掺合料土体冻融循环试验下三轴剪切强度特性分析研究

张 磊

(塔里木河流域干流管理局， 新疆 库尔勒 841000)

土体材料是水利工程建设施工的基础，探讨土体材料的力学特性，对水利工程设计、施工均具有较大帮助[1-3]。设计三轴剪切试验开展土体材料室内试验，可为认识土体材料的应力变形提供重要基础，而基于室内剪切试验所获得的抗剪特征参数是水利工程设计中尤为关注的内容。目前，国内外诸多学者利用土工试验系统，开展了不同土体材料的剪切破坏试验，探讨土体材料本构特性，为工程应用提供重要试验依据[4-6]。冻融循环试验可模拟高寒地区土体力学影响特性，一些水利工程师基于室内土体冻融循环试验，研究了土体受冻融循环物理损伤作用下其力学特征或渗透特性影响规律，极大丰富了土体冻融循环特性研究[7-9]。本文基于冻融循环试验与室内三轴剪切试验，设计不同因素影响下掺合料土体研究方案[10-12]，为河道整治等水利工程设计施工提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

某河道工程设计需新拓宽3 m，为此需对原河道开展整治开挖，原河床断面为半圆形，河底部高程为58.5 m，需整治河道长度约为1.5 km，起止桩号为1+252～2+752，现河道工程中所遇一岸坡，该岸坡水土流失较严重，河道整治开挖岸坡一定程度会削弱其安全稳定性。设计部门考虑结合冻融循环试验开展岸坡土体三轴破坏力学试验研究，为河道岸坡开挖设计提供试验依据。

试验采用GS-RA型三轴剪切仪，该试验系统包括有数据采集系统与加载系统，其中加载系统分为侧向围压与竖向荷载两部分加载子系统，最大竖向荷载可达200 kN，围压最大可加载至50 MPa，数据采集系统可实时查看数据，采集间隔为0.5 s，力传感器以及位移传感器试验前均已标定，冻融循环试验利用高低温试验箱在目标循环次数下完成，其中每次冻、融持续时长均控制在24 h，冻、融温度分别为-20 ℃、20 ℃[13-14]。

1.2 试验方案

由现场钻孔获得试验土样，为粉质壤土，图1为现场击实试验所获得的最佳含水量为18%，根据室内初步物理参数测试得知，该土样天然含水量约为8.5%，土颗粒中以0.005～0.075 mm为主，占比超过80%。为研究重塑土体掺加糯米浆后力学性质差异，本文采用的糯米浆密度为1.02 g/cm3、1.04 g/cm3、1.06 g/cm3；以土糯比(糯米浆质量占比)参数作为制备掺糯米浆土体材料的指标，配置重塑制备出掺合料土体，糯米浆掺量设定分别为0%、5%、10%、15%；另冻融循环试验按照0次、5次、10次、15次设计；各方案均需完成围压50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下试验；表1为各试验方案具体组合表。试样制备利用固定尺寸的制备容器，分5层，逐层压实，保证试样内部晶体颗粒受力均匀，制作出满足试验要求的试样，养护24 h。

图1 击实曲线

表1 各试验方案具体组合表

2 土体三轴力学特征影响分析

2.1 糯米浆掺量

本文以围压100 kPa下各糯米浆(密度为1.04 g/cm3)掺量影响下应力应变曲线开展分析，如图2所示。从图中可看出，冻融循环次数与三轴偏应力为负相关特征，在糯米浆掺量为15%时，冻融循环15次下试样峰值偏应力为203.75 kPa，而冻融循环5次、10次下峰值偏应力相比前者分别增大了31.7%、9.7%。从糯米浆掺量影响三轴应力特征来看，糯米浆掺量5%下峰值偏应力最高，冻融循环0次下可达377.7 kPa，而在相同冻融循环次数下糯米浆掺量10%、15%相比纯土体分别降低了11.5%、18.8%；但掺入糯米浆的土体峰值偏应力均高于纯土体；分析表明，糯米浆掺量愈多，则峰值偏应力愈低，但相比纯土体，掺合料土体应力水平均高于前者。笔者认为糯米浆自身的黏结性可促使细小土颗粒填充在颗粒骨架的孔隙内，从而保证颗粒骨架整体稳固性，进而产生掺合料土体三轴应力水平总高于纯土体；但当糯米浆掺量增多时，由于糯米浆自身还具有润滑特性，会削弱土颗粒相互间、土颗粒与糯米浆之间的摩擦力，增大土颗粒滑动能力，产生糯米浆掺量过高时抑制掺合料土体应力水平增长效应。从掺合料土体在冻融循环试验后三轴剪切变形特征来看，土体变形破坏趋于应变硬化特征，特别是在低冻融循环次数下，试样峰值偏应力后期延塑性变形显著，从弹性压密临界点来看，同一糯米浆掺量下各冻融循环次数试样的弹性压密拐点所对应的应变均为一致，糯米浆掺量在0%、5%、10%、15%分别对应的弹性压密应变为1.2%、2.6%、2.1%、1.8%，掺合料土体弹性压密应变高于纯土体。

图2 糯米浆掺量影响下应力应变曲线

图3为糯米浆(密度为1.04 g/cm3)掺量下试样峰值偏应力与冻融循环次数变化关系，从图中可知，冻融循环次数、糯米浆掺量分别与三轴峰值偏应力为负相关关系，在围压50 kPa、冻融循环次数10次下糯米浆掺量5%的峰值偏应力为180.8 kPa，其相比含量10%、15%下分别高了16.5%、36.6%，相同条件下围压400 kPa下差距幅度分别为8.5%、11.1%，即围压增大，可抑制糯米浆掺量对土体峰值偏应力削弱效应。

