高小雲(yún)，劉家國，趙貴濤，鄒維列

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2.深圳市地質(zhì)局, 廣東 深圳 518023)

黑龍江省屬深季節(jié)凍土區(qū)，其北部引嫩干渠烏北渠段地處松遼盆地中央坳陷區(qū)北部，受蒙古內(nèi)陸冷空氣和海洋暖流季風(fēng)的影響，氣溫和降水的季節(jié)性變化較大，表現(xiàn)為夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，特別是在西部松嫩平原地區(qū)，以強(qiáng)凍脹性的粉質(zhì)黏土、分散性黏土以及膨脹土等特殊土居多。由于膨脹土對(duì)環(huán)境中的溫(溫度)、濕(含水率)變化都極為敏感，因此該地區(qū)膨脹土渠道發(fā)生滑坡、渠底隆起等破壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重[1]，造成輸配水工程不能正常發(fā)揮作用。

溫、濕條件隨季節(jié)的周期性變化，使得膨脹土體也經(jīng)歷著周期性的干-濕和凍-融作用，相應(yīng)地引起膨脹土中液相水、固相冰與水蒸汽間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，從而使得顆粒之間的結(jié)構(gòu)、孔隙分布發(fā)生改變[2-3]。已有的研究表明，反復(fù)的干濕和凍融作用易使膨脹土的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生衰變，從而影響工程的長期安全與穩(wěn)定[4-5]。

以往對(duì)膨脹土的研究主要針對(duì)南方地區(qū)[6]，側(cè)重研究了膨脹土的力學(xué)特性和工程特性，以我國南水北調(diào)中線工程[7-8]和公路工程[9-10]建設(shè)中所面臨的膨脹土問題、尤其是邊坡穩(wěn)定問題[8,11-12]為主。近年來，大氣影響深度范圍以內(nèi)干濕循環(huán)作用及其產(chǎn)生的干縮裂隙對(duì)膨脹土的影響受到重視，包括對(duì)膨脹土強(qiáng)度[13-14]、脹縮變形[14-15]和裂隙[15-16]影響的研究。盡管我國已有學(xué)者開始關(guān)注凍融循環(huán)作用對(duì)膨脹土力學(xué)特性的影響[5]，但這些研究一般只針對(duì)單一的干濕循環(huán)或者單一的凍融循環(huán)作用的影響，因而不能全面地反映季凍環(huán)境中膨脹土強(qiáng)度特性的演化規(guī)律，尤其是對(duì)膨脹土邊坡(包括渠道邊坡)最容易發(fā)生的淺層滑坡土體的低應(yīng)力特點(diǎn)關(guān)注不夠[4,17]。然而重大工程對(duì)其長期安全與穩(wěn)定性的準(zhǔn)確預(yù)測需求卻在日益提高。因此，開展低應(yīng)力狀態(tài)下干濕和凍融循環(huán)作用對(duì)季凍區(qū)膨脹土強(qiáng)度特性影響的試驗(yàn)研究，是有學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值的。

本文以季凍區(qū)輸水渠道邊坡的淺層膨脹土為對(duì)象，考慮當(dāng)?shù)貧夂虻闹芷谛宰兓瘲l件，設(shè)計(jì)干濕循環(huán)、凍融循環(huán)以及干濕-凍融循環(huán)三種環(huán)境作用的試驗(yàn)方案，分別對(duì)受循環(huán)作用前后的膨脹土試樣開展低圍壓狀態(tài)下的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，以揭示三種循環(huán)作用對(duì)膨脹土渠道淺層土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣于5月取自黑龍江北部引嫩干渠烏北38 km處的渠道邊坡，其基本物理指標(biāo)如表1所示?？梢娫撆蛎浲恋奶烊缓蕿?6.30%，干密度為1.54 g/cm3，縮限為15.3%；自由膨脹率為67%，具有弱膨脹性。

將取回的土樣風(fēng)干碾碎，過2 mm篩，按照26.3%的天然含水率向土樣中加水，拌合均勻，密封靜置3天后，按1.54 g/cm3控制試樣的干密度，制作直徑39.1 mm，高度80 mm的圓柱樣，共80個(gè)，分為16組，每組5個(gè)樣。

如果采用分層擊實(shí)制樣，則經(jīng)歷干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和干濕-凍融循環(huán)作用后，在試樣的分層層面容易產(chǎn)生裂縫，從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。因此對(duì)試樣采用靜壓法一次制作成型(不分層)。

表1 引嫩干渠膨脹土樣的基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱對(duì)試樣進(jìn)行干濕、凍融以及干濕-凍融三種環(huán)境的循環(huán)作用，每種環(huán)境下的循環(huán)次數(shù)分別為2、4、6、8、10。詳細(xì)過程如下：

(1) 根據(jù)大慶地區(qū)的室外氣象資料，設(shè)置恒溫恒濕試驗(yàn)箱的溫度為23℃、濕度為75%模擬當(dāng)?shù)?月至10月份的溫、濕環(huán)境。將試樣放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱中脫濕，至含水率降低至15.3%的縮限附近時(shí)，停止脫濕，取出抽氣飽和，再次放入恒溫恒濕箱中脫濕至26.3%的天然含水率，完成1次干濕循環(huán)。

