不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0203-08不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究彭亚涛1何文源2李力3王志留2（1.平顶山市公路交通勘察设计院，河南平顶山467000；2.中原工学院建筑工程学院，河南郑州450007；3.上海市建设工程监理咨询有限公司，上海200040）【摘要】为了探究不同温湿条件下冻融循环作用对压实粉土剪切特性的影响，以郑州黄泛区粉土为研究对象，在55 和1515 温度幅值冻融循环条件下，对含水率为 6.0%、10.0%、14.0%、18.0%以及饱和含水率下的压实粉土试样进行冻融循环，并进行剪切特性试验及微观结构分析。结果表明：冻融循环过程中，压实粉土颗粒间的接触方式、排列组合和孔隙特征发生改变，抗剪强度呈先降低后逐渐趋于稳定趋势；由于土中水发生相变和颗粒间作用力发生变化，土样含水率越大，冻融温度幅值对土样剪切强度及其强度参数衰减作用越明显；相同温度幅值条件下，由于颗粒面胶结以及孔隙间水膜润滑的综合作用，冻融循环过程中压实粉土含水率越高，抗剪强度及黏聚力衰减比例越小，内摩擦角衰减比例越大。【关键词】岩土工程；粉土；冻融循环；剪切特性；微观结构；温湿条件【中图分类号】TU411 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.013Experimental Study on Shear Characteristics of Silt under DifferentTemperature-humidity Freeze-thaw CyclesPeng Yatao1He Wenyuan2Li Li3Wang Zhiliu2(1.Pingdingshan Highway Transportation Institute of Survey and Design,Pingdingshan 467000,Henan,China；2.Zhongyuan Uni-versity of Technology,zhengzhou 450007,Henan,China；3.Shanghai Construction Engineering Supervision Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200040,China)【Abstract】To explore the influence of freeze-thaw cycles on the shear characteristics of compacted silt under different temper-ature and humidity conditions,the silt in the Yellow River flooding area of Zhengzhou was taken as the research object.Under thefreeze-thaw cycles of-5C to 5C and-15C to 15C,the soil samples with water content of 6%,10%,14%,18%and saturation mois-ture content were subjected to freeze-thaw cycles.The results show that during the freeze-thaw cycle,the contact mode,arrangementand pore characteristics of compacted silt particles change,and the shear strength first decreases and then tends to be stable.Due to thephase change of water in the soil and the change of the inter-particle force,the greater the moisture content of the