冻融循环对岸坡土体力学特性影响分析

张磊

（塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒841000）

0 引言

在水利工程领域中，由于土体力学特性与水利设计息息相关，因而开展水利工程中土体力学特性研究很有必要[1-3]。剪切试验是研究土体抗剪特性的重要手段，设计直剪试验，获得土体剪切荷载变形关系，为认识土体抗剪破坏提供重要参考[4,5]。已有一些学者利用室内试验仪器开展研究不同类型土体的剪切破坏特性，探讨外因素对其剪切特性影响，进而为工程应用设计提供重要参考[6-8]。在我国西北等地区必须考虑冻融循环对土体材料影响特性，亦有一些学者专门研究了冻融循环试验下土体材料的力学特征影响特性，这些研究成果极大丰富了对土体冻融循环特性的认识[9-11]。本文将基于室内剪切试验与冻融循环试验，开展不同因素影响下土体剪切破坏影响特性分析，探讨实际工程中该种土体材料抗剪特性。

1 试验概况

1.1 试验背景

某河道工程设计需新拓宽3.0m，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58.5m，需整治河道长度约为1.5km，起止桩号为1+252～2+752。现河道工程中所遇一岸坡，该岸坡由于水土流失较严重，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开展岸坡土体力学影响特性研究，为河道岸坡开挖设计提供参考。

1.2 试验方案

由现场钻孔获得试验土样，为粉质壤土，由击实曲线（图1）可以看出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0.005～0.075mm为主，占比超过80%。为研究重塑土体拌和糯米浆后力学性质差异，本文采用的糯米浆密度为1.04g/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，根据不同土糯比参数配置形成重塑土体，糯米浆含量设定分别为0%（A方案）、10%（B方案）、5%（C方案）；另以目标含水量为参照计算加入定量水，试验中含水量研究方案分别有14%（1号方案）、17%（2号方案）、20%（3号方案）；冻融循环试验按照0次（Ⅰ方案）、5次（Ⅱ方案）、10次（Ⅲ方案）、15次（Ⅳ方案）设计；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，制作出满足实验要求的试样，后养护24h。

图1 击实曲线

2 土体抗剪强度影响特征分析

基于上述冻融循环后剪切试验，获得不同含水量、糯米浆含量以及冻融循环次数下剪切试验力学特征，研究土体抗剪强度受之影响特性。

2.1 糯米浆含量影响

图2为含水量14%各冻融循环次数下不同糯米浆含量影响荷载变形的曲线图。从图2可看出，各冻融循环次数下均呈掺糯米浆土体峰值荷载高于纯土体，即各冻融循环试验中均以糯米浆含量0%为最低，在冻融循环次数为5次时，糯米浆含量0%的峰值强度为67.05kPa，而含量5%、10%峰值荷载分别是前者的1.3倍、1.05倍；分析表明，糯米浆所具备的粘结性可一定程度提高土体各晶体结构之间整体性，使分散的土颗粒粘结成整体，胶结性能更佳，抵抗剪切荷载能力更强，故而峰值强度均有提升。对比两个掺糯米浆土体的荷载变形曲线可知，各冻融循环试验中峰值荷载均以糯米浆含量5%试样为最高；分析表明，抗剪强度水平与掺糯米浆含量并不是正相关关系，当糯米浆含量过大时，糯米浆自身的润滑性会降低晶体矿物之间的抗滑移摩擦性能，造成剪切破坏过程中晶体矿物易引起滑移破坏，强度相比低含量糯米浆土体降低，在冻融循环次数15次时，糯米浆含量5%的峰值荷载为含量10%的1.2倍。

图2土体剪切荷载变形曲线（含水量14%）

图3 为含水量20%下剪切荷载变形曲线，糯米浆含量对强度影响与前两个含水量特征关系基本一致；从变形关系来看，当冻融循环次数较小时，各糯米浆含量试样变形曲线呈脆性特征，且随剪切变形增大，各试样时间差异较小，在残余强度阶段具有一致性，而冻融循环次数增多，试样硬化特征显著[12]，在硬化阶段试样强度差异显著，冻融循环10次时糯米浆含量为0%残余强度稳定在51.00kPa,而糯米浆含量为5%、10%下增大了37.3%、21.6%。

