凍融循環(huán)作用下粉砂土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

凍融循環(huán)作用下粉砂土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

1凍融循環(huán)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響在中國(guó)，季季凍土主要分布在中國(guó)北方，包括賀蘭-保老山線以西的廣大地區(qū)和秦嶺-淮河以北的廣大地區(qū)。季節(jié)性凍土一般在冬季凍結(jié)、夏季全部融化,即為土中水分發(fā)生凍結(jié)和融化,會(huì)改變土體原有的物理力學(xué)性質(zhì)。土的凍融作用是季節(jié)性凍土區(qū)首先應(yīng)受到關(guān)注的問(wèn)題,其會(huì)改變土顆粒之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)接以及排列方式,對(duì)土的水理、物理及力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)凍融循環(huán)對(duì)土體靜力學(xué)性質(zhì)影響的研究主要集中在破壞強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度參數(shù)、應(yīng)力–應(yīng)變行為等方面。彈性模量通常是在土體小應(yīng)變條件下求得,是土體變形和穩(wěn)定性分析中的一個(gè)重要參數(shù),試樣的微小擾動(dòng)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。E.Simonsen等通過(guò)研究認(rèn)為,土體的彈性模量在經(jīng)歷一個(gè)完整的凍融循環(huán)后會(huì)降低20%~60%,而土顆粒的粗細(xì)程度會(huì)對(duì)凍融前后土彈性模量變化的幅值產(chǎn)生一定的影響。W.Lee等的研究表明,對(duì)于彈性模量大于100kPa的未凍土,經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)以后模量的變化超過(guò)50%以上。王大雁等對(duì)凍融循環(huán)下青藏黏土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究,首次凍融循環(huán)對(duì)試樣產(chǎn)生的影響最大,經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)以后土體的彈性模量降低幅度也最大。而對(duì)于土體強(qiáng)度方面,目前研究結(jié)果差異較大。凍融循環(huán)后土體的強(qiáng)度可能有所增大、降低或者基本保持不變。蘇謙等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)土體經(jīng)過(guò)10次凍融后,其黏聚力、內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,低密度土體的黏聚力有所提高,而高密度土體的黏聚力下降,內(nèi)摩擦角變化較小。在應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線方面,王大雁等的研究表明,當(dāng)圍壓較低時(shí),黏土的應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)為弱軟化型,而當(dāng)圍壓較高時(shí),其表現(xiàn)為強(qiáng)硬化型。應(yīng)力–應(yīng)變曲線的反映形式并不會(huì)隨著凍融循環(huán)而改變。齊吉琳等提出,土的類型、土工試驗(yàn)中所采用的應(yīng)力路徑和排水路徑都會(huì)對(duì)凍融循環(huán)下土體應(yīng)力應(yīng)變的特性產(chǎn)生影響。同時(shí),凍融循環(huán)下土體的力學(xué)性質(zhì)不僅與含水率、凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度、圍壓等影響因素有關(guān),也可能依賴于這些因素之間的交互作用。李順群等對(duì)凍土力學(xué)性質(zhì)的影響因素進(jìn)行了綜述,并研究了各影響因素之間的顯著性和交互作用,結(jié)果表明,溫度對(duì)凍土力學(xué)性質(zhì)影響的顯著性最大,溫度、含水率和應(yīng)變速率之間的交互作用對(duì)強(qiáng)度的影響較大,提出在對(duì)凍土強(qiáng)度等力學(xué)行為進(jìn)行研究時(shí),片面針對(duì)某一因素開展研究是不合適的,而應(yīng)綜合考慮各主要因素及因素之間的交互作用的影響。本文以青藏粉砂土為研究對(duì)象,利用常規(guī)三軸試驗(yàn),考慮圍壓、凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)之間的交互作用對(duì)土體的靜力學(xué)性質(zhì)的影響,采用顯著性分析理論,對(duì)不同因素及其交互性影響的顯著性大小進(jìn)行分析。