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冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验

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第38卷第3期 2011年6月 成都理工大学学报(自然科学版) JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(Science&Technology Edition) Vo1.38 NO.3 Jun.2011 [文章编号]1671—9727(2011)03—0334—05 冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验 许 强 吴礼舟 张莲花 (成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都610059) [摘要]通过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,探讨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。试验结果表明,含水量越大,冻土的抗剪强度越大,相应的内摩擦 角和黏聚力也越大。相同含水量,冻融循环次数越多,融土的抗剪强度则越大。除了高含水 量,低压力情况下冻土剪切过程中的位移一剪切应力曲线多呈现应变硬化型。 [关键词]非饱和冻土;冻融循环;抗剪强度;含水量 [分类号]TU411.3 [文献标识码]A 冻土区别于常规融土的最本质的特征是冰的 冻融循环对不同含水量冻土强度的影响特征。 存在,也就是说,通常情况下融土是三相体系,而 冻土是四相体系口]。大多数冻土处于非饱和状 态。对于非饱和冻土而言,因为冰的存在,非饱和 状态下的基质吸力被含水量或饱和度所替代。何 平等将冻土分为3个状态来分析:非饱和、饱和以 及过饱和,认为含水量是影响冻土融沉量另一重 要指标 。 1试验内容与方法 1.1试验内容 土样取自湖南郴州黏土,其物理试验结果见 表1。根据试验需要,重塑成不同含水量的土样。 表1湖南黏土的物理指标 Table 1 Physical properties of the Hunan clay 2008年中国南方大部分地区遭受了百年罕 见的极端冰雪灾害,造成损失巨大。南方的冻土 历时短,也称为“短时冻土”[3]。短时冻土的针对 性研究较少 。为了查明极端天气情况下冻融 为了分析冻融循环对非饱和冻土强度影响作 用,把土样烘干后粉碎、过筛,再配制成不同含水 量的重塑土样。对不同饱和度或含水量的土样进 循环作用对南方黏土抗剪强度的影响,作者在中 国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实 验室进行试验,分别设计了对湖南黏土样品进行 行直剪试验和三轴试验,研究冻融循环对非饱和 冻土强度的影响规律。 直接剪切试验和三轴压缩试验。通过试验分别获 取湖南黏土经过冻融循环后的抗剪强度,研究了 [收稿日期]2010—12—16 冻土的强度试验系统主要由以下几个部分组 成: [基金项目]国家科技支撑计划项目(2OO8BAc47BO1);教育部创新团队(IRT0812);国家自然科学基金委基金项目 (40902087);留学人员择优资助项目。 [作者简介]许强(1968一),男,博士,教授,博士生导师,水文地质与工程地质专业,主要从事地质灾害预测评价及防治 处理方面的教学与研究工作,E—mail:xuqiang一68@126.corn。 第3期 许 强等:冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验 ・335・ a.多功能冻土模拟厅。冻土试验厅是具有一 分别为100 kPa、200 kPa和400 kPa。试验以0.8 mm/min的剪切速率进行剪切。 定结构刚度的保温试验室,采用1 mm厚钢板组 合拼装,内壁喷涂150 mm厚的聚胺酯保温层,外 用绝热材料构成。冻土厅内部有效净空间为2 m 2实验结果与分析 ×2.5 m×2.5 m,能同时容纳4台直剪仪,可以 实现不同应力水平下的冻土直剪试验同时进行, 消除环境温度波动对土样直剪试验结果的影响, 最大限度地保证试验结果的可对比性。 b.制冷及温控系统。制冷系统与温控系统 是确保冻土试验的关键。制冷系统可实现最低温 度一18℃,控制精度0.5℃,温度显示精度0.1℃, 完全满足本次试验的要求。 在一级制冷基础上,采取二级保温措施进行 温度控制和调节。二级制冷采取聚乙烯板做成的 保温层,并用高精度温度传感器进行精确控制,实 现对冻土试验厅内温度的精确调节。