冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究

2021-11-10黄英豪

水利水运工程学报 2021年5期

陈永，黄英豪，朱洵，吴敏，王硕，朱锐

(南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

膨胀土是一种富含蒙脱石和伊利石等强亲水性矿物的高塑性黏土，具有裂隙性、强衰减性和强胀缩性等特点[1-2]。膨胀土亦称胀缩性土，受外界正负温度变化极易发生胀缩变形，进而造成土体结构的破坏和抗剪强度的急剧减弱，是工程界典型的“问题土”。目前，已有众多针对膨胀土特性的试验研究，杨和平等[3]对南宁膨胀土进行了干湿循环作用后的直剪试验，指出土体抗剪强度的下降主要是因为干湿循环次数的增加；朱洵等[4]通过三轴剪切试验研究了不同干密度下膨胀土的力学性质与湿干冻融耦合循环次数的关系，指出在湿干冻融耦合作用下膨胀土的体积变形和弹性模量等受干密度的影响较大；刘清秉等[5]通过室内K0应力状态膨胀试验，认为含水率越大，膨胀率越小；蔡正银等[6]通过无侧限抗压强度试验测得，随着含水率的升高土体强度先增加后减小，并存在最大强度。上述研究大多集中在干湿循环、冻融循环、含水率等单因素对膨胀土胀缩变形和力学性质等方面的影响，而且局限于土体宏观力学的研究，针对冻融循环与含水率之间的交互作用对膨胀土的胀缩变形和力学性质的影响少有研究，土体微观结构的演化等微细观机理与宏观力学性质相结合的研究也尚待开展。

基于此，本文以北疆阿勒泰地区某长距离输水渠道渠基膨胀土为研究对象，其膨胀土段工程约占渠道总长的32%，渠道沿线的年平均地温3.4 ℃，冬季极端低温达−40.3 ℃，夏季平均气温约为20 ℃。这些因素共同作用形成了明显的冻融循环过程，造成渠基膨胀土严重变形，严重影响渠道稳定[7-8]。通过12%、16%和20%共3种不同含水率膨胀土试样的体积变形试验、无侧限抗压强度试验和SEM电镜扫描试验，研究冻融循环作用下不同含水率的膨胀土的体积变形和力学性质的演化规律，并将土体的性质从宏微观角度进行联系，进一步明确冻融循环作用与含水率对胀缩变形、力学性质及土体微观结构演化规律的影响。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

本次试验所用土料取自北疆长距离输水渠道建设工地，取样深度约为1.5 m，土料在此深度具有代表性。土料呈黄色，通过一系列室内试验测得土料的基本物理性质及矿物组成，如表1所示。土料的不均匀系数为 16，d10、d30、d50和d60分别为 0.001、0.005、0.010和 0.016 mm，曲率系数为 1.56，说明土的级配良好。同时，土料的自由膨胀率为86%，具有中强膨胀性。

表1 膨胀土的基本物理性质及矿物组成Tab.1 Basic physical properties and mineral composition of expansive soil

1.2 试样制备

将从工程现场运回的土料进行翻晒、自然风干碾压后过2 mm筛，测定过筛土的初始含水率为5.18%，然后根据试样预设的含水率（按干土质量的12%、16%和20%）用喷雾器向土中均匀地喷洒一定量的蒸馏水，搅拌15 min后，装入密封袋闷料24 h，使水分分布均匀。控制所有试样的压实度为95%，即干密度均为1.62 g /cm3，含水率分别为12%、16%和20%，按照土工试验规范[9]，采用三层击实法制样，将土样等量分3次填入制样器，压实后削平土样表面，试样尺寸为φ39.1 mm×80 mm。将制备好的试样用保鲜膜包裹并进行分组编号，然后放入略大于试样的密封袋中，确保试样不与外界接触，避免水分的散失和外界补给。

1.3 试验方案

1.3.1 冻融循环试验渠道现场经历的冻融循环过程本身较为复杂，室内试验中难以完全模拟，参考文献[10-11]中的方法，首先对现场实际边界条件进行概化。图1为北疆渠道总干渠段沿线某气象站观测到的2013—2014年地表温度分布，不难发现，全年平均气温低于0 ℃的时间约为4个月（2013-11-20—2014-03-19），此过程可视为土体经历了冻结作用；平均气温高于0 ℃的时间约为8个月（2014-03-19—2014-11-11），此过程可视为土体经历了融化作用。由上述渠道温度变化最终确定室内模拟现场冻结状态的温度是−22 ℃，持续时间为12 h；模拟现场融化状态的温度是22 ℃，时间是24 h。多项试验结果[12-14]均发现，在进行了大约7次冻融循环后，膨胀土的力学和物理性质逐渐趋于稳定，鉴于此结果，本文将试样的最终冻融循环次数设计为7次。冻融循环试验采用可程式高低温试验装置进行室内模拟试验。

