季节冻土区正融粉质黏土强度影响因素敏感性分析

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0013

季节冻土区正融粉质黏土强度影响因素敏感性分析

崔宏环^,¹^,², 王文涛^,², 杨兴然², 何静云², 王小敬³, 金成勇³

1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室, 河北张家口 075000

2.河北建筑工程学院, 河北张家口 075000

3.北旺建设集团有限公司, 河北承德 067000

Sensitivity analysis of the influencing factors on strength of silty clay in seasonally frozen regions

CUI Honghuan^,¹^,², WANG Wentao^,², YANG Xingran², HE Jingyun², WANG Xiaojing³, JIN Chengyong³

1.Hebei Key Laboratory of Diagnosis，Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering，Zhangjiakou 075000，Hebei，China

2.Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，Hebei，China

3.Beiwang Construction Group Co. ，LTD，Chengde 067000，Hebei，China

通讯作者: 王文涛，硕士研究生，从事冻土路基工程研究. E-mail： wangwentao1012@163.com.

编委: 周成林

收稿日期: 2019-05-06 修回日期: 2019-12-16

基金资助:

河北省教育厅自然科学重点项目.  ZD2018101
张家口市科学技术与地震局指导项目.  1811009B-17
河北建筑工程学院创新基金项目.  XB201810

Received: 2019-05-06 Revised: 2019-12-16

作者简介 About authors

崔宏环（1974-），女，河北张家口人，教授，2017年在北京交通大学获博士学位，从事冻土基本性质与路基路面工程本构模型研究.E-mail：cuihonghuan729@163.com , E-mail：cuihonghuan729@163.com

摘要

针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态，根据季节冻土特性选取冻结温度、融化温度、围压、含水率4种影响因素，对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验，采用灰色关联分析法对试验结果进行分析，给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明：含水率、融化温度、冻结温度的敏感性超过60%，需要重点考虑。9%含水率时，土样强度较高，发生脆性破坏，随着含水率的增大，向延性破坏转变；融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度，温度越低，土样强度越高；冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度，冻结温度越低，胶结作用越强，但低于-10 ℃后，强度增长缓慢；围压越大，土体强度越大，不同围压影响下，应力-应变曲线的形状和走势却大致相同，分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。

关键词： 季节冻土区 ; 正融土 ; 强度 ; 灰色关联分析 ; 敏感性分析

Abstract

In seasonal frozen areas， subgrade fill soil is often in the state of unstable state when spring thawing. In this paper， four influencing factors including freezing temperature， thawing temperature， confining pressure and moisture content were selected to conduct a triaxial test on the silty clay specimen from Zhangjiakou. The test results were analyzed by grey relational analysis method， and a sensitivity order of each factor to the strength was given. The results show that the sensitivity of moisture content， thawing temperature and frozen temperature is more than 60%， which should be considered importantly. When the moisture content is 9%， the strength of the specimen is high and brittle failure will occur. With the moisture content increase， the failure will change to ductile failure. Thawing temperature mainly affects the thawing rate and the rate of drainage consolidation in the shear process. The lower the temperature， the stronger the soil specimen； freezing temperature affects the strength by changing the degree of cementation between soil particles and ice crystals； the lower the freezing temperature， the stronger the cementation. However， below -10 ℃， the strength increases slowly. The strength of soil increases with the increase of confining pressure. Under the influence of different confining pressures， the shape and trend of stress-strain curves are almost the same. This analysis results will be useful for the practical projects in seasonal frozen areas.

