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冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究

陈永 黄英豪 朱洵 吴敏 王硕 朱锐

陈永,黄英豪,朱洵,等. 冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究[J]. 水利水运工程学报,2021(5):112-119. doi:  10.12170/20210116001
引用本文: 陈永,黄英豪,朱洵,等. 冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究[J]. 水利水运工程学报,2021(5):112-119. doi:  10.12170/20210116001
(CHEN Yong, HUANG Yinghao, ZHU Xun, et al. Study on the influence of freeze-thaw cycles on the deformation and mechanical properties of expansive soil[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(5): 112-119. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210116001
Citation: (CHEN Yong, HUANG Yinghao, ZHU Xun, et al. Study on the influence of freeze-thaw cycles on the deformation and mechanical properties of expansive soil[J]. Hydro-Science and Engineering, 2021(5): 112-119. (in Chinese)) doi:  10.12170/20210116001

冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究

doi: 10.12170/20210116001
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51879166);冻土工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLFSE201909)
详细信息
    作者简介:

    陈 永(1997—),男,山东潍坊人,硕士研究生,主要从事寒区供水工程的研究。E-mail:chen1861442850@163.com

    通讯作者:

    黄英豪(E-mail:yhhuang@nhri.cn)

  • 中图分类号: TU475

Study on the influence of freeze-thaw cycles on the deformation and mechanical properties of expansive soil

  • 摘要: 为探究季冻区恶劣气候对不同含水率下渠基膨胀土的胀缩变形和物理力学性质的影响,以北疆阿勒泰地区膨胀土为研究对象,室内模拟了北疆地区实际气候条件的冻融循环试验。基于此,对含水率为12%、16%和20%的膨胀土进行体积变形试验、无侧限抗压强度试验和SEM电镜扫描试验,着重分析了冻融循环作用对膨胀土体积变形和力学特性的影响规律。结果表明:冻融循环过程中,随含水率的增加,试样的体积变形由冻缩融胀向冻胀融缩转变。应力-应变曲线特性与冻融循环次数和含水率都有较大的关系。试样的无侧限抗压强度随着含水率和冻融循环次数的增加而降低,其中以第1次冻融循环最为明显,3次后趋于稳定。函数拟合发现,试样的无侧限抗压强度与冻融循环次数呈明显的自然指数关系。含水率越大,冻融循环作用对土体微观结构的影响越大;土体的孔隙度随冻融循环次数的增加逐渐增大,第1次冻融循环作用最为明显,宏观上表现为冻融循环作用对土体力学性质的劣化影响。
  • 图  1  2013年11月—2014年11月渠道沿线地表气温分布曲线

    Figure  1.  Surface temperature distribution curve along the channel from November 2013 to November 2014

    图  2  冻融循环过程中试样体积变化曲线

    Figure  2.  Sample volume change curve during freeze-thaw cycle

    图  3  应力-应变曲线

    Figure  3.  Stress-strain curve

    图  4  qu随冻融循作用的变化

    Figure  4.  Changes of qu with freeze-thaw cycles

    图  5  冻融循环1、7次后含水率为20%的膨胀土SEM照片(100倍)

    Figure  5.  SEM photo of expansive soil with 20% moisture content under a magnification of 100 times after freeze-thaw cycle of 0, 1, 7 times

    图  6  冻融循环7次后含水率为12%、16%、20%的膨胀土SEM照片(1 000倍)

    Figure  6.  SEM photo of expansive soil with moisture content of 12%, 16%, 20% after 7 freeze-thaw cycles under 1 000 times magnification

    图  7  SEM图像处理过程

    Figure  7.  Processing of SEM image

    图  8  面孔隙率随冻融循环的变化

    Figure  8.  Surface porosity changes with freeze-thaw cycles

    表  1  膨胀土的基本物理性质及矿物组成

    Table  1.   Basic physical properties and mineral composition of expansive soil

    物理性质 矿物组成
    液限/%塑性/%塑性指数/%最大干密度/(g·cm−3)最优含水率/% 蒙脱石/%石英/%长石/%方解石/%钠长石/%
    52.6 18.4 34.2 1.71 18.4 61.5 31.4 6.1 0.5 0.5
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    表  2  函数拟合结果

