公路交通科技  2021, Vol. 38 Issue (5): 18−22, 30

扩展功能

文章信息

王亮亮, 丁志平
WANG Liang-liang, DING Zhi-ping
不同湿度膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环的演化规律
Evolution Rule of Unconfined Compressive Strength of Expansive Soil with Freeze-thaw Cycles in Different Humidity
公路交通科技, 2021, 38(5): 18-22, 30
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2021, 38(5): 18-22, 30
10.3969/j.issn.1002-0268.2021.05.003

文章历史

收稿日期: 2020-09-21
不同湿度膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环的演化规律
王亮亮1 , 丁志平2     
1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院, 江苏 徐州 221116;
2. 中铁上海设计院集团有限公司徐州设计院, 江苏 徐州 221000
摘要: 为研究膨胀土无侧限抗压强度随初始湿度状态和冻融循环次数的变化规律及其内在机理,以棕红色弱膨胀性膨胀土为研究对象,压实系数0.9为密实度控制指标,分别配制初始含水率为20%,23%,26%的膨胀土试样,采用-15,20℃为冻结、融化边界温度,将制备好的试样放入冻融循环试验箱进行冻融循环作用。利用全自动三轴仪对经过不同冻融循环次数后的膨胀土试样进行无侧限抗压强度试验。结果表明:压实度为0.9的膨胀土应力应变曲线存在由最优含水率条件下的"软化型"向高含水率状态下的"硬化型"转变趋势;随冻融循环次数的增加,土体应力应变关系曲线呈梯度性向应变横轴靠拢收缩;膨胀土无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加而迅速衰减,且衰减幅度随着初始含水率的增加而增大;经过10次冻融循环后膨胀土的剩余无侧限抗压强度分别仅为其未冻融土体强度的55%(w=20%)~31%(w=26%)。
关键词: 道路工程     无侧限抗压强度     冻融循环     膨胀土     演化规律    
Evolution Rule of Unconfined Compressive Strength of Expansive Soil with Freeze-thaw Cycles in Different Humidity
WANG Liang-liang1, DING Zhi-ping2    
1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China;
2. Xuzhou Design Institute, China Railway Shanghai Design Institute Group Co., Ltd., Xuzhou Jiangsu 221000, China
Abstract: In order to study the variation of unconfined compressive strength of expansive soil with initial humidity and freeze-thaw cycles and its internal mechanism, taking brown-red weakly expansible expansive soil as the research object, using the compaction coefficient 0.9 as the compactness control indicator, the expansive soil samples with initial moisture content of 20%, 23% and 26% are prepared respectively. Using -15 ℃ and 20 ℃ as the freezing and thawing boundary temperatures, the prepared samples are put into the freeze-thaw cycle test box for freeze-thaw cycles. The unconfined compressive strength tests on the expansive soil samples after different freeze-thaw cycles are carried out by using automatic triaxial apparatus. The result shows that (1) the stress-strain curve of the expansive soil with compaction degree of 0.9 has a tendency to change from the "softening type" under optimal water content condition to the "hardening type" under high water content condition; (2) with the increase of the number of freeze-thaw cycles, the stress-strain curve of soil shows a gradient shrinks towards the horizontal axis of strain; (3) the unconfined compressive strength of expansive soil attenuates rapidly with the increase of freeze-thaw cycles, and the attenuation amplitude increases with the increase of initial moisture content; (4) after 10 freeze-thaw cycles, the residual unconfined compressive strength of expansive soil is only 55% (w=20%)~31% (w=26%) of the strength of unfreeze-thaw soil.
Key words: road engineering     unconfined compressive strength     freeze-thaw cycle     expansive soil     evolution rule    
0 引言

我国是全世界膨胀土分布范围最广的国家之一,东起渤海之滨的山东龙口,西到新疆的六道湾,南起海南龙塘,北到黑龙江鸡西都有分布。近年来随着我国基础设施建设迅速发展,季节性冻土区工程建设中遇到的膨胀土问题也越来越多。季冻区膨胀土除了存在湿胀干湿特性诱发的工程问题外,还承受着冻融循环作用,而冻融循环作用易导致岩土体结构损伤和工程性质劣化问题是岩土工程工作者的共识,膨胀土作为一种特殊黏性土,其强度与变形特性必然同样会随季节性冻融循环而衰减。

