0 引言

膨胀土是包含蒙脱石等活性矿物成分的强亲水性土壤，其塑性高、黏性大，对水分变化十分敏感，在湿润和干燥后会表现出明显的膨胀收缩特性和裂隙性^[1]。膨胀土在地球上广泛分布，属于对岩土工程危害极大的土壤类型，在世界范围内每年都会有因膨胀土造成的较大破坏^[2]。据统计，仅在美国，2014年因膨胀土造成的损失就达150亿美元，是洪水、飓风、龙卷风和地震造成损失总和的两倍多^[3]。在自然界中，真正的饱和膨胀土很少存在，绝大部分的膨胀土都以非饱和土的形式存在^[4]。在冻融循环条件下，非饱和膨胀土由于其亲水特性易出现体积变化、裂隙发育以及强度折减的情况^[5]，极易造成工程灾害。

近年来，越来越多的学者考虑到不同气候地区的温度差异对土的影响，进而研究了冻融循环下土的物理力学特性^[6]，如：房建宏等^[7]通过球模仪试验测试冻融循环作用下的膨胀土长期等效黏聚力强度，发现冻融循环10次以后，其等效黏聚力强度变化较小；Lu等^[8]通过控制不同的冻结温度，发现在-10℃温度下可以促进土体中冰透镜的充分发展，从而引起体积的显著变化；王也等^[9]采用滤纸法对不同冻融循环次数下膨胀土的土水特征曲线进行研究；王大雁等^[10]对青藏黏土进行了不同围压下的三轴压缩试验，试验表明冻融循环会改变土体性状，使土体从不稳定态向动态稳定态发展；胡再强等^[11]在冻融循环作用下对石灰改性黄土进行固结排水的三轴剪切试验，发现随冻融循环次数的增加，石灰改性黄土的破坏强度呈下降趋势；王天亮等^[12]对冻融循环后的水泥改良土进行了系列力学试验，发现经历了3次冻融作用后，其临界动应力随冻融次数下降的趋势变缓；许雷等^[13]对冻融循环下的膨胀土物理力学性质进行了研究，发现膨胀土的初始含水率对膨胀土力学性质影响最为明显。

但之前学者多集中于对受冻融循环影响的土的性质进行研究，而对膨胀土在冻融循环作用下的作用机理仍未形成统一认识，尤其是对含水率对冻融下膨胀土力学特性的影响研究得较少，相关成果难以支撑工程实践。本文以冻融循环作用下非饱和压实膨胀土为研究对象，以不固结不排水三轴试验为主要试验手段，主要探究了初始含水率对经历冻融循环作用的膨胀土偏应力-应变关系以及抗剪强度的影响，以期为季冻区膨胀土工程提供有力依据。

试验用土为棕黄色弱膨胀土，其基本物理特性参数如下：最大干密度为1.53 g/cm³；自由膨胀率为50.5%；土粒比重为2.73；饱和含水率为43.2%。

在实验室中对土样进行烘干、碾碎、过1 mm筛，依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》^[14]分别制备含水率为18.2%、20.2%、22.2%和24.2%的土样置入保湿缸内备用。静置24 h后通过击实分层制样，试样全部制成直径6.18 cm、高12.5 cm的圆柱形，试样压实度控制为85%。试样制备完成后，将不同含水率的试样放入冻融循环箱中分别进行0、1、3、5、7次冻融循环，冻结过程中的温度设为-10 ℃，融化过程中的温度设为30 ℃，每次冻结和融化过程时长都设定为12 h。在冻融过程中使用保鲜膜包裹试样，以防止水分流失。在冻融循环作用结束后对其进行不固结不排水三轴剪切试验，分别在围压为30、60、90 kPa的条件下进行剪切，设置加载速率为1 mm/min。

