冻融状态和含水率对林区土壤力学性能的影响★
2020-09-14赵秋月张博锐杨全喜孙术发
周 远 赵秋月 张博锐 杨全喜 于 淼 孙术发
(东北林业大学工程技术学院,黑龙江 哈尔滨 150040)
0 引言
中国地域辽阔广大,自然条件优越,树木种类繁多。据全国林管局的不完全统计,我国森林面积约为2.08亿ha,森林覆盖率为21.63%,常见的树木就有五千多种,是世界上树种最多的国家之一[1,2]。林区地域主要分为东北林区、西南林区、南方林区三大林区,其中东北林区中的大兴安岭、小兴安岭和长白山是我国最大的森林区,且存在林区道路复杂、环境恶劣和土壤长期遭受季节性冻融作用的影响等问题[3],使得该林区土壤性能的研究存在诸多不便。对于土壤力学性能的研究有很多,例如陈红星等[4]通过三轴剪切仪探究含水率和土壤碱度对于抗剪强度的影响;张惠忍等[5]通过直剪切仪研究的内摩擦角和粘聚力与含水率和冻融状态的关系等,虽然已有的结果表明土壤的冻融状态和含水率对其力学性能都具有一定的影响[4-6],但针对经过冻融作用后的林区土壤力学性能研究甚少。文章以帽儿山实验林场为采样地点,通过将林区土壤分为冻融和未冻两种状态,并结合含水率研究其力学性能的影响。研究结果对于林区土壤力学性能的研究及林区冬季施工作业具有重要的理论指导意义。
1 试验与材料准备
1.1 试验土壤的选取
东北林区帽儿山林场位于东经127°18′0″~127°41′6″,北纬45°2′20″~45°35′16″,地貌多为山区丘陵,海拔高度最高可达到600 m,平均海拔400 m,坡度在5°~25°之间,属中温带大陆性季风气候,四季变化明显,年平均气温2.4 ℃,最高气温34 ℃,最低气温-40 ℃[7],其土壤类型为典型的季节性冻融土壤,满足本文试验所需土壤类型。
试验土样取自帽儿山实验林场中的(北纬127°31′22.461″,东经45°19′17.892″和北纬127°31′27.829″,东经45°19′9.176″)两处不同位置的土壤。由于林区树植茂密,采集时间为秋季,所以采集土样时,先用铁铲去除采集区域0 cm~5 cm厚的腐殖物与土壤,然后采集5 cm~30 cm深度的表层土,两处不同位置的土壤分别记录为一号土和二号土。
1.2 试验准备
将采集回来的土壤过筛,烘干,按照预先设计好的含水率进行配置,一号土含水率分别配置为20%,25%,30%,二号土含水率分别配置为15%,20%,25%,30%。在试验土样制备过程中,为了使土样与模具接触时可以顺滑脱落,在高16 cm,内径3.91 cm的圆柱三轴模具内壁涂抹一层凡士林;将一号土按照含水率20%的比例配置完成后,倒入三轴模具中,进行击实脱模制样。模具在倒入土壤前先在底部塞入一个高4 cm,直径3.91 cm的垫块,在倒入土壤后再在上面放一个相同大小的垫块。击实时,用胶锤击打垫块,使最后成型的紧实土样高为8 cm,直径为3.91 cm。一号土和二号土其余六种类别的含水率重复上述实验,每个含水率制作10个土样,并且土样制作完成后用保鲜膜密封处理。因为制作土样需耗费一定时间,为了防止土样水分流失和实验室温度对土样的影响,故将制作好的土样放入标准恒湿恒温箱内保湿保温,如图1所示。
在制备好的一号土试验土样和二号土试验土样中按照含水率类别,每个含水率下取5个试样,在-25 ℃的环境下冷冻12 h,之后在28 ℃的恒温条件下解冻4 h作为冻融土试样,其他试验土样放入标准恒温箱内作为对比的未冻土试样。
1.3 三轴剪切试验
从恒温箱内取出一个一号土20%的试验土样,按照《土工试验方法标准》操作,将试验试样安装在三轴仪的操作台上,调试与三轴仪相连接的电脑,其中剪切方式设置为不固接不排水,钢环系数设置为10,轴向应变设置为20,初始围压设置为100 kPa。
