凍融循環作用下粘土抗剪強度試驗研究

胡 坤

（常州大學 環境與安全工程學院， 江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，寒區工程建設日益增多。寒區季節性凍土隨著環境溫度的變化受到凍融作用，其作為建（構）筑物地基的穩定性是寒區工程研究的熱點。對于土體抗剪強度在凍融循環作用下的試驗研究具有重要的理論價值和實踐指導意義。國內外學者[1-3]對于粉砂、固化淤泥土、粗粒土等進行了凍融循環作用下力學性質研究，程卓[4]對飽和粉砂在凍融循環作用下的剪切力學特性進行研究，提出了飽和粉砂抗剪強度隨凍融循環變化表達式。柯睿[5]研究了固化淤泥土經過凍融循環后的力學性質變化及其劣化機理，固化淤泥土隨著凍融循環次數的增加，其內摩擦角、粘聚力等力學指標均出現減小。尹松[6]在不同制樣含水率下，對不同凍融循環次數作用下的路基壓實粉土進行了直接剪切試驗，隨著凍融循環次數的增加，抗剪強度及粘聚力呈先降低后趨于穩定的趨勢。

綜上所述，凍融循環作用下寒區細粒土的抗剪強度相關研究相對較少。本文選用寒區粘土為研究對象，在不同凍融循環次數條件下，對土體抗剪強度、粘聚力、內摩擦角等指標的變化進行分析，為寒區工程建設提供理論依據。

1 試驗材料與方案

試驗材料選用寒區粘土，由含水率試驗、比重試驗、液塑限聯合測定試驗結果，本試驗所用粘土物性指標如表1 所示。粘土經曬干、碾碎、重塑后制成干密度為1.2g/cm3，直徑為61.8mm，高度為20mm 的試樣。為了研究凍融循環次數對粘土抗剪強度指標的影響規律，凍融循環次數設計為0 次、3次和6 次，含水率設計為35%、45%兩個水平，凍結溫度為-3℃，融化溫度為+10℃，凍融循環時間為24h。

表1 土工試驗成果表

2 試驗設備與步驟

2.1 試驗設備

（1）XT5405FSC 系列凍融循環試驗箱

試驗箱可提供高精度恒定正、負溫環境，以提供凍融循環試驗條件。溫度變化范圍-45～+60℃，精確至0.05℃。箱體內部尺寸寬0.5m、深0.5m、高0.7m。

（2）多功能凍土模擬廳。凍土試驗廳是具有一定結構剛度的保溫試驗室，內壁噴涂150mm 厚的聚胺酯保溫層，外用絕熱材料構成。凍土廳內部有效凈空間為2m×2.5m×2.5m，能同時容納4 臺直剪儀，可以實現不同應力水平下的凍土直剪試驗同時進行，消除環境溫度波動對土樣直剪試驗結果的影響，最大限度的保證試驗結果的可對比性。

（3）直剪系統。直剪系統采用EDJ-1 型等應變直剪儀，采用量程為1MPa的鋼環，為消除溫度對測力剛環系數的影響，使用前在-3℃的溫度環境下對其進行誤差修正。

2.2 試驗步驟

（1）根據設計干密度、設計含水率w，以及實測風干土樣的初始含水率，計算土樣所需的風干土質量及所需加水的質量；（2）采用直徑為61.8mm，高度為20mm 的環刀進行制樣，然后將帶有試樣的環刀放入凍融循環試驗箱中按設定方案進行凍融循環；（3）當凍融循環達到設定次數后，取出試樣，將其置入剪切盒內，依次放上傳壓板、加壓框架，安裝水平位移量測千分表和垂直位移量測千分表，并調至零位。（4）拔去固定銷釘，以0.8mm/min 的剪切速率進行剪切，同時記錄水平位移、垂直位移和剪切測力計讀數，直至試樣剪損，停止試驗；（5）退去剪切力和正應力，移動加壓框架，取出試樣，進行下一組試驗，直至試驗完成。

3 試驗結果與分析

剪切完成后試樣形狀規則、沿剪切面形成較為明顯的相對位移。圖1 所示為含水率45%，不同凍融循環次數后融土的應力應變曲線，可以看出，融土的應力應變曲線形態呈現為硬化型。以4mm 剪切位移所對應的剪應力作為粘土的抗剪強度，則含水率為45%，垂直壓力為100 kPa，凍融次數分別為0次、3 次、6 次條件下的粘土抗剪強度分別為10.54 kPa、17.59 kPa、17.9 kPa；垂直壓力為200 kPa，凍融次數分別為0 次、3 次、6 次條件下的粘土抗剪強度分別為14.56 kPa、31.16 kPa、31.5 kPa；垂直壓力為400 kPa，凍融次數分別為0 次、3 次、6 次條件下的粘土抗剪強度分別為25.04 kPa、58.23 kPa、60.68 kPa。

由此可見，當垂直壓力相同時，土樣抗剪強度隨著凍融次數的增加而增大，比如在100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直壓力下，凍融循環3 次后的抗剪強度與沒有進行凍融循環的試樣相比，抗剪強度分別增大了66.9%、114.0%、132.5%。分析原因是，由于凍脹融沉效應，重塑土在經歷凍融循環后，內部孔隙比增大，干密度降低，剪切過程中，在垂直壓力作用下土體產生較大的固結沉降，導致抗剪強度增加所致。當凍融循環次數超過3 次以后，凍融循環次數的增加對抗剪強度的影響很小，比如在100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直壓力下，凍融循環由3 次增加到6 次，抗剪強度僅分別增大了1.8%、1.1%、4.2%。分析原因是，當凍融循環達到3 次后，繼續增加凍融循環次數，并不能促進重塑土內部孔隙的顯著增大，因此剪切過程中的固結沉降和抗剪強度變化不大。

含水率分別為35%、45%的粘土在不同凍融循環次數后的抗剪強度曲線，如圖2 所示。由圖可見，擬合曲線的相關性系數較高，試驗數據準確可靠，由擬合函數得到不同凍融循環次數作用下粘土內摩擦角和粘聚力的變化情況，具體數據見表2。由表2 可見，含水率為35%、45%的土樣的內摩擦角均隨凍融循環次數的增加而增大，此規律與前文對抗剪強度的分析結論相同。含水率為35%的土樣，其粘聚力隨凍融循環次數的增加而減小，分析原因是凍融循環使土樣孔隙比增大，結構變得更加松散所致。

表2 抗剪強度指標

4 結論

為了研究凍融循環對土體抗剪強度的影響，對干密度為1.2g/cm3的粘土進行了直接剪切試驗，主要結論如下：（1）當垂直壓力相同時，土樣抗剪強度隨著凍融次數的增加而增大，但凍融循環次數超過3 次以后，凍融循環次數的增加對抗剪強度的影響很小；（2）含水率為35%、45%的土樣的內摩擦角均隨凍融循環次數的增加而增大；（3）含水率為35%的土樣，其粘聚力隨凍融循環次數的增加而減小，分析原因是凍融循環使土樣孔隙比增大，結構變得更加松散所致。