soil sample,the moreobvious the attenuation effect of the freeze-thaw temperature amplitude on the shear strength of the soil sample.Under the condition ofthe same temperature amplitude,due to the comprehensive effect of particle surface cementation and inter-pore water film lubrication,the higher the moisture content of the compacted silt,the smaller the attenuation ratio of shear strength and cohesion,and the greater theattenuation ratio of internal friction angle during the freeze-thaw cycle.【Key words】geotechnical engineering；compacted silt；freeze-thaw cycle；shear strength；microstructure；temperature and hu-midity conditions 0 引言黄泛区粉土赋存量大且具有颗粒级配差、毛细作用大、水稳性差等不良工程特性。郑州为温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥且昼夜温差大，粉土冻融循环效应明显，工程性质复杂多变。研究冻融循环作用下该区域粉土力学性能的衰变规律，对于 基金项目：河南省科技攻关项目（222102320060）作者简介：彭亚涛，男，1982 年生，汉族，河南鲁山人，大学本科，高级工程师，主要从事公路勘察设计与检测加固技术研究。E-mail：通讯作者：何 文 源，男，1999 年 生，汉 族，河 南 郑 州 人，在 读 硕 士 研 究 生。主 要 研 究 方 向：特 殊 土 力 学。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024认知当地建（构）筑物地基持力层的力学性状和粉土填筑工程的稳定性具有重要意义1。针对粉土力学性能的冻融循环效应已开展了大量研究，如谈云志等2研究了冻融循环作用下改良粉土的抗压强度变化规律，认为抗压强度在 6 次循环后趋于稳定；王永霞3研究认为，压实粉土强度随冻融次数的增加而减小，黏聚力在循环后期趋于稳定，内摩擦角则先增大后趋于稳定；祁晓翔4、刘晖等5研究发现，含砂粉土的破坏强度和弹性模量随冻融循环次数增加呈先增加后减小最后稳定的趋势，且在冻融循环 3 次后达到最大值。目前粉土工程性状的冻融循环效应研究已较为丰富和深入，但研究结论不尽一致6-11。冻融循环过程中温湿条件差异和粉土的性状差异是导致研究结论差异的主要原因。对于同类土质，冻融循环过程中，土颗粒间的接触方式和排列形式会不断调整和改变。刘泽群12、郑英杰等13通过对冻融循环作用下黄泛区山东段粉土核磁共振扫描成像，证实了由于盐分、颗粒骨架以及空隙调整导致土体力学特性改变。而冻融循环作用过程中，温湿条件的差异影响压实粉土微观结构的调整幅度和排列方式，影响其力学性状。因此有必要深入分析温湿条件差异对于粉土工程性状冻融循环效应的影响。此外，单一的冻融温度幅值和湿度条件不能模拟实际气候变化条件，难以反映土体真实的损伤效应。分析粉土工程性状的冻融循环效应时需结合当地气候条件，准确设置温湿度条件，分析温湿条件差异的影响规律。目前，结合河南区域气候条件，采用不同温湿条件研究粉土工程性状的冻融循环效应的相关研究鲜见报道，有必要对此进行深入探究和分析。本文结合黄泛区郑州段粉土的实际赋存环境，以不同冻融循环温度幅值和次数模拟实际温差变化，采用不同含水率试样模拟湿度条件改变，对不同冻融循环条件下压实粉土试样进行直接剪切试验和微观结构分析，探讨不同温湿条件下冻融循环效应对粉土剪切特性的影响。