季冻区边坡表层粉质粘土力学指标影响因素室内试验研究

季冻区边坡表层粉质粘土力学指标影响因素室内试验研究

徐闯

(黑龙江省公路勘察设计院 哈尔滨 150080)

摘要：本文通过室内三轴试验研究冻融作用下边坡表层粉质粘土土体随含水量、密实度、冻融次数、是否存在植物根系等不同条件下土的力学指标变化规律，对提高季冻区边坡防护效果具有一定的理论指导意义。研究结果表明：(1)土体主应力差在植物根系作用下明显提高，在含水率13%左右提高明显；加根土主应力差随土的密实度增加而显著提高。(2)含水率较小时，土体黏聚力随含水率的增加而增大，当含水率在13%左右时，黏聚力最大，当含水率大于13%后，黏聚力开始随含水率增加而减小。植物根系作用下粘聚力随土体密实度增加而增大。(3)随含水率增加土体内摩擦角减小，含水率越大内摩擦角减小幅度越大。含水率较大时植物根系对土体内摩擦角影响较小；含水率较小和密实度较大时植物根系对提高土内摩擦角作用明显。

关键词：边坡表层粉质粘土；冻融作用；三轴试验；力学指标；边坡防护

中图分类号：S 773.3

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2015)03-0146-05

Abstract：In this paper，through indoor triaxial test the soils mechanics index variation laws of slope surface layer silty clay under the action of freezing and thawing with different water content，compactness，freezing and thawing times，plant roots were analyzed，which has a certain theoretical guiding significance for the improvement of the effect of slope protection in seasonal frozen area.The results showed that：(1)The difference of principal stress of soil under the effect of plant root system increased significantly，and the increase was obvious at 13% moisture content；The principal stress difference of the plant roots soil increased significantly with the increase of the compactness of soil.(2)Under low moisture content，soil cohesion increased with the increase of moisture content，and reached the maximum at moisture content of around 13%.When moisture content was more than 13%，the cohesion began to decrease with the increase of moisture content.Plant roots under the action of cohesive force increased with increasing soil compactness.(3)With the increase of moisture content，the angle of internal friction of soil was reduced，the greater the moisture content the greater the decrease amplitude of the angle of internal friction.When soil moisture content was larger the plant roots had little effect on the internal friction angle.When the moisture content was smaller and the compactness was larger，plant roots had obvious effect in improving the soil angle of internal friction.

Keywords：slope surface layer silty；freezing and thawing；triaxial test；mechanical index；slope protection

收稿日期：2014-10-15

作者简介：第一徐闯，硕士，高级工程师。研究方向：公路、城市道路桥梁工程设计。E-mail：375736088@qq.com

Research on Mechanics Affecting Factors of Slope Surface LayerSilty Clay in Seasonal Frozen Area By Indoor Test

Xu Chuang

(Highway Survey and Design Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150080)

引文格式：徐闯.季冻区边坡表层粉质粘土力学指标影响因素室内试验研究[J].森林工程，2015，31(3)：146-150.

季冻区粉质粘土边坡在春融期易引起滑动塌落，严重危及公路边坡稳定和行车安全，影响路域环境景观，降低道路的使用功能[1]。为提高提高季冻区边坡防护效果，对边坡表层土体的物理、力学指标影响因素研究具有很重要的现实意义[2]。

1边坡表层土体现场取样

分别在研究区Ⅰ、Ⅱ两断面挖100 cm×80 cm×240 cm的试坑。除去表层覆土30 cm，然后用环刀取土样。试坑取样表明两端面为分布均匀粉沙质粘土，原状土在实验室进行土体物理指标实验，实验结果见表1。

表1　粉质粘土物理指标 Tab.1 The physical indicators of silty clay

颗粒筛分试验表明两断面土体粒径小于0.075 mm颗粒含量均达到100%的细粒组，且级配良好，通过土的塑性指数可以确定两断面土体为粉质粘土。

2试验方案

为得到不同含水率、冻融次数、是否有根系等状态下土的粘聚力、内摩擦角和弹性模量的变化规律，设计了如下试验方案：

土样含水率分别为8%、13%、18%、21%、23%；干密度分别为1.43、1.52、1.62 g/cm3；冻融循环次数分别为0次、1次和5次；根系作用为无根系土和有根系土，试验中以麻绳模拟根系[3]。植物根系的抗拉强度为5~100 MPa，塑性变形为2%~3%。通过拉伸试验测得麻绳平均抗拉强度为35 MPa，极限伸长率为22%，与一般的植物根系特性基本一致。通过坡面土层调查，根系与边坡夹角近似为45°+φ/2，因此试件中麻线采用水平布置，使试件剪切破坏面与麻线夹角接近[4]。

根据以上条件，分组制成直径10 cm、高度20 cm试件，采用全自动三轴仪，进行不固结不排水三轴压缩试验[5]。试件中麻绳布置如图1所示。

图1　麻绳布置图 Fig.1 Hemp rope arrangement

3土样黏聚力试验

如图2和图3所示为不同干密度无根土、加根土含水率-黏聚力曲线。如图4和图5所示为干密度为1.62 g/cm3、不同冻融次数作用下素土、加根土含水率-黏聚力关系曲线。从图2~图5曲线变化规律分析得到如下结论：

图2　不同密度无根土含水率-黏聚力关系曲线 Fig.2 Cohesion of soil without root-soil moisture content relation curve under different densities

图3　不同密度加根土含水率-黏聚力关系曲线 Fig.3 Root soil cohesion-soil moisture content relation curve under different densities

图4　 冻融作用后无根土含水率-黏聚力关系曲线 Fig.4 The moisture content of soil without root and cohesion curve after freezing and thawing effect

