冻融循环作用下不同初始含水率土体损伤效应研究

刘 锴，张 宇，张沛源，张家乐，曹小红，2△，许 涛，2

（1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830000）

关键字：冻融循环；抗剪强度；孔隙比；变化率；初始含水率

新疆地处亚欧大陆腹地，冬季气候寒冷多降雪，冻融循环作用下土体损伤现象尤为严重，对区内工程建设造成了一定的阻碍。为有效解决此类灾害，提出合理有效的解决措施，近年来已有部分学者对冻融循环作用下不同初始含水率土体物理、力学性质的变化进行了实验研究。胡田飞等[1]通过实验得出在一定范围内，土体冻融循环劣化效应会随着初始含水率的增大而加剧，但当含水率增大至接近塑限后，冻融循环会转而起强化作用。刘晓琪[2]指出各围压下土体试样抗剪强度随冻融循环次数为先减后增变化。董晓强和陈瑞锋[3]认为冻融温度对土体冻融后的特性影响并不大；土体的含水率越高，冻融后土体的各性能衰减越明显；随冻融次数增加，冻融损伤逐渐增大，到达一定次数后趋于稳定且首次衰减最大土体抗剪强度随塑性指数增加而增加。

土体冻融循环的本质是土体中的水，在固态、液态间转化的过程中对土体本身造成的损伤[4]。为研究初始含水率对冻融循环效应的影响程度，文章采用新疆乌鲁木齐市头区文冠谷已发生滑坡地段的滑带土作为土样，进行直剪实验和固结试验，研究土体在冻融循环作用下土体性质的变化，并通过改变土体初始含水率研究冻融循环作用下抗剪强度指标的变化。

1 实验与方法

1.1 实验试样

实验所用土样取自新疆乌鲁木齐市头区文冠谷已滑斜坡土体。所取试样为浅黄色含砾粉土，砾石细砾呈角砾状、磨圆度差，多呈扁平棱角状，分选性差，大小混杂。通过进一步土体颗粒分析试验得出土样不均匀系数Cu，见式1。

土体基本物理指标和颗粒分布曲线分别见表1和图1。

表1 土体基本物理性质指标

图1 土体颗粒分布曲线

1.2 实验方案

实验制备初始含水率5%、10%、12% 3种试样，首先，将土料过2 cm孔径筛子，筛除土料中的砾石。再将土料放入大容量容器中，按照设计的含水率加水搅拌均匀，搅拌结束后为容器铺上防水布，防止实验过程中土体含水率发生较大变化对实验结果产生不良影响。然后，将土料放入冷冻箱冻结12 h，冷冻箱环境温度设置为-10 ℃。到既定时间将土样取出，置于室温下消融，环境温度大约20 ℃。以此作为一次冻融循环。每结束一次循环后从容器中取出部分土样，分不同含水率压入环刀中，环刀内制作好土样。最后使用应变控制式直剪仪和固结仪对试样进行快剪和压缩试验。

直剪试验采用不固结快剪方法，分别制作3种不同含水率的试样，将试样安装入直剪仪中，并施加100 kPa的竖向压力，模拟近地表土层的应力状态。施加竖向压力后，立刻拔去销钉，开动秒表，使3个试样以20 s一周匀速转动手轮。手轮每转一周记录一次量力环内百分表的读数，直至试样剪切破坏。

固结实验同样制备3种不同含水率的试样，将试样安装入固结仪中。首先分别对3种试样施加第一级竖向压力，当百分表读数不再变化时则施加下一级压力。逐级施加的压力为200 kPa、300 kPa、400kPa、500 kPa。

2 实验结果分析

2.1 土体物理性质变化

在对实验所得数据进行计算分析后，可以得到部分土体物理、力学性质指标，此处先以含水率10%时土体物理、力学性质随冻融循环次数增加产生的变化为例。由表2可见，随着冻融循环次数的增加试样抗剪强度、黏聚力和孔隙比呈明显下降趋势，剪切模量、压缩模量数值变化呈波浪状起伏，内摩擦角度数先下降后上升且变化幅度不大。

表2 含水率10%时固结试验和直剪试验所得土体物理、力学性质指标

通过对土体物理、力学性质变化的分析，土体剪应力、黏聚力、孔隙比显著下降。土体冻融循环的过程中会造成土体中水分的迁移，通过实验观察到在土体经过多次冻融循环后，土体表面和容器内壁结有一层霜，这是由土体内的水分迁移至土体表面形成的。土体内部在冻结时，其靠近表层的自由水会先冻结，并引起土体中其余水分向冻结峰面的迁移。这一现象导致土粒之间的胶结物被破坏，土体在冻结过程中孔隙比暂时增大。当土体内的冰融化后，因为冰对土体的作用力消失且土体丧失部分胶结物，导致土体力学结构不稳定，被冰撑大的孔隙结构改变，引起孔隙比减小。胶结物的破坏同时减少了土体剪切时所受到的摩擦力和土粒之间的胶结程度，导致土体的抗剪强度和黏聚力同时下降。