2土體不固結(jié)不排水試驗(yàn)試驗(yàn)所用的土取自青藏高原,其顆粒級(jí)配曲線如圖1所示,最大干密度為1.93g/cm3,最優(yōu)含水率為12.9%。本次試驗(yàn)的試樣根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T50123—1999)的制備要求制取,并依據(jù)該規(guī)程將其定義為粉質(zhì)砂土。利用非飽和三軸儀進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。試樣直徑為39.1mm,高為80mm。試驗(yàn)過(guò)程中圍壓選取100,200,300kPa。試驗(yàn)僅在最優(yōu)含水率的情況下考慮凍融循環(huán)的影響。土體在凍融循環(huán)過(guò)程中凍結(jié)溫度取為-15℃,-10℃,-5℃,在室溫20℃下融化,凍結(jié)與融化時(shí)間都為12h。為考慮凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響,在凍結(jié)溫度為-15℃時(shí),將試樣經(jīng)歷0,1,2,3,5,6,7,8,9,11,12次凍融循環(huán)并進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn),以獲取土體力學(xué)參數(shù)達(dá)到極小值時(shí)所需的凍融循環(huán)次數(shù)。同時(shí),考慮了圍壓、凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度之間的交互作用。具體的靜三軸試驗(yàn)方案如表1所示,共需63個(gè)試樣。3顯著性分析的交互作用若所研究的諸因素之間不存在交互作用,則理論上可以單獨(dú)研究單個(gè)因素的影響,之后將各個(gè)因素的影響進(jìn)行疊加;若各因素之間有較明顯的交互作用,則要考慮因素之間交互作用的貢獻(xiàn)。對(duì)于三因素A,B,C,其中:A有α個(gè)水平:A1,A2,…,Aa;B有b個(gè)水平:B1,B2,…,Bb;C有c個(gè)水平:C1,C2,…,Cc。在每一個(gè)組合水平(Ai,Bj,Ck)下做一次試驗(yàn),得出試驗(yàn)指標(biāo)的觀察值為xijk。記總變差平方和為因素A變差平方和為因素B變差平方和為因素C變差平方和為因素A,B,C的方差估計(jì)值FA,FB,FC可分別表示為式中:fA,fB,fC,fE分別為因素A、因素B、因素C和誤差的自由度。給定顯著性水平α,若:則說(shuō)明因素A對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是顯著的,否則是不顯著的。同理,可以得到其他因素對(duì)指標(biāo)影響的顯著性判斷。若考慮因素間的交互作用,則顯著性分析方法如下。此處由于A×B×C之間的交互作用一般較弱,故在應(yīng)用中不予考慮。記:總變差平方和以及因素A,B,C的變差平方和分別如式(6)~(9)所示。因素A,B交互作用效應(yīng)變差平方和為因素B,C交互作用效應(yīng)變差平方和為因素A,C交互作用效應(yīng)變差平方和為顯著性分析同上。F檢驗(yàn)的臨界值Fa(f1,f2)如表2所示。對(duì)于顯著性影響的大小作如下規(guī)定:若α<0.001,其顯著性為I;若0.001≤α<0.01,其顯著性為II;若0.01≤α<0.1,其顯著性為III;若α≥0.1,其顯著性為IV。4凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粉砂靜強(qiáng)度的影響為考慮凍融循環(huán)對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響,首先進(jìn)行了凍結(jié)溫度為-15℃、凍融循環(huán)次數(shù)為1,2,3,5,6,7,8,9,11,12的試驗(yàn)。凍結(jié)溫度為-15℃下粉砂土靜強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖2所示。由圖2可知,粉砂土的靜強(qiáng)度在凍融循環(huán)達(dá)到7,8次時(shí)達(dá)到最小值,然后又逐漸增大,在凍融循環(huán)12次前靜強(qiáng)度達(dá)到了極小值。故對(duì)于凍結(jié)溫度為-5℃,-10℃的土體,分別經(jīng)歷1,3,7,9,12次凍融循環(huán)并在100,200,300kPa圍壓下進(jìn)行靜力三軸試驗(yàn),以形成凍融循環(huán)下的正交全面試驗(yàn)。4.1凍融循環(huán)對(duì)未凍融土體應(yīng)力–應(yīng)變變化規(guī)律的影響土的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線。常規(guī)三軸試驗(yàn)中,土體所受的偏應(yīng)力與其軸向應(yīng)變之間的關(guān)系一般有應(yīng)變硬化型和應(yīng)變軟化型2種。對(duì)于應(yīng)變硬化型的土體,在破壞前,其偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加有著逐漸上升的趨勢(shì);而對(duì)于應(yīng)變軟化型的土體,其偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增加而達(dá)到某一峰值后轉(zhuǎn)為下降的曲線。