含水率对银川粉砂反复冻融强度的影响

2017-05-18郝佳兴

四川水泥 2017年5期

关键词：粘聚力粉砂冻融循环

李剑潘鹏刘宁郝佳兴

（宁夏大学土木与水利工程学院银川 750021）

含水率对银川粉砂反复冻融强度的影响

李剑潘鹏刘宁郝佳兴

（宁夏大学土木与水利工程学院银川 750021）

以银川粉砂为对象，含水率为因素，研究了反复冻融循环作用对粉砂抗剪强度的影响。通过分析作用规律和机理，建立了粉砂粘聚力增量的绝对值、内摩擦角增量分别与冻融循环次数及含水率的关系模型。试验结果表明：粉砂粘聚力增量的绝对值和内摩擦角增量均随冻融循环次数的增加逐渐增大，在前几次冻融循环内变化剧烈，随后变化趋于平缓，多次冻融循环后趋于稳定；粉砂含水率越大，粘聚力增量的绝对值和内摩擦角增量越大；冻融循环作用和含水率对粉砂强度影响显著；建立的关系模型拟合度高，预测结果准确。

粉砂；冻融循环；含水率；抗剪强度

0 前言

宁夏地处毛乌素和腾格里沙漠的边沿，地表下分布着大面积的风积砂。宁夏冬季严寒，且负温期长[1]，因农田冬灌，地下水埋藏浅，浅层土的含水率高，冻害严重[2]。宁夏砂土地基破坏严重，如路基冻胀，化冻翻浆、边坡变形失稳、沟渠基底隆起开裂等。在宁夏地区进行工程活动时，必须考虑地基土含水率和冻融循环作用对粉砂力学性能的影响。一些研究发现：冻融破坏土体原始胶结结构，使粉砂强度产生劣化作用[3]；冻融使土的粘聚力降低，内摩擦角增大[4,5]，而严晗等认为内摩擦角变化不大[3]。考虑已有文献关于砂土冻融研究所用循环次数较少，不足以全面揭示冻融循环的影响，以及土的冻融作用具有明显的区域性，结合宁夏气候和水文地质特点，进行粉砂的多次冻融循环试验研究，对宁夏冬灌区砂土地基工程冻害评价与防治具有重要意义。

1 材料与方法

1.1试验材料

试验所用砂土取自宁夏银川市西夏区，取土深度约2.0m处。取样之后，立即进行密封处理，并测得土样基本物理指标如下：密度1.74g cm-3，含水率6.2%，土粒比重2.69，粒径分布见表1，主要为0.25～0.075mm的细砂粒和极细砂粒，约67.1%，其余主要为0.075～0.005mm的粉粒，约27.4%。

表1 宁夏砂土的粒径分布

1.2试验方案

以冻融循环次数F和含水率ω为因素，在封闭单向冻融循环系统条件下，试验研究不同含水率粉砂在多次冻融循环后强度变化规律。G1～G5组试样含水率ω分别设8%、10%、12%、14%和21%（饱和）5个水平。冻融循环次数为F，设0、3、7、12、20、30、50次7个水平。冻结温度依据当地多年极端最低气温平均值设为-28.0℃，融化温度为20.0℃，冻24h，融24h。

1.3试验方法

（1）试样制备。依据土工试验方法标准GB50123 1999规范要求将风干后粉砂过2mm筛，按试验方案制备不同含水率土样，保湿缸中密封润湿不少于一昼夜。采用压样法成样，需饱和土样用真空法抽气饱和，饱和度不得低于95%，成样后立即密封防止失水。试验每组成样4个。

（2）抗剪强度试验。试验采用应变控制式电动直剪仪进行直剪。试样连同环刀密

封后置于低温试验箱中按照试验方案进行冻融试验，在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa

4个垂直压力下进行直剪，并测定各含水率试样在不同冻融循环次数下的粘聚力c及内摩擦角φ。

样品（编号RCS11）长柄扁桃粕由于其特殊制油工艺，粕中同时含有苦杏仁苷（平均质量含量约3%）和野黑樱苷（平均含量约0.29 mg/g）两种成分。在上述分析条件下，根据其色谱信息，以信噪比S/N=3计，得苦杏仁苷检测限为0.2 μg/mL；以信噪比S/N=10计，得苦杏仁苷定量限为 0.4 μg/mL。在饲料卫生标准[17]中，HCN在饲料原料最低限量为50 mg/kg，相当于苦杏仁苷限量为 845 mg/kg（苦杏仁苷与氢氰酸换算系数16.9），在本方法的定量限内。

2 结果与分析

2.1强度指标

粘聚力增量量cd和内摩擦角增量φd与冻融循环次数和含水率的关系曲线示于图1。

由图1可见：所有试样粘聚力增量均为负值，即粘聚力降低；粉砂的粘聚力增量的绝对值随冻融循环次数的增加逐渐增大；经历20次冻融后粘聚力增量趋于稳定；在冻融循环次数相同的条件下，粘聚力增量的绝对值随含水率的增大而增大。粉砂的内摩擦角增量随冻融循环次数的增加逐渐增大，反复冻融使粉砂内摩擦角增大，经历20次冻融后内摩擦角增量趋于稳定；在冻融循环次数相同的条件下，内摩擦角增量随含水率的增大而增大。

图1 粘聚力和内摩擦角与冻融循环次数关系曲线

土的粘聚力是由胶结物和束缚水膜的分子引力造成的[6]，束缚水膜的分子引力取决于土颗粒间的自由水含量，而内摩擦角主要反映颗粒间的相互移动和咬合作用。随着反复冻融，土体中的水分不断发生冻结和迁移，水分迁移产生的迁移力和冻胀力不断破坏土颗粒间原始胶结结构，造成粘聚力不断减小，由于孔隙比增大，土颗粒之间的接触点增多，因而内摩擦角增大。多次冻融后，粒径较大的颗粒破碎，小颗粒增多，土颗粒在自身重力作用下又重新排列而形成新的胶结结构，粘聚力损失量趋于稳定值。随着含水率增大，试样下部有充足的水分向冻结区迁移，造成土中水分迁移力和冻胀力随之增大，冻融循环对土颗粒原始联接结构的劣化作用增强，小孔隙增多，土颗粒间的接触面积增大，因而粘聚力减小，内摩擦角增大。

2.2回归分析

2.2.1 模型建立

将粘聚力增量的绝对值和内摩擦角增量分别与冻融循环次数N和含水率ω的关系用双曲线函数形式拟合，其表现出较好的拟合效果。拟合关系式如式（1）和式（2）所示，其中a1和a2均为含水率ω的函数，拟合结果如表2所示。cu和φu的意义分别为当冻融循次环次数N趋于无穷大时，粘聚力增量的绝对值和内摩擦角增量趋于的稳定值。