安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 安陽(yáng) 455000

我國(guó)南水北調(diào)中線(xiàn)工程的河南段渠道沿線(xiàn)中分布有大量膨脹土，對(duì)水利工程邊坡的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用。膨脹土是一種含有大量蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物的特殊土體，遇水發(fā)生膨脹，失水發(fā)生干裂是膨脹土最常見(jiàn)的工程特性[1]。在遇水過(guò)程中，膨脹土中的黏土礦物因大量吸水而發(fā)生顯著的膨脹而引起附加變形。在對(duì)南水北調(diào)工程南陽(yáng)段進(jìn)行地質(zhì)勘查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的渠道內(nèi)邊坡內(nèi)含有豐富的膨脹土，對(duì)于邊坡工程的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)是較大的不穩(wěn)定因素[2]。含有膨脹土的地質(zhì)環(huán)境對(duì)地下水變化十分敏感，一旦發(fā)生飽和度的變化，進(jìn)而引起不均沉降和側(cè)向應(yīng)力增大的現(xiàn)象，這一變化可能會(huì)導(dǎo)致邊坡滑塌失穩(wěn)的工程災(zāi)害[3]。

我國(guó)的常年凍土區(qū)和季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)面積分別占國(guó)土面積的21.5%和53.5%。隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入及工程標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，對(duì)土體強(qiáng)度受凍融循環(huán)影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)需求也更加迫切。隨季節(jié)更替，南水北調(diào)中線(xiàn)的膨脹土邊坡頻繁發(fā)生凍結(jié)溶沉現(xiàn)象。此外，通過(guò)水文調(diào)查發(fā)現(xiàn)：南陽(yáng)段的渠道沿線(xiàn)內(nèi)具有豐富的地表和地下水，土體的飽和度、含冰量在季節(jié)變化時(shí)會(huì)發(fā)生較大變化[4]。這種變化使得膨脹土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與變形特性發(fā)生明顯變異，進(jìn)而導(dǎo)致膨脹土的宏觀(guān)強(qiáng)度特征出現(xiàn)顯著的弱化。因此，為保證該地區(qū)渠道邊坡工程的穩(wěn)定性與安全性，須對(duì)該地區(qū)膨脹土強(qiáng)度特征隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律開(kāi)展測(cè)試[5]。

膨脹土在凍融循環(huán)過(guò)程中的水分存在凍結(jié)水與未凍結(jié)水兩種狀態(tài)，在循環(huán)過(guò)程中，水分會(huì)發(fā)生遷移，從而影響土體的宏觀(guān)力學(xué)狀態(tài)。前人對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)膨脹土的力學(xué)性質(zhì)受飽和度、含冰量和凍結(jié)溫度等影響因素的關(guān)系開(kāi)展了大量研究。例如Tsytovich 和Sumgin[6]進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)研究了膨脹土在凍融過(guò)程中的單軸抗壓強(qiáng)度與含冰量關(guān)系的研究，得出膨脹土凍融后的強(qiáng)度隨含冰量上升先增大后減小的規(guī)律。鎖文韜[7]對(duì)取自南陽(yáng)的石灰改性膨脹土在0～5 次凍融循環(huán)條件下進(jìn)行了無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn),結(jié)果表明抗壓強(qiáng)度隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。Hotineanu 等[8]基于凍土的三軸剪切試驗(yàn),在恒定溫度、恒定加載速率下對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的凍結(jié)重塑膨脹土試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土體的強(qiáng)度與干密度呈正相關(guān)，與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論。聶眾[9]進(jìn)行了不同圍壓級(jí)別的凍融膨脹土三軸蠕變實(shí)驗(yàn)，給出了膨脹土蠕變特征受凍融循環(huán)次數(shù)的影響規(guī)律。

目前，針對(duì)凍結(jié)膨脹土的研究成果雖然比較豐富，然而針對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)原狀膨脹土力學(xué)特性與強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系[10]的研究還不夠系統(tǒng)。本文以南水北調(diào)中線(xiàn)工程南陽(yáng)段渠道邊坡內(nèi)的膨脹土原狀樣為對(duì)象，進(jìn)行三軸剪切實(shí)驗(yàn)，以三軸試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)系統(tǒng)地分析了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)力學(xué)特性的影響規(guī)律和機(jī)理。