介于硬化與軟化之間的應(yīng)力–應(yīng)變曲線,就是理想塑性材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。這種類型曲線與巖土性質(zhì)有較大差別,在巖土中所遇不多。在凍融循環(huán)的過(guò)程中,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與土顆粒的排列方式會(huì)發(fā)生改變。凍融循環(huán)對(duì)土體的應(yīng)力–應(yīng)變的影響不僅與土的類型有關(guān),而且與土工試驗(yàn)所采用的應(yīng)力路徑和排水路徑有關(guān)。圖3給出了未凍融土和經(jīng)歷凍融循環(huán)以后土體的偏應(yīng)力–軸向應(yīng)變曲線?？梢钥闯?在圍壓較低時(shí),未凍融及凍融初期的粉砂表現(xiàn)出一定的軟化性,而經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)以后,其逐漸由軟化型轉(zhuǎn)化成硬化型;在圍壓較高時(shí),未凍融及凍融以后的粉砂都表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的形式。粉砂土經(jīng)歷數(shù)次的凍融循環(huán)以后,其應(yīng)力–應(yīng)變曲線的形式不會(huì)隨著凍結(jié)溫度及圍壓的變化而改變,都將呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化特性,但圍壓的不同會(huì)對(duì)破壞強(qiáng)度(即靜強(qiáng)度)和彈性模量產(chǎn)生一定的影響。4.2凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度對(duì)彈性模量的影響彈性模量是巖土工程中土變形和穩(wěn)定性分析中的一個(gè)重要參數(shù)。彈性模量通常是在土體小應(yīng)變條件下求得,試樣的微小擾動(dòng)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果,本文選取以軸向應(yīng)變?yōu)?.0%時(shí)所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力增量與軸向應(yīng)變的增量的比值作為研究粉砂土的彈性模量。圖4給出了圍壓200kPa及凍結(jié)溫度-5℃下的彈性模量,由圖可知,粉砂的彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先降低,后增大。圍壓對(duì)彈性模量的影響較為明顯,而凍結(jié)溫度的影響較弱。在不同的圍壓和凍結(jié)溫度下,彈性模量的降低的幅值為未凍融土彈性模量的26%~45%。在凍融7~9次以后,試樣的彈性模量幾乎都降到最低點(diǎn),而后又隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸升高。圍壓、凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度對(duì)彈性模量影響的顯著性分析結(jié)果如表3所示。當(dāng)考慮交互作用時(shí),對(duì)于表2中所給的任何顯著性水平,凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓、凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的交互作用對(duì)彈性模量的影響都是顯著的,而凍結(jié)溫度的影響都是不顯著的;當(dāng)α≥0.01時(shí),圍壓與凍結(jié)溫度的交互作用的影響是顯著的;當(dāng)α≥0.005時(shí),圍壓與凍融循環(huán)次數(shù)的交互作用的影響是顯著的。由表3可知,各因素及其交互作用對(duì)彈性模量影響的顯著性從大到小依次為:圍壓A、凍融次數(shù)C、交互作用B×C、交互作用A×B、交互作用A×C、凍結(jié)溫度B。4.3凍結(jié)溫度和圍壓對(duì)土靜力的影響對(duì)于應(yīng)變軟化型應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系曲線,靜強(qiáng)度取值為其峰值點(diǎn)的偏應(yīng)力值;對(duì)于應(yīng)變硬化型的土樣,靜強(qiáng)度取值為軸向應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的的偏應(yīng)力值。圖5給出了凍結(jié)溫度-10℃及圍壓200kPa下的靜強(qiáng)度。粉砂的靜強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加基本呈現(xiàn)出先降低,后增大的趨勢(shì)。隨著圍壓的增大,靜強(qiáng)度增加明顯,而凍結(jié)溫度對(duì)靜強(qiáng)度的影響較小。