冻融循环严重影响着土的物理、化学、力学性质以及微观结构等,而同一种土在相同初始状态下的冻融损伤程度又与冻融循环方式有关[1]:循环次数、持续时间、冻结深度等。Sazzad Bin-Shafique等[2]对取自美国圣安东尼奥重塑膨胀土进行了冻融循环试验,冻融温度分别为-5℃和25℃,经过24次冻融循环后,在排水条件好与差两种工况下,膨胀土的膨胀势分别增加3.97%和15.08%,无侧限抗压强度分别减小2.79%和37.43%。赵晓东[3]对初始含水率为最优含水率的强膨胀土在封闭系统中进行了冻融循环试验,研究发现,经过7次冻融循环后,强膨胀土的无侧限抗压强度降低24%,膨胀力减小10%。赵晓东等[3]研究发现:在冻结褐色膨胀土的卸荷过程中,偏应力随轴向变形的增长速率衰减幅度与温度梯度的关联性较弱。许雷等[4]通过无侧限压缩试验测试经历不同冻融次数下膨胀土的压缩性,发现两者之间呈正相关。时伟等[5]对高含水率(26.3%)状态的人工配置膨胀土研究发现随着冻融循环次数的增加,膨胀土黏结力、摩擦角、动剪切模量出现减小而阻尼比增大的现象。朱斯伊等[6]通过最优含水率以下不同初始湿度状态膨胀土试验发现土体黏聚力随冻融循环先增大后减小而摩擦角却持续降低,且剪切过程表现出应变硬化趋势。此外,研究人员在针对石灰[7]、风化砂[8-9]、木质素[10]等改良膨胀土的冻融循环效应的试验研究过程中同样发现了工程特性劣化的现象。

与膨胀土干湿循环与湿胀耦合效应方面的丰富研究成果相比,冻融循环作用下膨胀土工程特性演化研究工作尚处于起步阶段,由于土体强度和变形特性与土体密实度[11]、含水率等[12]、冻融方案等密切相关[13],季冻区膨胀土工程问题仍亟待深入研究[14-16]。为此,以膨胀土最优含水率为基准,开展了不同初始湿度状态的膨胀土试样进行冻融循环试验,研究膨胀土无侧限抗压强度随湿度状态和冻融循环次数的演化规律。

1 试验方案 1.1 重塑膨胀土试样制备

试验用弱膨胀性膨胀土呈棕红(黄褐) 色黏土间夹灰白色矿物,以硬塑-坚硬为主,黏性较强,颗粒细腻具有滑感,裂隙较发育,土块极易沿灰白色矿物界面开裂。液限67.6%,塑限36.1%。由击实试验获得该膨胀土的最优含水率为20.6%,最大干密度为1.746 g/cm3。先将膨胀土风干,然后利用碎土机将其粉碎并过2 mm标准筛备用。为研究不同湿度状态下膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化规律,以压实度为0.9为控制指标,配置初始含水率分别为20%,23%,26%湿土,利用图 1所示制样器(护筒内部尺寸为直径39.1 mm,高80 mm)采用静压1次成型的方法制样。

图 1 试样制样器 Fig. 1 Sample preparation equipment

1.2 冻融方案

考虑到浅表层膨胀土胀缩裂缝较发育,土体法向和径向的温度在冻融循环过程中可近似为同步进行,为此,将制备好的试样放入冻融循环试验箱,以-15 ℃为低温控制标准启动冻结过程,根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010),冻融变形稳定标准为变形速率不超过0.05 mm/h,本次试验中采用连续3次测量试样变形速率不超过0.01 mm/h作为冻融变形稳定标准。待冻结稳定后,调整试验箱温度至20 ℃开始融化过程直至试样变形稳定且融化时间不少于8 h,以此作为1次冻融循环过程。对经历0,1,2,3,5,7,10次冻融循环作用后的膨胀土试样,利用全自动三轴仪(TSZ-6型)进行无侧限抗压强度试验,轴向应变速率取2.0 mm/min,剪切直至应力-应变关系曲线达到峰值后停止试验。

2 试验结果分析 2.1 最优含水率膨胀土应力应变曲线随冻融变化规律

图 2给出了初始含水率为最优含水率时的膨胀土在经过不同冻融循环次数后的应力应变关系曲线。由图可知,膨胀土的无侧限应力应变关系总体呈现为应变软化型。在未承受冻融循环作用(冻融循环次数N=0)时,在轴向应变达到ε=1.5%(剪切变形量约12 mm)前轴向应力随应变呈现线形增长关系,此后迅速进入过渡阶段(ε=1.5%~2.5%),至轴向应变增长至ε=2.5%时达到最大值(σ=508.5 kPa),随着轴向应变的进一步增长,轴向应力进入近似线形衰减阶段;随着冻融循环次数的增加,相同轴向应变对应的轴向应力迅速减小,最大衰减幅度出现在第1次冻融循环,且轴向应变越大轴向应力的衰减幅度越大,土体应力应变关系曲线随冻融循环次数的增加而呈梯度性向应变横轴靠拢收缩。