图 1显示了在不同围压下初始含水率对未冻融压实膨胀土偏应力-应变关系的影响。由图 1可知，随着初始含水率增大，膨胀土在剪切过程中的偏应力逐渐减小且偏应力峰值逐渐消失。图 1a中：膨胀土的偏应力随初始含水率增大而减小，初始含水率在w=18.2%时，偏应力峰值可以达到309.4 kPa；而当初始含水率增长到w=24.2%时，偏应力最大只能达到170.9 kPa；且随着初始含水率增大，膨胀土的偏应力-应变曲线的应变软化现象逐渐减弱，即曲线变得更加平滑，膨胀土的塑性增加，且破坏应变小幅度减小。图 1b中：含水率为w=18.2%时，膨胀土的偏应力-应变曲线表现为应变软化，曲线存在明显峰值，偏应力峰值为379.6 kPa；而随着含水率升高，曲线形式变化为应变硬化，偏应力随应变增大而增大，不存在明显峰值。图 1c中，由于围压增大，在4种初始含水率下曲线形式全部表现为应变硬化，即偏应力随应变增大而增大，不存在明显峰值，但曲线高度随着初始含水率增大而依次递减，平均递减的幅值为50.0 kPa。从图 1整体来看，随围压增大，膨胀土的偏应力亦增大，偏应力-应变曲线逐渐由应变软化转变为应变硬化。

w. 初始含水率；σ3. 围压。 图 1 初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系的影响 Fig. 1 Influence of initial moisture content on the deviatoric stress-strain relationship of expansive soil

图选项

冻融循环次数对非饱和压实膨胀土的偏应力-应变关系的影响如图 2所示。由图 2可知，随着冻融循环次数增加，膨胀土的偏应力大小明显下降，并且以第1次冻融循环后的偏应力应变曲线下降幅度最大。图 2a中，膨胀土在未经历冻融时偏应力最大可以达到208.2 kPa，在经历1次冻融后偏应力峰值骤降为170.6 kPa，而在经历3~7次循环后逐渐达到稳定状态，第7次冻融循环后的偏应力峰值为146.0 kPa。图 2a整体曲线形态为弱应变软化，存在偏应力峰值但不明显。图 2b中，未经历冻融循环的膨胀土试样偏应力峰值为268.6 kPa，曲线形式表现为弱应变软化；第1次冻融后偏应力大小下降，下降幅值为39.5 kPa；而随着冻融次数的继续增加，曲线形式逐渐变为应变硬化，且偏应力大小相差较小。图 2c中膨胀土的偏应力-应变关系随冻融循环次数变化的规律与图 2a、b相同，即第1次冻融后偏应力下降最多，说明第1次冻融作用对膨胀土强度影响最大，这个现象与许雷等^[13]的研究结果是一致的。但由于围压增大，出现了应变硬化的现象。试验结果也表明，冻融循环的过程是土体从不稳定态向动态稳定态的发展过程^[10]。

n. 冻融循环次数。 图 2 冻融循环次数对膨胀土偏应力-应变关系的影响 Fig. 2 Effects of freeze-thaw cycles on the deviatoric stress-strain relationship of expansive soils

图选项

膨胀土在低含水率的情况下为非饱和土，内部存在基质吸力，基质吸力可以增强膨胀土的结构力，增加土体强度^[15]。故当含水率增加时，基质吸力的降低会导致土体强度的降低。非饱和压实膨胀土的抗剪强度可以先通过三轴试验结果绘制出其抗剪强度包络线，再根据莫尔-库伦强度准则计算得出。土体的抗剪强度表达式可表示为

(1)

其中：τ为土的抗剪强度，kPa；c为黏聚力，kPa，在图中表现为直线在纵坐标上的截距；σ为土样所受法向应力，kPa；φ为内摩擦角，(°)，在图中tan φ即为直线的斜率。由于试验为不固结不排水的三轴试验，试验所得内摩擦角变化很小，接近于0°，故抗剪强度的变化只取决于黏聚力的变化，这里默认抗剪强度的大小与黏聚力相等，即

(2)

由于从试验结果计算得到的膨胀土抗剪强度是各初始含水率下对应各点的值，并不是直接的曲线变化，故将各点的数据进行了简单的拟合，以探寻初始含水率对膨胀土抗剪强度的影响规律，拟合结果的相关性在0.98以上。最终得到的膨胀土抗剪强度随初始含水率的变化规律如图 3所示。由图 3可知，膨胀土的抗剪强度随初始含水率上升呈线性下降的趋势，可以看出膨胀土的初始含水率对膨胀土抗剪强度的影响非常大，初始含水率从18.2%增大到24.2%时，膨胀土在不同围压下发生的抗剪强度折减平均值约为112.1 kPa。而纵向来看，高围压下的抗剪强度总体上高于低围压下的抗剪强度，且随初始含水率升高，围压对膨胀土抗剪强度的影响逐渐变弱。

