松花江松浦段岸坡土冻融直剪强度试验研究★

韩 雪 赵子龙 高子睿

(黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150022)

·岩土工程·地基基础·

松花江松浦段岸坡土冻融直剪强度试验研究★

韩 雪 赵子龙 高子睿

(黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150022)

为了对冻融作用对松花江松浦段岸坡土抗剪强度影响特征进行研究，对该段岸坡土体进行了冻融和直剪试验，试验结果表明：试样土体经过单次冻融后粘聚力会大幅度下降，内摩擦角会大幅度上升，土体抗剪强度会大幅度上升，试样多次冻融后粘聚力大幅度下降，土体内摩擦角会大幅度上升，土体抗剪强度会经第一次冻融后有所增加，随着冻融循环次数的增加，土体抗剪强度大幅度下降，该结果可为松花江岸坡稳定性分析提供科学依据。

坡土，冻融作用，抗剪强度

0 引言

松花江松浦段岸坡位于黑龙江省哈尔滨市，地处东经125°42′～130°10′,北纬44°04′～46°40′，地处北温带季风气候区，大陆性气候特点非常明显，冬季寒冷漫长，夏季炎热多雨，春季干燥多风，秋季很短，年内温差较大，多年平均气温在3 ℃～5 ℃之间，年内7月温度最高，日平均可达20 ℃～25 ℃，最高曾达40 ℃以上；1月温度最低，月平均气温-20 ℃以下，最低气温为-42.6 ℃[1-3]。

影响冻土力学性质的因素很多，主要分内部影响因素和外部影响因素，内部因素主要由土的三相构成、颗粒结构、土体状态决定[4，5]。外部影响因素包括应力状态，主应力方向，温度等。结合松花江松浦大桥段岸坡实际情况，本文主要从两个外部变量，即冻融温度、冻融次数两个方面，来讨论冻融作用后松花江松浦大桥段岸坡土体的力学性质的变化规律，可为维护该岸坡工程稳定决策提供科学依据。

1 冻融与直剪试验

1.1 实验设备

直接剪切试验按试验方法不同可分为快剪、固结快剪和慢剪三种[6]，本试验采用电动电联DSJ-2型直剪仪以快剪的方式进行试验。冻融实验采用无锡市华南实验仪器有限公司制造的DB-2B冻融实验箱，温控范围为-40 ℃～50 ℃。

1.2 试样制备

为研究冻融对该区段岸坡土抗剪强度产生的影响，实验采用原状土样。单次冻融实验共制作环刀试样60个，保留部分试样作为未冻试样，其余试样按照试验方案，分批次放入冷冻箱内。鉴于使用的试样为环刀试样，为了方便试验进程以及试验数据的处理与对比，为了确保试验进度安排，以及提高试验数据处理的准确性，要确保试验变量的唯一性，本试验将冻融时间设置为48 h，其中24 h的冻结时间，24 h的自然融化时间。本试验根据不同冻融温度将试样分为4组，每组4个环刀试样，第1组为未冻试样，用于试验结果的对比；第2组的冻结温度设置为-10 ℃；第3组的冻结温度设置为-20 ℃；第4组的冻结温度设置为-30 ℃。根据试验设计的不同冻结温度将试样分组编号后，为了防止水分在冻融过程中的流失会使试验结果产生较大偏差，试验制取的环刀试样均用玻璃片滑入密封，将制备好的试样放入冻融试验箱内进行冻结，并在干燥箱内恒温融化24 h后，最后把经过冻融作用的环刀试样放入剪切仪上进行剪切试验。多次冻融循环试验共制作环刀试样30个，试样制备方法与单次冻融相同，实验冻融循环次数分别为0次、1次、2次和3次。