图 2 最优含水率(w=20%)膨胀土应力应变曲线随冻融变化规律 Fig. 2 Curves of stress-strain of expansive soil under optimal moisture content varying with freeze-thaw cycles

2.2 高含水率膨胀土应力应变曲线随冻融变化规律

图 3给出了初始含水率高于最优含水率时膨胀土应力-应变曲线随冻融变化规律。由图可知,高含水率状态下土体的应力应变关系与最优含水率状态(图 2)下存在显著差异,且同一含水状态下应力应变曲线形态随冻融循环作用次数的增加而发生着改变。由图 3(a)可知,当土体初始含水率由最优含水率增大为23%时,应力应变关系曲线的“软化”趋势相较图 2明显降低,应力应变关系曲线呈现出弱应变硬化形态,曲线的线形增长阶段明显缩减(ε=0~1%),而过渡阶段显著增加(ε=1%~3.75%);应力应变关系在土体未承受冻融循环作用时呈现“弱硬化型”,而随着冻融循环作用次数的增加则转变为“软化型”;未冻融膨胀土峰值应力随着含水率的增加而由508.5 kPa(图 2)减小为285.9 kPa;首次冻融循环导致的膨胀土峰值强度衰减幅度显著增加。

图 3 高含水率膨胀土应力-应变曲线随冻融变化规律 Fig. 3 Curves of stress-strain of expansive soil under high moisture content varying with freeze-thaw cycles

图 3(b)可知,随着土体初始含水率进一步增大至w=26%时,无侧限应力应变簇曲线大部分已趋向于“硬化型”发展,且在第5次冻融循环后转为“软化型”;在经过2次冻融循环后,应力应变关系曲线线形增长阶段显著增加(ε=0~4%);土体峰值强度对应的轴向应变随含水率和冻融次数的增加而不断增大。

2.3 不同湿度状态下无侧限抗压强度随冻融衰减规律

图 4给出了不同初始含水率条件膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环次数的衰减规律。由图可知,初始湿度状态与冻融循环次数均对膨胀土的无侧限抗压强度具有显著影响,无侧限抗压强度随着初始湿度的增加而迅速降低,同一湿度状态下,无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加而迅速降低,但衰减幅度随着冻融次数的增加而不断减小并趋于稳定。

图 4 无侧限抗压强度与冻融循环次数关系曲线 Fig. 4 Relationship curve between unconfined compressive strength and number of freeze-thaw cycles

为对比分析不同初始湿度状态下无侧限抗压强度随冻融循环次数的衰减幅度,对试验结果按照下式进行归一化处理:

(1)

式中,σ0为未承受冻融循环时膨胀土无侧限抗压强度;σi为经过第i次冻融循环后膨胀土的无侧限抗压强度;φi为经过第i次冻融循环后膨胀土的无侧限抗压强度衰减系数。

将无侧限抗压强度试验数据代入式(1),结果如图 5所示。由图可知,最优含水率状态下膨胀土无侧限抗压强度在前5次冻融循环中基本按照逐次8%~12%的幅度衰减,此后衰减幅度放缓但直至第10次冻融循环土体无侧限抗压强度衰减趋势仍未趋于稳定,经过10次冻融循环后无侧抗压强度约为未经过冻融循环强度的55%,即冻融循环导致的强度衰减率达45%;初始含水率增大后,膨胀土无侧限抗压强度在首次冻融过程中的衰减幅度显著增加,分别为38%(w=23%)和46%(w=26%),经过10次冻融循环后膨胀土剩余无侧限抗压强度仅为未冻融土体强度的53%(w=23%)和31%(w=26%)。

图 5 无侧限抗压强度衰减系数随冻融次数变化曲线 Fig. 5 Attenuation coefficient of unconfined compressive strength varying with number of freeze-thaw cycles