图 3 初始含水率对膨胀土抗剪强度的影响 Fig. 3 Effect of initial moisture content on shear strength of expansive soils

图选项

土体经受1次冻融循环即相当于原状土受到扰动，扰动后强度必定受到影响^[16]。与2.3节相同，先对试验数据进行进一步的计算，得出各冻融循环次数下的非饱和膨胀土的抗剪强度，再对各点的数据进行拟合，以探寻冻融循环次数对膨胀土抗剪强度的影响规律。结果表明，曲线的拟合结果相关性在0.97以上。非饱和压实膨胀土的冻融循环次数对膨胀土抗剪强度的影响如图 4所示。由图 4可知，非饱和压实膨胀土的抗剪强度随冻融循环次数的增加呈非线性减小，并且在第1次冻融循环后曲线的斜率最大，即抗剪强度损失最多，膨胀土抗剪强度在经历第1次冻融循环后的平均下降幅值为25.3 kPa。膨胀土在经历3~7次冻融循环后曲线逐渐平缓，抗剪强度减小速度变缓。许雷等^[13]研究认为，23%含水率的膨胀土在经历第1次冻融循环后强度衰减速度变慢，在第9次冻融循环作用后趋于稳定。本试验结果与许雷等^[13]的研究结果基本一致。

图 4 冻融循环次数对膨胀土抗剪强度的影响 Fig. 4 Effect of freeze-thaw cycles on shear strength of expansive soils

图选项

当土处于非饱和状态时，水以气、液和固3种状态存在^[4]。冻融循环作用过程中，非饱和膨胀土中的水分子在温度的变化下会不断发生迁移运动，从而引起土颗粒之间水分子的重新分布，进而造成膨胀土的强度变化，而较高含水率的土在冻融循环后产生的裂隙以及强度变化远远大于低含水率的土，在许雷等^[13]的研究中也得出相似结论，即含水率越大的膨胀土受到冻融循环的劣化作用越明显。这主要是由于土中水冻结成冰时体积会增大，而融化后由冰水相变增加的膨胀土孔隙并不能恢复原本的状态，从而造成土体内部结构性损伤。

至今为止，已有许多学者针对冻融循环下土壤中的水分迁移现象提出自己的理论，而以薄膜水迁移理论^[17]最广为接受，该理论认为在温度梯度的诱导下，水分会从高温向低温、从薄膜水厚处向薄膜水薄处迁移，并在土中凝成冰，从而引起土壤冻胀的现象^[18]。有研究指出，冻融后膨胀土发生强度劣化的主要原因是黏聚力的减小^[19]；而含水率对膨胀土强度造成的影响也是由于黏聚力的降低，这一方面是由于水进入土体后，膨胀土基质吸力减小引起的表观黏聚力降低，另一方面是黏土矿物之间吸附水膜增厚使得土颗粒胶结作用减弱引起的结构性黏聚力降低^[20]。但关于膨胀土抗剪强度冻融后强度下降特征方面的研究目前尚缺乏，对该结论的验证会在今后进一步展开。

1) 在不固结不排水的试验中，随着初始含水率增大，膨胀土的偏应力峰值逐渐减小，且偏应力-应变曲线的应变软化现象变弱，且渐变到应变硬化现象，说明其破坏形式从脆性破坏逐渐向塑性破坏发展。

2) 冻融循环是土体从不稳定态向动态稳定态的发展过程，非饱和膨胀土在经历第1次冻融循环后偏应力峰值大幅度下降，而在经历3~7次冻融循环后逐渐稳定，偏应力大小和曲线变化较小，故在工程中要多注意第1次冻融循环对膨胀土造成的强度劣化作用。

3) 非饱和膨胀土的抗剪强度随含水率的增加呈线性下降，随冻融循环次数呈非线性下降，且仍是第1次冻融后强度下降最多，而后逐渐达到稳定。试验结果表明初始含水率对膨胀土抗剪强度的影响大于冻融循环对其影响。