温度循环条件下粉土质砂的物理力学特征研究

郑海君，李　洋，蔡国军，付小敏，吉　锋

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）



温度循环条件下粉土质砂的物理力学特征研究

郑海君1，2，李洋1，2，蔡国军1，2，付小敏1，2，吉锋1，2

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）

摘要：为研究夏季极端高温天气对粉土质砂物理力学性质的影响，以重庆市某边坡土体为研究对象，通过室内试验模拟分析在夏季高温条件下日间暴晒，土温升高；夜间冷却，土温降低的循环过程对粉土质砂的力学特征的影响。试验结果表明：经过多次温度循环作用土样的含水率与密度不断下降；土样内聚力随温度循环次数升高；土样的内摩擦角基本保持稳定，不会随温度循环产生明显变化。当温度循环达到18次以后土样密度下降速度变快，而内聚力达到最大并开始保持稳定。在升温-冷却循环条件下土样抗剪强度增大，这主要是由内聚力增大所导致，因此内聚力是对温度循坏最为敏感的抗剪强度指标。试验结论为进一步研究温度循环对粘性土物理力学特征的影响和极端高温气候条件下的岩土工程设计施工提供重要参考。

关键词：粉土质砂；温度循环；升温-冷却；物理力学特征；抗剪强度

0　引言

近年来随着极端天气不断出现，部分地区夏季高温天数持续增多，气象资料显示，重庆、武汉和南昌等地2012年夏季地表温度高于60℃的天数最多可达28天[1]，这些地区地表土体在日间经暴晒土温升高，夜间冷却土温降低，温度的反复变化会导致土体的物理力学性质发生变化，因此把温度效应考虑到岩土工程的施工设计中已势在必行。事实上，部分学者已考虑到了温度对粘性土的物理力学性质及工程性质的影响，如Hopke S W等[2-3]提出了粘性土考虑外荷载作用的冻胀模型；Tidfors[4]通过试验研究了温度对粘性土变形和固结特性的影响；Boudali M[5]通过研究发现天然粘性土与重塑土的温度效应具有明显的差异；国内学者宋春霞[6]较为系统地研究了冻融作用对土物理力学性质的影响；张泽等[7]提出了循环冻融作用下土工程性质变异性的判定方法；一些学者通过对土样做不同温度下的试验，研究了温度对弹性和塑性压缩系数及水理性质的影响[8-11]。

综上所述，温度变化对土体的物理力学性质会产生较大影响，但从现有资料来看，有关温度变化对土体力学性质影响研究主要集中于冻融作用及不同温度下土的压缩固结特性，而对于升温-冷却循环条件下粘性土物理力学特性研究相对较少。本文以重庆市某边坡土体为研究对象，经室内试验分析了升温-冷却循环条件下土体的物理力学特性的变化规律。

1　试验内容及试验方法

土样取自重庆市某边坡，为粉土质砂，级配良好，其级配曲线如图1所示，其最优含水率为12%，最大干密度为1.81g/cm3。

为较准确测得土样的物理力学性质变化，分别进行含水率与密度测量和三轴剪切试验。试验在地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室进行。根据最优含水率和最大干密度配置三轴试样25组，试样直径39.1mm，高度80 mm，分别进行编号，温度循环设定为先在烘箱中（60℃）烘干3h，再室温（20℃）冷却2 h，取出1号样组，进行密度与含水率测定与不固结不排水三轴压缩试验，记录试验数据，再将其余试样继续在60℃下烘干3h，取出全部试样冷却2h后，把2号样组进行密度、含水率测定与三轴剪切试验，以此类推，其余试样继续进行温度循环直至样品消耗完全。三轴试验运用应变控制式三轴试验仪（见图2）进行不固结不排水剪切试验（UU），试样在施加围压和直至剪切的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标[12]。