1 试样制备及试验方案 1.1 试验土样试验土样取自河南新密，根据土工试验方法标准（GB/T 501232019）14，通过室内土工试验获得土样基本物理性质指标（见表 1）。由表 1 可以看出，试验土样具有典型粉土特征，粒径范围 0.0050.075mm 的粒组占比达 78.93%，颗粒组成以粉粒为主。轻型击实曲线如图 1 所示，最优含水率 wop=14.0%，最大干密度 dmax=1.78 g/cm。表 1 土体基本物理性质参数液限wL/%塑限wP/%塑性指数IP颗粒比重GS最优含水率wop/%最大干密度 dmax/(gcm3)土颗粒组含量占比/%0.075 mm0.0750.005 mm0.005 mm26.7617.509.262.6914.01.788.6378.9312.44 31.51.61.71.81.969op=14%dmax=1.778 g/cm3Sr=100%击实曲线最优含水率界线12151821w制样含水率 w/%干密度/(gcm-3)图 1 击实曲线 1.2 试样制备粉土土样经自然风干至恒重后，过 2 mm 标准筛。计算不同含水率试样所需土料质量，配置含水率分别为 6.0%、10.0%、14.0%、18.0%、饱和含水率（21.3%）的土料并置于密封袋中 12 h，使土中水分分布均衡。试样设计干密度为 1.71 g/cm3，直径 61.8 mm，高 20mm。采用千斤顶及钢制模具压实制样。试样包裹保鲜膜放置于保湿缸内以备试验。1.3 冻融循环方案郑州属季冻区，全年平均温度为 14.314.8，历史最低气温为18，往年平均最低气温为7。为模拟属地冻融环境条件，在不同温度幅度和含水率条件下对土样进行冻融循环。冻融循环采用LHS100CA 型恒温恒湿箱，温控精度为0.1，含水率控制误差为0.5%。以冻结 12 h、解冻 12 h 为一次冻融循环，具体冻融循环试验方案见表 2。1.4 直剪试验及微观结构分析方法采用 ZJ 型应变控制式直剪仪对冻融循环后试样进行固结快剪试验，固结压力为 50 kPa、100 kPa、200 kPa 和 400 kPa。204岩土工程技术2024 年第 2 期SEM 微观结构测试采用 ZEISS 公司生产的Merlin Compact 场发射扫描电镜仪，对典型冻融循环条件下试样微观结构观察与拍摄（见图 2）。表 2 冻融循环方案温度幅度/土体含水率w/%冻融循环次数556.0、10.0、14.0、18.0、21.30 91515 图 2 Merlin Compact 场发射扫描电镜 2 冻融循环作用下压实粉土剪切特性根据前述试样制备方法、冻融循环方案和剪切试验方法，得到了不同温度幅度和含水率条件下冻融循环后试样的抗剪强度及参数，并采用莫尔库仑强度准则对其拟合整理，拟合整理后的抗剪强度曲线如图 3 所示。曲线拟合相关性较好（以5 5 冻融幅度 5 次冻融试样为例），相关系数达 95%以上。050150250350w=6.0%w=10.0%w=14.0%w=18.0%饱和含水率100200竖向压力/kPa抗剪强度/kPa300400 图 3 55 冻融幅度 5 次冻融试样抗剪强度曲线 2.1 冻融循环幅度与次数对土体剪切特性的影响 2.1.1 压实粉土抗剪强度绘制三种含水率试样（w=6.0%、wop=14.0%、w=21.3%）在两种冻融温度幅度下抗剪强度与冻融循环次数的关系曲线（见图 4）。由图 4 可看出，在两种冻融温度幅度下，三种含水率试样的抗剪强度均随着冻融循环次数增多呈现衰减现象，1 次冻融循环后衰减的幅度最大，随着冻融循环次数的增多，抗剪强度与冻融循环次数关系曲线变得平缓，在不同冻融循环次数下，冻融循环温度幅度对三种含水率试样的抗剪强度影响规律差异不大。(c)饱和含水率(w=21.3%)(a)w=6.0%(b)w=14.0%0246810010015020025030035024抗剪强度/kPa10050150200250300抗剪强度/kPa1005015020050 kPa50 kPa100 kPa100 kPa200 kPa200 kPa400 kPa400 kPa50 kPa50 kPa100 kPa100 kPa200 kPa200 kPa400 kPa400 kPa50 kPa50 kPa100 kPa100 kPa200 kPa200 kPa400 kPa400 kPa抗剪强度/kPa68100246810151555151555151555冻融循环次数冻融循环次数冻融循环次数 图 4 不同冻融温度幅度下试样抗剪强度与冻融次数关系曲线 由于不同冻融循环次数下，冻融循环温度幅度对试样抗剪强度影响规律较为一致，故以冻融 5 次后试样抗剪强度变化为例做进一步分析。