试验采用的是TSZ全自动三轴仪,一次剪切试验只能得到单次围压下的主应力差与轴向应变关系曲线,图2为在100 kPa围压下,含水率为20%的一号土未冻状态土样的三轴剪切试验图,由图2可得,试验刚开始时轴向偏差应力(σ1-σ3)随轴向应变迅速上升,达到峰值(或达到轴向应变设置的20)后趋于平稳。每一组试样只有在至少三种不同围压下的剪切成功后,得出三条应变关系曲线,结合围压和相应的最大主应力值,才能得出不固接不排水强度包线,从而得出粘聚力和内摩擦角的值。故每组试样在100 kPa,200 kPa,300 kPa三种不同围压下各做一个,而每组余下的试样留作备用,其余13组按照上述操作步骤重复进行。
2 试验结果与分析
2.1 含水率和冻融状态对土壤粘聚力的影响
将试验得到的数据输入到Origin文本中,建立一号土和二号土在未冻和冻融两种状态下的粘聚力随含水率的变化图,结果如图3所示。
由图3a)可知,一号土无论在冻融还是未冻的情况下,粘聚力都随着含水率的升高而降低,并且当含水率从20%到25%时,未冻土粘聚力下降了22.47%,冻融土粘聚力下降了27.73%;含水率从25%到30%时,未冻土粘聚力下降了15.53%,冻融土粘聚力下降了3.85%。由此可见,一号土含水率从20%到25%时,未冻土和冻融土粘聚力的下降速度均大于含水率从25%到30%时粘聚力下降的速率,而且冻融土在含水率从20%到25%时粘聚力下降速度比未冻土更快。从图3b)中,可以看出二号土在未冻状态和冻融状态下的粘聚力也均随含水率的增大而降低,并且二号土冻融后的粘聚力也普遍高于未冻下的粘聚力。结合图3a),图3b)可以得出,一号土含水率自20%开始,无论在冻融情况下还是未冻情况下,粘聚力均大于二号土,并且随着含水率的增加,粘聚力下降速度要缓于二号土;一号土在冻融情况下,含水率从25%到30%时,粘聚力仅下降了3.85%。而二号土在冻融情况下,含水率从20%到25%时,粘聚力下降了21.11%;含水率从25%到30%时,粘聚力下降了15.16%。
造成上述现象的原因大致为,随着含水率的上升,土颗粒间的液态水增多,降低了结构稳定性,使相对位移变得更加容易,从而降低了粘聚力,而冻融后,颗粒间的液态水大多转换成个固体冰,增加了胶结作用,致使冻融后的粘聚力大于未冻下的粘聚力[8,9]。
2.2 含水率和冻融状态对土壤内摩擦角的影响
将从三轴剪切试验中得出的数据输入Origin中,绘制出一号土和二号土在未冻和冻融两种状态下的内摩擦角随含水率的变化图,结果如图4所示。从图4a)中可知,一号土的内摩擦角在未冻和冻融状态下都随着含水率的增加而减小,但冻融后的减小趋势要明显大于未冻情况下的减小趋势。从图4b)中可以得出,二号土的内摩擦角无论在冻融还是未冻的情况下也都随着含水率的增加而减少,但含水率从15%到25%时,在未冻和冻融两种情况下,减小的速度大致相同,而含水率从25%到30%时,未冻下的内摩擦角减小了32.59%;冻融情况下的内摩擦角减小了52.15%。结合图4中的两幅图可以得出,一号土和二号土无论在冻融状态还是未冻状态下,内摩擦角随着含水率的增加均呈现减少趋于0的趋势,而二号土下降的更快,趋势更加明显。
造成上述现象的原因大致为:土颗粒间的液态水增多,加大了孔隙间的缝隙,从而影响了土壤稳定,使之更易滑动,这些导致内摩擦角随着含水率的增加而减小。而土壤经过冻融后,液态水一部分转化成了固体冰,从而使颗粒间的缝隙更大,含水率越高,固体冰越多,内摩擦角越小[10]。
3 结语
试验以林区土壤力学性能为研究对象,以帽儿山林区土壤为例,将两种典型土壤分类标记为一号土和二号土,进行不同含水率,不同冻融状态的不固结不排水三轴剪切试验,以含水率和冻融状态为自变量,探究了对林区土壤粘聚力和内摩擦角的影响,研究结果发现一号土和二号土在冻融和未冻两种状态下的粘聚力均随着含水率的增加不断减小,而减小趋势,二号土大于一号土。一号土在冻融情况下含水率从25%到30%时,下降趋势明显放缓,而二号土在冻融情况下,粘聚力一直随着含水率的增加而减小,并且下降速度越来越快。一号土和二号土在未冻和冻融两种状态下的内摩擦角随着含水率的增加也不断减小,并且减小趋势为二号土冻融大于二号土未冻,一号土冻融大于一号土未冻。
试验结果表明,林区土壤随着含水率的增加,粘聚力和内摩擦角都不断减小;而经过一次冻融循环后,粘聚力普遍增大,内摩擦角普遍降低。试验结论对今后林区土壤力学性能的研究和林区冬季施工作业可起到理论支撑作用。