摻礫心墻料凍融循環試驗研究進展

徐衛衛，石北嘯，劉賽朝，吳鑫磊

(1.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056000；2.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210024；3.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；4.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056000)

目前，在我國的新疆、西藏、甘肅等多年凍土和季節性凍土區，一些擬建和在建的大壩正在如期規劃和建設中，季節性凍土區凍融循環的危害將嚴重影響大壩的安全建設和運行。如在高土石壩建成后的若干年里，壩體長期經歷水位變化、溫差變化，以及各種因素的交互作用等導致壩體破壞。而在季節性凍土區的大壩建設中應充分考慮凍融作用引起心墻料強度、孔隙率及滲透性的變化，防止因凍融循環作用引起堆石料密度及孔隙率的變化從而改變壩體的強度、滲透性，影響壩體的安全運行。

針對我國在建及擬建的大壩在未來可能遭受凍融循環作用引起壩體的破壞，開展心墻料的凍融循環試驗，分析壩體可能產生的破壞區域，對保證寒區大壩安全顯得尤為必要。

1 黏土凍融力學特性研究

近來，關于土體凍融方面的研究主要在對比凍融前后土體的孔隙率、滲透性、干密度、變形與強度的變化等方面展開了大量的研究。并考慮前期固結狀態、凍結溫度、凍融循環次數、含水率、圍壓的影響作用等。

1.1 凍融前后力學性能的變化

1.1.1 孔隙率與密度之間的關系

土體的孔隙率與其密度密切相關，密度的改變引起孔隙率的變化，進而影響著土體的滲透性。Viklander[1]提出了基于凍融作用的殘余孔隙比的概念，即松散土和密實土經過凍融循環后趨向一個穩定的孔隙比，土的力學特性也發生相應的變化。證實了凍融會使松散土的孔隙比降低，密實度增加；而密實土則表現為相反的現象。肖東輝等[2-3]針對凍融循環作用下土體的滲透性及孔隙率的變化等，認為凍融次數的增加，土的滲透性與孔隙率先減小后增加，最后趨于穩定的趨勢。王家澄等[4]認為土體凍結過程中就可能出現大孔隙中水先凍結,把大顆粒土先抬升并隨著小孔隙中水的凍結將大顆粒持續向上抬升的現象。齊吉琳等[5]認為凍融作用對土的密度具有雙向作用，既能夠使松散土的密度增大孔隙比減小，又能夠使密實土的密度降低孔隙比增大。此外，孔隙比的變化還與土體的前期固結狀態有關。

1.1.2 密度、孔隙率與滲透性之間的關系

凍融作用對土工程性質的影響是由于分凝冰的出現改變了土骨架的結構所造成的, 因此影響分凝冰或者分凝勢的因素也必然影響凍融后土的工程性質，如孔隙率和干密度。Chamberlain等[6]認為,凍融通過改變土的結構性，如土中產生大孔隙、縱向微裂隙等, 從而使其垂直方向的滲透性增大。反復凍融不僅破壞了土顆粒間的聯結力, 同時使土顆粒得以重新排列。目前，廣泛認為凍融循環可以從多方面改變土的工程性狀,而這些都是通過改變土的結構性實現的。一些研究還發現土的滲透性和密度經3～5次凍融循環后趨于穩定[1，6-7]。

1.1.3 密度、強度與變形之間的關系

Simonsen E等[8]通過研究認為，土體的彈性模量在經歷一個完整的凍融循環后會降低20%～60%，而土顆粒的粗細程度會對凍融前后土彈性模量變化的幅度值產生一定的影響。土體強度的增大或者減小一方面常被認為是凍結過程土體密度的變化和凍融作用對土的結構性改變；另一方面跟土的狀態和試驗條件也有關,如果凍融導致土體含水量增大, 則土體強度就會降低，含水量不變時強度會增大。因此，在研究凍融循環引起土顆粒的強度變形等變化時，就不得不考慮含水率的影響。而在一些研究中也考慮了前期固結狀態、凍結溫度、凍融循環次數、圍壓等方面的影響作用。

