孫超, 宋韜, 郭浩天, 楊凱

(吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130118)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,中國(guó)工程建設(shè)不斷發(fā)展,東北地區(qū)巖土工程建設(shè)不斷推進(jìn)。在此環(huán)境之下,工程越冬成為必然。冬季氣溫的降低,土體中的水分在低溫的環(huán)境下凍結(jié)成冰,水的相態(tài)變化會(huì)使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化,從而對(duì)土體的強(qiáng)度和變形產(chǎn)生影響[1-3]。其最根本的影響因素即溫度,不同溫度條件下土體中水分的賦存狀態(tài)是不同的,尤其是在負(fù)溫時(shí),溫度越低土體中的成冰現(xiàn)象越明顯,對(duì)土體的影響程度也越大[4]。由此造成的土體強(qiáng)度和變形問題為工程的設(shè)計(jì)、施工帶來了許多的困擾和不便。為此研究溫度變化對(duì)土體強(qiáng)度以及變形的影響規(guī)律極為重要。

有關(guān)凍土中外學(xué)者進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)凍土的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了相應(yīng)的研究。李曉芳等[5]對(duì)不同初始含水率,不同細(xì)顆粒狀小組含量的土樣設(shè)置不同的凍融循環(huán)次數(shù),通過凍融循環(huán)試驗(yàn),分析了以上條件對(duì)土體凍融變形的影響。劉亞等[6]通過試驗(yàn)得出溫度條件不同時(shí),試樣的極限偏應(yīng)力也會(huì)有所不同,負(fù)溫條件下,凍土的強(qiáng)度隨著溫度的升高表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。徐傳召等[7]采用全球數(shù)字系統(tǒng)(global digital system,GDS)低溫振動(dòng)三軸儀試驗(yàn)測(cè)試不同凍融循環(huán)和圍壓條件下試樣土的靜力特征,并計(jì)算其抗剪強(qiáng)度指標(biāo),得出了黏土、粉質(zhì)黏土、粉土質(zhì)砂3種典型季凍土的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律。全曉娟等[8]開展不同初始含水率和不同凍融循環(huán)次數(shù)下的重塑土抗剪強(qiáng)度變化研究,結(jié)合壓電陶瓷監(jiān)測(cè)試驗(yàn),得出青藏黏土凍融條件下,抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)。胡田飛等[9]以青藏高原粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,通過改變土體的壓實(shí)度,并設(shè)置不同的凍融循環(huán)次數(shù),對(duì)其進(jìn)行三軸試驗(yàn),對(duì)比分析了凍融循環(huán)對(duì)下不同壓實(shí)度粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度以及其參數(shù)的影響。雷樂樂等[10]在設(shè)置不同的應(yīng)力水平值的試驗(yàn)條件下,對(duì)凍結(jié)黏土進(jìn)行應(yīng)力主軸單向旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),總結(jié)了凍結(jié)黏土強(qiáng)度隨應(yīng)力水平值變化的規(guī)律。Idris等[11]為了探究非飽和土抗剪強(qiáng)度與土體基質(zhì)吸力之間的關(guān)系,通過改進(jìn)的可以控制基質(zhì)吸力的三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)非飽和土進(jìn)行試驗(yàn),最終得出隨著圍壓的增加,基質(zhì)吸力越大的土體最終的剪應(yīng)力也越大。Hu等[12]通過控制三軸測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)變速率和凈圍壓對(duì)非飽和土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),分析總結(jié)了高低圍壓下,土體抗剪強(qiáng)度峰值隨應(yīng)變速率的變化規(guī)律。Yin等[13]對(duì)K0固結(jié)重塑黏土進(jìn)行不排水三軸壓縮實(shí)驗(yàn),以此探究初始含水量對(duì)土體孔隙水壓力響應(yīng)以及剪切特性的影響,結(jié)果表明土體不排水抗剪強(qiáng)度隨初始含水量的增加而減小。