3 冻融作用下膨胀土抗压强度衰减机制

由试验结果可知,在未经历冻融循环或在相同冻融循环次数时,膨胀土无侧限抗压强度随含水率的增加而迅速降低,且应力应变曲线的初期线形增长阶段总体上随含水率的增加而减小,过渡阶段则随含水率增加而增大。分析其原因是试样压实度为0.9,土体中的孔隙体积较大,在均匀剪切速率(2 mm/h)条件下,试样内部孔隙体积会优先于颗粒团聚体变形被压缩,宏观上表现为应力应变的线性增长,随着轴向荷载的进一步增加, 土颗粒团聚体结构开始产生压缩变形或破坏,应力应变关系转为过渡阶段;随着含水率的增加,膨胀土微观固态颗粒团聚体内部湿度也相应增大,而湿度增加又会降低土颗粒团聚体结构强度,且颗粒间彼此滑移或位置调整阻力下降,从而使土体在轴向荷载作用下在内部孔隙压缩过程中土颗粒团聚体压缩变形、破坏或粒间滑移启动节点提前,宏观上表现为无侧限峰值降低且应力应变线性增长阶段缩小而过渡阶段增加。

在冻结过程中,土体温度由外向内逐步降低直至达到低温平衡状态,而在微观层面孔隙内气体温度会优先于自由水和土颗粒结合水降低而在土体微观层面形成温度梯度,使膨胀土中自由水和土颗粒外层弱结合水(包括膨胀性矿物颗粒层间弱结合水)在温度梯度作用下向孔隙方向迁移,最终凝结成冰并伴随约10%的体积膨胀率。当土体初始湿度处于最优含水率(w=20%)时,迁移至孔隙的水凝成冰膨胀体积并不能填满孔隙,不会对土颗粒产生挤压破坏作用,但滞留在土颗粒表面的水分凝结成冰则会对颗粒产生挤压作用,破坏土颗粒间黏结作用,且这种挤压或破坏作用随着土体含水率的增大而增强。在融化过程中,土体温度由外向内逐步升高并最终再次趋于高温平衡状态,而在此过程中,升温区土体因冰融水体积收缩而与冻结区土体产生拉裂作用。因此,土体内部承受反复水凝成冰“挤胀”与融化“拉裂”作用,且其幅度随土体初始含水率增大而增加,使得土颗粒间黏结作用不断遭到破坏,内部微裂纹总量逐次增长,宏观上导致土体无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而降低,且含水率越大,无侧限抗压强度衰减幅度越大。

由此可见,尽管膨胀土的核心问题为极其敏感的湿胀干缩特性导致的工程综合处治问题[17-18],但随着季冻区以对变形极其敏感的高速铁路为代表的基础设施大规模发展,冻融循环或冻融与干湿耦合作用下膨胀土的工程特性劣化问题也必须得到高度重视。

4 结论

(1) 在压实度为0.9时,膨胀土初始湿度状态从20%(最优含水率)向26%增大过程中,其应力应变曲线由“软化型”向“硬化型”逐步发展;土体湿度状态不变时,应力应变曲线族随着冻融循环次数的增加而不断向应变轴收缩(相同应变下轴向应力不断减小)。

(2) 膨胀土无侧限抗压强度随着初始含水率的增加而降低,随着冻融循环次数的增加而迅速衰减,且衰减幅度随着初始含水率的增加而增大。经过10次冻融循环后不同初始含水率膨胀土的剩余无侧限抗压强度分别为其未冻融土体强度的55%(w=20%)、53%(w=23%)和31%(w=26%)。

