不同压实状态浅季冻区膨胀土力学特性的冻融演化规律

王亮亮，王照腾，田建胜，林宇亮，于明晖

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116；3.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

膨胀土是一种富含胀缩性蒙脱石、伊利石等矿物成分的特殊黏性土[1],常因其湿胀干缩特性而导致边坡破坏、构筑物损失等病害[2],在我国20多个省市和地区均有分布[3-4]。随着我国北方基础设施建设加速进行,遭遇的季节性冻土区膨胀土工程问题日趋增多。受反复湿胀干缩与冻胀融缩影响,膨胀土边坡及其防护体系病害呈现出发生早、比例高、反复性等特点[5];北疆某输水渠道膨胀土边坡因“冻融”“干湿”引起强度衰减从而导致滑坡问题频发[6]。

周期性冻融作用下膨胀土力学性能衰减问题引起了岩土工作者的重视,并成为膨胀土的研究方向之一。文献[7-9]发现不同初始湿度状态下的膨胀土无侧限抗压强度,弹性模量在冻融循环作用下存在不可忽视的衰减现象。甘发达[10]发现延吉饱和弱膨胀土在周期性冻融循环作用下,出现大量的裂缝,静强度、弹性模量、抗剪强度、内摩擦角、黏聚力均发生衰减,且围压越大,静强度、弹性模量越大。Lu等[11]发现周期性冻融作用下南水北调线路某路堑边坡膨胀土无侧限压缩应力-应变关系呈现为“软化型”,在首次冻融循环后弹性模量和破坏强度衰减显著。Tang等[12]采用扰动状态概念,建立冻融作用下膨胀土的应力-应变统一量化表征模型。Cong等[13]以佳木斯膨胀土为研究对象,发现冻融循环后膨胀土的应力松弛特性,并基于扰动状态概念提出了膨胀土冻融循环应力松弛模型。Zhao等[14]根据齐齐哈尔膨胀土的干湿与冻融共同作用压缩试验成果,利用Konder双曲线模型建立了考虑冻融循环、干湿循环及其耦合作用影响的归一化应力-应变曲线。此外,部分学者发现在膨胀土中添加水泥[15]、钢渣粉水泥[16]、相变材料[17]等可以有效抑制因冻融导致的土体强度衰减。

综上所述,现有研究主要集中在深季节性冻土区(如新疆、东北地区)膨胀土工程特性随冻融循环演化方面,而浅季节性冻土区膨胀土工程特性的冻融效应尚未引起关注。以河南平顶山地区为代表的浅季节冻土区夏季绵长、炎热、潮湿;冬季气温相对较低,常有降雪,虽然一年中气温通常在-3～31 ℃之间变化,但极端低温却时有发生,统计资料显示,在1999年—2021年间出现3次-15 ℃极端低温。尽管地处气候边缘地带的极端低温重现间隔周期较长,但这种非连续性的冻融作用同样会对浅表层膨胀土力学行为造成影响[18],工程建设中若忽视这种影响必将降低边坡防护措施的有效性,特别是对高速铁路的安全运营造成潜在风险,亟待开展研究。

为此,开展不同压实系数(0.85、0.90、0.95)膨胀土在反复冻结融化作用下的力学行为演化规律研究,并基于Konder双曲线模型构建周期性冻融作用下膨胀土应力差与应变关系的量化表征模型,为浅季冻区膨胀土相关工程建设提供数据支撑[19]。

1 试样制备及试验方案

1.1 重塑膨胀土试样制备

试验所用膨胀土为取自位于气候边缘地带的平顶山地区,土体颜色为棕红～黄褐色且间夹杂色黏性土,含豆状铁锰质结核(平均粒径约10～40 mm)。原位土体总体处于硬塑、坚硬状态,取样过程中土体极易沿夹杂矿物界面分离。自由膨胀率测试均值为75%,土样蒙脱石含量测试结果为8%～17.5%,具有一定的波动性。根据TB 10038—2012《铁路工程特殊岩土勘察规程》[20]分类标准,拟将土体膨胀性等级判定为弱至中等膨胀性[21](可结合工程项目的重要性,从安全角度综合选用)。采用单次静压成型法制备标准三轴试样,膨胀土冻融试验方案见表1。

表1 膨胀土冻融试验方案

1.2 试验方案

1)冻融温度边界值确定。河南省平顶山地区近20年来1月极端气温变化曲线见图1。由图1可知,当地环境极端气温为-15～-6 ℃,考虑到冻融循环可能会对浅层膨胀土的工程特性造成影响及最不利冻融条件,以-15 ℃作为冻结温度,以20 ℃作为融化温度。

