冻融作用对土体力学性质的影响试验研究

贾松敏，闫晓雪，卢玉东

（长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：贾松敏（1990－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，水文学及水资源专业。

闫晓雪（1989－），女，长安大学环境科学与工程学院硕士研究生，水文学及水资源专业。

卢玉东（1969－），男，长安大学环境科学与工程学院教授，水文学及水资源专业。

摘 要：冻融过程使土体的结构、力学性质等发生变化，导致其工程性质恶化，对各类基础设施建设造成巨大危害。为研究冻融过程中土体力学性质的变化，本文选取青海省玉树州的土样进行了正交抗剪试验研究。试验结果表明，随温度升高土体由完全冻结至完全融化的过程中，抗剪强度随含水量的增大而减小，当温度小于0℃时，抗剪强度随温度的升高而降低；当温度大于0℃时，抗剪强度随温度的升高有所回升。

关键词：冻融过程；力学性质；抗剪强度；青海省玉树州

Abstract：The considerable changes of the structures and mechanical properties of soils during freezing－thawing process cause variation of engineering properties which lead to substantial harm to infrastructure．To research the change characters of me－chanical properties of soils，an orthogonal shear test was conducted on the soil samples from Yushu，Qinghai province．The test result indicates that shear strength，during freeze－thaw process，decreases with water content increasing，drops below 0℃and increases above 0℃with the temperature rising．

Key words：Freeze－thaw process；Mechanical properties；Shear strength；Yushu，Qinghai province

1 前 言

我国冻土分布面积很广，尤其是青藏高原玉树州地区，在这一区域，冻胀、融沉、冻融泥流、冻融滑坡等地质灾害时有发生，对水利水电工程、道路工程、各类建筑造成巨大危害。

冻土是对温度敏感的土体，相对普通土而言，其力学性质较为复杂。土体的冻融过程会改变土体颗粒间的结构联结、排列方式，从而改变土的力学性质，国内外多位学者对此进行了研究。R．W．van Klaveren［1］的研究结果表明，冻融循环后土的剪切强度低于未经冻融的土。齐吉琳等［2］通过研究得出冻融循环可以改变土的力学性质，这种影响是通过改变土的结构性而产生的。B． D．Alkire和J．M．Morrison［3］对松散的粉质土和低密度黏土的试验表明，经过冻融循环，土的不排水剪切强度有所增加。D．Y．Wang等［4］研究表明，经过冻融作用后，土壤的内摩擦角增大，黏聚力降低。S．J．Zhang等［5］认为，石灰粉土的剪切强度随冻融循环次数的增加而逐渐衰减，经历10次冻融循环的饱水石灰粉土强度最低。而苏谦等［6］认为，土体冻融最终平衡状态与初始干密度相关，随着冻融循环过程增加，低密度土体的黏聚力有所提高，而高密度土体的黏聚力下降，内摩擦角变化较小。王大雁等［7］研究后认为，随着冻融循环次数的增加，黏土的黏聚力逐渐下降，但冻融循环对土体内摩擦角的作用并无规律可循。之前的研究大多数集中在循环次数对岩土体力学性质的影响，对冻融过程中，岩土体力学性质的变化研究较少，本文通过直剪快剪试验，尝试探讨冻融过程中，土体的内摩擦角和黏聚力随着温度与含水率的变化过程。

2 冻融作用对土体力学性质影响的试验研究

冻融作用不但可以改变斜坡土体水分的分布情况，还可以改变土体的抗剪强度，对斜坡的稳定性也有直接的影响。以下采用直剪快剪试验测得土体在不同含水率和不同温度条件下抗剪强度指标c、φ值的变化。

2．1 试验原理与方法

土质斜坡的滑动很大程度上是由土体的抗剪强度参数（c值、φ值）决定的，土体经历冻结后，其自身的结构发生了变化，随着温度的升高土体中冰逐渐融化，土体抗剪强度大幅减小，增加了斜坡发生滑动的可能。

本文对不同含水量，不同温度下的试样进行直接剪切试验，分析在不同温度及不同含水量情况下，土质斜坡内部发生相对滑动时，冻融滑动面上土体的抗剪强度参数，同时提供计算斜坡稳定性时使用的土强度指标内摩擦角φ值和黏聚力c值。

2．2 实验装置与土样选取

取样地点位于玉树州杂多县城西，在县城至阿多乡县乡公路7km 扎曲河右岸，东经95°12′50″，北纬32°53′29″，高程4123m，为一热融滑塌点。土样取自热融滑塌后壁暴露的粉质黏土。该滑坡整体坡度约35°，且由于人工筑路开挖有一陡坎，后部相对平缓，坡度约25°。该处粉质黏土呈褐色－黑褐色，稍湿，可塑，土质较均匀，孔隙较发育，土体较疏松。含有大量的根系、腐殖质，其上有草生长，厚度一般为0～0．6m。

试验采用试件，制冷设备选用调温式冷冻冰柜FYL－YS－128（如图1）、抗剪强度试验设备采用EDJ－1型直剪仪（如图2）。在每个试样进行试验前将直剪仪的铜质上盒和下盒一并放入冰柜中冷藏，以确保实验过程中试样不会发生融化。