图1 2013年11月—2014年11月渠道沿线地表气温分布曲线Fig.1 Surface temperature distribution curve along the channel from November 2013 to November 2014

1.3.2 体积变形试验为了探究冻融循环过程中试样的体积变形规律，每组试样设置5个平行组，用数显游标卡尺测量冻结和融化后试样的直径和高度。考虑到冻融循环过程中试样变形的微小性和多向性[15]，参考蔡国庆等[15]的方法，对每个试样分别进行3次直径测量与高度测量，然后各取平均值根据公式计算出试样的体积。每次试样尺寸测量结束后，用电子天平对其进行称重，对冻融循环过程中试样的质量变化情况进行监控，避免水分的散失和外界补给带来的试验误差。

1.3.3 无侧限抗压强度试验采用南京土壤仪器厂有限公司生产的石灰土无侧限抗压仪进行无侧限抗压强度试验，以此获取不同含水率下膨胀土试样经历多次冻融循环后的力学指标。分别对经过0（初始状态）、1、3和7次冻融循环作用后的试样进行无侧限抗压强度试验，轴应变达到20%时停止剪切试验，剪切速率为1 mm/min。

1.3.4 SEM电镜扫描试验微观试验采用中科院兰州化学物理研究所的SU8020型冷场发射型扫描电镜仪。对经历不同冻融循环次数的试样从中心处较典型的部位切取体积为5 mm×5 mm×5 mm大小的土样，采用液氮真空冷却干燥法[16]，最大限度地保证土体的原始孔隙与结构特征。然后将其喷好金属镀膜连同基座一并放入扫描电镜样品区，通过调节试样位置，在观察区附近聚焦，选取具有代表性的点进行拍照，以探究冻融循环作用对不同含水率的试样在微观结构方面的影响，扫描倍数设为100、500、1 000。

2 试验结果与分析

2.1 体积变形特征

试样在7次冻融循环后质量损失约为0.51%，除极少数土粒外，都为水分损失，这说明此试验方法密封性较为良好。图2为不同含水率试样的体积变化率随冻融循环作用的变化情况（膨胀状态为正，收缩状态为负），“F”表示试样每次冻结完成，“T”表示试样每次融化完成。由图2可以发现，不同含水率状态下试样的体积变形特征存在较大差异，含水率为 12%和16%的试样在冻融循环过程中表现为“冻缩融胀”，不同的是，随着冻融循环次数的增加，含水率12%的试样体积变化幅度基本维持稳定不变，而含水率16%的试样体积变化幅度逐渐减小，3次循环后体积变化幅度基本趋于稳定。含水率为20%的试样呈现出完全相反的变化趋势，整体表现为“冻胀融缩”，且冻胀率要大于融缩率，除第1次融化时表现为“融胀”。含水率为12%、16%和20%的试样体积变化率最大值分别出现在第2次、第1次和第3次冻结作用后，分别为−4.51%、−2.92%和5.67%，这从侧面说明了冻结作用是造成土体体积变形的主要原因。可以发现，随着试样含水率的增加，其整体体积变形规律由“冻缩融胀”向“冻胀融缩”转变，所有试样经7次冻融循环结束后，体积均略有增加。

图2 冻融循环过程中试样体积变化曲线Fig.2 Sample volume change curve during freeze-thaw cycle

冻融循环作用对膨胀土试样体积变形特征影响主要体现在两方面：一方面由于水与冰的密度不同，固态冰的体积比等质量液态水的体积大，当冻结作用发生时，液态水转变为固态冰，冰晶生长体积膨胀，融化作用则为逆过程；另一方面在冻结作用过程中膨胀土颗粒会因失水发生收缩[17]，并且冰晶不断地生长对周围的土颗粒产生挤压，这将使土颗粒发生位移，使土颗粒间的孔隙变小，融化作用则为逆过程。试样含水率较低时宏观呈现出“冻缩融胀”，这是因为在冻结时液态水相变成固态冰体积膨胀量小于膨胀土颗粒失水收缩量，融化时则正好相反。对于含水率较高的试样，因为含水量较大，在冻结时液态水相变成固态冰体积膨胀量要大于膨胀土颗粒失水收缩量，融化时则正好相反，因此宏观表现为“冻胀融缩”。7次冻融循环结束后，所有试样体积均略有增加可解释为膨胀土试样的初始干密度较大（压实度95%），水相变成冰会使试样产生体积膨胀的塑性变形，通常这种变形是不可逆的[18]。