目前有關(guān)非飽和土,大部分學(xué)者多在正溫條件下對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的研究,有關(guān)負(fù)溫條件下的凍土研究大都為飽和凍土相關(guān)試驗(yàn)。而對(duì)于季凍區(qū)土體而言,不同溫度和不同飽和度均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響[14-15],現(xiàn)有研究成果當(dāng)中在控制基質(zhì)吸力條件下,通過改變溫度條件對(duì)天然狀態(tài)土體進(jìn)行的試驗(yàn)研究相對(duì)缺乏。有關(guān)土體變形的研究也多為不同溫度下飽和土的凍脹以及凍深預(yù)測(cè)[16-18]。但實(shí)際工程中包括路基土及基坑等巖土工程所涉及的土體大部分為非飽和土體。而目前已有研究中,對(duì)于此方面的研究相對(duì)缺乏。鑒于此,以典型季凍區(qū)長(zhǎng)春地區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,通過室內(nèi)試驗(yàn)以溫度為變量,分析總結(jié)了天然含水率非飽和粉質(zhì)黏土與飽和粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo),以及無軸向壓力條件下軸向位移隨溫度的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果可為長(zhǎng)春地區(qū)工程建設(shè)提供理論參考。

1 試驗(yàn)土樣與方案

1.1 試樣基本性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自長(zhǎng)春軌道交通七號(hào)線公平路至東環(huán)城路站,通過LS-909型激光粒度儀采用干法對(duì)土樣進(jìn)行顆粒分析,如圖1所示,所得土樣顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[19]利用試驗(yàn)土樣多余部分,通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定所取回土的密度、天然含水率、液塑限含水率等基本物理力學(xué)性質(zhì),所得其基本物理性質(zhì)如表1所示。由顆分曲線可知土中粉粒(d=0.005～0.075 mm)含量超過50%,黏粒(d<0.005 mm)含量占30%～40%,粉粒百分含量相對(duì)較高,當(dāng)土壤中存在毛細(xì)孔隙時(shí),毛細(xì)現(xiàn)象明顯[20],由塑性指數(shù)可得試驗(yàn)所用土體為粉質(zhì)黏土,由液性指數(shù)可得試驗(yàn)所用土體的狀態(tài)為可塑狀態(tài)。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of soil samples

圖1 LS-909型激光粒度儀Fig.1 LS-909 laser particle size analyzer

圖2 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Grain distribution curve of soil sample

天然狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土大都處于非飽和狀態(tài),由于土體內(nèi)部同時(shí)存在著氣相和液相,使其受基質(zhì)吸力作用,進(jìn)而導(dǎo)致的飽和粉質(zhì)黏土與天然狀態(tài)下的非飽和粉質(zhì)黏土在力學(xué)性質(zhì)上會(huì)有極大的不同[21]。為獲取天然狀態(tài)下試驗(yàn)土樣的基質(zhì)吸力值,采用GEO-Experts壓力板儀對(duì)其持水能力進(jìn)行試驗(yàn)研究,壓力板儀如圖3所示。該壓力板儀主要由垂直氣動(dòng)加載裝置、氣壓調(diào)節(jié)平臺(tái)、水體積檢測(cè)系統(tǒng)、氣壓板儀組件等部分構(gòu)成。為了與實(shí)際工程土體的狀態(tài)相符,試驗(yàn)當(dāng)中先將土樣進(jìn)行飽和,然后通過GEO-Experts壓力板儀對(duì)土樣逐級(jí)施加基質(zhì)吸力,同時(shí)記錄相應(yīng)基質(zhì)吸力下排除水的體積。以此模擬實(shí)際工程當(dāng)非飽和土的形成過程。將吸力的測(cè)試范圍設(shè)定在0～400 kPa,試驗(yàn)過程中將吸力由5 kPa增加至400 kPa,分18級(jí)進(jìn)行加載,根據(jù)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制土-水特征曲線,最終得出體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系如圖4所示,可知該試樣天然狀態(tài)下具有的基質(zhì)吸力約為70 kPa。

圖3 GEO-Experts壓力板儀Fig.3 Geo-Experts Pressure plate instrument

圖4 體積含水率與基質(zhì)吸力關(guān)系Fig.4 Relationship between volume water content and matric suction