图1 平顶山地区1月极端气温

不同密实状态膨胀土内摩擦角随冻融次数的发展规律见图5(b)。由图5(b)可知,土体经历的冻融次数相同时,内摩擦角随着压实系数的增加而大幅度提高,初始状态试样(NFT=0)的内摩擦角分别为10.03°(k=0.85)、14.87°(k=0.90)、15.85°(k=0.95);不同密实状态下的土体内摩擦角均在前3次冻融过程中存在较大幅度波动现象,但第4次冻融循环后呈现出相对稳定的增长趋势,且压实系数越大,增幅越小;经过10次冻融循环后内摩擦角的增长幅度分别为29.3%(k=0.85)、15.3%(k=0.90)、10.3%(k=0.95)。内摩擦角增大的原因可能是膨胀土试样在经冻融循环后,试样颗粒之间产生大量微裂纹,且压实系数越小微裂纹越多,在三轴压缩剪切过程中,土颗粒之间的咬合、嵌锁现象增强,出现土体内摩擦角增大的现象。

不同密实状态膨胀土抗剪强度参数随冻融次数发展规律见图5(a)。由图5(a)可知,不同密实状态膨胀土黏聚力随着冻融循环作用的衰减趋势总体相似,膨胀土的黏聚力c为

3)三轴剪切试验。为了避免排水固结与周期性冻融作用产生交互作用,对试样力学性能造成影响,故采用TSZ-6型全自动三轴仪在100、200、300 kPa三种围压下对未冻融、不同冻融次数后的膨胀土试样进行剪切试验(UU)。加载速率为0.8 mm/min且轴向应变达到20%时试验结束。并按照相关试验规程绘制应力-应变曲线,计算经历不同冻融次数后膨胀土的破坏强度σf、弹性模量E、抗剪强度指标φ。

2 试验结果分析

2.1 膨胀土应力-应变关系随压实系数与冻融次数变化规律

设上行和下行的弹性系数α=0.3，β=0.2，分别在无突发事件、价格稳定和价格随机突等多种状况下，运用Wolfram Mathematic判断供应链的协调状况，并计算供应链各企业的期望收益和最优策略，相关计算结果见表1.

今天，随着科学技术的发展，印刷业又迎来了“数与网”时代，互联网、移动互联网改变着信息传播和呈现的途径、方式和手段，传统纸媒体产业发展不断受到冲击和严峻挑战，市场需求空间被不断压缩和蚕食。不仅如此，传统印刷产业在经历了20世纪的黄金发展期后，已进入产能相对过剩、产业转型、技术升级、经济增长方式发生重大变化、增速放缓等多重因素影响的关键时期。这种形势，使为数不少的印刷从业者陷入迷茫状态，传统印刷企业如何应对这种局面，下一步究竟如何发展，印刷产业新的发展道路在哪里？这是印刷产业界急需进行深入研究并作出回答的问题。

“嘿嘿，太平本是将军定，哪个将军见太平？本将军平定天下，功高劳苦，想不到功劳越大，越是不能安享太平。”将军苦笑之余，颓然问道，“沉渊楼什么时候也肯杀忠臣良将了？”

图2 不同密实状态下膨胀土(σ1-σ3)～ε曲线随冻融循环的发展规律

2.2 不同密实状态膨胀土破坏强度随冻融循环的变化规律

破坏强度是表征土体极限承载能力的重要指标,应力-应变关系曲线存在明显峰值时以曲线峰值点对应的应力作为破坏强度,或应力-应变关系曲线为“硬化型”时取轴向应变15%对应的应力值作为破坏强度。不同压实系数膨胀土破坏强度σf与冻融次数NFT关系曲线见图3。由图3可知,膨胀土破坏强度随冻融次数增长的衰减规律总体上相似,根据试验获得的土体破坏强度σf为

土体三轴剪切试验(UU)应力-应变曲线通常有应变硬化型、应变软化型及理想弹塑性3种类型。为了得到周期性冻融循环作用下膨胀土应力-应变关系表征模型,以初始压实系数为0.90的试验组为例,进行统一化处理。由图2(d)～图2(f)可知,在初始压实系数为0.90的试样应力-应变曲线均为应变硬化型曲线,其关系可以采用Konder提出的双曲线模型进行描述,其表达式为