2.2 土体物理性质变化率

在工程建设中，土体物理、力学性质的变化速率对工程建设的安全性有不可忽视的影响。因此，对黏聚力、剪应力、孔隙比3个存在明显劣化趋势的指标再次进行讨论，研究这些指标在不同含水率情况下随冻融循环次数增加的变化率。3个指标的变化曲线如图2—图4所示。

图2 黏聚力随冻融循环次数增加的变化曲线

图3 剪应力随冻融循环次数增加的变化曲线

图4 孔隙比随冻融循环次数增加的变化曲线

图2—图4表明，当含水率差别较大时，土体含水率越高黏聚力、剪应力、孔隙比的降低速率就越大。孔隙比随着冻融循环次数增加其降低的速率逐渐减小，剪应力和黏聚力的变化趋势则不明显，需要增加冻融循环次数进一步研究观察。为了解释不同初始含水率下土体随冻融循环次数增多剪应力、黏聚力、孔隙比的变化情况，提出如下推测：土体含水率越高则当土体中冰透镜体形成时土粒之间断裂的情况就越严重，从而导致土体黏聚力、抗剪强度下降。同时含水率的增加也导致被冰透镜体占据的空间增加，冰透镜体融化后留下的孔隙就随之增大。冰透镜体的形成对孔隙周围的土体有轻微的挤压作用，含水率越高冰透镜体对周围土体的挤压作用就越明显，周围土体的密实度略有上升，孔隙体积增加越发困难，孔隙比的下降趋势会逐渐减慢。

3 冻融循环下工程灾害防治措施建议

通过实验研究发现，土体中水分的迁移和相变是冻融循环效应的主要原因。在寒冷地区的工程建设中，水分的相变和迁移不仅影响着工程场地的土体性质，同时对结构物本身也有很强的破坏作用，会导致混凝土开裂、锚杆体与注浆体黏结作用失效等现象，严重威胁工程质量和施工安全。

在工程建设中，预防、治理冻融循环造成土体损伤的方法大致有水体规避和土体改良2种思路。

3.1 水体规避

工程设计阶段，应将建筑物的地基持力层设置在地下水冻结影响范围以外，地下水冻结影响范围取决于毛细管上升高度和地下水冻结临界深度，当地下水达到冻胀临界深度时，土体不发生冻胀。当场地内不存在地下水时，地基持力层的设置应主要考虑地表水和大气降水的影响，地基持力层尽量设置在地表水和大气降水影响范围以下。上述方法仅适用于场地内水体较少，场地所在地区气候较为干旱的情况。当地下水较为丰富时，可以使用地基隔层断层法，利用隔断层避免地基结构中毛细水上升[5]。施工阶段，应当及时修筑排水系统，排出工程场地内的多余水分。在建筑物的后期保养期间可以种植适应当地气候条件且根系发达、蒸腾排水效应强的植被，提高建筑物的稳定性[6]。

3.2 土体改良

因为含水率的增高对土体冻融循环有显著影响，所以土体改良可以从降低土体中水的存储空间、减小冰透镜体的体积2个方向入手。针对不同种类的土体，采用排水固结法、挤密砂桩法、强夯法等对土体进行加密或者换填较为密实的土，减少土体的孔隙度，从而降低土体中水的存储空间。可以使用隔水性好的隔热层减少地基土与外界土体的热量交换，从而减小冰透镜体的体积，缓解土体的冻胀程度[7]。

4 总结

（1）实验结果表明，在一定范围内土体冻融循环作用会显著降低土体剪应力、黏聚力、孔隙比。随着含水率的增加，土体剪应力、黏聚力、孔隙比受冻融循环作用的影响会更加显著，且孔隙比减小速率逐渐降低。

（2）冻融循环作用下土体物理、力学性质改变的内在原因是土体中的自由水形成冰透镜体，破坏了土粒间的胶结物。随着含水率增加，土颗粒之间胶结物被破坏的情况就越严重。同时含水率增加，土体孔隙中形成的冰透镜体体积增大，当冰透镜体增大到一定程度，会对孔隙周围的土体造成轻微的挤压作用，从而导致周围土体密实度增大，孔隙体积扩张更加困难。

（3）预防、治理冻融循环造成土体损伤的方法大致有水体规避和土体改良两种思路。水体规避可以采用让地基避开土体冻胀影响范围的方式，也可以采用地基隔断断层法阻隔毛细水的上升。土体改良采用多种方法增加土体的密实程度，降低孔隙的体积，从而减少土体中水的存储空间。或者利用隔温层，减小地基土与外界的热量交换，减小冰透镜体的体积，缓解土体冻胀程度。