绘制三种彭亚涛等：不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究205典型含水率试样（w=6.0%、wop=14.0%、w=21.3%）在不同冻融循环幅度下的抗剪强度对比图（见图 5）。从图 5 可看出，试样经历不同温度幅度冻融循环后抗剪强度降低。其中，w=6.0%试样和 wop=14.0%试样抗剪强度受冻融温度幅度（5 5 和15 15）影响相对较小，剪切强度曲线几乎重合。但当试样达到饱和含水率时，15 15 冻融温度幅度下，试样剪切强度劣化幅度较为明显，且固结压力越大，两种冻融温度幅度下试样的剪切强度差异越大。由此认为，试样含水率越高，冻融温度幅度对其剪强度影响越大，且强度差异与其应力状态有关。绘制典型含水率试样 w=6.0%、wop=14.0%、饱和含水率（wop=21.3%）的抗剪强度与冻融循环次数关系曲线（见图 6）。由图 6 可看出，压实粉土试样抗剪强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低，最后趋于稳定，(a)w=6.0%竖向压力/kPa抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa抗剪强度/kPa0501502503505015025035010050150250350100200300400竖向压力/kPa0100200300400竖向压力/kPa01002000 次冻融循环55 5 次冻融循环1515 5 次冻融循环300400(b)w=14.0%(c)饱和含水率(w=21.3%)0 次冻融循环55 5 次冻融循环1515 5 次冻融循环0 次冻融循环55 5 次冻融循环1515 5 次冻融循环y=0.5311x+20.661R2=0.9996y=0.5054x+19.534R2=0.9945y=0.4954x+19.921R2=0.9942y=0.5308x+20.661R2=0.9986y=0.5311x+31.661R2=0.9992y=0.5042x+19.436R2=0.9931y=0.4954x+19.921R2=0.9836y=0.5054x+20.534R2=0.9958y=0.4954x+20.921R2=0.9985 图 5 不同冻融温度幅度下抗剪强度对比图(a)w=6.0%0246810(b)w=14.0%(c)饱和含水率(w=21.3%)02468100246810抗剪强度/kPa100200150250300350抗剪强度/kPa10050200150250300抗剪强度/kPa10050200150竖向压力 50 kPa竖向压力 100 kPa竖向压力 200 kPa竖向压力 400 kPa竖向压力 50 kPa竖向压力 100 kPa竖向压力 200 kPa竖向压力 400 kPa竖向压力 50 kPa竖向压力 100 kPa竖向压力 200 kPa竖向压力 400 kPay=0.529x27.45x+174.87R2=0.9707y=0.4941x27.3501x+241.45R2=0.9765y=0.215x22.834x+300.5R2=0.8721y=0.248x24.22x+102.56R2=0.9825y=0.3898x25.9798x+135.35R2=0.9426y=0.293x24.535x+191.2R2=0.9513y=0.222x23.343x+57.14R2=0.9661y=0.2596x24.1513x+81.331R2=0.9933y=0.148x22.037x+123R2=0.7677y=0.184x22.906x+38.39R2=0.9365y=0.2354x23.5712x+57.683R2=0.9352y=0.186x22.190 x+94.7R2=0.8695冻融循环次数冻融循环次数冻融循环次数 图 6 不同冻融循环次数下试样抗剪强度206岩土工程技术2024 年第 2 期第 1 次冻融循环后试样抗剪强度衰减幅度最大。