图5　冻融作用后加根土含水率-黏聚力关系 Fig.5 The moisture of soil with root-cohesion relation curve after freezing and thawing effect

(1)含水率较小时，土体黏聚力随含水率的增加而增大，当含水率在13%左右时，黏聚力最大，当含水率大于13%后，黏聚力开始随含水率增加而减小。植物根系作用下粘聚力随土体密实度增加而增大。

(2)土的粘聚力随干密度增加而增加；加根土粘聚力较无根土大，且随干密度增大，差别更加明显[6]。

(3)冻融作用次数增多黏聚力下降，初次冻融后下降幅度最大，与素土相比，加根土黏聚力下降较为明显。

4土样内摩擦角试验

如图6和图7所示为不同干密度素土、加根土内摩擦角-含水率关系曲线，由曲线变化规律得到如下结论：

图6　不同密度素土内摩擦角-含水率关系曲线 Fig.6 Internal friction angle of soil without root-moisture content relation curve under different densities

图7　不同密度加根土内摩擦角-含水率关系曲线 Fig.7 Internal friction angle of soil with root-moisture content relation curve under different densities

(1)随含水率增加土体内摩擦角下降；内摩擦角减小的幅度随含水率增加而增大[7]。

(2)加根土体内摩擦角在达到最佳含水率之前，明显高于素土，但达到最佳含水率后内摩擦角下降迅速。

如图8和图9所示为干密度1.62g/cm3、不同冻融次数作用下素土、加根土内含水率-摩擦角曲线，通过曲线变化规律得出以下结论：

图8　冻融作用素土含水率-内摩擦角关系曲线 Fig.8 Internal friction angle of soil without root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

图9　冻融作用加根土含水率-内摩擦角关系曲线 Fig.9 Internal friction angle of soil with root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

(1)随含水率增加土体内摩擦角下降，内摩擦角随含水率增加而减小的越快，主要由于含水率增大后土体越接近饱和，土体孔隙中水的润滑作用越明显[8]。

(2)素土经过1次冻融，内摩擦角有所提高，但经过5次冻融作用后，内摩擦角下降至冻融前以下。

(3)随冻融次数增加，加根土体内摩擦角下降，较无根土下降幅度缓慢。

5土样弹性模量试验

如图10和图11所示为不同干密度无根土、加根土弹性模量-含水率关系曲线，由曲线变化规律得到如下结论：

图10　不同密度无根土弹性模量-含水率曲线 Fig.10 Modulus of elasticity of soil without root-moisture content relation curve under different densities

图11　不同密度加根土弹性模量-含水率曲线 Fig.11 Modulus of elasticity of soil with root-moisture content relation curve under different densities

(1)土体弹性模量均随干密度增加而增大，随含水率增加而减小[9-10]。干密度为1.52 g/cm3无根土弹性模量随含水率增加而下降幅度大于干密度为1.43 g/cm3和1.62 g/cm3的无根土。

(2)土体加根后，弹性模量有明显增加，特别是低干密度土体，弹性模量增加幅度更大。

如图12和图13所示为干密度1.62 g/cm3、不同冻融次数下无根土、加根土含水率-弹性模量曲线，由曲线变化规律得到如下结论：

图12　冻融作用后无根土弹性模量-含水率曲线 Fig.12 Modulus of elasticity of soil without root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

图13　冻融作用后加根土弹性模量-含水率曲线 Fig.13 Modulus of elasticity of soil with root-moisture content relation curve after freezing and thawing effect

随含水率和冻融次数增加弹性模量下降，下降幅度随含水率增高而减小[11-12]；加根土体经历冻融后弹性模量下降较素土幅度更大。

6不同条件应变与应力影响分析

如图14~图17所示为加根土与素土在不同含水率、密实度状态下与轴向应变关系曲线主应力差，通过曲线变化特征得到如下结论：

图14　含水率为13%无根土主应力差与轴向应变关系曲线 Fig.14 Relationship between principal stress difference of soil without root and axial strain at moisture content of 13%

图15　含水率为13%加根土主应力差与轴向应变关系曲线 Fig.15 Relationship between principal stress difference of soil with root and axial strain at moisture content of 13%

图16　含水率为18%无根土主应力差与轴向应变关系曲线 Fig.16 Relationship between principal stress difference of soil without root and axial strain at moisture content of 18%

图17　含水率为18%加根土主应力差 与轴向应变关系曲线 Fig.17 Relationship between principal stress difference of soil with root and axial strain at moisture content of 18%

(1)主应力差的峰值随干密度增加明显提高，当含水率为13%，干密度分别为1.43、1.52、1.62 g/cm3时，加根土主应力差分别提高11%、14%、19%左右。含水率为18%无根土、加根土与含水率为13%土体呈类似应力应变关系，但干密度为1.43、1.52 g/cm3土体提高幅度较小。

(2)植物根系加筋后，主应力差明显提高，特别是含水率在13%附近时提高的更加明显[11]。

7结论

(1)试验结果表明：土体主应力差在植物根系作用下明显提高，在含水率13%左右提高明显；加根土主应力差随土的密实度增加而显著提高[14]。

(2)含水率较小时，土体黏聚力随含水率的增加而增大，当含水率在13%左右时，黏聚力最大，当含水率大于13%后，黏聚力开始随含水率增加而减小。植物根系作用下粘聚力随土体密实度增加而增大。

(3)随含水率增加土体内摩擦角减小，含水率越大内摩擦角减小幅度越大[15]。含水率较大时植物根系对土体内摩擦角影响较小；含水率较小和密实度较大时植物根系对提高土内摩擦角作用明显。

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[责任编辑：李洋]