由图3可知:经过相同冻融次数的膨胀土破坏强度随着围压、初始压实系数的增加而逐渐增大;较低初始压实系数k=0.85时,σf与NFT关系曲线近似呈指数型负相关性。经过10次冻融循环后,破坏强度衰减为未冻融试样的69.4%(σ3=100 kPa)、74.6%(σ3=200 kPa)、78.7%(σ3=300 kPa)。高初始压实系数k=0.90、0.95时,首次冻融作用导致的膨胀土破坏强度衰减幅度最大,但这种衰减幅度随着土体初始压实系数k增加而逐渐缩小;k=0.90时首次冻融衰减幅度分别为12.2%(σ3=100 kPa)、9.3%(σ3=200 kPa)、12.1%(σ3=300 kPa),k=0.95时首次衰减幅度分别为9.2%(σ3=100 kPa)、7.1%(σ3=200 kPa)、5.9%(σ3=300 kPa);经过10次冻融作用后,破坏强度仅为初始状态的77.6%～89.8%(k=0.90),80.3%～85.9%(k=0.95)。不同密实状态下膨胀土破坏强度与冻融次数关系曲线拟合结果见表2。

图3 不同初始压实系数下膨胀土破坏强度随冻融次数的变化规律

σf=A+Be-NFT/C

( 1 )

式中:A、B、C均为试验数据拟合参数;NFT为冻融循环次数。

马克思指出，人们的“需要即他们的本性”，“你自己的本质即你的需要”。所以说，需要是工程师恪守工程伦理，进行工程创新的动力，是他们实现全面发展的源泉。工程师从事工程活动不仅为了满足自己生活资料的需要，而且也是为了满足精神层面和社会层面的需要。基于此，在工程伦理教育中，要偏重于精神的需要，培养工程师的“普世”情怀，让他们在工程活动中心系“广大民众”，以民众的最大福祉为工程活动的出发点。让他们的心理需要和心理特征与大众融合，让他们的活动迎合社会的基本价值观念，使工程活动在满足人类需要的同时，实现工程最大的“善”，即工程与人、自然、社会的和谐共生。这才是工程伦理教育最终的归宿。

采用SPSS15.0统计学软件对本研究所有数据进行统计、分析，（±s）表示计量资料，采用t检验，率（%）表示计数资料，采用χ2检验，差异有明显统计学意义以P＜0.05表示。

表2 膨胀土破坏强度与冻融次数拟合关系

2.3 不同密实状态膨胀土弹性模量随冻融循环的变化规律

弹性模量进行边坡稳定性分析与防护支挡结构设计计算时的重要指标之一[18]。依据Lee等[23]、胡田飞等[24]的研究成果,并结合冻融循环后膨胀土应力-应变曲线特点,采用(σ1-σ3)～ε关系曲线起点与轴向应变ε=1%所对应应力曲线点之间的斜率作为弹性模量。不同初始压实系数下膨胀土弹性模量随冻融次数与围压的发展规律见图4,由图4可知:高初始压实系数k=0.95时,膨胀土弹性模量在首次冻融循环后衰减幅度最大,为32.43%(σ3=300 kPa)～48.07%(σ3=100 kPa);弹性模量衰减幅度最为显著的是前3次冻融循环,5～10次冻融循环过程中,衰减幅度逐渐降低且开始逐渐趋于稳定;10次冻融作用后弹性模量随着围压增加而增大,而其衰减幅度却随围压增加逐渐减小,即50.67%(σ3=300 kPa)～65.32%(σ3=100 kPa)。随着压实系数降低为0.85和0.90时,在周期性冻融作用下,膨胀土试样弹性模量波动幅度增大;前5次冻融作用是导致弹性模量衰减的主要原因,而后冻融循环过程中,弹性模量衰减幅度逐渐减小;在10次冻融循环后,弹性模量尚未稳定,其中,当k=0.85时,为初始状态的59.42%(σ3=100 kPa)、90.31%(σ3=200 kPa)、80.56%(σ3=300 kPa),当k=0.90时,为初始状态的62.35%(σ3=100 kPa)、65.92%(σ3=200 kPa)、57.96%(σ3=300 kPa)。

各密实状态下膨胀土(σ1-σ3)～ε关系曲线随冻融过程的变化规律见图2。图2中,σ1为轴向应力;σ3为围压;σ1-σ3为主应力差;k为压实系数。由图2可知:①k=0.85、0.90的试验组膨胀土主应力差随轴向应变的发展曲线簇呈现“应变硬化型”,且围压越大,硬化趋势越强;k=0.95的试验组膨胀土(σ1-σ3)～ε线簇在低围压时为弱“应变软化型”,并随着围压增大逐渐过渡为弱“应变硬化型”;②围压不变时相同轴向应变对应的主应力差总体上随着初始压实系数的增加而增大;③同一压实系数的膨胀土,相同轴向应变对应的主应力差随冻融次数增加而减小,应力衰减幅度随冻融次数增加而逐次降低,但这种逐次衰减幅度几乎不受土体初始压实系数的影响。

