【摘要】：處在季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹土渠道極易受到凍融循環(huán)作用的影響,影響工程的穩(wěn)定安全。為了探究凍融循環(huán)作用對膨脹土物理力學(xué)特性的影響,以南陽膨脹土為研究對象,開展了不同含水率條件下膨脹土試樣的凍融循環(huán)試驗,對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后的試樣進(jìn)行了變形測量、無側(cè)限壓縮試驗和微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗。結(jié)果表明,在凍融循環(huán)過程中含水率低的膨脹土體積變化規(guī)律表現(xiàn)為"凍縮融脹",含水率高的膨脹土體積變化規(guī)律表現(xiàn)為"凍脹融縮";凍融循環(huán)作用對膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變曲線、強(qiáng)度和彈性模量有著顯著的影響,尤其是第1次凍融循環(huán)作用;試樣的含水率越高,膨脹土的力學(xué)參數(shù)受凍融循環(huán)作用的影響越大;試樣的面孔隙度和孔隙定向度的變化規(guī)律與力學(xué)參數(shù)的大致呈負(fù)相關(guān),說明凍融循環(huán)作用下土體內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化直接影響著膨脹土的力學(xué)性質(zhì)。
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圖片說明： 增刊2許雷等：凍融循環(huán)下膨脹土物理力學(xué)特性研究169法進(jìn)行加載，，加載速率為1%/min。膨脹土試樣的微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗在河海大學(xué)巖土工程研究所自研的巖土微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)上進(jìn)行，系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)[15]。本試驗利用圖像采集系統(tǒng)獲取經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后每個試樣新鮮面的細(xì)觀圖像，見圖1。運(yùn)用數(shù)字相關(guān)圖像處理技術(shù)對采集的圖像進(jìn)行一系列的前處理（如灰度修正、去噪、亮度和對比度調(diào)整等），然后設(shè)置合適的閾值將采集到的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，并運(yùn)用微細(xì)結(jié)構(gòu)分析程序GEOIMAGE對二值圖像進(jìn)行計算分析，得出面孔隙度、孔隙定向度等量化信息。(a)0次凍融(b)2次凍融(c)7次凍融圖1典型凍融循環(huán)次數(shù)后20%含水率試樣圖像(放大150倍)Fig.1Imagesofsampleswith20%watercontentaftertypicalfreeze-thawcycles(150times)3試驗結(jié)果與分析3.1凍融循環(huán)過程中膨脹土的變形規(guī)律在凍融循環(huán)試驗過程中測量了4個圓柱形膨脹土試樣的直徑與高度，取其平均值作為試樣的最終直徑與高度，計算出試樣的體積。為了方便比較不同含水率條件下膨脹土試樣的體積變化規(guī)律，引入了一個無量綱參數(shù)，即體積變化率，定義為每次凍結(jié)或融化完的試樣體積相比于試樣初始體積的變化量（膨脹為正，收縮為負(fù)）與初始體積之比的百分?jǐn)?shù)。圖2為不同含水率條件下膨脹土試樣的體積變化率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。圖中，橫坐標(biāo)的0為初始狀態(tài)；0.5為第一次凍結(jié)完成；1為第一次融化完成，剩余的以此類推。由圖可知，初始含水率為15%和20%的膨脹土試樣在凍融循環(huán)過程中表現(xiàn)為“凍縮融脹”。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，初始含水率為15%的試樣體積變化幅度（每次凍融過程中發(fā)生的變化，下同）基本維持穩(wěn)定不變，凍結(jié)或者融化后的體積呈現(xiàn)
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圖片說明： 模囡詼辰峁?程中假設(shè)水凍結(jié)成冰后的體積增加量為1V，膨脹土土顆粒的失水收縮量為2V，當(dāng)12VV時膨脹土宏觀表現(xiàn)為體積膨脹，反之，則表現(xiàn)為體積收縮。在融化過程中，假設(shè)冰融化成水產(chǎn)生的體積減小量為3V，膨脹土土顆粒的遇水膨脹量為4V，當(dāng)34VV時，膨脹土宏觀表現(xiàn)為體積收縮，反之則宏觀表現(xiàn)為體積膨脹。用于本次試驗的膨脹土試樣均控制為相同的初始干密度，即每一個試樣的土顆粒質(zhì)量相同。初始含水率越高的試樣，飽和度越大，初始含水率為23%的膨脹土試樣飽和度較大，孔隙中氣體含量較少，見圖3(1)。凍結(jié)過程中孔隙中的水凍結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹，一部分冰顆粒將土體中的氣體排出并占據(jù)其孔隙，另一部分冰顆粒由于沒有可占據(jù)的孔隙，其將撐開土顆粒向外膨脹，導(dǎo)致試樣的宏觀體積增大，與此同時，雖然膨脹土土顆粒因水凍結(jié)成冰會發(fā)生失水收縮，但由于土體內(nèi)部孔隙幾乎被占滿，土顆粒缺少收縮的空間，從而產(chǎn)生的體積縮小量較小，故該膨脹土試樣在凍結(jié)的時候體積會增大；在融化的過程中，孔隙中的冰化成水，體積縮小，同時，膨脹土土顆粒遇水發(fā)生膨脹，但是由于在凍結(jié)過程中土顆粒已被冰顆粒撐開，土顆粒間的距離較大，所以遇水發(fā)生的膨脹量較小，故該膨脹土試樣在融化的時候體積會縮校因此，初始含水率為23%的膨脹土試樣在凍融循環(huán)過程中表現(xiàn)為“凍脹融縮”。針對第1次融化時該試樣表現(xiàn)為“融脹”的現(xiàn)象可解釋為在第一次凍結(jié)后試樣的體積增加量較小，土顆粒間的距離仍然較小，膨脹土試樣融化時遇水發(fā)生的膨脹量較大，體積增加。對于初始含水率為15%和20%的膨脹土試樣，其飽和度相對較小，孔隙中氣體含量較多，見圖3(2)。凍結(jié)過程中試樣內(nèi)的水凍結(jié)成冰，體積變大，由于氣體占據(jù)的孔隙較大，冰顆粒將氣體
【作者單位】： 河海大學(xué)水利水電學(xué)院;
【基金】：江蘇省普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(No.SJZZ15_0058)~~
【分類號】：TU443

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本文編號：2514855