Keywords： seasonally frozen region ; thawing soil ; strength ; grey relational analysis ; sensitivity analysis

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本文引用格式

崔宏环, 王文涛, 杨兴然, 何静云, 王小敬, 金成勇. 季节冻土区正融粉质黏土强度影响因素敏感性分析[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 899-908 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0013

CUI Honghuan, WANG Wentao, YANG Xingran, HE Jingyun, WANG Xiaojing, JIN Chengyong. Sensitivity analysis of the influencing factors on strength of silty clay in seasonally frozen regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 899-908 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0013

0 引言

中国是世界上冻土分布面积的第三大国，多年冻土和季节冻土分布面积分别占国土面积的21.5%和53.5%^［1］。在这些地区，土体每年至少要经历一次冻融循环作用^［2-3］。冻融作用使土体的结构承载能力发生变化，冻结时，由于水分迁移，土体产生冻胀现象^［4-6］；融化时，由于土基下层未完全融解，上层土体排水受限，使承载能力显著降低，强度显著弱化^［7］。冻土作为由固体颗粒、冰、液态水、气体组成的一种四相复合体，尤其是在冻土正融的过程中，四相体十分不稳定，发生一系列翻浆冒泥、边坡滑塌等冻害现象^［8］。因此，要想系统发展季节冻土区的公路交通，就必须分析研究路基土体冻融循环过程中的力学特性。

由于冻土和正融土的力学特性与土体本身和外部环境多种因素有关，因此许多学者均研究了冻结土体的力学性质和影响因素。王铁行等^［9］通过试验得到了综合考虑含水率、干密度、荷载影响的冻胀预报模型，李顺群等^［10］研究了含水率、温度、应变率、含盐量、围压以及它们的交互作用对冻土力学性质的影响。房建宏等^［11］以冻结红黏土为研究对象，对冻融循环后的冻结土样进行粒度成分和物理力学性质测试，粉粒组和黏粒组颗粒含量受冻融循环作用次数影响较大。Parameswaran等^［12-13］研究了渥太华砂在-10 ℃冻结时不同围压的初始切线模量，发现冻土中冰的压融对冻土的变形有一定影响。也有学者采用显著性分析和灰色关联分析对冻结土体和冻融循环后的土体进行了研究，高娟等^［14］对青海德令哈冻结砂土进行常规三轴试验，并采用灰色关联分析法对试验结果进行分析，发现含水率对体积变形影响较大。黄道良等^［15］选取了7种影响因素进行了单轴抗压强度试验，并采用灰色关联理论对试验结果进行分析，发现温度为最大敏感因素。对于季节冻土区，苗祺等^［16］分析了路基在冻融过程中水热变化情况，总结了高铁路基冻胀研究进展。崔宏环等^［17］对季节冻土区粉质黏土进行了动三轴试验，根据显著性分析，得到了动强度指标随冻融循环次数、压实度和振动频率的变化规律。程培峰等^［18］分析了不同冻融循环次数、含水率和压实度条件下回弹模量的变化规律，发现含水率和压实度的敏感性较大。荆儒鑫^［19］对压实粉质黏土的力学性能进行了研究，分析了不同冻融循环次数、含水率、压实度、围压作用下动剪切模量的变化规律，并提出了经验预估公式。马玉涛^［20］进行了静三轴试验，探究不同冻融循环次数、压实度和环境负温条件下试样的静强度、内摩擦角、黏聚力和静弹性模量的变化规律。

少数学者对正融土进行了一定的研究，彭丽云等^［21-22］研究了含水率、冷却温度、融化温度和动应力幅值对正融土样的应力应变和强度特性的影响，但只对正融土进行了无侧限抗压试验，不能体现路基土体真实的工作状态。

基于上述分析，目前对季节冻土区路基的强度及影响因素研究主要针对冻土和全融土阶段，但是冻土正在融化过程的强度弱化被大多数学者忽略。因此本文对季节冻土区粉质黏土进行正融土三轴试验，结合已有研究与实践，根据季节冻土特性，选取含水率、融化温度、冻结温度和围压4种影响因素对正融土进行强度敏感性机理分析，以期对季节冻土区实际工作提供参考。

1 试验概况

1.1　试样制备及物理性质

试验所用土样取自河北省张承高速沿线，根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）^［23］规定的试验方法进行基本物理性质试验后，判定所取土样为低液限粉质黏土。土样的粒径级配分布见表1，其主要的物理性质指标见表2。