本次试验选 择灵敏度高、稳定性好、体积小、易于远距离测试 和控制的热敏电阻。 c.直剪系统。直剪系统采用由南京土壤仪器 厂生产的EDJ一1型等应变直剪仪,采用量程为1 MPa的钢环,061.8 mm×2O mm规格的环刀进 行制样。试验结果表明,本次试验设计完全满足 冻土以及冻融循环后融土直接试验的要求。同 时,为消除温度对测力刚环系数的影响,在使用前 进行误差修正。 d.测试系统。测试系统由DATATAKER 数据采集仪、计算机、高精度热敏电阻等组成。可 以实时、定时、巡回数据采集。主要功能是实现对 剪切过程中试样温度、环境温度进行定时监测和 调节。 e.TSZ一2全自动三轴仪。试验机采用步进电 机无级变速、加压,轴向力可用力传感器,由精密 数字活塞组成的液压系统施加围压、反压,对固结 排水、体积变化的测量,无需量管、传感器,可以分 辨出1 mm。的变化。 1.2试验方法 为了更加深入地研究极端温度下中国南方短 时冻土的抗剪性质,按照相关规范 ],冻胀融沉 试验均在封闭系统中进行,试验是在中国矿业大 学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室完成 的。 试验中,短时冻土的冻结温度为一3℃,融化 温度为+10。C,冻融循环时间为24 h,竖向荷载 2.1 --3℃时的直剪强度试验结果 图1为一3℃不同含水量冻土直接剪切试验 过程中剪切位移一剪切应力曲线。图1显示含水 量较小时冻土剪切过程中的位移一剪切应力曲线, 基本呈现应变硬化型;含水量较大时,应力一位移 曲线的应变硬化减弱,尤其正压力为100 kPa时 呈现软化特点。除了含水量(质量分数)为45 , 正压力为100 kPa时出现峰值,图1中其余情况 均无明显峰值出现,冻土塑性变形特征较明显,这 与冻土中所含大量的未冻水相关。 2 2 1 1 5 O 5 O 5 剪切位移/mm 图1 —3℃冻土直剪位移一剪应力曲线 Fig.1 Displacement—shear stress curves of frozen soils at一3℃ 图2为非饱和冻土的抗剪强度图。从冻土试 样抗剪强度曲线中还可以发现,含水量越大,冻土 的抗剪强度越大,相应的内摩擦角和黏聚力也越 大。图2显示含水量对c值的影响明显强于对 值的影响。 恩 j球 图2—3。C冻土抗剪强度图 Fig.2 Shear strength of frozen soils at一3℃ ・336・ 成都理工大学学报(自然科学版) 第38卷 2.2不同冻融循环次数对融土抗剪强度的影响 ∞加∞如∞如加m 0 图3为不同冻融循环次数后融土的剪切位 移一剪切应力曲线,可以看出,融土的应力应变曲 线形态呈现为硬化型,与冻土试验结果略有不同。 楹R 0 1 2 3 4 5 6 7 剪切位移/ram 图3不同冻融循环次数后融土 剪切位移一剪应力曲线 Fig.3 Displacement-shear stress curves of thawed soils after freezing—thawing cycles 图4显示了含水量为35 时不同冻融循环 条件对抗剪强度的影响,图5则为叫一45 时不 同冻融循环条件下的抗剪强度。从图4和图5中 不同冻融循环次数后融土抗剪强度试验曲线中可 以发现,相同含水量,冻融循环次数越多,融化后 土的强度越大,而相同冻融循环次数,冻土的初始 含水量越大,融化后的抗剪强度则越小。图4和 图5表明冻融循环3次后融土抗剪强度趋于稳 定。 图4 含水量为35 的经冻融循环后 融土抗剪强度曲线 Fig.4 Shear strength of thawed soils after freeze— thaw cycles with 35 of moisture 2.3 反复冻融循环对非饱和冻土的变形影响 图6为含水量(质量分数)为35 时冻融循 环后剪切过程中的位移曲线,正压力为400 kPa。 ∞ ~ 图5含水量为45 的经冻融循环后 融土抗剪强度曲线 Fig.5 Shear strength of thawed soils after freeze— thaw cycles with 45 of moisture 由于冻胀融沉效应,重塑土在经历冻融循环后,内 部孔隙比增大,干密度降低,剪切过程中,在正应 力作用下土体产生固结沉降,剪切强度增加,固结 4 3 2 1 O 5 4 5 3 5 2 5 1 5 程度与剪切过程中的垂直位移密切相关。 g 吕 0 100 200 300 400 500 t/s 图6 w一35 时冻融循环后剪切过程中的位移曲线 Fig.6 Displacement curves of thawed soils after freeze—thaw cycles with 35 of moisture 从图7可以看出,相同的冻融循环次数,含水 量越大,垂直位移越小,融土的固结程度越低,对 应的抗剪强度也越小;而相同含水量,冻融循环次 数越多,垂直位移越大。