图1　土样级配曲线

图2　应变控制式三轴试验仪

2　升温-冷却循环条件下土体物理力学性质变化

2.1含水率和密度的变化

通过25次温度循环所测得的试样含水率与密度数据可得含水率与土样密度和循环次数的关系曲线，如图3、图4所示。

图中反应出随升温-冷却循环的进行土样含水率与密度总体呈降低的趋势，温度升高导致土样中孔隙水气化蒸发，土样中孔隙水减少，质量降低。在温度循环过程中土样密度变化具有一定的波动性，这是由于随着孔隙水的蒸发减少，土样发生干缩，体积减小。在循环达到18次后土样的含水率低于缩限，土样体积基本保持稳定。此时土中孔隙水水蒸发较多，土样中孔隙率变大，水蒸发速度加快，因此呈现出土样密度减小速度加快（曲线的切线斜率增大）的趋势。

图3　土样含水率与循环次数关系

图4　土样密度与循环次数关系

2.2内聚力的变化

将每一次升温-冷却循环后进行三轴试验的成果根据莫尔-库伦强度准则作其破坏强度包络线，根据强度包络线可求得每一次循环过后土样内聚力的值，内聚力变化同循环次数的关系曲线如图5所示。

图5　土样内聚力与循环次数关系

可以看出，随着升温-冷却循环的进行，土样内聚力总体上呈现上升的趋势，由天然状态下的38.5kPa上升至136.1 kPa，当循环次数到达18次以后内聚力开始趋于稳定。这是由于随着温度循环的进行土样中水分蒸发，土样发生干缩，粘粒胶结程度不断增高，内聚力逐渐增大。在循环18次以后土样内粘粒胶结基本达到极限，同时土样不再发生干缩，内聚力保持稳定。

2.3内摩擦角的变化

根据抗剪强度包络线亦可得出每一次温度循环后土的内摩擦角大小，内摩擦角变化同循环次数的关系曲线如图6所示。

图6　土样内摩擦角与循环次数关系

从图可知，随着温度循环的进行，土样内摩擦角并无明显的变化，总体保持在25°～31°之间，内摩擦角的波动可能由于试验误差造成，但总体上处于可控范围内。内摩擦角的影响因素主要是土颗粒表面的摩擦力和土颗粒间的嵌入和联锁作用产生的咬合力，这与土颗粒的矿物组成、粒径组成和土颗粒形态有关，而温度循环并不会改变土样上述因素，因此内摩擦角的变化对温度循环并不敏感。

3　温度循环对土体强度影响分析

一般认为三轴剪切试验中当轴向应变达20%时试样已经发生破坏，最大主应力与最小主应力之差反映了试样抗剪强度的大小：二者之差越大，抗剪强度越大，反之抗剪强度则越小。根据三轴试验成果，可得到不同温度循环次数下三轴剪切试验最大主应力与最小主应力之差和轴向应变的关系曲线，如图7所示。

由图可知，随着温度循环的进行，土样发生剪切破坏时最大主应力与最小主应力之差逐渐变大；温度循环达到18次开始，最大主应力与最小主应力差开始趋于稳定，即土的抗剪强度随着温度循环抗剪强度增大。当温度循环达到18次，土样的抗剪强度趋于稳定，这与内聚力的变化情况具有较好的吻合性。根据莫尔-库伦准则可知土样的抗剪强度增大是由于土样的内聚力增大。在升温-冷却循环条件下，内聚力是粉土质砂抗剪强度指标最为敏感的因素。

图7　不同温度循环次数下三轴试验最大主应力与最小主应力差与轴向应变的关系

通过对比试验土样密度和内聚力的变化情况可知，在温度循环18次以后，土样含水率开始低于缩限，体积不再减小，土样中粘粒胶结基本达到极限，内聚力不再变化，土样孔隙率增大，土中水蒸发加快，密度减小速度增加。因此温度循环18次为土样抗剪强度最大值的临界点，此时的含水率为试验土样的缩限。

4　结束语

1）对粉土质砂来说，随着正午暴晒，土温升高；夜间冷却，土温降低的循环过程，其密度和含水率总体呈下降趋势，在温度循环18次以后土样密度下降速度加快。

2）升温-冷却循环会造成粉土质砂内聚力增加，主要是由于土中粘粒胶结，内聚力增大引起的，而温度循环不会引起粉土质砂内摩擦角产生较大的变化。这些现象可以引申到一般的粘性土。