图4 不同压实系数条件下膨胀土弹性模量随冻融次数与围压的发展规律

2.4 不同密实状态膨胀土抗剪强度参数随冻融循环的发展规律

2.4.1 黏聚力随冻融次数的发展规律

具体步骤为:为尽量减少冻融过程膨胀土试样表层水分蒸发量,利用塑料保鲜膜将预制好的膨胀土三轴试样包裹起来并编号,冻融作用在冻融循环实验箱(温控精度:±0.5 ℃)的中进行试;将实验箱温度调至-15 ℃后运行10 min,确保箱内环境温度达到均衡,放入膨胀土三轴试样开始冻结作用,期间间隔20 min快速测量一次试样轴向与径向尺寸直至达到变形稳定标准,且总冻结时间不少于8 h;冻结过程结束后调整实验箱温度至20 ℃开始融化过程,试样变形测量频率同冻结过程直至达到稳定标准,且总融化时间不少于8 h。

图5 不同密实状态膨胀土抗剪强度参数随冻融次数发展规律

c=D+Ee-NFT/F

( 2 )

式中:D、E、F为通过试验得到的参数。

经过同样次数冻融作用后的膨胀土黏聚力c随初始压实系数k增加而增大;同一压实状态试验组膨胀土黏聚力随冻融次数增加而快速衰减,但衰减幅度逐渐次缩小;黏聚力快速衰减阶段主要集中在前2次冻融循环,且衰减幅度随着压实系数的增大而逐渐增大,分别为未冻融状态的88.4%(k=0.85)、83.1%(k=0.90)、75.8%(k=0.95),冻融循环作用下膨胀土黏聚力总体上呈指数型小幅波动衰减趋势;经过10次冻融循环后膨胀土的黏聚力进一步衰减为未冻融状态的60.3%(k=0.85)、72.5%(k=0.90)、75.2%(k=0.95)。

2.4.2 内摩擦角随冻融次数的发展规律

2)冻融变形稳定标准与具体步骤。依据TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》[22]的规定,试样2 h内变形量小于0.05 mm视为变形稳定,为提高试验精度,本次采用的试样变形冻融稳定标准为每2 h不大于0.01 mm,共进行10次冻融循环。

3 周期性冻融作用下膨胀土统一应力-应变关系

实施最严格水资源管理，落实三条红线，须大力发展水利科学技术，切实提高水生产力。目前，我国许多地区还处在水生产力的人工和机械化阶段，电气及信息化的生产力水平非常有限，这是阻碍最严格水资源管理制度进一步落实的主要问题。因此，大力发展水利科学技术，汲取国际水管理的先进经验，提高监控水资源的技术与管理能力，提高水生产力，是当前进一步落实最严格水资源管理制度的关键任务。此外，深入阐述水生产力的内涵，从劳动者、生产工具及劳动对象等方面，建立水生产力的定量评价指标体系，评价流域社会水生产力的发展水平，提出水生产力提高的途径，是下一步研究的主要思路。

( 3 )

( 4 )

式中:a为初始切线模量倒数;b为极限偏应力倒数。

由图2可知,轴向应变小于0.74%时,基于曲线计算的初始切线模量离散性大,其原因应是应力-应变关系受到了试样安装、加载系统与试样初始接触调整等因素影响,为此,以轴向应变0.9%对应的应力-应变曲线点进行初始切线模量计算。

利用式( 4 )得到的不同围压、冻融循环次数下的a、b值见表3。经过对数据分析发现,a在没有经过冻融作用时随围压增大而线性减小,而在承受冻融循环作用后则随围压增大而线性增大;b则冻融前后均随围压增加线性递减;相同围压条件下,在前5次冻融过程中a与冻融次数呈线性增长关系,此后a与冻融次数的规律性较差。基于表3分别对a、b与冻融次数、围压关系曲线进行拟合,结果见图6,则气候边缘地带平顶山地区膨胀土Konder双曲线模型参数分别为

图6 双曲线参数拟合

表3 不同冻融循环次数下的参数a、b值

a×104=

( 5 )

( 6 )

4 结论

1)密实状态不变时,膨胀土相同轴向应变对应的主应力差值随冻融次数增加而逐渐减小,应力衰减幅度随冻融作用而逐次降低,且逐次衰减幅度与初始压实系数关系不显著。

2)膨胀土破坏强度、黏聚力与冻融次数之间为负相关关系,而与初始压实系数则为正相关关系,冻融作用下膨胀土弹性模量总体上呈指数型衰减趋势,内摩擦角波动性较大但总体随冻融次数小幅增大。

男生甲 （生气）别以为我们都是白痴，没谈过恋爱！成天茉莉茉莉，飞机上人家跟你说声对不起，就以为人家看上你，呸，自恋！

3)冻融循环主要对初始切线模量具有显著影响,而极限偏应力影响不显著,且在第5次冻融循环后土体应力-应变关系趋于统一。