰值在每個凍融循環周期內都表現為增強。這與劉寒冰等[4]的實驗結論是相同的，其變化規律符合實際。

2.2 試驗現象分析

隨著凍融循環周期的增長，不同圍壓下的土樣試件的剪切峰值及力學指標內摩擦角φ和粘聚力c總趨勢是逐漸趨于平穩，并趨近于未進行凍融循環的土體強度以及指標。產生該現象的主要原因是，當產生凍融循環時，位于土體孔隙之間的水產生運動并產生體積膨脹，打破了原本土體建立的骨架結構體系相對穩定的形式，所以最初發生凍融狀態時，對土體力學性能的作用效果最大，但隨著凍融循環周期的增長，試件內部土顆粒重新發生排列，使其逐漸達到一種相對穩定的狀態，因此凍融循環后期孔隙水壓力對于強度影響變小。

3 結語

1)粘聚力c隨著凍融循環周期的增長而增大，并漸漸趨向于未進行凍融的試件。

2)內摩擦角φ受凍融循環周期的作用效果顯著，并隨著凍融循環周期的增長，呈現出先遞增后遞減再遞增的線形走向。

3)相同圍壓條件下，土樣剪切峰值的整體趨勢呈現出先增大后減小再增大的變化，其線形趨勢與內摩擦角φ的線形趨勢相近，且拐點都基本位于凍融周期為6的附近。隨試件圍壓的增加，每個凍融循環周期下試件的剪切強度均產生增長。

4)土樣剪切峰值受凍融循環的干擾效果顯著，且隨凍融循環周期的增長逐漸趨于平穩，并有趨近于未進行凍融循環土樣的剪切峰值及其抗剪強度指標的趨向。

5)伴隨凍融循環周期的增加，該土樣的各項力學指標均有趨向于未凍融之前土樣的趨勢。當凍融現象發生前幾次時，土顆粒穩定骨架體系受影響較大，隨凍融循環周期的增長，土體重新排列，結構重新整合，使其漸漸達到一種相對穩定的狀態，故其剪切峰值、內摩擦角φ和粘聚力c均趨向于穩定，并向未進行凍融循環的土體強度靠近。