2 结果分析

2.1 不同冻融温度下单次冻融后土的抗剪强度

将试样直剪试验结果以冻结时间为横坐标，土体粘聚力为纵坐标，绘制t—c曲线，见图1。

由图1可直观观察到松花江松浦大桥段岸坡土在不同冻融温度下的土体粘聚力呈下降趋势。当原始状态的土体经过冻融作用后，其土体粘聚力会大幅度下降，而随着冻融温度的下降，土体粘聚力下降趋势放缓，当冻结温度每下降10 ℃时，粘聚力下降幅度保持在15%左右，而当土体冻融温度降至-30 ℃时，土体粘聚力下降幅度已达46%，土体粘聚力主要是由土颗粒之间引力、斥力相互综合作用影响，土体经过冻融作用后，内部结构发生改变，土体固体颗粒排列的变化引发了其引力、斥力的改变，从而使得粘聚产生巨大变化，由库仑定理可知，土体粘聚力与土体抗剪强度成正比，因此，粘聚力的大幅度降低会对土体抗剪强度产生一定的影响。

下面本文将对影响抗剪强度的另一个因素内摩擦角在不同冻融温度下的变化趋势进行分析。利用多元回归分析法将实验数据绘制成图2:不同冻融温度与内摩擦角关系曲线t—φ曲线。

由图2可直观观察到松花江松浦大桥段岸坡土在不同冻融温度情况下的土内摩擦角上升趋势。当原始状态的土体经过冻融作用后，其土体内摩擦角会大幅度上升，而随着冻融温度的下降，土体内摩擦角上升趋势放缓，当冻结温度每下降10 ℃时，内摩擦角上升幅度保持在7%左右，而当土体冻融温度降至-30 ℃时，土体内摩擦角上升幅度已达42.1%。

将试验测得的土体抗剪强度指标在不同冻融温度作用下的变化趋势进行详细分析后，对经试验测得土体抗剪强度的变化趋势进行分析。为了更直观的观察松花江松浦大桥段岸坡土体在不同冻融温度条件下抗剪强度的变化规律，现将计算得出的抗剪强度利用多元回归分析法绘制成t—τf曲线图，见图3。

将松花江松浦大桥段岸坡土在经过不同温度冻融后各级荷载作用下土体抗剪强度变化幅度进行对比分析，可以较明显看出，当原始状态的土体经过冻融作用后，其土体抗剪强度会大幅度上升，而随着冻融温度的梯度下降，土体抗剪强度上升趋势放缓，当冻结温度每下降10 ℃时，土体抗剪强度上升幅度保持在3%左右，而当土体冻融温度降至-30 ℃时，抗剪强度上升幅度为15%左右。

2.2 多次冻融循环对土体抗剪强度的影响

将各组试样直剪试验结果以冻融次数为横坐标，土体粘聚力为纵坐标，绘制n—c曲线，见图4。

由图4可直观观察到松花江松浦大桥段岸坡土在多次冻融循环作用下的土体粘聚力呈下降趋势。将松花江松浦大桥段岸坡土在多次冻融循环作用下土体粘聚力变化幅度进行对比分析，可以较明显看出，当原始状态的土体经过冻融作用后，其土体粘聚力会大幅度下降，而随着多次冻融循环次数的增加，土体粘聚力下降趋势较稳定，当冻结温度每下降10 ℃时，粘聚力下降幅度保持在13%左右，而当多次冻融循环次数增加到3次时，土体粘聚力下降幅度已达39.8%。

将试验测得土体内摩擦角φ值数据整理并利用多元回归分析法绘制成图5：多次冻融循环次数与内摩擦角关系曲线n—φ曲线。

由图5可直观观察到松花江松浦大桥段岸坡土在不同冻融温度情况下的土体内摩擦角上升趋势。当原始状态的土体经过冻融作用后，其土体内摩擦角会大幅度上升，而随着冻融循环次数的增加，土体内摩擦角上升趋势放缓，当冻融循环次数迭次累加，内摩擦角上升幅度保持在4%左右，而当土体经过三次冻融循环后，土体内摩擦角上升幅度为23.6%。