表1 土样的粒径级配分布

Table 1 Particle size gradation distribution of the soil specimens

粒径/mm	2 ~ 1	1 ~ 0.5	0.5 ~ 0.25	0.25 ~ 0.075	<0.075
质量百分比/%	1.5	11.34	26.61	33.74	26.19

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表2 土样的物理性质指标

Table 2 Physical properties of the soil specimens

液限/%	塑限/%	塑性指数	最优含水率/%	最大干密度/ （g·cm^-3）	土壤类别
29	16	13	12	1.94	CL

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试样制备过程依据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）^［24］和《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）^［23］，将采集的土样烘干后过2 mm筛，加水均匀搅拌配置成相应含水率的散土体，焖置12 h。按照其相应含水率和90%的压实度进行计算，称取相应质量的散土体装入模具，分5层压实，制成直径为61.8 mm、高度为125 mm的圆柱形试样，完成后连同模具一起装入保鲜袋进行密封处理，放入聚乙烯泡沫板保证单向冻结，如图1所示。然后放入高低温交变箱，在相应的冻结温度下冻结12 h后取出，如图2所示。随即脱模并套上乳胶套，装入试验仪器，在相应的融化温度和围压下进行正融土三轴试验。

图1

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图1 装有试样的聚乙烯泡沫板

Fig.1 Polyethylene foam plate with specimens

图2

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图2 高低温交变湿热试验箱

Fig.2 Photo of the high and low temperature alternating temperature humidity test chamber

1.2　试验方案

（1）考虑到正融土路基强度的影响因素主要包括土体本身和外部环境因素两类，试验因素水平的设计均根据张家口地区实际情况考虑，冬季路基冻结温度最低约为-15 ~ -20 ℃，融化温度为5 ~ 10 ℃。由于研究对象以路基为参考，常处于小围压状态，因此选取了4种主要影响因素进行分析，分别是含水率、围压、冻结温度、融化温度，其中含水率为9%、 12%、 15%，围压为20 kPa、 50 kPa、 80 kPa，冻结温度为-5 ℃、 -10 ℃、 -15 ℃，融化温度为6 ℃、 12 ℃。采用正交试验方法进行设计见表3。

表3 强度影响因素的水平分配及试验结果

Table 3 Horizontal distribution of intensity influencing factors and test results

试验编号	影响因素				试验结果
试验编号	含水率w/%	冻结温度T₁/℃	融化温度T₂/℃	围压σ₃ $/$ kPa	峰值强度 $/$ kPa	残余强度 $/$ kPa
1#	9	-5	6	20	545.30	371.47
2#	9	-10	6	80	831.53	739.09
3#	9	-15	12	50	642.47	544.67
4#	12	-5	12	80	546.21	529.76
5#	12	-10	6	50	549.94	407.89
6#	12	-15	6	20	328.74	275.41
7#	15	-5	6	50	438.72	366.54
8#	15	-10	12	20	345.83	247.89
9#	15	-15	6	80	735.69	571.28

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（2）试样从高低温交变箱取出装入仪器约3分钟左右，装样阶段的融化量几乎很小，试验只模拟装入仪器后正融土的剪切过程，剪切速率为1.67×10^-2 mm·s^-1，试样轴向应变达到15%时试验结束^［24］。试验用时约为23分钟，室内环境下试样芯部完全融化到试验温度约25分钟，试验基本满足正融土剪切试验的正融过程。

（3）试验采用的设备是由冻土三轴仪改造而成的高低温三轴仪，如图3所示，仪器可以保证试验过程中融化温度恒定不变。

图3

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图3 TKA-TTS-10D高低温三轴试验系统

Fig.3 Photo showing the TKA-TTS-10D high and low temperature triaxial test system