低含水率（w=6.0%）试样抗剪强度在第 1 次冻融循环后降低 2.2%4.3%，3 次之后相邻冻融循环次数的试样的抗剪强度变化幅度维持在 0.03%1.6%，试样抗剪强度趋于稳定。最优含水率 wop=14.0%试样的抗剪强度在 1 次冻融循环后幅度下降 4.9%13%，5 次冻融循环后相邻冻融循环次数的试样的抗剪强度变化幅度维持在 0.46%2.3%，趋于稳定状态。而饱和试样抗剪强度在 1 次冻融循环后下降 7.5%15%，循环 7 次后相邻冻融循环次数的试样的抗剪强度变化幅度维持在 0.7%1.4%，其抗剪强度趋于稳定。试样含水率越高其强度衰减越快。2.1.2 压实粉土抗剪强度参数整理试样抗剪强度与固结应力，得到各种温湿条件下冻融循环后试样的内摩擦角和黏聚力与冻融循环次数的关系，如图 7、图 8 所示。可以看出，压实粉土试样的黏聚力和内摩擦角均随着冻融循环次数的增加呈先降低后趋于平缓趋势。但冻融循环的温湿条件差异导致黏聚力和内摩擦角的衰减规律不尽相同。02024283224内摩擦角/()202428326810w=6.0%w=6.0%w=10.0%w=10.0%w=14.0%w=14.0%w=18.0%w=18.0%饱和含水率饱和含水率55C1515C冻融循环次数 图 7 内摩擦角与冻融循环次数关系 02468102010403060508070w=6.0%w=6.0%w=10.0%w=10.0%w=14.0%w=14.0%w=18.0%w=18.0%饱和含水率饱和含水率55C1515C冻融循环次数黏聚力c/kPa 图 8 黏聚力与冻融循环次数关系两种冻融温度幅度下，压实粉土试样内摩擦角随冻融循环次数的增加，呈逐渐衰减至稳定趋势。各含水率下，冻融温度幅度对压实粉土试样的内摩擦角的衰变规律存在影响。在两种冻融温度幅度下，试样黏聚力的衰减规律较为一致，但试样含水率越高，较大冻融温度幅度对于压实粉土黏聚力的损伤效应越明显。2.2 冻融含水率对土体抗剪性能的影响 2.2.1 压实粉土抗剪强度为分析冻融含水率对压实粉土抗剪强度的影响，整理得到相同固结应力下不同含水率试样抗剪强度与冻融循环次数关系曲线，如图 9 所示。由图 9 可看出，相同冻融温度幅度下，试样抗剪强度与含水率呈负相关关系。在试样含水率小于最优含水率时（w14.0%），冻融循环过程中试样抗剪强度的劣化幅度为 22%44%；当试样含水率 w14.0%时，冻融循环过程中试样抗剪强度劣化幅度为 18%34%。可见，含水率越高压实粉土抗剪强度在冻融循环过程中衰减比例越小。2.2.2 压实粉土的剪切强度参数计算得到不同温湿条件时冻融循环作用下试样的黏聚力、内摩擦角，绘制其与试样含水率的关系图，如图 10、图 11 所示。可看出，压实粉土在冻融循环过程中，在试样含水率小于最优含水时（w14.0%），试样黏聚力值下降了 52.2%69.6%，当试样含水率w14.0%时，黏聚力值衰减比例减小，仅为 31.9%52.9%。而内摩擦角值在试样含水率 w14.0%时，衰减幅度为 8.8%10.8%，当试样含水率 w14.0%时，衰减幅度达 20.9%23%。整体而言，冻融循环过程中压实粉土含水率越高黏聚力衰减比例越小，内摩擦角衰减比例越大。3 冻融循环作用下土的微观结构为探究不同温湿条件下冻融循环效应对压实粉土微观结构的影响，对经历不同冻融循环过程试样进行 SEM 扫描电镜分析。图 12 为未经历冻融循环试样 200 倍电镜扫描图。可看出，压实粉土粒径较为单一，颗粒间接触多以面面接触，大量赋存的粉粒形成整体骨架，黏粒附着于粉粒外表面和填充于粉粒间，类似于文献 15 中所述的黏粒网状结构。图 13 为55 和1515 冻融温度幅度下，经历过 9 次冻融循环后，含水率 w=10.0%、w=14.0%以及饱和含水率（w=21.3%）粉土试样扫描电镜图。图 14 为不同冻融温度幅度下土样孔隙率变化彭亚涛等：不同温湿冻融循环条件下粉土剪切特性试验研究207图。由图 14 可看出，在不同含水率下，冻融温度幅度对试样孔隙率影响较为明显。55 冻融温度幅度下试样孔隙率增大 43.3%59.4%；1515冻融温度幅度下，试样孔隙率增大 61.9%93.3%。