在对试验测得的土体抗剪强度指标在多次冻融循环作用下的变化趋势进行详细分析后，对经试验测得土体抗剪强度的变化趋势进行分析。将实测得的各组试样在不同竖向荷载作用下的抗剪强度进行汇总整理，为了更直观的观察松花江松浦大桥段岸坡土体在多次冻融循环作用下抗剪强度的变化规律，将计算得出的抗剪强度利用多元回归分析法绘制成n—τf曲线图，见图6。

分析可知：当原始状态的土体经过冻融作用后，其土体抗剪强度先有所上升，而随着冻融循环次数的增加，土体抗剪强度呈微弱下降趋势，当冻融循环次数增加一次，土体抗剪强度下降幅度平均保持在1%左右，而当土体经过三次冻融循环后，抗剪强度下降幅度为2%左右。

3 结语

对一系列冻融、直剪试验的实验数据分析，揭示了松花江松浦段岸坡土体强度与冻融作用的相关规律。

1)将试验变量设置为冻融温度，取松花江松浦大桥段岸坡土原状试样分组制备，进行了直接剪切试验研究，不仅详细介绍了试验方法，并对试验所测得的数据利用多元回归线性分析法绘制出抗剪强度指标的发展趋势曲线，并对其趋势曲线进行定性分析：在将冻融温度设置为试验唯一变量的条件下，当冻结温度设置为-30 ℃时，土体粘聚力较未冻土下降了46%左右，土体内摩擦角较未冻土上升了42.1%，土体抗剪强度上升了15%，即抗剪强度与冻融温度负增长成正比。2)将试验变量设置为冻融次数，对经过多次冻融循环作用后的天然含水率状态下的松花江松浦大桥段岸坡重塑土试样进行了直接剪切试验研究，介绍了试验方法，对试验成果进行定性分析，得到以下结论：在其他影响因素不改变的情况下，当土体经过3次冻融循环作用后，土体粘聚力较未冻土下降了39.8%左右，土体内摩擦角较未冻土上升了23.6%，土体抗剪强度上升了2%，即抗剪强度与冻融温度负增长成正比。

[1] 高 尧.松花江流域水资源管理模式研究[D].大连：大连理工大学,2011.

[2] 张耀为,刘苏峡.松花江区降水特征分析与农田灌溉需水量估算[A].发挥资源科技优势 保障西部创新发展——中国自然资源学会2011年学术年会论文集(下册)[C].2011.

[3] 张志秀,李 帅,袁美英.松花江流域面雨量预报业务运行系统简介[J].黑龙江气象,2003(4):25-26.

[4] 杨 平，张 婷.人工冻融土物理力学性质研究[J].冰川冻土，2002，24(5)：665-667．

[5] 王钟琦.岩土工程测试技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1986：24-53．

[6] 吴 明,傅旭东,夏唐代,等.压实土不固结不排水单剪、直剪试验对比[J].岩石力学与工程学报,2006(S2):4147-4152.

On the test of the strength of direct shear for the soil of bank slope in Songpu section of the Songhua river★

HAN Xue ZHAO Zi-long GAO Zi-rui

(HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China)

In order to study characteristics of soil strength freeze-thaw weakening in the Songhua river Songpu bank, freeze-thaw tests and direct shear tests were performed on that paragraph bank. The results showed that: after thawing the sample cohesion will drop substantially, the internal friction angle will increase greatly and soil shear strength will increase significantly, the cohesion of sample after repeated freezing and thawing will significantly decline, internal friction angle of soil will greatly increase, the soil shear strength will increase after the first freezing and thawing, with the increase in the number of freeze-thaw cycles, the soil shear strength will significantly decline. The results can provide Songhua river slope stability analysis with a scientific basis.

slope soil, freeze-thaw effects, shear strength

1009-6825(2014)03-0075-03

2013-11-08★：黑龙江省教育厅科学技术研究面上项目(项目编号：12511484)

韩 雪(1969- )，男，教授； 赵子龙(1989- )，男，在读硕士； 高子睿(1987- )，女，硕士

TU413.1

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