相应地,融土的固结程度 越高,抗剪强度则越大,如图4和图5。 2.4非饱和冻土的三轴强度试验 图8为不同冻融循环次数后融土的三轴剪切 应力一应变曲线,围压为100 kPa。从图8中可以 看出,不同冻融循环后融土的三轴剪切应力一应变 曲线呈应变硬化型,在轴向变形达到2O 之前, 没有明显的峰值出现。融土的抗剪强度(轴向变 形为2O 时的主应力差)则随冻融循环次数的增 加而增加,这与直接剪切试验结果吻合。 第3期 许 强等:冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验 ・337・ 吕 吕 邋 Ⅷ O 100 200 300 400 500 t/s (A)O次冻融循环 吕 g 淤 嗍 t/s (B)3次冻融循环 口 ・ I甫】 t/s (C)6次冻融循环 图7经冻融循环的融土剪切过程中 垂直位移试验曲线 Fig.7 Displacement curves of thawed soils during shear process after freeze—thaw cycles 25O 200 150 10o 50 0 5 10 I5 20 25 3O 轴向应变/% 图8经冻融循环的融土三轴轴向应变一 主]查力差曲线 Fig.8 Strain'-principal stress difference curves of thawed soils by triaxial tests after freeze-thaw cycles 3 结论 根据以上试验和分析,得出如下结论: a.冻土剪切过程中的位移一剪切应力曲线多 呈现应变硬化型,无明显峰值出现(除了高含水 量,低压力情况下),冻土塑性变形特征较明显,这 与冻土中所含大量的未冻水相关。经历冻融循环 后融土的应力应变曲线形态也呈现应变硬化特 征。 b.含水量越大,冻土的抗剪强度越大,相应 的内摩擦角和黏聚力也越大。由于冻胀融沉效 应,重塑土在经历冻融循环后,内部孔隙比增大, 干密度降低,剪切过程中,在正应力作用下土体产 生固结沉降,剪切强度增加,固结程度与剪切过程 中的垂直位移密切相关,相同的冻融循环次数,含 水量越大,垂直位移越小,融土的固结程度越低, 对应的抗剪强度也越小。含水量对C值的影响明 显强于对 值的影响。 C.相同含水量,冻融循环次数越多,垂直位移 越大,融土的固结程度越高,抗剪强度则越大。冻 融循环3次后融土抗剪强度趋于稳定。 感谢中国矿业大学深部岩土力学与地下工程 国家重点实验室常务副主任周国庆教授等在实验 上给予的帮助。 [ 参 考 文 献 ] [1]齐吉琳,马巍.冻土的力学性质及研究现状[J].岩土 力学,2O10,3i(I):133—143. [2]周幼吾,郭东信,邱国庆,等.中国冻土VM].北京:科 学出版社,2000. [3]何平,程国栋,朱元林.冻土融沉系数评价方法[J].冰 川I冻土,2003,25(6):608—613. [4]吴礼舟,许强,黄润秋.非饱和粘土的冻胀融沉过程分 析[J],岩土力学,2011,32(4):1025—1028. [5]王永忠,刘雄军,艾传井,等.南方短时冻土抗剪强度 指标C、 值的试验研究_J].武汉大学学报:工学版, 2Ol0,43(2):198—202. [6]中华人民共和国水利部.GB/T50123—1999土工试 验方法标准Es]. [7]MT/T593.人工冻土物理力学性能试验[s].北京:煤 炭工业出版社,1996. ・338・ 成都理工大学学报(自然科学版) 第38卷 Shear strength test of the unsaturated frozen clay under freeze—thaw cycles XU Qiang。Wu Li—zhou。ZHANG Lian—hua State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geological Environment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 61 0069,China Abstract:The strength experiments of the Hunan clay under different freeze—thaw cycles were carried out in the laboratory.The strength characteristics experiencing freeze thaw cycles were analyzed. Influence of moisture on frozen soil strength and displacement was