3）温度循环会使粉土质砂抗剪强度增大，这主要是由内聚力增大引起的，土的抗剪强度指标中内聚力是对温度循环最为敏感的因素。升温-冷却循环18次是粉土质砂抗剪强度最大值的临界点，此时的含水率为土样的缩限。

4）在实际工程中多日暴晒后的土质边坡，在暴雨影响下，往往容易发生破坏，由试验可知并不是由于温度循环使土的抗剪强度降低而导致，可能是由于暴晒使土的孔隙率变大，降水更易进入土体，也有可能是在暴晒过程中土体干缩产生裂缝，在降雨条件下更易贯通发生破坏，这些问题有待于进一步研究。

参考文献

[1]中国气象局.中国气象年鉴（2014）[M].北京：气象出版社，2014：43-106.

[2] HOPKE S W. A model for frost heave including overburden[J]. CouldRegionscience Technolgy，1980，3（2）：111-127.

[3] GILPIN R R. A model for the prediction of ice lensing and frost heave in soils[J]. Water Resource Resh，1980，16（5）：918-930.

[4] TIDFORS M. Temperature effect on preconsolidation pressure[J]. Geotechnical Testing Journal，1989，12（1）：93-97.

[5] BOUDALI M. Viscous behavior of natural clays[J]. Proc. 13th ICSMFE，1994（1）：411-416.

[6]宋春霞.冻融作用对土物理力学性质影响的试验研究[D].西安：西安理工大学，2007.

[7]张泽，马巍，齐吉琳.冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理[J].吉林大学学报（地球科学版），2013（6）：1904-1914.

[8]邵玉娴，施斌，刘春，等.黏性土水理性质温度效应研究[J].岩土工程学报，2011（10）：1576-1582.

[9]邵玉娴，施斌，高磊，等.温度对非饱和土抗剪强度影响的试验研究[J].高校地质学报，2009（2）：213-217.

[10]王媛，施斌，高磊，等.黏性土渗透性温度效应实验研究[J].工程地质学报，2010（3）：351-356.

[11]唐朝生，崔玉军，施斌，等.膨胀土收缩开裂过程及其温度效应[J].岩土工程学报，2012（12）：2181-2187.

[12]东南大学，浙江大学.土力学[M]. 2版.北京：中国建筑工业出版社，2005：184-201.

（编辑：李刚）

Physical and mechanical characteristics of silty sand under temperature cycling conditions

ZHENG Haijun1，2，LI Yang1，2，CAI Guojun1，2，FU Xiaomin1，2，JI Feng1,2
（1. College of Environmental and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu 610059，China）

Abstract:Silty sand was taken from a Slope in Chongqing to study the effect of extreme high temperature in summer on its physical and mechanical properties. According to the indoor simulation test，the soil is warmed up by exposing to the daytime high temperature in summer and the cyclic temperature drop has an effect on the mechanical characteristics of the sand. The test has shown that，after repeated temperature cycling，the moisture and density of the sand were declining，the cohesion was rising with temperature cycles，and the internal friction angle remained stable. When the temperature cycling reached 18 times，the sand density became decreased quickly and the cohesive force reached the maximumand held steady. Under the heating -cooling cycle conditions，the shear strength increased with the cohesion. Thus，the cohesion is most sensitive to the temperature cycling. The results have provided important references to further study of the effect of temperature cycling on the physical and mechanical characteristics of the cohesive sand and the design and construction of rock and soil engineering at

Keywords:silty sand；temperature cycle；heating-cooling；physical and mechanical characteristics；shear strength

作者简介：郑海君（1979-），女，四川成都市人，助理研究员，主要从事土工试验教学工作。

基金项目：国家自然科学基金（51308082，41202209）；四川省教育厅基金项目（11ZB038）

收稿日期：2015-07-18；收到修改稿日期：2015-09-13

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.003

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0015-04