1.2 試驗(yàn)方案及設(shè)備

為明確溫度變化對(duì)天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)下粉質(zhì)黏土強(qiáng)度以及變形的影響,選擇溫度和圍壓為試驗(yàn)變量,將非飽和土的基質(zhì)吸力控制在70 kPa,分別設(shè)置凈圍壓為100、200、300 kPa,根據(jù)長(zhǎng)春全年溫度變化,將溫度分別控制在25、0、-2、-6、-10、-20 ℃,根據(jù)實(shí)際工況本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水的試驗(yàn)方法,利用圖5所示GDS非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn),GDS非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)可通過控制孔隙氣壓及反壓來改變土的基質(zhì)吸力,同時(shí)給土樣施加軸向及徑向壓力。當(dāng)土體處于非飽和狀態(tài)時(shí),使用非飽和土三軸儀可以更好地模擬出土在天然狀態(tài)下的力學(xué)特性。依據(jù)規(guī)范及研究經(jīng)驗(yàn),土樣的凍結(jié)時(shí)間設(shè)置為12 h,試驗(yàn)采用應(yīng)變控制加載方法,設(shè)定剪切速率為0.1%/min,試驗(yàn)終止的條件為應(yīng)變達(dá)到15%。為使飽和土與非飽和土形成對(duì)比,本試驗(yàn)中飽和土樣通過圖6所示的GDS 溫控式靜/動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行剪切試驗(yàn),溫控動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬土體的外部溫度環(huán)境,對(duì)土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)加載,動(dòng)三軸試驗(yàn)可以監(jiān)測(cè)試樣孔隙水壓力的變化。試驗(yàn)同樣采用固結(jié)不排水的試驗(yàn)條件,并且設(shè)置與非飽和土相同的溫度以及圍壓條件,即分別設(shè)置凈圍壓為100、200、300 kPa,將溫度分別控制在25、0、-2、-6、-10、-20 ℃,采用應(yīng)變控制加載方法,設(shè)定剪切速率為0.1%/min,試驗(yàn)終止的條件為應(yīng)變達(dá)到15%。

圖5 GDS 非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 GDS triaxial test system for unsaturated soil

圖6 GDS 溫控式靜/動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 GDS temperature controlled static/dynamic triaxial test system

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土體應(yīng)力-應(yīng)變分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠比較好地反映土體變形特征以及強(qiáng)度性能等問題[9]。圖7、圖8分別為不同圍壓、溫度條件下,天然狀態(tài)下非飽和粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及飽和粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7和圖8可知,天然含水率下的非飽和粉質(zhì)黏土與飽和粉質(zhì)黏土同樣具有應(yīng)變硬化的特性。在初始剪切階段,偏應(yīng)力增長(zhǎng)迅速,在應(yīng)變達(dá)到某一特定值之后,偏應(yīng)力增長(zhǎng)速率開始呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

T為溫度,單位:℃;ε為軸向應(yīng)變,單位:%;σ1為軸應(yīng)力,單位:kPa;σ3為徑向應(yīng)力,單位:kPa圖7 非飽和土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curve of unsaturated soil

對(duì)于天然含水率下的非飽和粉質(zhì)黏土,由圖7、圖8可以看出,在25 ℃以及正溫條件下,圍壓不同時(shí)相同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一定的差異;在-2 ℃以及更低的負(fù)溫條件下,圍壓不同時(shí)相同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并沒有太大的差異,反而呈現(xiàn)出一種近似的狀態(tài)。若基質(zhì)吸力為固定值時(shí),相同圍壓條件下,當(dāng)溫度降低時(shí),偏應(yīng)力會(huì)隨溫度的降低出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。說明溫度會(huì)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度造成比較大的影響。非飽和土在25 ℃表現(xiàn)出應(yīng)變硬化狀態(tài)的原因是非飽和土中由于內(nèi)部存在一定的孔隙,其內(nèi)部就會(huì)存在一定的基質(zhì)吸力,土體內(nèi)部有存在一定的吸附強(qiáng)度,從而導(dǎo)致在剪切過程當(dāng)中,土體會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象。隨著溫度的降低,土體內(nèi)部水分達(dá)到冰點(diǎn)開始凍結(jié)成冰,土體內(nèi)部水的狀態(tài)由水的膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱為冰聯(lián)結(jié)狀態(tài)。相較于膠結(jié)狀態(tài)的水,聯(lián)結(jié)冰的強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高度其強(qiáng)度。由圖4可知,本試驗(yàn)用土天然含水率狀態(tài)下的非飽和土的基質(zhì)吸力為70 kPa,此時(shí)土中水的含量比較高,吸附作用較小,因此負(fù)溫條件下,土體中水分成冰之后其強(qiáng)度足以彌補(bǔ)吸附強(qiáng)度,土體在剪切過程中呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化性。