1.2 凍融循環引起強度變化的差異性

凍融循環和含水率的作用對土顆粒強度參數的影響關系，目前得出的規律差異較大，并沒有統一的規律。有學者認為凍融循環作用后土的黏聚力降低、內摩擦角增大[9]，也有文獻認為黏聚力降低而內摩擦角無規律可循[10-11]，另有文獻認為黏聚力先降低后升高而內摩擦角不變[12]，以及黏聚力降低而內摩擦角先降低后升高等[13]。而對于含水率變化產生的影響，則認為抗剪強度隨含水率的增加而降低[14-15]，而袁俊平等[16]試驗研究認為，黏聚力在最優含水率附近有峰值，而內摩擦角則是在最佳含水率左側隨著含水率的增大而減小，在最佳含水率右側變化不明顯。方麗莉[17]對凍融前后的土樣進行三軸剪切、電阻率與CT數的測量，從構成土結構性的兩個因素，即顆粒的排列和聯結出發，探討了凍融循環對土結構性的改變以及由此導致的強度參數變化,發現黏聚力和內摩擦角均增大。

1.3 凍融循環次數的不同對模型參數影響

董曉宏等[12]認為黃土的黏聚力一般隨凍融次數的增加先減小后增大, 且含水率越低或者干密度越大, 黏聚力降到最低越慢, 一般在10次之內可以降到最低。內摩擦角在凍融開始時有所增大, 但是隨著凍融次數的增加呈波浪型, 可以認為基本不變。黃土的強度變化和黏聚力類似, 也是隨凍融次數的增加先減小后趨于穩定。一般強度在3～5次就可以降到最低, 且不同含水率黃土的強度下降比例相近。在長期凍融后期, 黃土劣化表現為變形、表面結構損傷等其他方面。蘇謙等[18]通過研究發現土體經過10次凍融后，其黏聚力、內摩擦角趨于穩定，隨著凍融循環次數的增加，低密度土體的黏聚力有所提高，而高密度土體的黏聚力下降，內摩擦角變化較小。而這可能與土的性質(如黏土、砂礫石土、以及物理指標密實度、土的前期固結狀態等)關系較大。

2 黏土凍融機理研究

土的凍融循環是土中的水在受到正負溫度變化的影響由液態變為固態，再由固態變為液態循環往復的水的相變過程。土中水在凍結過后，冰的體積顯著大于水的體積，受冰的膨脹力的作用，土的結構會發生變化，凍結產生的冰塊向四周的擠壓為融化時水的流動提供了通道，在這一過程中，周圍的土顆粒產生擠壓，破壞了土顆粒之間的膠結，使土顆粒發生位移甚至破碎變形，孔隙狀態也同時發生改變。融化后，水在凍結時產生的通道內流動，水流的作用會帶走部分細小顆粒甚至會繼續擴大水流的流經范圍，水的不斷遷移使土體的孔隙形態、顆粒排列等結構性要素發生顯著改變，加上土循環往復的凍脹融沉，使得土的結構性發生了顯著性的改變而產生破壞。因此，凍融循環對土結構性的影響變得更加復雜。凍融循環的影響因素有很多，主要有以下幾種典型情況。

2.1 含水率、凍結溫度與凍融次數之間的關系

含水率的多少對凍融循環引起顆粒的破壞影響較為明顯，含水率的多少將影響凍結前顆粒中水的流動面積以及流動方向，對于緊密的土顆粒，大量的薄膜水，將形成較大的凍結面積，土顆粒間的連接受到破壞，其密度、孔隙率、滲透性以及變形和強度的變化受其影響較為明顯。下面引用于基寧[19]就凍結溫度和含水率共同作用下凍融作用引起土體強度的變化的研究，如圖1和圖2所示。

圖1 溫度-3 ℃時含水量與qu的關系

圖2 溫度-7 ℃時含水量與qu的關系

由圖1和圖2可以看出，當含水量和溫度共同作用時，溫度分別為-3 ℃和- 7 ℃，無側限抗壓強度隨著含水量的增加呈現下降的趨勢，而且含水率在14%左右時，隨著凍融循環次數的增加，土體強度減小的較明顯。凍融由1～3次強度減小的較為明顯，凍融7次與9次的土體強度越來越較為接近，這說明可能在凍融7次附近，土體強度已經降到最低。

圖3 含水率11.87%時，溫度與qu的關系

圖4 含水率14.17%時，溫度與qu的關系

在圖3和圖4中，含水率一定時，隨著凍結溫度的降低，土體的抗壓強度逐漸降低，含水率的增大，強度降低幅度較大，且含水率為14.17%時，凍融循環3次以內，隨著溫度的降低，土體的強度下降呈直線型，隨著凍融次數的增加，土體的強度降低的程度減緩。溫度近似為15 ℃時凍融循環7～9次土體強度變化趨于穩定。