1.3　试验结果

图4为试验前后试样的对比。可以看出，三轴试验之后，含水率为9%的试样破坏时出现斜裂缝，而含水率为12%、 15%的试样由圆柱形变为“圆鼓状”，试样高度发生改变，高度方向上不同截面面积也有不同程度变化，约中间部位面积最大。通过三轴试验，得到各试样对应的应力-应变的变化情况如图5所示，图6为各工况下峰值强度与轴向应变的对应关系，其中峰值强度取试验过程中轴向应力最大值；图7为不同围压下各试样的残余强度，其中残余强度取轴向应变达到15%时的强度。可以看出，不同试验条件下正融土的峰值强度和残余强度均无明显的规律，各个因素之间相互关联，互相影响。因此基于正交试验得到的结果无法直观的反映出各个因素对正融粉质黏土路基强度的影响大小。为了更准确的分析出试验结果，本文采用灰色关联分析法初步研究上述因素对正融粉质黏土路基强度的敏感性。

图4

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图4 试验前后试样状况

Fig.4 Specimen status before and after test

图5

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图5 各试样应力 - 应变关系曲线

Fig.5 Stress-strain relationship curves of soil specimens

图6

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图6 土样峰值强度 - 轴向应变关系

Fig. 6 Relationship between peak strength and axial strain of soil specimens

图7

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图7 各围压下土样的残余强度

Fig.7 Residual strength of soil specimens under different confining pressure

2 基于灰色关联分析方法的敏感性分析

灰色关联分析方法弥补了采用数理统计方法进行系统分析所导致的缺憾。它对样本量的多少和样本有无明显的规律都同样适用，而且计算量不大，通常不会出现量化结果与定性分析结果不符的情况^［25］。

2.1　序列确定及无量纲化处理

在进行关联度分析之前，需要先确定影响系统行为的参考序列和比较序列，本文取峰值强度作为参考序列X₁，取轴向应变达到15%时对应的残余强度作为参考序列X₂，即

X_{1} = \{X_{1} (k), k = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n\}

（1）

X_{2} = \{X_{2} (k), k = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n\}

（2）

取表3中给出的各因素构成比较数列，即

X_{i} = \{X_{i} (k), k = 1,2, \cdot \cdot \cdot, n\}, i = 1,2, ∙ ∙ ∙, m

（3）

式中： k为水平数； i为因素系列数；本文中n=9， m=4。

给出初值化后的序列 $X_{i}^{’}$ ，即

X_{i}^{,} = \frac{X_{i}}{x_{i} (1)} = (x_{i}^{,} (1), x_{i}^{,} (2), \cdot \cdot \cdot, x_{i}^{,} (n)), i = 1,2, \cdot \cdot \cdot, m

（4）

2.2　灰色关联度计算及敏感性分析

求得 $Δ_{i} (k) = |x_{0}^{,} (k) - x_{i}^{,} (k)|$ ， k=1，2，…，n； i=1，2，…，m的最大值与最小值。分别记为

M = \underset{i}{m a x} \underset{k}{m a x} Δ_{i} (k), m = \underset{i}{m i n} \underset{k}{m i n} Δ_{i} (k)

（5）

按式（6）计算灰色关联系数，

ξ_{i} (k) = \frac{m + ρ M}{Δ_{i} (k) + ρ M}, ρ \in (0,1)

， k=1，2，…，n； i=1，2，…，m（6）

式中： $ρ = 0.5; ∆_{m i n} = 0$ 。

最后计算关联度，结果如表4各因素对峰值强度关联度和表5各因素对残余强度关联度。

γ_{i} = \frac{1}{n} \sum_{k = 1}^{n} ξ_{i} (k), i = 1,2, \cdot \cdot \cdot, m

（7）

式中： $γ_{i}$ 越靠近1，说明关联度越好。

表4 各因素对峰值强度关联度

Table 4 Correlation degree between each factor to peak strength

$ξ_{1}$	$ξ_{2}$	$ξ_{3}$	$ξ_{4}$
1	1	1	1
0.740668	0.759356	0.740668	0.377219
0.893767	0.451424	0.645921	0.531436
0.818843	0.998890	0.600267	0.333333
0.821917	0.601917	0.994355	0.501284
0.672379	0.384766	0.790570	0.790570
0.634895	0.884664	0.884664	0.469279
0.592173	0.523275	0.523275	0.803856
0.825222	0.475924	0.811098	0.361244
0.777763	0.675579	0.776757	0.574247