對(duì)于完全飽和的粉質(zhì)黏土,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線所表現(xiàn)出的狀態(tài)與天然含水率下的非飽和粉質(zhì)黏土相同。在25 ℃的正溫條件下,相同溫度不同圍壓條件下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一定的差異,而在0 ℃以及更低的負(fù)溫條件下,不同圍壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較為接近的狀態(tài),且隨著溫度的不斷降低,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似相同。且其在整體上都表現(xiàn)出應(yīng)變硬化性。在25 ℃以及正溫狀態(tài)下,伴隨著圍壓的提高其固結(jié)程度也有所提升,其抵抗剪切破壞的能力也有所增強(qiáng),土體在剪切過程中呈現(xiàn)出硬化性。在負(fù)溫條件下,隨著溫度的下降土中水達(dá)到冰點(diǎn)凍結(jié)成冰,與非飽和土類似的是飽和粉質(zhì)黏土內(nèi)部的水分由正溫時(shí)的膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸?lián)結(jié)狀態(tài),因此其抗剪切能力進(jìn)一步加強(qiáng),其在剪切過程中同樣表現(xiàn)出應(yīng)變硬化性。

2.2 土體抗剪強(qiáng)度分析

根據(jù)GDS 非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制的莫爾應(yīng)力圓,由此通過軟件擬合得出莫爾應(yīng)力圓的公切線如圖9所示。最終得到各溫度下的土體的總黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的數(shù)值如圖10、圖11所示。

圖9 抗剪強(qiáng)度包線變化曲線Fig.9 Wrapping curve of shear strength

圖10 總黏聚力變化曲線Fig.10 Total cohesion change curve

圖11 有效內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.11 Internal friction angle change curve

從圖10可以看出,隨著溫度的降低,土體的總黏聚力呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),在正溫25 ℃時(shí),土體的總黏聚力值為33.64 kPa,在0 ℃時(shí),土體的總黏聚力值為323.6 kPa,增長(zhǎng)了約10倍。當(dāng)溫度降低至-20 ℃時(shí),總黏聚力值達(dá)到了3 025.72 kPa,相比0 ℃也近似增加了10倍。從圖10可以看出,負(fù)溫情況下由0 ℃降至-20 ℃溫度變化過程中黏聚力的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正溫25 ℃降至0 ℃溫度變化過程中的黏聚力增長(zhǎng)速度。這說明負(fù)溫會(huì)在極大程度上影響土體的總黏聚力。而在負(fù)溫時(shí)土體總黏聚力增長(zhǎng)過程又表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)速度,溫度由0 ℃降至-6 ℃過程中總黏聚力的增長(zhǎng)速度要大于溫度由-6 ℃降至-20 ℃這個(gè)過程中總黏聚力的增長(zhǎng)速度。分析其原因可能是在溫度由0 ℃降至-6 ℃的過程中由于土中自由水的含量較高,所以水分凝結(jié)成冰的速度比較大,從而導(dǎo)致土體總黏聚力呈現(xiàn)一種快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),溫度由-6 ℃降至-20 ℃的過程中,由于土中自由水含量的相對(duì)減少,土中水分凝結(jié)成冰的速度受到了一定程度的影響,從而土體的總黏聚力的增長(zhǎng)速度也受到了一定程度的影響。相較于總黏聚力,有效內(nèi)摩擦角的變化并不是特別明顯,如圖11所示,隨著溫度的降低,有效內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),25 ℃時(shí)有效內(nèi)摩擦角為18.6°,-20 ℃時(shí)有效內(nèi)摩擦角為11.7°,變化幅度并不大?？芍?fù)溫對(duì)內(nèi)摩擦角并不會(huì)產(chǎn)生太大程度的影響。