圖1 膨脹土的級(jí)顆粒配曲線(xiàn)Fig.1 The grading curve of expansive soil

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的是采自南陽(yáng)市渠道邊坡內(nèi)部的膨脹土原狀樣。在對(duì)附近地層進(jìn)行地質(zhì)勘查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)地層含有豐富的膨脹土和膨脹巖。根據(jù)場(chǎng)地野外鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn)取樣點(diǎn)除上部分布不均的坡積碎石土以外，下部至勘察深度內(nèi)為膨脹土，局部夾強(qiáng)風(fēng)化膨脹巖。由于取樣場(chǎng)地的膨脹土位于地下水位以上，土質(zhì)松散，采用常規(guī)的鉆機(jī)取土必然會(huì)導(dǎo)致試樣擾動(dòng)。為此，根據(jù)JGJ/T 87-2012 建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程，采用人工挖取膨脹土塊狀樣，這種取土方法可以得到I 級(jí)的未擾動(dòng)膨脹土試樣。

南陽(yáng)段膨脹土的基本物理特性指標(biāo)如表1 所示。該地區(qū)土樣呈黃褐色，塑性較低，天然含水量為13%，自由膨脹率為48.4%，屬于中等膨脹性，土樣的主要礦物成分包括：長(zhǎng)石、石英和以高嶺石、蒙脫石和伊利石構(gòu)成的黏土礦物。膨脹土的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖1 所示，采用比重計(jì)法進(jìn)行本試驗(yàn)的膨脹土顆粒分析，可以看出該粉質(zhì)粘土的級(jí)配良好。

表1 粉質(zhì)粘土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of silty clay

1.2 試驗(yàn)方法

三軸實(shí)驗(yàn)試樣為直徑38 mm，高度80 mm 的圓柱體，本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)0～10 次凍結(jié)膨脹土試樣開(kāi)展剪切，操作步驟遵循《土工試驗(yàn)方法GB/T50123-1999 標(biāo)準(zhǔn)》，采用實(shí)地取回來(lái)的土塊進(jìn)行制樣，然后進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

制樣完成后將原狀膨脹土試樣放入恒溫恒濕控制箱中在溫度為-15 ℃和相對(duì)濕度80%的環(huán)境中進(jìn)行多向凍結(jié)，48 h 后將溫度調(diào)整為25 ℃，進(jìn)行凍結(jié)試樣的融解，融解過(guò)程持續(xù)48 h。最后將融解后的膨脹土試樣套入橡皮膜置于土工三軸剪切試驗(yàn)機(jī)中恒溫靜置12 h 以上以備試驗(yàn)。本研究對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)為0、2、4、6 和8 次的試樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試[11]。

本實(shí)驗(yàn)采用的是由成都電力自動(dòng)化設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的應(yīng)變控制式三軸剪切儀，在剪切過(guò)程中，位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)均由電腦自動(dòng)采集。本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水的剪切模式。安裝好試樣之后，根據(jù)對(duì)試樣按照100 kPa、200 kPa、300 kPa 的圍壓級(jí)別進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)過(guò)程持續(xù)48 h 再進(jìn)行剪切，剪切速率設(shè)置0.08 mm/min。試驗(yàn)時(shí)，將膨脹土試樣裝入壓力腔，開(kāi)展室溫20 ℃條件下的軸向加載，直至變形達(dá)到20%左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 剪切破壞形式

經(jīng)過(guò)凍結(jié)后膨脹土試樣在三軸荷載作用下發(fā)生剪切破壞時(shí)，試樣沒(méi)有出現(xiàn)明顯脆性斷裂現(xiàn)象。從圖2（b）可以看出，在小圍壓的固結(jié)作用下，破壞時(shí)在試樣的端部出現(xiàn)一條明顯的剪切帶，剪切帶與端面所成的角度約為45；而在大圍壓的固結(jié)作用下，破壞時(shí)的試樣中部形成貫穿的塑形剪切帶，剪切帶與端面大致保持60°的角度。從破壞后的試樣還可以看出發(fā)生破壞時(shí)，膨脹土試樣中的間區(qū)域出現(xiàn)剪切帶，而兩端則保持較好的形態(tài)。

圖2 膨脹土的剪切破壞形式Fig.2 The broken state of expansive soils

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

一般的，土體破壞曲線(xiàn)可以根據(jù)達(dá)到破壞強(qiáng)度之后應(yīng)力變化情況分為應(yīng)變軟化與應(yīng)變硬化兩種類(lèi)別。其中，應(yīng)變軟化型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在達(dá)到峰值之后，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)而下降，峰值應(yīng)力值為試樣的抗剪強(qiáng)度；應(yīng)變硬化型曲線(xiàn)中，應(yīng)力隨應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)，取試驗(yàn)的最大軸向應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為試樣得抗剪強(qiáng)度[12,13]。