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表5 各因素对残余强度关联度

Table 5 Correlation degree of each factor to residual strength

$ξ_{1}$	$ξ_{2}$	$ξ_{3}$	$ξ_{4}$
1	1	1	1
0.565298	0.992007	0.565298	0.390300
0.734052	0.456252	0.706846	0.554553
0.932752	0.751254	0.691597	0.333333
0.845434	0.587942	0.929206	0.478614
0.684956	0.362975	0.832684	0.832684
0.654307	0.989795	0.989795	0.459588
0.562894	0.491269	0.491269	0.794590
0.909036	0.468140	0.705240	0.343271
0.769414	0.677737	0.767993	0.576326

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表4和表5中 $i = 1$ 对应含水率， $i = 2$ 对应冻结温度， $i = 3$ 对应融化温度， $i = 4 对应$ 围压。

3 主要影响因素对强度的影响机理

由表4和表5可得，本文选取的4种影响因素的对峰值强度和残余强度关联度都大于0.5（50%），说明以上因素都对正融土路基强度有较大的影响。根据计算所得关联度的大小，对4种因素敏感性大小进行排序：含水率>融化温度>冻结温度>围压，其中含水率、融化温度、冻结温度的关联度均大于0.6（60%），说明这3种因素为影响正融土路基强度的主要影响因素，应在试验和实际工程中重点考虑。

针对以上试验结果优化试验方案，进一步分析4个主要影响因素（含水率、融化温度、冻结温度、围压）对正融土路基强度的影响，对上述4种因素分别进行单因素试验，通过试验结果分析不同因素对正融土的作用机理。

3.1　含水率

图8、图9分别为-5 ℃、 -15 ℃的冻结温度下不同含水率的试样的应力应变曲线，围压均为50 kPa，图10为不同冻结温度随着含水率变化对峰值强度和残余强度的影响。可以看出，冻结温度和融化温度发生较大的变化，峰值强度最大的仍为含水率9%的试样，其次是含水率为12%，强度最小为含水率15%；对于残余强度来说，随着含水率的增大，试样破坏后的残余强度也越来越低。更显而易见的是，土样的应力应变曲线在不同的含水率下表现出不同的破坏：当试样含水率接近或者小于最优含水率时，曲线有明显的峰值点，属于典型的脆性破坏；当试样含水率超过最优含水率时，曲线无明显的峰值点，试样的破坏方式从脆性破坏向延性破坏发展；在小含水率状态下，在单向冻结的过程中，试样的顶端汇聚了大量的水并结成冰，土样下部含水率较低时形成的孔道越多，孔隙中水分越少，此时在正融土剪切的过程中，上部土体还未发生强度大幅度弱化现象时，下部土体已经发生了破坏，裂缝贯通致使出现脆性破坏；在较大含水率状态下，下部土体中留有大量水分，剪切过程中由于上下部含水量均较大，下部土体未先发生破坏，因此向延性破坏发展。

图8

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图8 -5 ℃冻结温度下试样应力应变曲线

Fig.8 Stress-strain curves when T₁ = -5 ℃ and confining pressures of 50 kPa

图9

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图9 -15 ℃冻结温度下试样应力应变曲线

Fig.9 Stress-strain curves when T₁ = -15 ℃ and confining pressures of 50 kPa

图10

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图10 不同冻结温度下土样的强度 - 含水率的关系曲线

Fig.10 Relationships between peak strength （a） and residual strength （b） with moisture content under different freezing temperatures

