凍融狀態和含水率對林區土壤力學性能的影響★

周 遠 趙秋月 張博銳 楊全喜 于 淼 孫術發

(東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

中國地域遼闊廣大，自然條件優越，樹木種類繁多。據全國林管局的不完全統計，我國森林面積約為2.08億ha，森林覆蓋率為21.63%，常見的樹木就有五千多種，是世界上樹種最多的國家之一[1,2]。林區地域主要分為東北林區、西南林區、南方林區三大林區，其中東北林區中的大興安嶺、小興安嶺和長白山是我國最大的森林區，且存在林區道路復雜、環境惡劣和土壤長期遭受季節性凍融作用的影響等問題[3]，使得該林區土壤性能的研究存在諸多不便。對于土壤力學性能的研究有很多，例如陳紅星等[4]通過三軸剪切儀探究含水率和土壤堿度對于抗剪強度的影響；張惠忍等[5]通過直剪切儀研究的內摩擦角和粘聚力與含水率和凍融狀態的關系等，雖然已有的結果表明土壤的凍融狀態和含水率對其力學性能都具有一定的影響[4-6]，但針對經過凍融作用后的林區土壤力學性能研究甚少。文章以帽兒山實驗林場為采樣地點，通過將林區土壤分為凍融和未凍兩種狀態，并結合含水率研究其力學性能的影響。研究結果對于林區土壤力學性能的研究及林區冬季施工作業具有重要的理論指導意義。

1 試驗與材料準備

1.1 試驗土壤的選取

東北林區帽兒山林場位于東經127°18′0″～127°41′6″，北緯45°2′20″～45°35′16″，地貌多為山區丘陵，海拔高度最高可達到600 m，平均海拔400 m，坡度在5°～25°之間，屬中溫帶大陸性季風氣候，四季變化明顯，年平均氣溫2.4 ℃，最高氣溫34 ℃，最低氣溫-40 ℃[7]，其土壤類型為典型的季節性凍融土壤，滿足本文試驗所需土壤類型。

試驗土樣取自帽兒山實驗林場中的(北緯127°31′22.461″，東經45°19′17.892″和北緯127°31′27.829″，東經45°19′9.176″)兩處不同位置的土壤。由于林區樹植茂密，采集時間為秋季，所以采集土樣時，先用鐵鏟去除采集區域0 cm～5 cm厚的腐殖物與土壤，然后采集5 cm～30 cm深度的表層土，兩處不同位置的土壤分別記錄為一號土和二號土。

1.2 試驗準備

將采集回來的土壤過篩，烘干，按照預先設計好的含水率進行配置，一號土含水率分別配置為20%，25%，30%，二號土含水率分別配置為15%，20%，25%，30%。在試驗土樣制備過程中，為了使土樣與模具接觸時可以順滑脫落，在高16 cm，內徑3.91 cm的圓柱三軸模具內壁涂抹一層凡士林；將一號土按照含水率20%的比例配置完成后，倒入三軸模具中，進行擊實脫模制樣。模具在倒入土壤前先在底部塞入一個高4 cm，直徑3.91 cm的墊塊，在倒入土壤后再在上面放一個相同大小的墊塊。擊實時，用膠錘擊打墊塊，使最后成型的緊實土樣高為8 cm，直徑為3.91 cm。一號土和二號土其余六種類別的含水率重復上述實驗，每個含水率制作10個土樣，并且土樣制作完成后用保鮮膜密封處理。因為制作土樣需耗費一定時間，為了防止土樣水分流失和實驗室溫度對土樣的影響，故將制作好的土樣放入標準恒濕恒溫箱內保濕保溫，如圖1所示。

在制備好的一號土試驗土樣和二號土試驗土樣中按照含水率類別，每個含水率下取5個試樣，在-25 ℃的環境下冷凍12 h，之后在28 ℃的恒溫條件下解凍4 h作為凍融土試樣，其他試驗土樣放入標準恒溫箱內作為對比的未凍土試樣。

1.3 三軸剪切試驗

從恒溫箱內取出一個一號土20%的試驗土樣，按照《土工試驗方法標準》操作，將試驗試樣安裝在三軸儀的操作臺上，調試與三軸儀相連接的電腦，其中剪切方式設置為不固接不排水，鋼環系數設置為10，軸向應變設置為20，初始圍壓設置為100 kPa。

試驗采用的是TSZ全自動三軸儀，一次剪切試驗只能得到單次圍壓下的主應力差與軸向應變關系曲線，圖2為在100 kPa圍壓下，含水率為20%的一號土未凍狀態土樣的三軸剪切試驗圖，由圖2可得，試驗剛開始時軸向偏差應力(σ1-σ3)隨軸向應變迅速上升，達到峰值(或達到軸向應變設置的20)后趨于平穩。每一組試樣只有在至少三種不同圍壓下的剪切成功后，得出三條應變關系曲線，結合圍壓和相應的最大主應力值，才能得出不固接不排水強度包線，從而得出粘聚力和內摩擦角的值。故每組試樣在100 kPa，200 kPa，300 kPa三種不同圍壓下各做一個，而每組余下的試樣留作備用,其余13組按照上述操作步驟重復進行。

