中原地区粉质粘土冻融效应下物理力学特性试验研究

唐东旗，刘艳玲,王 静

(1.许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000；2.许昌腾飞公路工程有限公司，河南 许昌 461000；3.鹤壁市公路管理局，河南 鹤壁 458000)

我国大部分地区都位于温带，多处于季节性循环冻融区，而季节性循环冻融会对岩土体物理力学性质产生较大影响.青藏高原、东北地区、黄土高原地区等已成为研究循环冻融良好的实验场所，国内众多学者都对其进行了研究探讨[1-4].循环冻融造成岩土体结构发生变化[5-7]，从而造成强度降低[8]，对天然边坡、人工边坡以及冬季开挖的深基坑工程的边坡稳定性造成危害，而且其危害会随着温差、开挖基坑深度和冻融循环次数的增加而逐渐加大.河南属暖温带-亚热带、湿润-半湿润季风气候，冬季寒冷，温度较低，极端最低气温达到-21.7 ℃，河南中北部地区冬季平均低温在-5～-15 ℃，昼夜温差大，势必造成白天和晚上形成循环冻融现象.平原地区城市地下水位多在-5～-10 m，深基坑开挖深度都在-5 m以上.对于大部分深基坑而言，由于人工抽水作用，基坑边坡土层自上而下含水量将从饱和向非饱和状态转变，并且冻融作用造成土体中的水分向表层迁移，导致土体表层含水量在一定时间内增加，从而对深基坑边坡稳定产生影响.因此，通过对中原地区土层循环冻融下粉质粘土的物理力学特性的试验研究，可以为该区域基坑边坡冬季施工安全维护提供科学依据，具有较强的实用价值和科学意义.

1 研究区概况

本研究所选区域为许昌市金石星海湾项目深基坑边坡，该区域地面平坦，深基坑开挖深度为-8 m，地层至上而下为素填土、粉土、粉质粘土，边坡坡度为80°，地下水埋深为-5 m.

2 土体物理性质

对采集的原状土样分别进行了土体的密度、含水率、孔隙比、液塑限和颗粒分析试验，测试的结果见表1和图1.土的塑性指数为15，土体为粉质粘土.

土体粒径主要集中在10～30 μm之间，且级配程度表现为Cμ=d60/d10=10.5/1.8=5.83(土颗粒粒组分布不均匀)，CC=d302/(d60·d10)=1.22(土颗粒级配曲线连续)，为级配良好的土.

表1 土样物理性质

图1 粒度分布图

3 循环冻融作用下土体物理力学性质变化规律

3.1 冻融试验

冻融试验设备采用南京环科试验仪器厂生产的GDW-500型高低温冻融试验箱进行冻融试验，冻融试验仪器各项主要指标如下：温控区间：-40～150 ℃，温度浮动度：±0.5 ℃，时间设定区间：0～9 999 h，电源要求：AC380(±10%)V/50 Hz.

为便于试验和模拟自然状态下土体的冻融情况，单次冻融循环的周期时间定为24 h.冻融次数与温度根据工程实际与已有的研究经验选取土样的冻结融化温度和次数，温度一般不大于一天内气温转变差.为了试验现象突出，适当加大选取的温度差值，本试验规定将冻融温度差值控制在上下浮动20 ℃以内的温度，即冻结温度为-10 ℃，融化温度为10 ℃.本试验中，考虑到冻融循环初期冻融破坏作用强烈，以及随着循环次数的累积破坏作用逐渐加强，在前期增加现象观测次数，冻融循环次数分别选取为1、3、5、7、10、15、20 次.

循环冻融试验由高低温冻融箱来实现，把制备好的土样置于自封袋，排气处理，标记好后放入冻融箱中，此外，还要注意在土样的放置过程中不能将各试样叠加放置，更不能在试样表面放置其他杂物，以免影响试样受温的均匀性.设置好冻融试验箱内的温度开始冻结融化循环过程，经冻融循环后，分别把土样取出进行土样表面特征观察和测试土样的密度、含水量和孔隙比以及土体抗剪强度，观察的内容包括土样体积变化、表面特征以及多次循环后的连续变化情况.