concerned.More attentions are particularly been paid to the effect of freeze—thaw cycles on the clay strength.The experiment results show that higher water content means larger strength for the frozen or thawed clays.Freeze—thaw cycles have an effect on strength changes.The results indicate that strain hardening mostly occurs for stress—displacement curves of frozen or thawed clays with different moistures. Key words:unsaturated frozen soil;freeze—thaw cycles;shear strength;water content 荷兰《地学数据库》(GeoBase)2010年收录中国期刊名单 资料来源:莫妮卡・龙(Monika Long,Assistant to the Director,Information Systems,American Geological Institute) 电子邮件。收集查询翻译整理:国际检索系统咨询部李晶,朱诚;完成日期:2011-06—07 由荷兰Elsevier公司出版的《地学数据库》(GeoBase)是一个地球科学、生态学、地理学和海洋学方面的书目数据库; 它是环境和地理学以及其他相关领域研究的非常好的工具,覆盖面广、来源多。该数据库收录了3000多种期刊和其他 2000余种图书、会议录、报告及非正式出版物等,数据选自5000余种期刊和几千种其他非连续出版物中,包括仲裁文 件、期刊论文及其他科技文献等。GeoBase的学科范围包括自然地理、人文地理、地质学、经济地理、国际发展、海洋地 理、岩石力学、矿物学、地质力学等。国际检索系统咨询部与Elsevier公司莫妮卡・龙(Monika Long)联系,索取到《地学 数据库》2010年来源期刊表。目前收录47种。 序 口 中文刊名 ISSN 16 地质幕(英文版) 17 地质通报 l8 地质学报 l9 国际地图(英文版) 0705-3797 1671 2552 OOO1 5717 1010—6049 32 湿地科学 33 世界地震工程 1672 5948 1007 6O69 1 测绘信息与工程 2 测绘学报 1007 3817 1001—1595 34 兽类学报 35 土壤圈(英文版) 1000—1050 1OO2 O1 6O 3 成都理工大学学报(自 1671 9727 然科学版) 4 大地工程学刊(英文版) 199O一8326 5 地理学报 O375 5444 2O 海洋学报(英文版) 21 环境科学学报 0253 505X O253—2468 36 武汉大学学报(信息科 l671学版) 8860 37 物探化探计算技术 38 西北地质 1001—1749 1009 6248 6 地球科学集刊(英文版) 1017一O839 7 地球科学学刊(英文版) 1674—487X 22 环境科学学报(英文版) 1O01—0742 23 矿物岩石 1001 6872 39 亚太旅游业研究学报 1O94 1 665 (英文版) 40 岩石学报 1000—0569 8 地球空间信息科学学报 1009(英文版) 5020 24 矿物岩石地球化学通报 1007—2802 25 林业科学研究 26 林业研究(英文版) 1OO1—1498 1007—662X 9 地球物理学报 10 地震 11 地震地质 0001—5733 1000 3274 O253—4967 41 应用生态学报 42 植物学报(英文版) 1O01 9332 l672—9O72 27 气溶胶与大气质量研究 168O(英文版) 8584 28 气象学报(英文版) 29 生态学报 3O 生态学杂志 43 中国地理科学(英文版) 1002 0063 44 中国地球化学学报(英 1000文版) 9426 1 2 地震工程与工程振动 13 地震学报 1000 1301 O253—3782 O894一O525 1OOO O933 1000—4890 45 中国地质 1OOO 3657 14 地质科学 15 地质科学(英文版) 0563 5020 1004—3543 46 中国科学(地球科学,英 1674 7313 文版) 47 自然灾害学报 1004—4574 31 生态与农村环境学报 1673—4831 

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