孫杰龍 王弘起 李盛斌 李大衛(wèi) 邱明明

（1.延安大學建筑工程學院，陜西延安 716000；2.陜西建工第十三建設集團有限公司，陜西延安 716000）

0 引言

在黃土丘陵溝壑區(qū)采用平山、填溝等方法治理水土流失時，會因土丘陵溝壑區(qū)特殊的工程環(huán)境和地質(zhì)條件形成高填方邊坡。而黃土丘陵溝壑區(qū)是半濕潤半干旱區(qū)的過渡帶，氣溫年較差和日較差大，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。在這種季節(jié)性凍融作用下高填方邊坡黃土抗剪強度會發(fā)生劣化，導致高填方黃土邊坡失穩(wěn)，對人民生命財產(chǎn)安全造成威脅。

凍融作用下黃土力學特性的研究成果較為豐碩[1-4]。倪萬魁等[5]采用鏡掃描觀測、單軸壓縮試驗和三軸剪切試驗手段，研究了凍融循環(huán)作用對黃土微結構和強度的影響。肖東輝等[6]對凍融循環(huán)作用下黃土孔隙率變化規(guī)律進了研究。董曉宏等[7]對長期凍融循環(huán)下黃土強度劣化特性規(guī)律進行了研究。周 泓等[8]以陜西富平重塑黃土為研究對象，分析了不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用下土體黏聚力的變化規(guī)律。張 澤等[9]以重塑黃土為研究對象，分析了凍融循環(huán)作用下黃土的孔隙特征。李國玉等[10]分析了凍融循環(huán)作用對壓實黃土的水分分布、變形以及干密度等工程地質(zhì)特性的影響。宋春霞等[11]以蘭州黃土為研究對象，分析了土的強度參數(shù)和前期固結壓力在凍融循環(huán)作用下的變化規(guī)律。龐旭卿等[12]在分析不同初始含水率、低溫溫度和凍融循環(huán)對黃土力學性質(zhì)影響的基礎上，建立了凍融作用下黃土強度參數(shù)損傷模型。Viklander[13]基于凍融作用提出了殘余孔隙比的概念。雷勝友等[14]基于CT 掃描分析了原狀黃土三軸剪切、浸水濕陷試驗過程中的微結構變化規(guī)律。王朝陽等[15]采用三軸CT 實時試驗，對原狀黃土三軸剪切過程中的應力-應變規(guī)律進行了分析。趙淑萍等[16]基于CT 單向壓縮試驗研究了凍結重塑黃土損傷耗散勢，得到了試樣的屈服應變、損傷應變臨界值和破壞應變臨界值。王鐵行等[17]對考慮含水率影響的非飽和原狀黃土凍融強度進行了試驗研究。王掌權等[18]對凍融作用下西安Q3原狀黃土強度變化規(guī)律進行了分析。折海成等[19]對增濕-凍融劣化原狀黃土結構強度進行了研究，得到了黃土在增濕和凍融情況下的壓縮變形特征。趙魯慶等[20]對凍融黃土微觀結構變化規(guī)律及分形特性進行了研究。周春梅等[21]分析了干濕和凍融循環(huán)對壓實黃土路用性能的影響。

國內(nèi)外學者在黃土凍融力學特性方面取得了豐碩的研究成果，但凍融作用下高填方黃土抗剪強度劣化特性的研究還不多見。在前人研究的基礎上，本文以延安新區(qū)高填方黃土為研究對象，開展凍融作用下高填方黃土抗剪強度試驗研究，分析凍融作用下高填方黃土抗剪強度劣化特性，為黃土溝壑區(qū)高填方黃土邊坡穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。

1 試驗方案

在延安新區(qū)B4-06、B4-25 高填方場地取樣，取樣后按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）制成含水率分別為14%、12%、9%和7%的試樣，在制樣過程中控制試樣干密度為1.61 g/cm3，制備好的試樣如圖1 所示。

圖1 制備好的試樣

試樣制備完成后，開展凍融循環(huán)試驗，將試樣放入低溫試驗箱內(nèi)凍結48 h，然后在常溫下融化48 h，溫度變幅為-20～25 ℃；待試樣解凍后，采用DSJ-3型應變控制式直剪儀（見圖2）開展剪切試驗，剪切速率為2.4 mm/min，法向應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa 和400 kPa。

