冻融循环作用下粘土抗剪强度试验研究

胡 坤

（常州大学 环境与安全工程学院， 江苏 常州 213164）

0 引言

随着经济社会的快速发展，寒区工程建设日益增多。寒区季节性冻土随着环境温度的变化受到冻融作用，其作为建（构）筑物地基的稳定性是寒区工程研究的热点。对于土体抗剪强度在冻融循环作用下的试验研究具有重要的理论价值和实践指导意义。国内外学者[1-3]对于粉砂、固化淤泥土、粗粒土等进行了冻融循环作用下力学性质研究，程卓[4]对饱和粉砂在冻融循环作用下的剪切力学特性进行研究，提出了饱和粉砂抗剪强度随冻融循环变化表达式。柯睿[5]研究了固化淤泥土经过冻融循环后的力学性质变化及其劣化机理，固化淤泥土随着冻融循环次数的增加，其内摩擦角、粘聚力等力学指标均出现减小。尹松[6]在不同制样含水率下，对不同冻融循环次数作用下的路基压实粉土进行了直接剪切试验，随着冻融循环次数的增加，抗剪强度及粘聚力呈先降低后趋于稳定的趋势。

综上所述，冻融循环作用下寒区细粒土的抗剪强度相关研究相对较少。本文选用寒区粘土为研究对象，在不同冻融循环次数条件下，对土体抗剪强度、粘聚力、内摩擦角等指标的变化进行分析，为寒区工程建设提供理论依据。

1 试验材料与方案

试验材料选用寒区粘土，由含水率试验、比重试验、液塑限联合测定试验结果，本试验所用粘土物性指标如表1 所示。粘土经晒干、碾碎、重塑后制成干密度为1.2g/cm3，直径为61.8mm，高度为20mm 的试样。为了研究冻融循环次数对粘土抗剪强度指标的影响规律，冻融循环次数设计为0 次、3次和6 次，含水率设计为35%、45%两个水平，冻结温度为-3℃，融化温度为+10℃，冻融循环时间为24h。

表1 土工试验成果表

2 试验设备与步骤

2.1 试验设备

（1）XT5405FSC 系列冻融循环试验箱

试验箱可提供高精度恒定正、负温环境，以提供冻融循环试验条件。温度变化范围-45～+60℃，精确至0.05℃。箱体内部尺寸宽0.5m、深0.5m、高0.7m。

（2）多功能冻土模拟厅。冻土试验厅是具有一定结构刚度的保温试验室，内壁喷涂150mm 厚的聚胺酯保温层，外用绝热材料构成。冻土厅内部有效净空间为2m×2.5m×2.5m，能同时容纳4 台直剪仪，可以实现不同应力水平下的冻土直剪试验同时进行，消除环境温度波动对土样直剪试验结果的影响，最大限度的保证试验结果的可对比性。

（3）直剪系统。直剪系统采用EDJ-1 型等应变直剪仪，采用量程为1MPa的钢环，为消除温度对测力刚环系数的影响，使用前在-3℃的温度环境下对其进行误差修正。

2.2 试验步骤

（1）根据设计干密度、设计含水率w，以及实测风干土样的初始含水率，计算土样所需的风干土质量及所需加水的质量；（2）采用直径为61.8mm，高度为20mm 的环刀进行制样，然后将带有试样的环刀放入冻融循环试验箱中按设定方案进行冻融循环；（3）当冻融循环达到设定次数后，取出试样，将其置入剪切盒内，依次放上传压板、加压框架，安装水平位移量测千分表和垂直位移量测千分表，并调至零位。（4）拔去固定销钉，以0.8mm/min 的剪切速率进行剪切，同时记录水平位移、垂直位移和剪切测力计读数，直至试样剪损，停止试验；（5）退去剪切力和正应力，移动加压框架，取出试样，进行下一组试验，直至试验完成。

3 试验结果与分析

剪切完成后试样形状规则、沿剪切面形成较为明显的相对位移。图1 所示为含水率45%，不同冻融循环次数后融土的应力应变曲线，可以看出，融土的应力应变曲线形态呈现为硬化型。以4mm 剪切位移所对应的剪应力作为粘土的抗剪强度，则含水率为45%，垂直压力为100 kPa，冻融次数分别为0次、3 次、6 次条件下的粘土抗剪强度分别为10.54 kPa、17.59 kPa、17.9 kPa；垂直压力为200 kPa，冻融次数分别为0 次、3 次、6 次条件下的粘土抗剪强度分别为14.56 kPa、31.16 kPa、31.5 kPa；垂直压力为400 kPa，冻融次数分别为0 次、3 次、6 次条件下的粘土抗剪强度分别为25.04 kPa、58.23 kPa、60.68 kPa。

由此可见，当垂直压力相同时，土样抗剪强度随着冻融次数的增加而增大，比如在100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直压力下，冻融循环3 次后的抗剪强度与没有进行冻融循环的试样相比，抗剪强度分别增大了66.9%、114.0%、132.5%。分析原因是，由于冻胀融沉效应，重塑土在经历冻融循环后，内部孔隙比增大，干密度降低，剪切过程中，在垂直压力作用下土体产生较大的固结沉降，导致抗剪强度增加所致。当冻融循环次数超过3 次以后，冻融循环次数的增加对抗剪强度的影响很小，比如在100 kPa、200 kPa、400 kPa 垂直压力下，冻融循环由3 次增加到6 次，抗剪强度仅分别增大了1.8%、1.1%、4.2%。分析原因是，当冻融循环达到3 次后，继续增加冻融循环次数，并不能促进重塑土内部孔隙的显著增大，因此剪切过程中的固结沉降和抗剪强度变化不大。

含水率分别为35%、45%的粘土在不同冻融循环次数后的抗剪强度曲线，如图2 所示。由图可见，拟合曲线的相关性系数较高，试验数据准确可靠，由拟合函数得到不同冻融循环次数作用下粘土内摩擦角和粘聚力的变化情况，具体数据见表2。由表2 可见，含水率为35%、45%的土样的内摩擦角均随冻融循环次数的增加而增大，此规律与前文对抗剪强度的分析结论相同。含水率为35%的土样，其粘聚力随冻融循环次数的增加而减小，分析原因是冻融循环使土样孔隙比增大，结构变得更加松散所致。

表2 抗剪强度指标

4 结论

为了研究冻融循环对土体抗剪强度的影响，对干密度为1.2g/cm3的粘土进行了直接剪切试验，主要结论如下：（1）当垂直压力相同时，土样抗剪强度随着冻融次数的增加而增大，但冻融循环次数超过3 次以后，冻融循环次数的增加对抗剪强度的影响很小；（2）含水率为35%、45%的土样的内摩擦角均随冻融循环次数的增加而增大；（3）含水率为35%的土样，其粘聚力随冻融循环次数的增加而减小，分析原因是冻融循环使土样孔隙比增大，结构变得更加松散所致。