2.2 含水率與凍融次數之間的關系

劉寒冰[20]通過含水率和凍融次數對壓實黏質土試樣力學特性的影響規律研究，研究發現：隨著凍融次數和含水率的增加，壓實黏質土的應力-應變曲線由應變軟化型向應變硬化型轉變，試樣的破壞形式逐漸由脆性破壞轉為塑性破壞；壓實黏質土的極限強度、彈性模量和黏聚力均隨凍融次數的增加而呈衰減趨勢，內摩擦角與凍融次數的關系并無規律可循，各力學參數均在經歷 8 次凍融循環后基本趨于穩定；含水率對壓實黏質土的力學性質影響顯著，極限強度、彈性模量、黏聚力和內摩擦角均隨含水率的增加大幅減小。

2.3 顆粒級配與固結狀態之間的關系

粗顆粒的凍融循環試驗不僅與試驗時的含水率有關，還與顆粒的級配有關。袁俊平等[21]認為粗粒土凍融變形量受其顆粒粒徑大小的影響，如圖5所示。顆粒粒徑大小影響水分充滿孔隙的多少和水分的遷移通道，以及影響凍融過程中顆粒排列和孔隙分布。試樣凍脹變形量隨顆粒粒徑增大而逐漸減小; 而凍脹融沉后試樣總變形率隨限制粒徑呈現先增大再減小趨勢。此外，凍融循環還可以使土的顆粒級配發生變化[4]。

圖5 不同限制粒徑試樣變形率隨凍融循環次數變化曲線

Chamberlain 和Gow[6]認為正常固結土在凍融過程中會發生超固結效應，是因為在凍結過程中產生了負的孔隙水壓力，導致有效應力的增加。齊吉琳等[5]對超固結土樣進行凍融循環試驗，發現與正常固結土相比較，超固結土在凍結初期不發生“凍縮”，而是立即發生凍脹，在融化初期不是立即發生融沉，而是具有短暫的“融脹”現象，土的密度在一個凍融循環完成之后略有降低。凍融過程中是否發生超固結效應取決于土的初始狀態。對于正常固結或輕微超固結土，在凍結初期，凍結導致的負孔隙水壓力引起土中的有效應力增大，并導致土樣體積減小，產生“凍縮”現象。整個凍融過程中超固結效應占優勢，孔隙比減小，土結構得到強化；而對于強超固結密實土，由于具有較大的前期固結壓力，凍融作用對其效應恰好相反。因此，在凍結初期是否存在短暫的“凍縮”或在融化初期是否存在短暫的“融脹”都取決于土樣的初始固結狀態。正常固結土或者弱超固結土會發生“凍縮”，強超固結土會發生“融脹”。

2.4 圍壓、應力應變與破壞強度之間的關系

常丹等[13]認為凍融循環對土體的應力-應變的影響不僅與土的類型有關，還與土所承受的圍壓有關。在圍壓較低時，未凍融及凍融初期的粉砂表現出一定的軟化性，而經歷一定次數的凍融循環以后，其逐漸由軟化型轉化成硬化型；在圍壓較高時，未凍融及凍融以后的粉砂都表現出應變硬化的形式。粉砂土經歷數次的凍融循環以后，其應力-應變曲線的形式不會隨著凍結溫度及圍壓的變化而改變，都將呈現出一定的應變硬化特性，如圖6所示。

圖6 圍壓和凍結溫度的作用對應力應變的影響

近年來，隨著試驗制樣技術的提高和電子技術的發展，一些先進的技術如CT(Computed Tomography)、SEM(Scanning Electron Microscope) 等試驗裝置應用于工程領域。這些技術因其能夠從微觀結構的角度研究凍融循環對土體孔隙結構產生的影響，進而探究凍融循環對土強度的影響機制，因此在凍土試驗中得到了一定的應用。張先偉等[22]基于SEM和MIP試驗得到結構性黏土壓縮過程中的微觀孔隙變化規律，為后人獲取土的變形機制和合理的本構關系提供了科學依據。張英等[23]對經歷不同凍融次數的土樣進行單軸抗壓強度試驗，同時對不同凍融循環次數下的土體進行掃描SEM試驗和MIP試驗，從微觀結構角度研究凍融循環對土體孔隙結構產生的影響，以探究凍融循環對土強度的影響機制如圖7所示。