图3 试样峰值偏应力与冻融循环次数关系

2.2 糯米浆密度

图4为围压100 kPa下不同密度掺合料土体三轴应力应变曲线。从图4可看出，三轴加载过程中应力水平以密度1.04 g/cm3最高。图5为围压100 kPa、400 kPa下各糯米浆密度试样峰值强度特征。从图4、图5可看出，峰值偏应力随糯米浆密度为先增后减变化，在围压100 kPa下冻融循环5次时密度1.04 g/cm3的试样峰值偏应力为326.2 kPa，而相同条件下密度为1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分别仅为前者的77.2%、87.2%。另一方面，围压对试样峰值偏应力有促进作用，围压增大，则试样加载过程中裂纹扩展难度增大，同为冻融循环5次、糯米浆密度1.06 g/cm3下试样在围压400 kPa的峰值偏应力为845.2 kPa，而围压100 kPa下相比前者降低了66.3%。另对比不同围压下冻融特性对试样峰值偏应力抑制作用可知，围压100 kPa下相同糯米浆密度试样在冻融循环0次峰值偏应力相比循环5次、10次、15次分别增长了12.8%、26.9%、42.5%，而在围压400 kPa下同等对比情况下的增长幅度分别为3.5%、5.5%、8.6%，即高围压下各冻融循环试样峰值偏应力差异逐渐缩小，分析表明，围压增大了，可弥补由于冻融循环效应对土体试样物理损伤作用，缩小峰值强度差距。从图5加载过程中变形特征来看，各冻融循环次数下试样均接近于应变硬化特征，且各冻融循环次数之间应力应变差异主要出现在塑性变形阶段，各试样在弹性压密应变点前应力应变基本一致，同一糯米浆密度相对应的弹性压密应变亦是一致。

图4 不同密度掺合料土体三轴应力应变曲线(围压100 kPa,糯米浆掺量为10%)

图5 试样峰值偏应力与糯米浆密度关系(糯米浆掺量为10%)

3 土体抗剪强度参数影响分析

图6、图7为各冻融循环次数、糯米浆掺量与密度影响下抗剪特征参数变化曲线。从图中可看出，黏聚力随冻融循环次数递减，而各糯米浆掺量试样中黏聚力最高为含量5%，在糯米浆掺量10%时，冻融循环5次的黏聚力为42 kPa，而循环10次、15次相比前者分别降低了14.3%、23.8%；相同冻融循环5次下，糯米浆掺量5%试样的黏聚力为49 kPa，其相比掺量10%、15%试样分别高了16.7%、36.1%，有掺合料土体黏聚力均高于纯土体。各糯米浆密度试样的黏聚力最大均为密度1.04 g/cm3试样，冻融循环15次时黏聚力为41 kPa，而密度1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分别仅为前者的85%、78%。分析认为，糯米浆成分的存在，可提升土体黏结性，增强试样承载能力，此亦印证了前文掺合糯米浆土体承载应力高于纯土体。

图6 黏聚力特征参数影响特征变化曲线(围压200 kPa)

从图7特征曲线可知，内摩擦角与冻融循环并无显著关联，各糯米浆掺量中10%含量试样内摩擦角最大，纯土体的内摩擦角总低于掺合料土体，在冻融循环10次时，纯土体的内摩擦角为21°，而掺合糯米浆掺量5%、10%、15%分别比前者增大了16.7%、34%、22%。糯米浆密度对试样内摩擦角影响较小，各糯米浆密度试样内摩擦角均稳定在23°～26°，且同一糯米浆密度试样内摩擦角随冻融循环次数变化为无序状态，即冻融循环次数对其影响较弱。

图7 内摩擦角特征参数影响特征变化曲线(围压200 kPa)

4 结 论

针对河道工程中土体三轴力学特征开展分析研究，研究了不同外因素对土体应力应变影响特性，主要有如下结论：

(1)获得了糯米浆掺量对土体力学特征影响特性，冻融循环次数、糯米浆掺量分别与土体峰值偏应力为负相关，掺和糯米浆土体峰值偏应力均高于纯土体，围压增大，可抑制糯米浆掺量对土体应力削弱效应；低冻融循环次数下，土体延塑性变形显著，且相同糯米浆掺量的试样弹性压密点应变为一致，其中糯米浆掺量5%下最大，达2.6%。

(2)研究了峰值应力随糯米浆密度为先增后减变化，相同条件下密度1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分别仅为密度1.04 g/cm3的77.2%、87.2%；围压可促进偏应力增长，围压100 kPa下峰值偏应力相比围压400 kPa降低了66.3%；高围压作用可弥补冻融循环效应对土体物理损伤效应；同一糯米浆密度下弹性压密应变一致。

(3)分析了土体三轴抗剪强度特征参数受冻融循环次数、糯米浆掺量与密度影响特性，黏聚力随冻融循环次数递减，掺合料土体抗剪特征参数均高于纯土体，糯米浆密度1.04 g/cm3试样的黏聚力最大，循环10次、15次相比循环5次分别降低了14.3%、23.8%；糯米浆密度、冻融循环次数对试样内摩擦角影响均较小。