李双好(1992-), 女, 主要从事寒区边坡工程研究, E-mail:
Li Shuanghao (1992-), main research interests: the cold geotechnical slope engineering, E-mail:
Li Yuanxun(corresponding author), PhD, E-mail:
以西宁市某区域内原状黄土为研究对象,设计封闭系统下的三向慢速冻结试验、恒温恒湿的融化试验以及三轴剪切试验。基于土的莫尔-库伦强度理论,利用抗剪强度包线求解黏聚力和内摩擦角,研究不同冻融温度梯度下抗剪强度指标的变化规律。结果表明:随着温度梯度增大,黏聚力衰减速度显著,衰减为极小值时的最不利冻融温度梯度为-15~15℃;冻融黄土的黏聚力与冷端温度、融化温度有关;较低含水率和较小冷端温度耦合作用或较高含水率和较大冷端温度耦合作用时,与冷端温度相比,融化温度为主导影响因素。随着冷端温度的增大,不同含水率试样的黏聚力降低幅度呈先减小、后增大的规律,最不利的含水率为18.34%。内摩擦角呈现出不规律性波动,变化幅度约为0~14°。由试验数据拟合出黏聚力随冷端温度和含水率变化规律的计算式,经试验验证,计算式能较好地描述其变化特性。
Taking the intact loess in a certain area in Xining as the research object, they were designed the three direction's slow freezing test under the closed system, the constant temperature and humidity thawing test and the triaxial shear test. Based on the Mohr-Coulomb strength theory of soil, the cohesion and internal friction were solved by using the shear strength envelope, and the variation of shear strength indexes under different freezing thawing temperature gradients are studied.The results show that:with increase of temperature gradients, the cohesion decay rate is remarkable, and it is -15~15℃ for the most disadvantageous freeze-thaw temperature gradient when the cohesion is minimum; The cohesion of frozen-thawed loess is related to the cold end temperature and thawing temperature; Compared with cold end temperature, the thawing temperature is the dominant factor when the moisture content is lower and the temperature at the cold end is lower, or the temperature at the cold end is higher. With the increase of the cold end temperature, the cohesion of samples with different moisture contents decrease firstly and then increase, the most disadvantageous moisture content is 18.34%.The internal friction shows irregular fluctuations, and the extent of variation is about 0°~14°. The calculation formula of the cohesion with the cold end temperature and moisture content is fitted by the experimental data. The experimental formula can better describe the variation characteristics of cohesion.
在高寒高海拔黄土地区进行工程建设,不仅需要考虑冬季施工中较大的昼夜温差(夜晚低温,白天高温),还要考虑恶劣天气情况。如冻雨、积雪、霜冻,这些不确定因素将会导致黄土冻融效应愈发强烈。因此,在冬季施工时,要确保工程的长期性和稳定性,如何准确选用黄土的强度指标将成为关键。
目前,冻融黄土强度指标变化规律研究已经取得了一些成果。其一是基于以含水率为影响因素的研究:有的结论为黏聚力减小、内摩擦角增大[
综上所述,学者们已对冻融黄土强度研究做了大量工作,发现含水率、冻结温度等是影响黄土强度的重要因素。但大多研究影响黄土强度的温度变量较为单一,缺少对冻融温度梯度影响因素的研究,也缺少冻融温度梯度与含水率耦合作用下对土体强度变化规律的影响研究。因此,有必要以温度梯度、含水率为变量,研究冻融原状黄土强度指标变化规律。笔者针对青海西宁地区特殊的地质和气象条件,开展了冻融循环作用下的原状黄土抗剪强度指标研究。
试验用原状黄土取自青海西宁某区域,取土深度范围为0.5~2.0 m,颜色为黄色。由地勘报告知,试验用土由第四系①1层植被土(Q3pd)、①1层素填土(Q4ml)组成。土质均匀、松散、欠固结、稍湿。土体基本特性参数见
原状黄土基本特性参数
Basic parameters of intact loess
含水率 |
干密度 |
比重 |
液限 |
塑限 |
塑性指数 |
12.34 | 1.27 | 2.70 | 25.76 | 13.65 | 12.11 |
试样冻结采用专业试验箱,温度控制范围为-50~50 ℃,精度为0.1 ℃,能够满足试验要求。为了模拟封闭系统下无外界水源补给的试验情况,首先,使用保鲜膜将原状黄土三轴试样密合地包裹,放置于密封袋中,防止水分散失。然后,将密封袋中装有密切贴合的保鲜膜试样,放置在垫有双层气泡膜的试验托盘上,防止试样在冻融过程中出现破损现象等,以免对试验结果造成影响。接下来,在试验箱上分别设置冷端温度-5、-10、-15 ℃,试样在试验箱冻结12 h。最后是试样融化,分别放在空调温度设置为10、15 ℃的试验室,保证试样在恒温恒湿的环境下融化12 h。试样经历一次冻融循环时间为24 h,温度传感器测量证明,试样冻结12 h可以完全冻透,融化12 h能够彻底融透。