圖7 典型凍融循環次數后土樣SEM圖像

葉萬軍[24]對黃土進行CT和SEM試驗，發現凍融環境下試樣微結構如內部微裂隙、孔洞等不斷發育演化，試樣孔徑不斷增大，微裂紋、微孔洞隨之生成，大顆粒不斷分解成小顆粒，顆粒間的連接作用減弱，造成細觀尺度試樣高密度區不斷減小，中、低密度區不斷增大，這一過程弱化了土的強度。這類似于堆石料在受外界環境如壓力作用下，粗骨料的逐漸破碎，骨架結構的破壞，顆粒間的咬合作用減弱，細顆粒逐漸填充孔隙，顆粒進一步被壓實，峰值強度的提高與變形的增大相類似，卻又因為力的形式而有不同。

3 摻礫心墻料研究

我國心墻堆石壩建設起步相對較晚，但發展非常迅速，我國已建成最高261.5 m的糯扎渡心墻壩。心墻料是心墻堆石壩的重要組成部分，它必須滿足大壩防滲、變形和穩定等要求。黏土心墻料的滲透性較小，可以較好的滿足《碾壓式土石壩設計規范》[25]對心墻料防滲性的要求，在一些低壩中較好的應用。然而，隨著壩高的增加，心墻與兩側壩殼堆石料的變形量差異越來越大，因變形不協調而產生的拱效應明顯，心墻內的豎向應力顯著減小而產生心墻水力劈裂的可能性會增大，黏土心墻已不能滿足200.0 m級高壩工程防滲、變形和穩定的要求。摻礫石心墻料因其在能夠滿足滲透性的同時滿足壩體防滲性減小、心墻水力劈裂，心墻料的強度提高和壓縮性的減小，能夠適應整個壩體的變形協調，在我國高土石壩中得到了較好的應用[26-29]。

馬洪琪[27，30]在研究糯扎渡心墻料的過程中，認為礫質土料中的礫石開始起骨架作用的含礫量P5約為30%～40%， 礫石含量小于該含量時，礫質土全料的干密度隨礫石含量成比例增加，細料可以得到充分壓實。糯扎渡農場土料場混合料摻礫 35%后的土料抗變形和抗剪強度指標較混合料均有較大提高，土體強度和變形性能較好以及細粒料的滲透穩定性等方面較優，且滲透系數為i×10-6cm/s。

王騰等[31]選取摻礫量、圍壓等因素來研究影響CD試驗固結時間。研究表明，摻礫量對固結歷時的影響主要和寬級配礫質土的結構性有關，隨著摻礫量的增加，固結歷時相應的減小；摻礫量在60%以上的試樣固結歷時陡然減小。圍壓對固結歷時的影響是圍壓越大排水量越大，固結歷時也相應增大。壓實度對固結歷時的影響相對較小，不同壓實度下試樣的固結系數相差不大。

朱濤等[32]通過室內試驗分析了寬級配礫質土的壓實特性，結果表明，寬級配礫質土擊實時干密度和含水率關系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個最優含水率。擊實后的最大干密度隨著礫石含量的增加先迅速增大，后又開始逐漸減小。隨著礫石含量的增加，其最優含水率先逐漸減小，后基本趨于穩定狀態。

李方振等[33]對不同礫石含量的寬級配礫質土進行了一系列的三軸滲透試驗。根據礫石含量不同，將寬級配礫質土的結構分成懸浮-密實、密實-骨架、骨架-空隙三種形式；滲透系數隨礫石含量的增大，呈現出先略微減小后又逐漸增大、最后顯著增大的變化規律，并認為寬級配礫質土的滲透系數與含水率、干密度均有較大的關系。

高鵬等[28]對兩河口水電站 300.0 m 級心墻堆石壩防滲料進行摻礫研究， 分別進行了擊實試驗和力學性質試驗。試驗結果表明， 隨著摻礫比增大，心墻防滲料的最大干密度逐漸增大，最優含水率逐漸減小; 摻礫比為40%的心墻防滲料的變形和強度性質較好，臨界水力梯度最高; 摻礫比為30%和40%的心墻防滲料的滲透系數更接近規范要求。推薦兩河口水電站心墻堆石壩心墻防滲料的摻礫比為40%。

謝正明[34]通過對兩河口水電站295.0 m壩的心墻料擊實性試驗研究發現，摻礫料在不同儀器尺寸、不同擊實功能工況下，擊實最大干密度隨摻礫量的增加而增大，當摻礫量增大到一定數值后，最大干密度趨于穩定或者出現下降，70%摻礫量時出現峰值。隨摻礫量的增加最優含水率減小。