圖2 低溫試驗箱與直剪儀

2 試驗結果分析

2.1 凍融循環(huán)對高填方黃土黏聚力影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)下高填方黃土黏聚力變化如圖3 所示。

圖3 黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

由圖3 可知，黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，主要是由于凍結過程中土顆粒周圍的結合水膜結晶引起的體積膨脹對土顆粒產(chǎn)生擠壓作用，導致土顆粒間的聯(lián)結遭到破壞，進而引發(fā)黃土結構和強度劣化，黏聚力逐漸減小。干密度相同時，含水率越小黏聚力越大，這是因為含水率增大會使黃土顆粒間的結合水膜增厚，導致黃土黏聚力減小；第4 次凍融后黃土結構強度損傷增量達到最大，之后隨著凍融繼續(xù)進行，黃土結構強度損傷增量逐漸減小。凍融作用下含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，主要是因為干密度相同時，黃土的含水率越小時其結構強度越高，因而在凍融作用下黏聚力的劣化幅值就越大。

2.2 凍融循環(huán)對高填方黃土內(nèi)摩擦角影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)下高填方黃土內(nèi)摩擦角變化如圖4 所示。由圖4 可知，高填方黃土內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)呈波浪形變化趨勢，波動范圍基本處于6°以內(nèi)，無明顯的規(guī)律性，主要是因為內(nèi)摩擦角反映的是土體顆粒間的聯(lián)結方式，而凍融作用對其影響相對較小。

圖4 內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)關系曲線

3 凍融作用下高填方黃土黏聚力損傷劣化模型

由前述試驗結果可知，凍融后高填方黃土黏聚力衰減規(guī)律比較明顯，為了探求高填方黃土在凍融作用下的損傷劣化規(guī)律，定義凍融損傷系數(shù)kc為：

式中：c0為未凍融時黏聚力，kPa；cn為n次凍融后黏聚力，kPa。

高填方黃土黏聚力損傷系數(shù)與凍融次數(shù)的變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 黏聚力損傷系數(shù)與凍融次數(shù)關系曲線

由圖5 可知，高填方黃土凍融損傷系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大，但在第4 次凍融后增大幅值減小，凍融損傷系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)呈三次多項式變化規(guī)律；且隨含水率增大，高填方黃土凍融損傷系數(shù)增大，這是由于在干密度相同的情況下，在凍結作用下含水率越大，產(chǎn)生的凍脹作用就越強，對土體結構的破壞作用就越大，凍融損傷隨之增強。

由圖3 可知，黏聚力和凍融次數(shù)符合三次多項式衰減關系，可用式（2）所示的三次多項式擬合分析。

式中：c為黏聚力，kPa；n為凍融次數(shù)；a、b、d、f為擬合參數(shù)，如表1 所示。

表1 擬合參數(shù)1

考慮含水率的影響，以表1 中的a、b、d、f為已知參數(shù)進行擬合分析，如圖6 所示。

圖6 含水率與擬合參數(shù)關系曲線

由圖6 可知，參數(shù)a、b、d、f與含水率的關系可用式（3）-式（6）表示，擬合結果見表2。

表2 擬合參數(shù)2

將式（3）-式（6）代入式（2）可得高填方黃土黏聚力與含水率、凍融循環(huán)次數(shù)的關系表達式，如式（7）所示。

利用獨立試驗數(shù)據(jù)（含水率15%）對計算模型進行驗證（見圖7）。由圖7 可知，由計算模型得到的數(shù)值與試驗得到的數(shù)值誤差較小，說明計算模型式（7）能較好地描述凍融作用下高填方黃土黏聚力劣化特性。

圖7 計算模型驗證

4 結論

（1）凍融作用下高填方黃土黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減??；凍融作用下高填方黃土含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，內(nèi)摩擦角沒有明顯規(guī)律性變化。

（2）干密度相同時，高填方黃土含水率越小黏聚力越大；第4 次凍融后高填方黃土黏聚力損傷增量達到最大，之后隨著凍融繼續(xù)進行，高填方黃土黏聚力損傷增量逐漸減小。

（3）基于試驗數(shù)據(jù)，分析了高填方黃土劣化特征，給出了高填方黃土黏聚力劣化模型表達式，并利用獨立試驗數(shù)據(jù)進行了驗證，結果表明該模型能較好地描述凍融作用下高填方黃土黏聚力劣化特征。