3.2　融化温度

如图11为围压50 kPa时，试样各冻结温度和含水率下不同融化温度的应力应变关系。图12为不同融化温度时，出现峰值强度的时间。图13为不同含水率下，融化温度对残余强度的影响。可以看出：土样正融剪切过程中，融化温度较低时，土样一般表现出较高的强度，有明显峰值点，表现为脆性破坏；随着融化的升高，试样强度均略有下降，且无明显的峰值点，表现为延性破坏；峰值强度的差值在最优含水率附近时较小，高于或低于最优含水率时则相差较大。融化温度对最优含水率的土样峰值影强度影响较小，表现在对残余强度影响较大；对高于或低于最优含水率的试样强度均影响较为明显。冻土作为由固体颗粒、冰、液态水、气体组成的一种四相复合体，尤其是在冻土正融的过程中，四相体十分不稳定，冰向液态水转化，冰晶体与土颗粒的胶结作用慢慢丧失，冻土的结构性会发生不同程度的改变，在外荷载作用下，土体不能缓慢进行固结，造成强度显著弱化，路基极易发生融沉、翻浆，若路基融化期间冷暖交替并伴有雨、雪、充足的水源和反复的冻融作用，则会加剧融沉，翻浆；试验中融化温度的差异影响了试样的融化速度，融化温度越低，土样融化速度越慢，土样还没有进行缓慢的固结就已经发生了破坏，接近于冻土的破坏特征；随着融化温度的升高，土样的融化固结速度明显加快，表现出压缩变形特性，发生延性破坏，亦不出现峰值强度。

图11

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图11 不同融化温度下的应力 - 应变关系

Fig.11 Stress-strain relationships at various T₁， T₂ and w under confining pressure of 50 kPa

图12

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图12 不同融化温度峰值强度出现时间

Fig.12 Time of peak strength appearing when T₂ = 6 ℃ and 12 ℃ of different thawing temperatures

图13

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图13 不同含水率下融化温度随残余强度的变化

Fig.13 Residual strength changing with thawing temperature when T₂ = 6 ℃ and 12 ℃ under different water content

3.3　冻结温度

如图14给出了在融化温度6 ℃、含水率12%、围压50 kPa的试样，在不同冻结温度下的应力应变曲线，图15为不同含水率下土样的强度随冻结温度的关系曲线，可以看出在其他因素不变的情况下，冻结温度越低，强度越大，冻结温度对峰值强度的影响明显大于对残余强度的影响。图16为不同含水率下土样的割线模量与冻结温度的关系曲线，其中评定路基土应力-应变状态以及路面时通常用模量值来表征，文中割线模量取应力-应变曲线上峰值应力点同起始点相连的割线的斜率，反映路基土在工作应力范围内应力-应变的平均状态^［26］。由图可以看出，冻结温度越低时，试样剪切时的割线模量越大；随着冻结温度的降低，峰值强度明显增大，土体温度降低到-10 ℃以下后，试样割线模量的增长十分缓慢且趋于稳定，并且土体强度增长缓慢。当土体的含水率一定时，冻结温度的变化不仅影响着土样中含冰量的大小和冰晶体的内部结构，而且影响了土样冻结速率和冻结过程中水分分布情况，而含冰量的高低又决定着冰晶体对土颗粒的胶结程度，影响了土体内部的结构，从而造成冻土的强度差异。冻结温度越低，冻结速率越快，大部分水在原位冻结，对土初始结构改变程度小，因此低温下冻结的土样表现出较高的抵抗动变形能力。土温降低到土的冻结温度之后，冻结强度随着冻结温度的降低而升高，达到一定的冻结温度之后（约-10 ℃），则随着冻结温度的继续降低，试样强度的增长速率则变得缓慢。这是由于，一方面温度越低土颗粒与冰晶间的胶结程度越好，冻结力越大；另一方面，土温降低到-10 ℃以后，土样中冰晶增加有限，所以土样强度呈现增长相对减弱的趋势。

