冻融循环作用对路基粉质粘土抗剪强度的影响分析

蒋 慎

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004)

冻融循环作用对路基粉质粘土抗剪强度的影响分析

蒋 慎

(湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004)

土的抗剪强度是反映土体对外界荷载产生的剪应力的极限抵抗能力的力学指标，分析土质边坡的稳定性关键是研究土体内部薄弱界面的抗剪强度。以湖南地区某路基工程为背景，主要研究了不同含水率的粉质粘土在不同冻融循环次数下的抗剪性能，得出冻融循环次数对土体抗剪性能的削弱规律。

路基工程； 粉质粘土； 冻融循环； 抗剪强度

0 引言

土体在外荷载作用下，受到荷载产生的剪应力，发生剪切变形，当土体内部所受的剪应力达到土的抗剪强度时，土体就会沿着剪切作用面发生相对滑动，从而发生剪切破坏。此时，土体所能承受的最大剪应力即土体的抗剪强度，它是由粘聚力c值和内摩擦角φ值两个参数决定的，反映了土体对外界荷载产生剪应力的极限抵抗能力。土体的剪切破坏是土体破坏的主要形式，所以抗剪强度这项力学指标是研究土体力学性能的关键因素，也是分析边坡稳定性的重要基础。然而国内一些学者对此都有不同的研究，李琳[1]对3种不同塑性路基土剪切强度的影响，通过试验，测定了不同冻融循环次数下3种土体的抗剪强度、粘聚力和内摩阻力，进行相关研究。许强等[2]对湖南黏土反复冻融循环后的强度试验，分析了非饱和黏土在冻融循环作用下的强度变化特征，研究了非饱和状态下不同含水量对强度和变形的影响规律，重点研究了冻融循环对抗剪强度的影响规律。李航等[3]为了研究冻融循环作用对路基边坡稳定性的影响，建立了路基变形场及应力场的三维数值计算模型，并得出冻融循环作用次数与路基边坡安全系数的关系。本文以湖南地区某路基工程中粉质粘土为研究对象，由于湖南当地冬季最低气温在0 ℃左右，所以在冬季路基施工过程中，土体往往会经受冻融循环的破坏，所以研究冻融循环作用对粉质粘土抗剪强度的影响规律是十分必要的，为冬季路基施工提供理论依据和指导。

1 试验原理及设计

土体主要包括了颗粒状固体、水分及气3种物质，当气温降低至0 ℃以下时，土体中的水分就会冻结，并将颗粒状固体胶结成整体，从而土体将变成冻土状态。冻土是一种分散体系，主要是由固体颗粒、冰包裹颗粒、未结冰水分、气态包裹体组成，它的结构特征要比普通土体复杂得多，因此冻土的物理力学性质相对于普通土体差别也很大。在土体冻结的过程中，土体中的自由水最先发生冻结，形成冰晶体物质，紧接着弱结合水也开始发生冻结，使得冰晶体物质逐渐扩大，此时土体中的结合水膜也会相应变薄，土颗粒之间的分子引力也相应减小，同时由于水膜变薄体积变小，所以水膜中的离子浓度相对增大，导致了土体产生更多的渗透压，同时土颗粒之间的分子引力也相应减小，在两者的共同作用下土体的体积发生膨胀，产生胶结冻胀力，直接影响土体的抗剪强度发生变化。当温度升高至0 ℃以上时，由于土体中冰晶体的融化，土体的体积开始缩小，在自身的重力作用下土体会固结排水产生一定的沉降，同时在土体内部出现孔隙水压力。本试验取工程现场粉质粘土作为试验样本，通过烘干后加定量的水制备5组不同含水率的试件(16%～24%，每组试件含水率递增2%)，每组试件为8个，分别经历1～8次冻融循环，冻融的温度范围为-10～5 ℃，冻融循环的周期为24 h(冻结12 h，融化12 h)。将制成的试件分别在不同的垂直压力下进行抗剪强度试验，得出不同含水率土体在冻融循环作用下抗剪强度的变化规律。