参考文献
[1]
CHENG Y, LI P, XU G, et al. Effects of Dynamic Factors of Erosion on Soil Nitrogen and Phosphorus Loss under Freeze-thaw Conditions[J]. Geoderma, 2021, 390: 114972.
[2]
BIN-SAZZAD S, RAHMAN K, AZFAR I. The Effect of Freezing-thawing Cycles on Performance of Fly Ash Stabilized Expansive Soil Subbases[C]//Proceedings of the Geo-Frontiers 2011 Conference. [S. l. ]: American Society of Civil Engineers, 2011: 697-706.
[3]
赵晓东, 周国庆, 李生生. 不同温度梯度冻结深部黏土偏应力演变规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(8): 1646-1651.
ZHAO Xiao-dong, ZHOU Guo-qing, LI Sheng-sheng. Research on Deviatoric Stress Variation Laws for Deep Frozen Clay at Different Temperature Gradients[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(8): 1646-1651.
[4]
许雷, 刘斯宏, 鲁洋, 等. 冻融循环下膨胀土物理力学特性研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(增2): 167-174.
XU Lei, LIU Si-hong, LU Yang, et al. Physico-mechanical Properties of Expansive Soil under Freeze-thaw Cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(S2): 167-174.
[5]
时伟, 张亮, 杨忠年, 等. 冻融循环条件下膨胀土力学特性试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报: 自然科学版, 2019, 54(4): 480-485.
SHI Wei, ZHANG Liang, YANG Zhong-nian, et al. Experimental Study on Mechanical Properties of Expansive Soil of Artificial Preparation under Freeze-thaw Cycle Conditions[J]. Journal of Xi'an University of Architecture & Technology: Natural Science Edition, 2019, 54(4): 480-485.
[6]
朱斯伊, 王志俭, 曹玲, 等. 冻融循环下荆门膨胀土剪切试验研究[J]. 三峡大学学报: 自然科学版, 2019, 41(3): 59-63.
ZHU Si-yi, WANG Zhi-jian, CAO Ling, et al. Shear Test of Jingmen Expansive Soil under Freezing-thawing Cycles[J]. Journal of China Three Gorges University: Natural Science Edition, 2019, 41(3): 59-63.
[7]
李自灵, 金彦雯. 石灰处治膨胀土冻融循环试验研究[J]. 土工基础, 2012, 26(1): 67-69.
LI Zi-ling, JIN Yan-wen. The Freeze-thaw Cycling Testing on Lime Treated Expansive Soils[J]. Soil Engineering and Foundation, 2012, 26(1): 67-69.
[8]
杨俊, 许威, 张国栋. 冻融循环作用及风化砂掺量对改良膨胀土CBR的影响研究[J]. 应用力学学报, 2015, 32(1): 34-39, 170.
YANG Jun, XU Wei, ZHANG Guo-dong. Influence of Freeze-thaw Cycles and Dosage of Weathered Sand on the CBR Value of Improved Expansive Soil[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2015, 32(1): 34-39, 170.
[9]
杨俊, 许威. 冻融循环作用下风化砂改良膨胀土有荷膨胀率试验及模型预估[J]. 工业建筑, 2015, 45(1): 113-117.
YANG Jun, XU Wei. The Loaded Swelling Ratio Test and Model Prediction of Weathered Sand Improved Expansive Soil under Freeze-thaw Cycles[J]. Industrial Construction, 2015, 45(1): 113-117.
[10]
张建伟, 亢飞翔, 边汉亮, 等. 冻融循环下木质素改良黄泛区粉土无侧限抗压强度试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(增2): 1-6.
ZHANG Jian-wei, KANG Fei-xiang, BIAN Han-liang, et al. Experiments on Unconfined Compressive Strength of Lignin Modified Silt in Yellow River Flood Area under Freezing-thawing Cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2020, 41(S2): 1-6.
[11]
ITO M, AZAM S. Engineering Characteristics of a Glacio-lacustrine Clay Deposit in a Semi-arid Climate[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2009, 68(4): 551-557.
[12]
刘观仕, 陈永贵, 曾宪云, 等. 环境湿度与温度对压实膨胀土裂隙发育影响试验研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(2): 260-268.
LIU Guan-shi, CHEN Yong-gui, ZENG Xian-yun, et al. Effects of Ambient Air Humidity and Temperature on Crack Development of Compacted Expansive Soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(2): 260-268.
[13]
TOLLENAARR N, VAN PAASSEN L A, JOMMI C. Small-scale Evaporation Tests on Clay: Influence of Drying Rate on Clayey Soil Layer[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2018, 55: 437-445.
[14]
KONG L W, ZENG Z X, BAI W, et al. Engineering Geological Properties of Weathered Swelling Mudstones and their Effects on the Landslides Occurrence in the Yanji Section of the Jilin-Hunchun High-speed Railway[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2018, 77: 1491-1503.
[15]
LUO J, TANG L, LING X Z, et al. Experimental and Analytical Investigation on Frost Heave Characteristics of an Unsaturated Moderately Expansive Clay[J]. Cold Regions Science and Technology, 2018, 155: 343-353.
[16]
YANG Z N, ZHANG L, LING X Z, et al. Experimental Study on the Dynamic Behavior of Expansive Soil in Slopes under Freeze-thaw Cycles[J]. Cold Regions Science and Technology, 2019, 163: 27-33.
[17]
杨和平, 万亮, 肖杰. 加筋土界面特性拉拔试验仪的研发进展[J]. 公路交通科技, 2020, 37(12): 24-32.
YANG He-ping, WAN Liang, XIAO Jie. Study Progress of Pull-out Test Apparatus for Interface Characteristics of Reinforced Soil[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2020, 37(12): 24-32.
[18]
杨和平, 林丽萍, 肖杰, 等. 用土水特征曲线分析膨胀土的改良效果[J]. 公路交通科技, 2011, 28(10): 1-6.
YANG He-ping, LIN Li-ping, XIAO Jie, et al. Analysis on Improvement Effect of Expansive Soil by Soil-water Characteristic Curve[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011, 28(10): 1-6.