图14

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图14 不同冻结温度下的应力 - 应变曲线

Fig.14 Stress-strain curves at different freezing temperatures

图15

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图15 不同含水率下强度 - 冻结温度的关系曲线

Fig.15 Relationship between strength and freezing temperature at different moisture contents

图16

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图16 不同含水率下割线模量 - 冻结温度的关系曲线

Fig.16 Relationship between secant modulus and freezing temperature under different moisture contents

3.4　围压

图17分别为在同种工况条件下，不同围压对应力-应变曲线的影响，由图可以看出，各种工况下，围压越大，正融土强度明显增大且差异明显，具体表现为峰值强度和残余强度均越大。分析为随着围压的增大，对正融土试样周围形成越来越强烈的约束作用，而试样主要依靠土骨架的结构性和冰的胶结作用来抵抗形变与破坏，剪切过程中，越大的围压会对土体产生越强的约束作用，从而提高了正融土抵抗变形的能力，在一定程度上抑制了裂缝的产生和发展，造成了强度随围压增大而增大的现象。另外，同种工况条件下，不同围压影响时，应力-应变曲线的形状和走势却大致相同，表明围压对正融土强度的影响相较于含水率、冻结温度、融化温度较弱，只是随围压增大而增大，这也与文中正融土强度灰色关联分析所得到的各影响因素敏感性排序相吻合。

图17

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图17 不同围压下的应力应变曲线

Fig.17 Stress-strain curves at different confining pressure

4 结论

通过对季节冻土区正融粉质黏土的常规三轴试验，选定了包括土样内因和外因在内的4种影响因素，采用灰色关联分析法对实验结果进行分析，给出了各影响因素对峰值强度和残余强度的敏感性排序。重点分析了关联度超过60%的3个因素对正融粉质黏土路基强度的影响以及作用机理。得到以下主要结论：

（1）选取的4种影响因素的对峰值强度和残余强度关联度都大于0.5（50%），根据计算所得关联度的大小，对4种因素敏感性大小进行排序：含水率>融化温度>冻结温度>围压，重点考虑含水率、融化温度、冻结温度关联度均大于0.6（60%）的3种因素。

（2）含水率的多少影响土体冻结和正融时的土体结构，当试样含水率接近或者小于最优含水率时，属于典型的脆性破坏；当试样含水率超过最优含水率时，试样的破坏方式从脆性破坏向延性破坏发展；在小含水率状态下，正融土剪切的过程中，下部土体先于上部土体发生破坏；在较大含水率状态下，因此向延性破坏发展。

（3）融化温度对路基强度来说，主要表现在融化温度的差异影响了试样的融化速度，融化温度越低，土样融化速度越慢，土样还没有进行融化固结就已经发生了破坏，接近于冻土的破坏特征；随着融化温度的升高，土样的融化速度明显加快，表现出压缩变形特性，发生延性破坏，亦不出现峰值强度。

（4）冻结温度的变化决定着试样冻结时水分的分布、冰晶体与土颗粒的胶结程度、冻结速率，从而影响了路基的强度。土温降低到土的冻结温度之后，冻结强度随着冻结温度的降低而升高，达到一定的冻结温度之后（约-10 ℃），由于冰晶增加缓慢且有限，则随着冻结温度的继续降低，所以土样强度增长相对减弱。

（5）围压越大，正融土强度明显增大且差异明显，具体表现为峰值强度和残余强度均越大；不同围压影响时，应力-应变曲线的形状和走势却大致相同，表明围压对正融土强度的影响相对较弱，与正融土强度灰色关联分析所得到的各影响因素敏感性排序相吻合。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Xiaozu

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Lixin

. Physics of frozen soil［M］. 2版. Beijing： Science Press， 2001.