2 試驗結果與分析

2.1 含水率和凍融狀態對土壤粘聚力的影響

將試驗得到的數據輸入到Origin文本中，建立一號土和二號土在未凍和凍融兩種狀態下的粘聚力隨含水率的變化圖，結果如圖3所示。

由圖3a)可知，一號土無論在凍融還是未凍的情況下，粘聚力都隨著含水率的升高而降低，并且當含水率從20%到25%時，未凍土粘聚力下降了22.47%，凍融土粘聚力下降了27.73%；含水率從25%到30%時，未凍土粘聚力下降了15.53%，凍融土粘聚力下降了3.85%。由此可見，一號土含水率從20%到25%時，未凍土和凍融土粘聚力的下降速度均大于含水率從25%到30%時粘聚力下降的速率，而且凍融土在含水率從20%到25%時粘聚力下降速度比未凍土更快。從圖3b)中，可以看出二號土在未凍狀態和凍融狀態下的粘聚力也均隨含水率的增大而降低，并且二號土凍融后的粘聚力也普遍高于未凍下的粘聚力。結合圖3a)，圖3b)可以得出，一號土含水率自20%開始，無論在凍融情況下還是未凍情況下，粘聚力均大于二號土，并且隨著含水率的增加，粘聚力下降速度要緩于二號土；一號土在凍融情況下，含水率從25%到30%時，粘聚力僅下降了3.85%。而二號土在凍融情況下，含水率從20%到25%時，粘聚力下降了21.11%；含水率從25%到30%時，粘聚力下降了15.16%。

造成上述現象的原因大致為，隨著含水率的上升，土顆粒間的液態水增多，降低了結構穩定性，使相對位移變得更加容易，從而降低了粘聚力，而凍融后，顆粒間的液態水大多轉換成個固體冰，增加了膠結作用，致使凍融后的粘聚力大于未凍下的粘聚力[8，9]。

2.2 含水率和凍融狀態對土壤內摩擦角的影響

將從三軸剪切試驗中得出的數據輸入Origin中，繪制出一號土和二號土在未凍和凍融兩種狀態下的內摩擦角隨含水率的變化圖，結果如圖4所示。從圖4a)中可知，一號土的內摩擦角在未凍和凍融狀態下都隨著含水率的增加而減小，但凍融后的減小趨勢要明顯大于未凍情況下的減小趨勢。從圖4b)中可以得出，二號土的內摩擦角無論在凍融還是未凍的情況下也都隨著含水率的增加而減少，但含水率從15%到25%時，在未凍和凍融兩種情況下，減小的速度大致相同，而含水率從25%到30%時，未凍下的內摩擦角減小了32.59%；凍融情況下的內摩擦角減小了52.15%。結合圖4中的兩幅圖可以得出，一號土和二號土無論在凍融狀態還是未凍狀態下，內摩擦角隨著含水率的增加均呈現減少趨于0的趨勢，而二號土下降的更快，趨勢更加明顯。

造成上述現象的原因大致為:土顆粒間的液態水增多，加大了孔隙間的縫隙，從而影響了土壤穩定，使之更易滑動，這些導致內摩擦角隨著含水率的增加而減小。而土壤經過凍融后，液態水一部分轉化成了固體冰，從而使顆粒間的縫隙更大，含水率越高，固體冰越多，內摩擦角越小[10]。

3 結語

試驗以林區土壤力學性能為研究對象，以帽兒山林區土壤為例，將兩種典型土壤分類標記為一號土和二號土，進行不同含水率，不同凍融狀態的不固結不排水三軸剪切試驗，以含水率和凍融狀態為自變量，探究了對林區土壤粘聚力和內摩擦角的影響，研究結果發現一號土和二號土在凍融和未凍兩種狀態下的粘聚力均隨著含水率的增加不斷減小，而減小趨勢，二號土大于一號土。一號土在凍融情況下含水率從25%到30%時，下降趨勢明顯放緩，而二號土在凍融情況下，粘聚力一直隨著含水率的增加而減小，并且下降速度越來越快。一號土和二號土在未凍和凍融兩種狀態下的內摩擦角隨著含水率的增加也不斷減小，并且減小趨勢為二號土凍融大于二號土未凍，一號土凍融大于一號土未凍。

試驗結果表明，林區土壤隨著含水率的增加，粘聚力和內摩擦角都不斷減小；而經過一次凍融循環后，粘聚力普遍增大，內摩擦角普遍降低。試驗結論對今后林區土壤力學性能的研究和林區冬季施工作業可起到理論支撐作用。