首次冻融后强度指标变化明显,但与黄土初始状态无关,且能总体反映其大致变化趋势。在青海高寒黄土地区的实际工程应用中,基坑、边坡开挖后暴露,突遇雨雪等恶劣天气情况等,不能得到有效的防护,导致坑壁至少经历一次冻融循环。资料表明,冻融循环初期对其影响剧烈,破坏性较强,会带来不可估量的损失。且由于单次冻融试验次数较少, 故试验周期较短,试验进度较快。从工程建设角度考虑,有较好的参考价值,所以只进行了单次冻融黄土试验。
冻融循环试验完成后,进行三轴剪切试验,操作步骤严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)规定。根据原状欠固结黄土被埋置的不同深度,先估算出相应静止土压力,然后考虑仪器误差对试验结果带来的影响(低围压影响大),在一定范围内,找到围压的一个平衡点,使得施加围压值大于先期固结压力,得出的黏聚力才不会偏大,更符合实际情况。得到围压值分别为50、80、120 kPa。利用SLB-1型应力—应变控制式三轴剪切渗透试验仪进行三轴剪切试验(UU),剪切速率为0.4 mm/min。
现场取原状黄土时,先用箭头标示出土体沉积方向,然后,在垂直于箭头方向切割成土条,制备成直径39.1 mm、高度80 mm的圆柱体三轴试样。由土样干密度计算出试样需要增加或减湿质量,使用蒸馏水滴定来配置目标含水率,分别为18.34%、24.34%。或用烘箱烘干试样至恒重,再使用蒸馏水滴定来配置目标含水率8.34%,天然含水率为12.34%。使用密封袋密封养护试样数天,使水分通过水膜压力作用在各个方向上得到转移,最终达到水分在试样内分布均匀的目的。试样含水率为8.34%、12.34%、18.34%、24.34%时,相应的试样饱和度分别为0.23、0.34、0.50、0.65。
不同含水率下密度变化曲线
Densities under different moisture contents
为便于分析与理解,将8.34%~18.34%的含水率定义为较低含水率,相应的较低饱和度为0.23~0.34;将18.34%~24.34%的含水率定义为较高含水率,相应的较高饱和度为0.50~0.65。试验箱设定的冻结温度传递到试样表面为冷端温度,冻融温度梯度由冷端温度和融化温度组成。由于温度梯度是矢量,所以定义的温度梯度值(标量)为冷端温度绝对值和融化温度之和,即冷端温度的大小表示为其数值的绝对值,文中的温度梯度、冷端温度均为标量。温度梯度值小于等于20 ℃时定义为较小温度梯度,则较小温度梯度分别为-5~10 ℃、-10~10 ℃、-5~15 ℃,较大温度梯度分别为-15~10 ℃、-10~15 ℃、-15~15 ℃。
不同温度梯度下黏聚力变化曲线
Cohesion under different temperature gradients
不同含水率下黏聚力变化曲线
Cohesion of different moisture contents
由
不同冷端温度下黏聚力增量变化曲线
Incremental curves of cohesive force at different cold end temperatures
不同温度梯度下内摩擦角变化曲线
Internal friction angles under different temperature gradients
不同含水率下内摩擦角变化曲线
Internal friction angles at different moisture contents
基于
分析数据发现,在不同的冷端温度下,黏聚力与试样含水率较好地符合指数衰减相关关系,对黏聚力进行变量拟合,得到其函数表达式为
式中:
由
不同含水率、黏聚力变量下得出的拟合参数
Fitting parameters under different moisture contents and cohesions
温度梯度 |
||||
-5~10 | 12.713 | 83.885 | 26.430 | 0.994 |
-10~10 | 9.290 | 15.369 | 8.462 | 0.970 |
-15~10 | 3.981 | 13.006 | 3.240 | 0.966 |
把
温度值在模型参数
Fitting results of temperature values in model parameters
不同冷端温度的拟合参数
Fitting parameters of different freezing temperatures
注: | ||||||||||
0.873 | 17.393 | 0.969 | 1.323 | 33.549 | 218.554 | 1 | 0.255 | 7.417 | 57.144 | 1 |
将式(2)~式(4)代入式(1),可得冻融黄土黏聚力与温度和含水率的关系表达式,见式(5)。
式中:
不同冷端温度的拟合修正参数
fitting correction parameters of different freezing temperatures
-5 | 13.028 | 83.884 | 26.434 |
-10 | 8.663 | 15.364 | 8.474 |
-15 | 4.298 | 12.994 | 3.264 |
基于不同含水率(8.34%、12.34%、18.34%、24.34%)建立黏聚力计算公式,并用独立的试验数据来验证其正确性。应用
模型验证
Model verification
1) 当融化温度为15 ℃时,随冷端温度增大,含水率为18.34%、24.34%的黏聚力呈折线下降趋势,出现斜率突减的拐点。由此可知,较高含水率和较大温度梯度耦合作用时,黏聚力值变化幅值显著。冻融温度梯度对黄土强度影响效应大,15℃(融化温度)比10℃的黏聚力衰减幅值大,融化温度是影响黏聚力减小的原因,-15~15 ℃和18.34%为最不利冻融温度梯度值和含水率。
2) 温度梯度为-15~15 ℃时的黏聚力呈线性规律变化。较低含水率和较小的冷端温度耦合作用下时,或较高含水率和较大的冷端温度耦合作用下,融化温度均占主导影响因素,影响冻融黄土黏聚力变化。此时融化温度越大,黏聚力越小。
3) 由试验数据得到了含有含水率和冷端温度变量的冻融黄土黏聚力表达式,经试验验证,表达式能较好地描述土体黏聚力变化特性。
4) 冻融黄土内摩擦角变化呈现出不规律性,变化幅度约为0~14°。
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