冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

发布时间：2019-07-15 20:22

【摘要】：处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为"冻缩融胀",含水率高的膨胀土体积变化规律表现为"冻胀融缩";冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。
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图片说明：增刊2许雷等：冻融循环下膨胀土物理力学特性研究169法进行加载，，加载速率为1%/min。膨胀土试样的微细结构试验在河海大学岩土工程研究所自研的岩土微细结构光学测试系统上进行，系统包括加载系统、图像采集系统和图像处理系统[15]。本试验利用图像采集系统获取经历不同冻融循环次数后每个试样新鲜面的细观图像，见图1。运用数字相关图像处理技术对采集的图像进行一系列的前处理（如灰度修正、去噪、亮度和对比度调整等），然后设置合适的阈值将采集到的图像转化为二值图像，并运用微细结构分析程序GEOIMAGE对二值图像进行计算分析，得出面孔隙度、孔隙定向度等量化信息。(a)0次冻融(b)2次冻融(c)7次冻融图1典型冻融循环次数后20%含水率试样图像(放大150倍)Fig.1Imagesofsampleswith20%watercontentaftertypicalfreeze-thawcycles(150times)3试验结果与分析3.1冻融循环过程中膨胀土的变形规律在冻融循环试验过程中测量了4个圆柱形膨胀土试样的直径与高度，取其平均值作为试样的最终直径与高度，计算出试样的体积。为了方便比较不同含水率条件下膨胀土试样的体积变化规律，引入了一个无量纲参数，即体积变化率，定义为每次冻结或融化完的试样体积相比于试样初始体积的变化量（膨胀为正，收缩为负）与初始体积之比的百分数。图2为不同含水率条件下膨胀土试样的体积变化率随冻融循环次数的变化情况。图中，横坐标的0为初始状态；0.5为第一次冻结完成；1为第一次融化完成，剩余的以此类推。由图可知，初始含水率为15%和20%的膨胀土试样在冻融循环过程中表现为“冻缩融胀”。随着冻融循环次数的增加，初始含水率为15%的试样体积变化幅度（每次冻融过程中发生的变化，下同）基本维持稳定不变，冻结或者融化后的体积呈现
文内图片：冻融循环过程中膨胀土试样体积变化示意图

图片说明：模囡诙辰峁?程中假设水冻结成冰后的体积增加量为1V，膨胀土土颗粒的失水收缩量为2V，当12VV时膨胀土宏观表现为体积膨胀，反之，则表现为体积收缩。在融化过程中，假设冰融化成水产生的体积减小量为3V，膨胀土土颗粒的遇水膨胀量为4V，当34VV时，膨胀土宏观表现为体积收缩，反之则宏观表现为体积膨胀。用于本次试验的膨胀土试样均控制为相同的初始干密度，即每一个试样的土颗粒质量相同。初始含水率越高的试样，饱和度越大，初始含水率为23%的膨胀土试样饱和度较大，孔隙中气体含量较少，见图3(1)。冻结过程中孔隙中的水冻结成冰，体积发生膨胀，一部分冰颗粒将土体中的气体排出并占据其孔隙，另一部分冰颗粒由于没有可占据的孔隙，其将撑开土颗粒向外膨胀，导致试样的宏观体积增大，与此同时，虽然膨胀土土颗粒因水冻结成冰会发生失水收缩，但由于土体内部孔隙几乎被占满，土颗粒缺少收缩的空间，从而产生的体积缩小量较小，故该膨胀土试样在冻结的时候体积会增大；在融化的过程中，孔隙中的冰化成水，体积缩小，同时，膨胀土土颗粒遇水发生膨胀，但是由于在冻结过程中土颗粒已被冰颗粒撑开，土颗粒间的距离较大，所以遇水发生的膨胀量较小，故该膨胀土试样在融化的时候体积会缩校因此，初始含水率为23%的膨胀土试样在冻融循环过程中表现为“冻胀融缩”。针对第1次融化时该试样表现为“融胀”的现象可解释为在第一次冻结后试样的体积增加量较小，土颗粒间的距离仍然较小，膨胀土试样融化时遇水发生的膨胀量较大，体积增加。对于初始含水率为15%和20%的膨胀土试样，其饱和度相对较小，孔隙中气体含量较多，见图3(2)。冻结过程中试样内的水冻结成冰，体积变大，由于气体占据的孔隙较大，冰颗粒将气体
【作者单位】：河海大学水利水电学院;
【基金】：江苏省普通高校研究生实践创新计划项目(No.SJZZ15_0058)~~
【分类号】：TU443

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