圖4 所示的是0 次和8 次凍融循環(huán)次數(shù)下各圍壓級(jí)別對(duì)應(yīng)的膨脹土試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。圖4 可見(jiàn)，在小圍壓下，土體發(fā)生明顯的軟化應(yīng)變現(xiàn)象，即在軸向應(yīng)力小于5%的范圍內(nèi)發(fā)生塑性破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值，但破壞試樣(圖2(b))表現(xiàn)出上部明顯碎裂的現(xiàn)象。在大圍壓固結(jié)作用下，膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯應(yīng)力峰值，曲線(xiàn)超過(guò)軸向應(yīng)力5%后呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)。凍融損傷作用對(duì)膨脹土的三軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)有顯著的影響，經(jīng)過(guò)0～8 次凍融循環(huán)處理，膨脹土試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)有明顯的下降趨勢(shì)。凍融循環(huán)次數(shù)越多，凍融損傷程度越高，則膨脹土抗剪強(qiáng)度隨著降低[14]。

圖3 典型的土體破壞曲線(xiàn)Fig.3 Typical destruction curves of soil

圖4 膨脹土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Stress-strain curve of expansive soil sample

2.3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

在工程實(shí)際中，對(duì)于土體的抗剪強(qiáng)度表達(dá)可采用摩爾庫(kù)倫模型來(lái)描述[15]，即：τ=c+σ·tan(φ) (1)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果畫(huà)摩爾應(yīng)力圓，圖5 所示的是0 次凍融循環(huán)下試樣的結(jié)果。由摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則獲得了膨脹土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的剪切強(qiáng)度指標(biāo)（表6），并分析了膨脹土試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。從不同圍壓對(duì)于的莫爾圓可以看出，固結(jié)圍壓值對(duì)試樣的強(qiáng)度關(guān)系表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的特點(diǎn)。結(jié)合關(guān)于界限圍壓的理論，膨脹土的強(qiáng)度隨圍壓先升高后降低。圍壓對(duì)于凍土強(qiáng)度的提升作用是因?yàn)閲鷫荷呖梢允诡w粒重排、抑制裂隙的作用，因此對(duì)凍土的強(qiáng)度分別起到增強(qiáng)的效果。

圖5 膨脹土試樣的三軸莫爾圓和包絡(luò)線(xiàn)Fig.5 Triaxial Mohr circle and envelope line of expansive soil sample

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下三軸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of triaxial shear under different freezing-thawing cycles

由表2 可以看出，初始狀態(tài)下膨脹土試樣的強(qiáng)度明顯大于經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的試樣強(qiáng)度。體現(xiàn)了膨脹土對(duì)凍融處理的敏感性。本研究的膨脹土初始狀態(tài)下的黏聚力為39.78 kPa，內(nèi)摩擦角為27.16，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸減小，而且減小幅度的變化趨勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定。其中，0～2 次循環(huán)過(guò)程中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降幅最明顯，經(jīng)過(guò)循環(huán)6 次后逐漸趨于穩(wěn)定。三軸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6 所示。對(duì)三軸剪切試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)與凍融循環(huán)次數(shù)的曲線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)可以準(zhǔn)確地描述兩者之間的相關(guān)關(guān)系。數(shù)據(jù)擬合的公式如公式（2）和公式（3）所示，由這兩個(gè)表達(dá)式可以預(yù)測(cè)經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值。

式中n是凍融循環(huán)次數(shù)，c是與凍融循環(huán)次數(shù)相關(guān)的黏聚力，單位：kPa;φ是與凍融循環(huán)次數(shù)相關(guān)的內(nèi)摩擦角/(°)

圖6 強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線(xiàn)Fig.6 Curves of shear strength with freezing and thawing cycle

在三軸剪切過(guò)程中，膨脹土試樣的剪切強(qiáng)度由黏聚力與內(nèi)摩擦角組成，且受到凍融循環(huán)次數(shù)的影響，即抗剪強(qiáng)度符合如公式4 所示的摩爾-庫(kù)倫定律準(zhǔn)則公式：

式中c(n)是考慮凍融循環(huán)影響的黏聚力，單位：kPa；σ是表示正應(yīng)力（與圍壓大小有關(guān)），單位：kPa；φ(n)是考慮凍融循環(huán)影響的內(nèi)摩擦角/(°)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)南水北調(diào)中線(xiàn)南陽(yáng)段渠道邊坡的膨脹土，開(kāi)展在不同凍融循環(huán)下的三軸剪切實(shí)驗(yàn)，分析了凍融次數(shù)對(duì)土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

（1）在加載過(guò)程中低圍壓下膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)保持為應(yīng)變軟化化型，高圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均保持為應(yīng)變硬化型特點(diǎn)；

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)逐漸下降，0～2 次循環(huán)過(guò)程中的峰值應(yīng)力降幅最大，6 次循環(huán)后峰值應(yīng)力趨于穩(wěn)定；

（3）由三軸剪切試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)，即黏聚力和內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)符合對(duì)數(shù)函數(shù)的相關(guān)關(guān)系。由摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則得到的強(qiáng)度表達(dá)式可以預(yù)測(cè)經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后的膨脹土抗剪強(qiáng)度值。