3.2 冻融循环的表面特征

从图2可以看出，随着冻融循环次数的增加，环刀边缘的空隙逐渐增大，说明土体的冻融过程中含水量发生了变化，冻结时，水分迁移到表面和外面所包裹的薄膜上，造成了含水量降低，土体体积产生一定的收缩；冻结时，表层土体含水量较高，冻胀力较大，超过了土体本身的抗拉强度，从而产生裂缝，并且裂缝随着冻融循环次数的增加逐渐扩展.

图2 不同冻融循环后试样形态变化

3.3 冻融循环对孔隙比影响

在冻融循环过程中出现体积不断扩大的现象，这是因为在冻结初期未冻结的自由水由于毛细作用向已冻结锋面迁移，导致原来的土颗粒与自由水的吸附平衡被破坏，为冰晶体的扩张提供有利条件，最终形成膨胀现象.在冻融初期体积变化量显著，第7次及以后试样体积不再发生明显变化(图3).

图3 冻融循环过程中土样体积的渐变情况

图4 冻融循环次数与孔隙比

土体发生冻融循环时产生体积膨胀，孔隙比发生变化，从孔隙比和冻融循环次数的变化关系来看(图4)，在冻融次数较少时，随冻融次数的增加孔隙比逐渐加大，但当冻融循环增加到一定次数后(7次)孔隙比逐渐减小，达到10次以上时逐渐趋于稳定.

3.4 冻融循环对土体强度影响

土体在冻融过程中，土颗粒内部水分发生液相结晶现象，毛管孔隙间的孔隙水转变为冰晶体，液相水冻胀增大了土颗粒孔隙间的间距，破坏土颗粒内部原来的结构形态和联接状态，并且两者分别与内摩擦角和粘聚力有密切关系.

图5 不同冻融循环后试样抗剪强度试验

冻融试验后的直剪试验结果表明：在冻融循环次数较少时，土体的抗剪强度较高，而随着冻融次数的增加，土体的抗剪强度逐渐降低，当冻融循环次数在7～9次以后，其抗剪能力趋于稳定(图5).根据土体的强度影响因素来看，土体是有一定的结构性的，要想使得土体发生破坏首先就需要破坏土体的结构性.冻融循环过程中是土体中的水迁移膨胀的过程，这种膨胀一方面破坏了土体颗粒之间原有的链接，加大了间距，孔隙比增加，松散程度增加，在受到外力时容易被破坏；另一方面这种水分迁移增加了局部含水量，为土体整体抗剪强度的降低提供了有利条件.

土体循环冻融对土体的强度影响主要表现在对土体粘聚力和内摩擦角的影响上，根据试验结果主要表现如下规律(图6、图7)：

图6 冻融循环次数与粘聚力

图7 冻融循环次数与内摩擦角

粘性土土样在多次冻融循环后，剪应力逐渐减小，粘聚力逐渐降低.当冻融循环次数达到9次及以上，粘聚力变化逐渐趋于稳定状态，这是由于土体内的液态水转变为冰晶体之后，破坏了原土颗粒间的链接状态.从测试结果来看，重塑土的重塑土样粘聚力浮动范围在47.8%以内，

经过多次冻融循环后，土体颗粒之间的间距加大，颗粒之间的更易相互移动，从试验结果来看，内摩擦角前期变化比较显著，后期的变化趋于平缓，说明初期的冻融循环对土体的结构破坏影响较大，内摩擦角浮动范围在52.3%以内.

4 结论

通过对土体循环冻融试验主要得到以下几条结论：

(1)土体在冻融后发生自由水由于毛细作用向已冻结锋面迁移的迁移现象，体积逐步膨胀，密度下降，冻融次数达到7次及以上时趋于稳定.

(2)土体在冻融4次及以上时在试样边缘处出现裂纹，并且裂纹逐步扩展，达到9次以后表现稳定.

(3)冻融循环后土体的强度逐步下降，各项强度指标均下降，9次以后达到稳定状态；冻融循环对粉质粘土的影响较大，强度变化大，将极大影响边坡土体的稳定性，对冬季施工产生威胁.

(4)随冻融循环次数的增加，孔隙比的变化关系呈现为先增加后减小，这种变化有待进一步探讨.