2 试验结果

冻融试验结果见表1。

表1 冻融试验结果记录表

续表1 冻融试验结果记录表

3 试验结果分析

3.1 不同含水率条件下不同冻融循环次数的土体黏聚力与内摩擦角变化

从图1中可以看出，在不同的含水率条件下，黏聚力随冻融次数增加而减小，且其减小的速率逐渐减小。冻融8次以后，其黏聚力大约减小38%。而其内摩擦角随冻融次数增加而增大。土体的黏聚力和内摩擦角出现上述这种变化规律的主要原因是由于土体在经历多次冻融循环后，土体结构遭到一定程度的破坏，使得土颗粒之间的胶结力和咬合作用减小，所以导致黏聚力减小；另一方面，由于冻融循环使得体积减小，孔隙率减少，土体变得更加密实，所以土颗粒之间的接触增多，从而导致内摩擦角变大。同时由于冻融循环过程中土体结构离散化，土颗粒之间的排列方式更加不规则，这也会导致内摩擦角的增大。

图1 不同冻融次数对黏聚力和内摩擦角的影响

3.2 冻融循环次数对抗剪强度的影响

从图2中可以看出，在不同含水率条件下，土体的抗剪强度随冻融次数的增加而减小，并且含水率越高的土体冻融循环后相对应的抗剪强度越小。土体的抗剪强度出现上述这种变化规律的主要原因是由于土体在经历多次冻融循环后，黏聚力基本呈线性减小的趋势，内摩擦角虽然有所增大但幅度较小。根据库伦定律τ=σtanφ+c可知，抗剪强度是由黏聚力c和内摩擦角两个参数决定的，由于黏聚力c值的减小幅度大于tanφ值的增大幅度，所以在总体上看土体的抗剪强度随冻融次数的增加而呈减小的趋势。另一方面，当土体含水率较高时，在经历多次冻融循环后土体的体积变化更明显，导致颗粒间的黏聚力更小，所以含水率越高的土体冻融循环后相对应的抗剪强度越小。

图2 不同含水率及冻融次数对抗剪强度影响

3.3 不同冻融循环次数条件下不同含水率的土体黏聚力与内摩擦角的变化

从图3中可以看出在不同冻融次数条件下，随着含水率的增加，土体黏聚力和内摩擦角都有不同程度的减小，随冻融次数增加内摩擦角减小的幅度相对粘聚力减小的幅度小。土体的黏聚力和内摩擦角出现上述这种变化规律的主要原因是由于土体的冻融循环主要是土体中水分的冻胀和融沉过程，当土体含水率较高时，土体在冻融循环后结构破坏得更严重，体积变化更明显，所以在不同冻融次数条件下，随着含水率的增加，土体黏聚力和内摩擦角都有不同程度的减小。

图3 不同含水率对黏聚力和内摩擦角的影响

4 结论

1) 冻融循环作用改变土体力学性质的主要原因是改变土的结构性,即破坏了土颗粒间的联结力，使土颗粒得以重新排列。土体在经历多次冻融循环后，土体结构遭到一定程度的破坏，使得土颗粒之间的胶结力和咬合作用减小，所以黏聚力随冻融次数增加而减小；由于冻融循环使得体积减小，孔隙率减少，土体变得更加密实，所以土颗粒之间的接触增多，同时由于冻融循环过程中土体结构离散化，土颗粒之间的排列方式更加不规则，导致内摩擦角随冻融次数增加而增大。

2) 土体在经历多次冻融循环后，黏聚力基本呈线性减小的趋势，内摩擦角虽然有所增大但幅度较小。根据库伦定律τ=σtanφ+c可知，抗剪强度是由黏聚力c和内摩擦角两个参数决定的，由于黏聚力c值的减小幅度大于tanφ值的增大幅度，所以在总体上看土体的抗剪强度随冻融次数的增加而减小。

3) 土体的冻融循环主要是土体中水分的冻胀和融沉过程，当土体含水率较高时，土体在冻融循环后结构破坏得更严重，体积变化更明显，所以在不同冻融次数条件下，随着含水率的增加，土体黏聚力和内摩擦角均有不同程度的减小。

[1] 李琳.冻融循环对路基土剪切强度的影响研究[J].湖南交通科技, 2015, 41(2):28-30.

[2] 许强,吴礼舟,张莲花.冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验[J].成都理工大学学报(自科版), 2011, 38(3):334-338.

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[4] 王大雁,马巍,常小晓,等.冻融循环作用对青藏粘土物理力学性质的影响[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24(23):4313-4319.

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1008-844X(2017)02-0059-04

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