陳志波等[35]通過對糯扎渡堆石壩心墻料的不同摻礫量的寬級配礫質土進行了重型擊實試驗，分別從摻礫量、含水率和顆粒破碎情況分析并研究寬級配礫質土的擊實特性，結果顯示，隨礫石含量與粗粒料的増加，心墻料的最大干密度呈先上升后下降的變化趨勢，擊實后隨粗粒含量的増大顆粒破碎量增多。

周雯芳等[36]通過對摻入量為0、20%、30%、40%、50%、60%、70%不同摻礫料分別進行了物理性試驗、擊實試驗、固結試驗、滲透試驗和三軸試驗，得到圖8～圖9。

圖8 不同含礫石量與滲透系數關系曲線圖

圖9 不同含礫石量與滲透系數關系曲線圖

由圖8可以看出，隨著礫石含量的增加，試樣的沉降量在減小，當礫石含量在40%～50%附近時，變形幅度逐漸減小，變形開始趨于穩定。由圖9可以看出，隨著礫石含量的增加，試樣的滲透系數在0～15%的礫石含量階段減小，15%以后隨著礫石含量的增加，試樣的滲透系數開始逐漸減小，礫石含量大于45%后，滲透系數的變化顯著增大，這與文獻[28]中所說內容相符合，在一定范圍內，隨著礫石含量的增加，礫石起到了骨架作用，變形減小，但當礫石含量達到一定程度時，骨架作用增強，細粒含量減小，不能完全填充骨架內的孔隙，滲透系數隨之減小。

此外，朱國勝等[37]研究了等寬級配粗粒土滲透試驗中存在的尺寸效應及邊壁效應，提出了滲透儀尺寸的選擇原則，為滲透儀截面尺寸的選擇提供了可行性的方法。雷紅軍等[38]利用改進的三軸滲透試驗裝置，對心墻黏土進行了剪切過程中的滲透試驗，分析了圍壓、滲透壓力、滲透方向等對土體滲透性的影響; 朱俊高等[39]采用大型三軸儀，對摻礫心墻料進行了三軸固結排水剪切試驗，研究了剪切速率對摻礫心墻料應力-應變關系和強度特性的影響;吳珺華等[40]采用改進的中三軸儀進行了摻礫心墻料的滲透試驗，研究了不同圍壓、土石比和水頭差對摻礫心墻料滲透系數的影響，試驗結果表明，土體圍壓越大，摻礫心墻料滲透系數越小，呈負指數形式遞減; 當圍壓增大到一定值時，土體很難被進一步壓密，摻礫心墻料滲透系數基本不變; 土石比越小，摻礫心墻料滲透系數越大，當礫石含量超過某一值時，摻礫心墻料滲透系數迅速增大; 水頭差較小時，不同的水頭差對摻礫心墻料滲透系數幾乎沒有影響。最大的難點是摻礫心墻料具有明顯的不均勻性，且其中的顆粒粒徑較大，采用常規滲透儀很難制取試樣，需要進行一系列的改進[36，39]。

這一系列的試驗，為摻礫心墻料的大型三軸試驗的可行性提供了參考。而目前關于摻礫心墻料的凍融循環試驗方面的研究不多，從黏土和粉細砂的凍融循環下的強度與變形、滲透性的變化規律，可以考慮不同摻礫量、凍結溫度、凍融次數、圍壓等情況下凍融循環引起摻礫心墻料的強度與變形，以及滲透性的變化進行進一步的試驗探討，根據以上摻礫心墻的三軸試驗需要注意的加載速率、礫石含量、圍壓等各種因素的影響，合理控制這些因素對于凍融循環條件下摻礫心墻料的大型三軸試驗的開展是可行的。

4 結 論

(1)通常情況下，黏土的凍融特性不僅與土的含水率、密度、凍結溫度、顆粒級配、循環次數有關，而且與土的前期固結狀態有關，還可能是這些因素之間的耦合作用。

(2)黏土的凍融循環是土中的水在受到正負溫度變化的影響由液態變為固態，再由固態變為液態，循環往復的水的相變過程。凍融循環使土的結構性發生了顯著性的改變而產生破壞。土的凍融循環作用已從宏觀上的試驗參數分析，轉而從微觀結構的角度研究土的凍融機理的分析。

(3)摻礫心墻料的大型試驗，主要圍繞心墻料的礫石含量對滲透特性、強度與變形特性的影響等。

(4)目前，針對摻礫心墻料的凍融特性的研究較少，凍融循環后引起心墻料的強度與變形、孔隙率的變化、滲透特性的研究需要進一步探討。