(2) 分別設(shè)置-20℃和20℃為當(dāng)?shù)?1月至次年5月的凍、融環(huán)境溫度。將試樣用保鮮膜包裹后再次放入恒溫恒濕箱中，使試樣在-20℃溫度的環(huán)境中凍結(jié)12 h，在20℃的環(huán)境中融化12 h，完成1次凍融循環(huán)。

(3) 綜合(1)、綜合(2)的步驟模擬當(dāng)?shù)厝甑臍夂蜃兓簩⒃嚇釉跍囟葹?3℃、濕度為75%的環(huán)境中脫濕至含水率達(dá)到15.3%，抽氣飽和后，再脫濕至含水率為26.3%；其后將試樣用保鮮膜包裹，使試樣在-20℃的環(huán)境中凍結(jié)12 h，在20℃的環(huán)境中融化12 h，則完成1次干濕-凍融循環(huán)。

(4) 將未經(jīng)歷和經(jīng)歷了環(huán)境循環(huán)作用的試樣真空抽氣飽和后，裝入三軸壓力室中，分別在10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa和50 kPa的低圍壓下固結(jié)穩(wěn)定后，保持圍壓不變，以控制應(yīng)變的方式增大偏應(yīng)力進(jìn)行不排水剪切，剪切過程中控制剪切速率為0.08 mm/min，軸向應(yīng)變速率為0.1%/min。當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)停止加荷。

2 低圍壓下干濕-凍融循環(huán)作用對(duì)烏北膨脹土強(qiáng)度特性的影響

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

未經(jīng)歷和經(jīng)歷三種循環(huán)作用后的膨脹土試樣，在不同低圍壓下的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)的偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線隨循環(huán)次數(shù)的變化，如圖1所示。由圖1可以看出：

(1) 未經(jīng)歷循環(huán)作用的試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變軟化型或穩(wěn)定型。

(2) 經(jīng)干濕循環(huán)作用的試樣，在10 kPa圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈弱應(yīng)變軟化型，在20 kPa～50 kPa范圍內(nèi)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則隨圍壓增大而主要呈穩(wěn)定型或弱應(yīng)變軟化型。

(3) 經(jīng)凍融循環(huán)作用的試樣，在10 kPa圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要呈穩(wěn)定型，在20 kPa～50 kPa范圍內(nèi)，則主要呈穩(wěn)定型或應(yīng)變軟化型。

(4) 經(jīng)干濕-凍融循環(huán)作用后的試樣，在10 kPa圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系主要呈穩(wěn)定型，在20 kPa～50 kPa范圍內(nèi)，主要呈穩(wěn)定型或弱應(yīng)變軟化型。

圖1不同循環(huán)次數(shù)下試樣的偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?之間關(guān)系

綜合未經(jīng)歷和經(jīng)歷三種循環(huán)作用后膨脹土試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化，可以發(fā)現(xiàn)：循環(huán)作用之前和之后，在低圍壓下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要呈弱應(yīng)變軟化型和穩(wěn)定型。

循環(huán)作用前、后試樣的破壞強(qiáng)度如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 三種循環(huán)作用下，試樣的破壞強(qiáng)度均隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

(2) 試樣在經(jīng)歷凍融作用后，破壞強(qiáng)度迅速降低，并在循環(huán)2次后基本達(dá)到穩(wěn)定；經(jīng)歷干濕和干濕-凍融循環(huán)作用后的試樣，其破壞強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)緩慢降低，在循環(huán)8次后，經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)的試樣與經(jīng)歷凍融循環(huán)作用試樣的強(qiáng)度基本一致；循環(huán)作用10次后，三種循環(huán)作用后的試樣與未受循環(huán)作用的試樣相比，相同圍壓條件下，經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用的試樣破壞強(qiáng)度較未循環(huán)試樣降低的幅度最大，平均降低了23.43%(因干濕-凍融循環(huán)處理中包含干濕循環(huán)和凍融循環(huán)操作，反復(fù)拆卸樣過程繁雜且歷時(shí)長，造成部分試樣差異，使其中圍壓40 kPa的干濕-凍融循環(huán)作用數(shù)據(jù)不符合整體規(guī)律，不予考慮)；經(jīng)歷凍融循環(huán)作用試樣破壞強(qiáng)度的降低幅度最小，較未循環(huán)試樣的破壞強(qiáng)度平均降低了16.19%。這表明，長期的干濕和凍融的周期性循環(huán)作用會(huì)加劇膨脹土強(qiáng)度的衰變。因此，在季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設(shè)中，只考慮干濕或只考慮凍融循環(huán)作用，都不能全面地反映膨脹土強(qiáng)度特性的真實(shí)弱化情況。