图3 土体剪切荷载变形曲线（含水量20%）

2.2 含水量影响

基于冻融循环试验获得不同含水量剪切荷载变形曲线，本文以典型糯米浆含量5%试样不同冻融循环次数、不同含水量剪切试验结果开展分析，如图4所示。相比糯米浆含量对土体强度影响具有最佳含量，土体含水量对抗剪强度影响为一致性，即负相关关系，当含水量愈高时，土体抗剪强度（峰值荷载）愈小，在冻融循环5次时，含水量14%试样的峰值荷载为85kPa，而含水量17%，20%峰值荷载相比前者降低了11.9%，17.4%；分析表明，当土体含水量愈多，则会激发土体晶体颗粒之间潜在滑移能力，特别当土体中含有糯米浆含量后，糯米浆自身所具有的润滑性在较多水分子作用下，会进一步导致晶体结构失稳，影响土体峰值荷载。另从变形特征可知，在各冻融循环试验下，试样均表现脆性破坏特征，峰值荷载后期具有显著下跌段，但冻融循环次数15次时，含水量17%，20%试样具有硬化特征；分析表明，当冻融循环次数较大时，愈能影响剪切宏观裂纹的扩展延伸，土体内部含水量愈多，冻融循环试验后水分子与土体晶体颗粒结合度愈高，试样发生宏观裂纹失稳难度愈大，可在峰值荷载后期持续应变硬化。

图4土体剪切荷载变形曲线（糯米浆含量5%）

2.3 冻融循环次数影响

图5 为含水量20%下不同冻融循环次数试样剪切荷载变形曲线，整体上呈现冻融循环次数愈多，则剪切荷载水平愈低：在含水量20%、糯米浆含量10%，冻融循环0次时峰值荷载为74.24kPa，而冻融循环10次、15次相比前者分别降低了11.3%，28.7%；当在同一含水量糯米浆含量为5%时，冻融循环10次，15次峰值荷载相比0次时降低幅度分别为18.3%，35.6%。分析表明，在最优糯米浆含量下，冻融循环次数对峰值荷载影响更为敏感。另当冻融循环次数增多时，试样变形愈趋于应变硬化，即土体冻融循环次数影响试样峰值荷载后变形特征，分析是由于冻融循环次数增大，造成水分子可残留的冰晶体对土颗粒孔隙填充压密作用更强，削弱了宏观大裂纹的延伸效应，产生应变硬化现象。

3 土体坑剪参数

图5冻融循环影响下土体剪切变形曲线（含水量20%）

图6 为糯米浆含量5%不同含水量试样在各冻融循环次数下抗剪特征参数变化曲线。从图6可知，在含水量影响下，粘聚力参数与含水量为负相关关系，当冻融循环10次时，含水量14%的粘聚力为47.4kPa，而含水量17%，20%相比前者分别降低了16.5%，33.8%；另一方面各含水量下粘聚力参数随冻融循环次数增多而逐渐降低，即粘聚力与冻融循环次数为负相关变化。另一个内摩擦角抗剪特征参数随含水量变化并无显著关系，但相同冻融循环次数下各含水量试样内摩擦角差异较小，即含水量对土体内摩擦角影响较小。相等含水量下试样内摩擦角随冻融循环次数呈先增后减，内摩擦角最大属冻融循环次数5次、10次，17%含水量试样循环次数10次下内摩擦角为23.2°，为循环次数0次的1.15倍。

图6抗剪特征参数受含水量、冻融循环次数影响变形曲线（糯米浆含量5%）

图7 为不同糯米浆含量影响下抗剪特征参数变化曲线。从图7可以看出，掺糯米浆土体粘聚力总高于纯土体，而掺糯米浆土体中粘聚力最大又以糯米浆含量5%下为最高；另一方面，相同糯米浆含量下土体粘聚力随冻融循环次数逐渐降低，此现象亦与图7（a）中一致。内摩擦力在有冻融循环次数下，均以糯米浆含量5%为最高，冻融循环10次时糯米浆含量5%的内摩擦角为23.09°，其相比含量10%，0%分别高了9.2%，1.9%。受冻融循环次数影响，同一糯米浆含量下的试样内摩擦角呈先增后减变化，以冻融循环5，10次时内摩擦角较高，无掺加糯米浆土体的内摩擦角受冻融循环次数影响较小。

图7 抗剪特征参数受糯米浆含量、冻融循环次数影响变形曲线（含水量17%）

4 结论

1）掺糯米浆土体峰值荷载高于纯土体，且各含水量下均以糯米浆含量5%试样峰值荷载为最大，掺糯米浆土体峰值荷载后期处于脆性特征，且延塑性变形较强。

2）含水量与土体剪切峰值荷载为负相关关系，在冻融循环5次下，含水量17%，20%峰值荷载相比含量14%降低了11.9%，17.4%；高冻融循环次数及高含水量下，土体变形趋于应变硬化型。

3）冻融循环次数对土体剪切强度具有抑制效应，相同糯米浆含量与含水量下冻融循环10次、15次相比循环0次时峰值荷载分别降低了11.3%、28.7%；冻融循环次数影响试样峰值荷载后变形特征，循环次数愈多，则土体愈趋于应变硬化特征。

4）粘聚力参数与含水量、冻融循环次数均为负相关关系，以掺糯米浆含量5%土体粘聚力最高；内摩擦角随冻融循环次数呈先增后减，但各含水量下土体内摩擦角基本均维持在22.5°。