图1 控温冰柜

图2 EDJ－1型直剪仪

2．3 土体的基本参数

制备试样所选用的土样取自青海省玉树州杂多县，土质为粉质黏土。根据土工试验规程，对其进行含水率试验、液限塑限试验，测得土样的各基本指标如表1所示。

表1 土样各基本指标

2．4 试验设计

1．试验条件设计

（1）温度变化条件

设计试样所处的温度为6个温度：－20℃、－15℃、－5℃、0℃、2℃、4℃，代表了土体由完全冻结至融化的过程。

（2）含水量变化条件

设计含水量为5％、10％、15％、20％、25％，代表了试样由较干燥状态到饱和状态的过程，每个温度对应的每个含水量各制作3个试样，分别施加50k Pa、100k Pa、150k Pa的正应力，得到特定温度和含水量下的抗剪强度参数c、φ值。

2．试验过程

将试样在冰箱中设定温度下冻结10h后，放入剪切盒，选用直接剪切试验中不排水快剪方式，按照试件分组设计垂直压力，以0．8cm／min的剪切速度进行直剪试验。当测力计量力环读数变小时，继续剪切至剪切位移为4mm为止，记下破坏值。若剪切过程中测力计量力环读数持续增加，则剪切至位移6mm时记录量力环读数。

2．5 实验结果与分析

据室内土工试验数据得出6个温度（－20℃、－15℃、－5℃、0℃、2℃、4℃），5个含水率（5％、10％、15％、20％、25％）条件下粉质黏土黏聚力和内摩擦角的变化曲线。

可看出土体的抗剪强度随含水量的升高急剧降低，在－20℃时，由于土体在该温度下基本完全冻结，未冻水含量极小，其黏聚力和内摩擦角随含水量的变化不大，随温度升高土体内含水量对土体抗剪强度的影响越明显。

冻土在完全冻结和完全融化时强度较高，而随温度的升高土体在融化过程中抗剪强度急剧降低，当温度由－20℃上升到4℃时，c、φ值都降低了约40％；而且随含水量的增高，土体由塑限以下至接近液限的过程中，抗剪强度也有大幅度的降低，当含水量由5％增大到25％时，c、φ值都降低了约70％，如图3－6。

图3 黏聚力随含水量的变化

图4 内摩擦角随含水量的变化

由于试验数据在0℃时发生转折，而0℃上下的内摩擦角和黏聚力趋势都大体呈线型分布，故将试验数据按0℃分开，采用SPSS软件，对试验数据建立土体抗剪强度参数多元线性回归分析模型得：

0℃以上时土体抗剪强度符合公式：

c＝63．007＋4．231t－228．54w

R2＝0．937

φ＝13．199＋0．846t－37．143w

图5 黏聚力随温度的变化

图6 内摩擦角随温度的变化

3 结语

通过对玉树高寒区土体进行冻融前后的直接剪切试验，讨论冻融作用对土体抗剪强度相关指标的影响，本文得到如下结论：

（1）无论冻结还是融化状态，土体的内摩擦角和黏聚力都随含水量的增大而减小。

（2）不同温度条件下，内摩擦角和黏聚力减小的幅度不同。－20℃时，土体的黏聚力和内摩擦角随含水量的变化不大。随着温度升高，土体的内摩擦角和黏聚力随着含水量的变化越来越大。

（3）对温度来说，0℃是分界线：0℃以上，土体内摩擦角和黏聚力与温度成正比关系；0℃以下，土体内摩擦角和黏聚力与温度成反比关系。也就是说0℃时，斜坡力学性质最差。

（4）在实际工程中，如果将含水量的级差进一步的加大，会造成土体融化后的c、φ值显著下降，冻害作用将变大，因此工程设计施工时要注意排水。

参考文献

［1］ Van Klaveren R W，Mc Cool D K．Hydraulic erosion resistance of thawing soil［J］．American Society of Agricultural Engineers（Microfiche collection）（USA），1987．

［2］ 齐吉琳，张建明，朱元林．冻融作用对土结构性影响的土力学意义［J］．岩石力学与工程学报，2004，23（增2）：2690–2694．

［3］ Alkire B D，Morrison J M．Change in soil structure due to freeze－thaw and repeated loading［J］．Transportation Re－search Record，1983，918：15–21．

［4］ Wang D，Ma W，Niu Y，et al．Effects of cyclic freezing and thawing on mechanical properties of Qinghai–Tibet clay ［J］．Cold regions science and technology，2007，48（1）：34–43．

［5］ Zhang S，Lai Y，Zhang X，et al．Study on the damage propagation of surrounding rock from a cold－region tunnel un－der freeze–thaw cycle condition［J］．Tunnelling and underground space technology，2004，19（3）：295－302．

［6］ 苏谦，唐第甲，刘深．青藏斜坡黏土冻融循环物理力学性质试验［J］．岩石力学与工程学报，2008，6，27（增1）：1990–2994．

［7］ 王大雁，马巍，常小晓，等．冻融循环作用对青藏黏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．