1515 冻融温度幅度下的试样孔隙率增大程度 w=6%0408012014012010080604020020018016014012010080604020320280240200160120804000w=10%w=14%w=18%饱和含水率含水率/%抗剪强度/kPa(a)法向压力 50 kPaw=6%w=10%w=14%w=18%饱和含水率含水率/%抗剪强度/kPa(b)法向压力 100 kPaw=6%w=10%w=14%w=18%饱和含水率含水率/%抗剪强度/kPa(c)法向压力 200 kPaw=6%w=10%w=14%w=18%饱和含水率0 次1 次3 次5 次7 次9 次0 次1 次3 次5 次7 次9 次0 次1 次3 次5 次7 次9 次0 次1 次3 次5 次7 次9 次含水率/%抗剪强度/kPa(d)法向压力 400 kPa 图 9 不同冻融次数下土体抗剪强度与含水率关系曲线 4681012141618202224020406080冻融次数0 次1 次3 次5 次7 次9 次含水率/%黏聚力c/kPa 图 10 黏聚力和含水率关系曲线 4681012141618202224182022242628303234内摩擦角/()含水率/%冻融次数0 次1 次3 次5 次7 次9 次 图 11 内摩擦角与含水率关系曲线(b)w=14.0%(c)饱和含水率(a)w=10.0%图 12 未经历冻融循环试样 SEM 图208岩土工程技术2024 年第 2 期明显大于55 冻融温度幅度下的试样，且含水率越高，增大效果越明显。(a)w=10.0%,5 5(b)w=10.0%,15 15(c)w=14.0%,5 5(d)w=14.0%,15 15(f)饱和含水率,15 15(e)饱和含水率,5 5 图 13 不同冻融温度幅度下土样 SEM 图 02468101214孔隙率/%含水率/%0 次冻融循环饱和含水率10.014.055 9 次冻融循环1515 9 次冻融循环 图 14 不同冻融温度幅度下土样孔隙率变化图在冻融循环过程中，相较于1515 冻融温度幅值，55 冻融温度幅值下粉土试样颗粒之间的接触点数量较多，孔隙体积相对较低，由黏粒组成的网状结构更加紧凑，试样含水率越高该趋势越明显。这是由于冻融循环过程中，水的相变受冻融温度幅度影响，且相变范围与体积与试样含水率又密不可分。试样冻融循环过程中，低温时水由液态转变为固态结晶体，高温时再次转化为液态，水的体积发生胀缩。胀缩作用对并其周围的土颗粒产生挤压，从而破坏了颗粒之间的连接，颗粒之间接触点数量和接触面积减小，宏观表现为黏聚力减小；土颗粒甚至出现位移并产生孔隙，表现为内摩擦角减小。当冻融温度幅度较小时，可能发生水分未能完全相变现象，而当冻融温度幅度增大时，水的相变更加彻底，对土体结构破坏的更加严重。当试样含水率较低时，水的相变和水分迁移现象不明显，冻融循环作用对土体微观结构影响较小。当试样含水率增大时，冻融循环过程中水的相变程度和体积加大，导致土体结构疏松多孔，大团聚体破碎，小团聚体增多，整体结构呈松散状，抗剪性能减弱。尤其对于饱和粉土，其自身为二相状态，冻融作用时水的胀缩作用更为明显，土体结构受损更加严重，因此试样含水率越高，抗剪性能劣化越明显。4 结 论（1）压实粉土试样抗剪强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低，最后趋于稳定，首次循环后强度衰减比例最大，试样含水率越高其强度衰减越快。（2）压实粉土试样内摩擦角随冻融循环次数的增加呈逐渐衰减至稳定趋势。冻融温度幅度对压实粉土试样内摩擦角衰减的影响程度与含水率紧密相关，含水率越高，较大冻融温度幅度对其黏聚力的衰减作用越明显。（3）相同冻融温度幅度下，压实粉土含水率越高，抗剪强度及其黏聚力在冻融循环过程中的衰减比例越小，内摩擦角衰减比例增大。（4）冻融循环过程中，压实粉土含水率越高，土中水发生相变的范围越大，水分迁移现象和颗粒间作用力越明显，冻融温度幅度对其剪切强度的衰减效应越显著。参考文献 郑郧，马巍，邴慧.冻融循环对土结构性影响的试验研究及影响机制分析J.岩土力学，2015，36（5）：1282-1287,1294.1 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