2.2 应力-应变关系

图3为不同含水率和冻融循环次数对应的应力-应变关系曲线，其中NFT表示冻融循环次数。由图3可知，本次试验中膨胀土试样的应力-应变曲线均表现出应变软化型，冻融循环作用对膨胀土试样的应力-应变曲线特性有着显著影响，其中以第1次循环最为突出。试验过程中，不同含水率试样对应的应力-应变曲线形态存在较大差异，具体表现为随着含水率的增加试样由脆性破坏向塑性破坏转变，破坏应变也在逐渐增大，不同的是含水率12%、16%的试样的破坏应变随冻融循环先减小后增大，而含水率20%的试样却与此相反。这是因为含水率较低时土体本身比较干硬，颗粒间胶结力较弱，试样内部的初始孔隙和裂缝较多，冻融循环次数的增加在一定程度提高了土体的韧性，从而导致破坏应变略有增大。

图3 应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve

2.3 力学强度衰减规律分析及回归分析

2.3.1 力学强度衰减规律分析对于一般应变软化型土，取其应力-应变曲线峰值对应的应力为无侧限抗压强度[19]。图4为无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化曲线。从图4可以看出，第1次冻融循环对土体强度的衰减作用最大，可占整个冻融循环试验的41.3%以上，这是因为在复杂的冰水相变和土粒胀缩变形的双重影响下，土体结构受到严重破坏，孔隙分布发生变化，随着冻融循环次数的增加，土体强度衰减逐渐减缓，第3次后趋于稳定。冻融循环过程中，含水率越大，试样的强度衰减幅度越大，7次循环结束后，含水率12%、16%和20%的试样强度衰减率分别为31.9%、49.1%和67.7%，这是由于含水率越大的试样在冻融循环过程中受冰水相变及土粒胀缩变形等作用造成的结构损伤越大。

图4 qu随冻融循作用的变化Fig.4 Changes of qu with freeze-thaw cycles

2.3.2 曲线回归分析为了更准确地预测冻融循环次数对类似于北疆寒区长距离输水渠道渠基膨胀土无侧限抗压强度指标的影响，对不同含水率试样对应的无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化情况进行函数拟合，拟合曲线如图4所示，函数式为：qu=A+Bexp(CNFT)。其中：qu为无侧限抗压强度；A、B、C为与含水率大小有关的系数，其值见表2；NFT为冻融循环次数。

表2 函数拟合结果Tab.2 Function fitting result

综合图4与表2可以发现，在同一含水率下，无侧限抗压强度与冻融循环次数的自然指数呈明显的线性负相关关系。系数A+B为初始状态下（0次循环）无侧限抗压强度的理论值，系数C则反映了某一含水率下无侧限抗压强度随冻融循环次数的增大而降低的速率。系数A+B的值随含水率的增加而减小，这说明试样的含水率越小，初始状态下无侧限抗压强度越大。系数C的绝对值随含水率的增加也表现出减小的趋势，这说明受冻融循环作用影响，含水率越大试样的无侧限抗压强度衰减幅度越大。3组数据中R2均接近1，说明采用上述函数的拟合效果较好，函数式较为准确。

2.4 土体微观结构的演化规律

图5为100倍电镜扫描后的图像，可以看出，初始状态下（0次循环）土颗粒之间胶结联结形成整体，土样表现为整体性较好，试样经历1次冻融循环后试样孔隙开始发育，7次冻融循环后的孔隙明显大于1次的孔隙，且7次冻融循环后土体内部形成了明显的贯通裂隙。对比1 000倍下的电镜图像（如图6所示）可以发现，含水率越高土体的裂隙均宽越大，这说明土体含水率越大，土体微观结构受冻融循环作用的影响越大。

图5 冻融循环1、7次后含水率为20%的膨胀土SEM照片（100倍）Fig.5 SEM photo of expansive soil with 20% moisture content under a magnification of 100 times after freeze-thaw cycle of 0, 1, 7 times

图6 冻融循环7次后含水率为12%、16%、20%的膨胀土SEM照片（1 000倍）Fig.6 SEM photo of expansive soil with moisture content of 12%, 16%, 20% after 7 freeze-thaw cycles under 1 000 times magnification

通过图像处理软件对电镜扫描后的图像进行定量分析，可以提取土体孔隙相关参数，例如颗粒的形态、孔隙大小、面积等，如图7所示。

图7 SEM图像处理过程Fig.7 Processing of SEM image

参考文献[20]选择合适的阈值对100倍下的图像进行二值化处理，并降噪分割孔隙，得到了不同冻融次数后的孔隙大小。如图8所示，土样的面孔隙率（土体某平面上孔隙所占的比例）随着冻融循环次数的增加逐渐增大，3次循环后增加的趋势逐渐减缓，至7次循环结束后，3种含水率的土样面孔隙率分别增加了0.087、0.110和0.155，宏观上表现为冻融循环作用对土体力学性质的劣化影响，即相同冻融循环次数下，土体含水率越大无侧限抗压强度衰减得越快。同时可见，试验前期，含水率越高，土体面孔隙率增加得越快。这是由于含水率越大，液态水相变为冰晶并对周围土颗粒产生的破坏力也越大，则冻融循环后土体微观结构的改变越明显。