表2 不同循環(huán)作用后試樣的破壞強(qiáng)度 單位：kPa

2.2 抗剪強(qiáng)度

試樣剪切強(qiáng)度根據(jù)圖1中應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型加以確定：對(duì)于應(yīng)變軟化型曲線，取抗剪強(qiáng)度為試樣破壞時(shí)的偏應(yīng)力；對(duì)于應(yīng)變硬化型曲線，則取軸向應(yīng)變達(dá)到15%的偏應(yīng)力。

三種循環(huán)作用后試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨循環(huán)次數(shù)的變化，如圖2所示。可以看出：

(1) 前4次循環(huán)作用使試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化最明顯，之后趨緩。未經(jīng)歷循環(huán)作用試樣的黏聚力為24.96 kPa，內(nèi)摩擦角為25.26°，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣黏聚力均逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2不同循環(huán)作用下，抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ隨循環(huán)次數(shù)n的變化

(2) 受干濕-凍融循環(huán)作用的試樣黏聚力下降幅度最大，受凍融循環(huán)作用的試樣下降程度最??；內(nèi)摩擦角的變化則因循環(huán)作用類型的不同而有所不同：在凍融循環(huán)作用下，試樣的內(nèi)摩擦角有所減小；在干濕和干濕-凍融循環(huán)的作用下，試樣的內(nèi)摩擦角則有所增大，但變化并不明顯。

分析其原因如下：

① 在凍融循環(huán)作用中，水分反復(fù)凍結(jié)和融化，破壞了試樣顆粒之間的原有結(jié)構(gòu)和排列[3]，粒間聯(lián)結(jié)弱化，從而使黏聚力降低。同時(shí)，凍脹作用增大了土顆粒的間隙，使顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松，導(dǎo)致試樣內(nèi)摩擦角呈減小的趨勢。

② 在干濕循環(huán)作用下，膨脹土試樣反復(fù)的遇水膨脹和失水收縮作用破壞了試樣的整體性，產(chǎn)生裂隙，并隨循環(huán)次數(shù)的增多而增加，致使土體逐漸破碎，原有顆粒之間的聯(lián)結(jié)被破壞，因而引起黏聚力降低。隨著土體逐漸破碎、細(xì)顆粒逐漸增多，且在干濕循環(huán)的失水收縮過程中，基質(zhì)吸力的作用拉緊顆粒，孔隙減小，使顆粒間的摩擦增加、相對(duì)位移的阻力有所增大，因而內(nèi)摩擦角略微增加。

③ 在干濕與凍融循環(huán)的共同作用下，凍脹造成的顆粒間結(jié)構(gòu)破壞、粒間距離增加，加之失水收縮引起的裂隙增加、土體破碎，二者共同作用加劇了試樣的破壞，使受干濕-凍融循環(huán)作用的試樣強(qiáng)度參數(shù)變化最為明顯，黏聚力下降最大，抗剪強(qiáng)度降低最為嚴(yán)重，經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)后試樣的黏聚力下降為12.46 kPa，內(nèi)摩擦角增加至28.34°。因此，在三種環(huán)境中，干濕-凍融循環(huán)作用對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的影響程度最大。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)季凍區(qū)膨脹土渠道長期運(yùn)營中容易發(fā)生的渠坡淺層滑動(dòng)、渠底隆起等常見破壞問題，對(duì)取自黑龍江北部引嫩干渠烏北渠段的膨脹土試樣，開展了經(jīng)歷干濕、凍融以及干濕-凍融三種循環(huán)作用后的一系列低圍壓狀態(tài)下的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 未經(jīng)歷和經(jīng)歷干濕、凍融和干濕-凍融循環(huán)作用的膨脹土試樣，在10 kPa～50 kPa圍壓下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上呈弱應(yīng)變軟化型和穩(wěn)定型。

(2) 經(jīng)歷三種循環(huán)作用后，試樣的破壞強(qiáng)度均隨循環(huán)次數(shù)的增多而降低。其中，經(jīng)歷凍融作用的試樣在循環(huán)2次以后基本達(dá)到穩(wěn)定，干濕循環(huán)和干濕-凍融循環(huán)作用則隨循環(huán)次數(shù)緩慢降低。與未循環(huán)試樣相比，經(jīng)歷10次不同條件的循環(huán)作用后，受干濕-凍融處理的試樣破壞強(qiáng)度降低的幅度最大，而受凍融處理的試樣破壞強(qiáng)度降低的幅度最小。因此，在季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設(shè)中，膨脹土強(qiáng)度取值應(yīng)同時(shí)考慮干濕與凍融循環(huán)的作用。

(3) 三種環(huán)境作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣黏聚力均逐漸減小，其中受干濕-凍融循環(huán)作用試樣的減小程度最大；內(nèi)摩擦角則因受循環(huán)作用的類型不同而有所不同：隨循環(huán)次數(shù)增加，受干濕和干濕-凍融循環(huán)作用的試樣內(nèi)摩擦角有所增大，而受凍融循環(huán)作用的試樣內(nèi)摩擦角則有所減小，但變化均不明顯。在前4次循環(huán)中試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化最為顯著，4次循環(huán)以后逐漸趨緩。