在不同的圍壓和凍結(jié)溫度下,靜強(qiáng)度降低的幅值為未凍融土靜強(qiáng)度的32%~45%。在凍融7~9次以后,試樣的靜強(qiáng)度幾乎都降到最低點(diǎn),而后又隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸升高。凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)靜強(qiáng)度的影響較大,凍結(jié)溫度的影響較小且無(wú)明顯規(guī)律。圍壓、凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于靜強(qiáng)度影響的顯著性分析結(jié)果如表4所示。當(dāng)考慮交互作用時(shí),對(duì)于表2中所給的任何顯著性水平,圍壓、凍融循環(huán)次數(shù)、以及兩者的交互作用對(duì)靜強(qiáng)度的影響都是顯著的,而圍壓與凍結(jié)溫度之間交互作用的影響都是不顯著的;當(dāng)α≥0.1時(shí),凍結(jié)溫度的影響是顯著的;當(dāng)α≥0.005時(shí),凍結(jié)溫度與凍融循環(huán)次數(shù)的交互作用的影響是顯著的。由表4的計(jì)算結(jié)果可知,不同因素及因素間的交互作用對(duì)靜強(qiáng)度影響的顯著性由大到小依次為:圍壓A、凍融次數(shù)C、交互作用A×C、交互作用B×C、凍結(jié)溫度B、交互作用A×B。4.4凍融循環(huán)對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響土的抗剪強(qiáng)度取決于很多因素,但為了實(shí)際應(yīng)用的方便,應(yīng)用最多的抗剪強(qiáng)度是僅具有2個(gè)參數(shù)(即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)的莫爾–庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。試驗(yàn)中圍壓選取100,200,300kPa,以求取土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。對(duì)于不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),參數(shù)的求取可按應(yīng)力路徑取值,以(σ1-σ3)/2為縱坐標(biāo),(σ1+σ3)/2為橫坐標(biāo),繪制應(yīng)力圓,作通過(guò)各圓頂點(diǎn)的平均直線。根據(jù)直線的傾角及在縱坐標(biāo)軸上的截距,可計(jì)算出黏聚力和內(nèi)摩擦角,即式中:α為平均直線的傾角(°),d為平均直線在縱軸上的截距(kPa)。圖6給出了凍融循環(huán)下的黏聚力及內(nèi)摩擦角,由圖可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,粉砂的黏聚力基本出現(xiàn)降低的趨勢(shì),且在9~12次凍融以后趨于穩(wěn)定。在不同的圍壓和凍結(jié)溫度下,黏聚力降低的幅值大約為未凍融土黏聚力的50%。內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,先降低,并在凍融7次時(shí)達(dá)到最小值,后增大。凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響較大,凍結(jié)溫度的影響較小且無(wú)明顯規(guī)律。凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)于黏聚力和內(nèi)摩擦角影響的顯著性分析結(jié)果分別如表5,6所示。對(duì)于表2中所給的任何顯著性水平,凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響都是顯著的,而凍結(jié)溫度的影響都是不顯著的。由以上分析可知,不僅圍壓、凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)會(huì)對(duì)凍融循環(huán)下土體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,同時(shí)各因素之間的交互作用的影響也可能是顯著的。因此,綜合考慮各因素及其交互作用的影響,而不能簡(jiǎn)單的單獨(dú)考慮各因素的獨(dú)立作用。5凍融循環(huán)對(duì)粉砂力學(xué)性質(zhì)的影響(1)圍壓較低的情況下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,粉砂的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)變軟化型逐漸過(guò)渡到應(yīng)變硬化型;而當(dāng)圍壓較高時(shí),應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系形式不會(huì)因凍融循環(huán)而發(fā)生改變。(2)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粉砂土的靜強(qiáng)度和彈性模量的影響較為明