為了與天然含水率下的粉質(zhì)黏土形成對(duì)比,將土體飽和后利用GDS溫控式靜/動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng),設(shè)置相同圍壓相同負(fù)溫條件對(duì)飽和之后的粉質(zhì)黏土進(jìn)行剪切試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制莫爾應(yīng)力圓,由此通過軟件擬合得出莫爾應(yīng)力圓的公切線如圖12所示。最終得到各溫度下的土體的總黏聚力和有效內(nèi)摩擦角的數(shù)值如圖13、圖14所示。通過圖13不難發(fā)現(xiàn),飽和粉質(zhì)黏土總黏聚力與天然含水率下的非飽和粉質(zhì)黏土的總黏聚力其隨溫度變化所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)是近似相同的。即25 ℃降至0 ℃過程中總黏聚力的增長(zhǎng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0 ℃降至-20 ℃過程中總黏聚力的增長(zhǎng)速度。且負(fù)溫降溫過程中,0 ℃降至-10 ℃過程總黏聚力的增長(zhǎng)速度要大于-10 ℃降至-20 ℃過程中總黏聚力的增長(zhǎng)速度。這說明不論是飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土還是非飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土,溫度降低過程中尤其是負(fù)溫降低過程中溫度會(huì)對(duì)土體的總黏聚力造成很大程度的影響。但是對(duì)于內(nèi)摩擦角來講,在溫度變化過程中,飽和土的有效內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出了與非飽和土不同的變化趨勢(shì)。如圖14所示,溫度由25 ℃降至-6 ℃的過程,有效內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì),溫度由-6 ℃降至-20 ℃的過程,有效內(nèi)摩擦角卻有所增長(zhǎng)。分析其原因可能是在溫度由25 ℃降至-6 ℃的過程中,在正溫時(shí),由于土體內(nèi)部水黏滯性的提高,減小了土體內(nèi)部顆粒表面的滑動(dòng)摩擦,從而導(dǎo)致有效內(nèi)摩擦角的降低,在負(fù)溫時(shí)由于內(nèi)部的成冰作用,且在-6 ℃之前土體內(nèi)部水分并未完全凍結(jié)成冰,仍存在一部分的自由水,而冰晶又存在一定的潤(rùn)滑性,這使得土體內(nèi)部顆粒嵌固作用降低,從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小,當(dāng)溫度小于-6 ℃時(shí),隨著溫度的不斷降低,土體內(nèi)部成冰作用的不斷加強(qiáng),伴隨自由水的減少,且由于圍壓的存在,土體內(nèi)部顆粒之間的嵌固作用有所增強(qiáng),因此有效內(nèi)摩擦角有所提升。

圖12 抗剪強(qiáng)度包線變化曲線Fig.12 Wrapping curve of shear strength

圖13 黏聚力變化曲線Fig.13 Total cohesion change curve

圖14 有效內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.14 Internal friction angle change curve

對(duì)比圖10與圖13,相同試驗(yàn)條件下的非飽和粉質(zhì)黏土與飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土相比而言,飽和粉質(zhì)黏土的同條件的下的總黏聚力要小于天然含水率的非飽和粉質(zhì)黏土,這是因?yàn)橄啾扔陲柡头圪|(zhì)黏土,非飽和土內(nèi)部存在基質(zhì)吸力,基質(zhì)吸力存在增加了非飽和土的總黏聚力。

2.3 土體變形特性

對(duì)于凍土而言隨著溫度的降低,土體內(nèi)部的水分凍結(jié)成冰,相應(yīng)的土體的體積就會(huì)發(fā)成不同程度的膨脹[22-23],為了研究?jī)鐾恋淖冃我?guī)律,本試驗(yàn)以溫度和圍壓為變量,通過GDS非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天然狀態(tài)下非飽和土以及GDS溫控式靜/動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)飽和粉質(zhì)黏土,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在無軸向壓力的條件下觀察其一次凍結(jié)之后的軸向變形位移。試驗(yàn)中以12 h為一次凍結(jié),通過計(jì)算機(jī)記錄軸向位移的大小,以12 h后軸向位移的大小作為最終位移量。將最終試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行繪制如圖15、圖16所示。

圖15 非飽和土(70 kPa基質(zhì)吸力)軸向變形Fig.15 Axial deformation of 70 kPa matric suction unsaturated soil

圖16 飽和土軸向變形Fig.16 Axial deformation of saturated soil

圖15為天然含水率(70 kPa基質(zhì)吸力)條件下的非飽和土在不同圍壓、不同溫度條件其軸向變形量。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,隨圍壓增大,相同溫度下的土體軸向位移量會(huì)相對(duì)有所減少,這是因?yàn)殡S著圍壓的增大,土體內(nèi)部固結(jié)程度增大,土體顆粒之間的孔隙相對(duì)減少,土顆粒變得更加緊密,這在一定程度上抑制了凍結(jié)過程中自由水的豎向遷移,從而使水分更多地發(fā)生原位凍脹,因此抑制了土體凍結(jié)過程中的豎向變形。圍壓恒定時(shí),隨著溫度的降低土體變形呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),且不同圍壓條件下,其增長(zhǎng)趨勢(shì)近乎相同。

圖16為飽和土體在不同圍壓不同溫度下的軸向變形,其在不同圍壓相同溫度以及在相同圍壓不同溫度條件下呈現(xiàn)出于非飽和土近似相同的變形現(xiàn)象,但與非飽和土不同的是在200、300 kPa的條件下,飽和土體的軸線變形增長(zhǎng)表現(xiàn)出先期快速增長(zhǎng)后期有所減緩的的趨勢(shì)。其原因可能在于降溫初期階段靠近凍結(jié)緣的土體中的水分先發(fā)生快速凍結(jié),隨著溫度的降低以及土體內(nèi)部水分凝結(jié)成冰,土體內(nèi)部溫度傳遞減慢,相較于起始土體凍結(jié)成冰的速度,內(nèi)部水分成冰作用有所減緩,進(jìn)而變形增長(zhǎng)速率有所下降。

通過對(duì)比非飽和土與飽和土在相同條件下軸向變形可以看出,相同圍壓、相同溫度的試驗(yàn)條件下,非飽和土相較于飽和土體軸向變形量略小。這是由于相比于非飽和土,飽和土體含水率要高于天然含水率的非飽和土體,從而在溫度降低的過程中飽和土體內(nèi)會(huì)有更多的水分凍結(jié)成冰,因此相同條件下,隨著溫度的降低飽和土體完全凍結(jié)之后土體內(nèi)部含冰量要高于非飽和土體,水冰相變導(dǎo)致的體積膨脹對(duì)土體的軸向變形造成了明顯差別的影響。

3 結(jié)論

以典型季凍區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,通過GDS非飽和土三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天然狀態(tài)下非飽和土以及GDS溫控式靜/動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)飽和粉質(zhì)黏土,在不同溫度條件下的強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行研究,得出如下結(jié)論。

(1)正溫狀態(tài)下由于圍壓作用的存在,土體固結(jié)穩(wěn)定后土體承受的剪應(yīng)力隨圍壓增大而增大。負(fù)溫條件下,水冰相變?cè)斐赏馏w內(nèi)部冰膠結(jié)強(qiáng)度足以彌補(bǔ)相變過程中損失的強(qiáng)度,使得剪切過程中,土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性。

(2)對(duì)于天然狀態(tài)非飽和土,隨著溫度的降低,水冰相變產(chǎn)生的冰膠結(jié)黏聚力及基質(zhì)吸力產(chǎn)生的表觀黏聚力均增加,使得溫度從25 ℃降至-20 ℃的過程中,土體整體黏聚力表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。負(fù)溫產(chǎn)生的冰膠結(jié)作用對(duì)土的黏聚力影響較大,使得負(fù)溫降溫過程總黏聚力增幅大于正溫降溫過程黏聚力增幅。整個(gè)降溫過程中,土體有效內(nèi)摩擦角呈降低趨勢(shì),但整體變化幅度較小。

(3)對(duì)于飽和狀態(tài)土體,降溫過程中由于孔隙水黏滯性的提高及水冰相變冰膠結(jié)黏聚力的增加,土體總黏聚力表現(xiàn)出隨溫度降低不斷增加的變化趨勢(shì)。由于非飽和土中基質(zhì)吸力產(chǎn)生的表觀黏聚力的存在,使得相同試驗(yàn)條件下,飽和土的總黏聚力小于非飽和土的總黏聚力。正溫降溫階段由于土體內(nèi)部存在一定的水分遷移,對(duì)土體顆粒有一定的潤(rùn)滑作用,使土體有效內(nèi)摩擦角不斷降低,負(fù)溫降溫階段,水冰相變到一定程度造成土體體積膨脹,同時(shí)在圍壓作用下土顆粒間的嵌固作用增強(qiáng),使得飽和土的有效內(nèi)摩擦角出現(xiàn)了增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

(4)含水率的不同造成飽和土體的軸向變形要大于非飽和土。圍壓可以在一定程度上抑制土體內(nèi)部冰晶體的增長(zhǎng),降低土體凍脹。相同負(fù)溫,隨圍壓增大土體軸向位移量呈減少趨勢(shì)。圍壓恒定時(shí),隨著溫度的降低土體變形呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),且不同圍壓條件下,其增長(zhǎng)趨勢(shì)近乎相同。