    Table  2.   Function fitting result

    含水率/%系数A系数B系数C相关性R2
    12 356.260 8 137.340 3 −0.420 3 0.999 0
    16 132.301 9 148.206 9 −0.607 7 0.987 2
    20 58.835 5 126.488 7 −0.915 2 0.999 8
    下载: 导出CSV
  • [1] 冷挺, 唐朝生, 徐丹, 等. 膨胀土工程地质特性研究进展[J]. 工程地质学报,2018,26(1):112-128. (LENG Ting, TANG Chaosheng, XU Dan, et al. Advance on the engineering geological characteristics of expansive soil[J]. Journal of Engineering Geology, 2018, 26(1): 112-128. (in Chinese)
    [2] 张路, 樊恒辉, 车雯方, 等. 黑龙江地区渠道基土工程性质试验分析[J]. 水利水运工程学报,2018(2):82-89. (ZHANG Lu, FAN Henghui, CHE Wenfang, et al. Experimental analysis of engineering properties of foundation soil of canal works in Heilongjiang area[J]. Hydro-Science and Engineering, 2018(2): 82-89. (in Chinese)
    [3] 杨和平, 王兴正, 肖杰. 干湿循环效应对南宁外环膨胀土抗剪强度的影响[J]. 岩土工程学报,2014,36(5):949-954. (YANG Heping, WANG Xingzheng, XIAO Jie. Influence of wetting-drying cycles on strength characteristics of Nanning expansive soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(5): 949-954. (in Chinese) doi:  10.11779/CJGE201405020
    [4] 朱洵, 蔡正银, 黄英豪, 等. 湿干冻融耦合循环及干密度对膨胀土力学特性影响的试验研究[J]. 水利学报,2020,51(3):286-294. (ZHU Xun, CAI Zhengyin, HUANG Yinghao, et al. Research on mechanical properties of expansive soils under cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw and density[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2020, 51(3): 286-294. (in Chinese)
    [5] 刘清秉, 吴云刚, 项伟, 等. K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究[J]. 岩土力学,2016,37(10):2795-2802, 2809. (LIU Qingbing, WU Yungang, XIANG Wei, et al. Swelling model study of expansive soil at K0 and triaxial stress state[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(10): 2795-2802, 2809. (in Chinese)
    [6] 蔡正银, 吴志强, 黄英豪, 等. 含水率和含盐量对冻土无侧限抗压强度影响的试验研究[J]. 岩土工程学报,2014,36(9):1580-1586. (CAI Zhengyin, WU Zhiqiang, HUANG Yinghao, et al. Influence of water and salt contents on strength of frozen soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(9): 1580-1586. (in Chinese) doi:  10.11779/CJGE201409002
    [7] 蔡正银, 黄英豪. 咸寒区渠道冻害评估与处治技术[M]. 北京: 科学出版社, 2015.

    CAI Zhengyin, HUANG Yinghao. Evaluation and treatment technology of channel frost damage in salty cold regions[M]. Beijing: Science Press, 2015. (in Chinese)
    [8] 谭娇, 丁建丽, 张钧泳, 等. 1961—2014年新疆北部地区气温时空变化特征[J]. 干旱区研究,2018,35(5):1181-1191. (TAN Jiao, DING Jianli, ZHANG Junyong, et al. Spatiotemporal variation of temperature in North Xinjiang during the period of 1961-2014[J]. Arid Zone Research, 2018, 35(5): 1181-1191. (in Chinese)
    [9] 中华人民共和国水利部. 土工试验方法标准: GB/T 50123—2019[S]. 北京: 中国计划出版社, 2019.

    Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. Standard for geotechnical test methods: GB/T 50123—2019[S]. Beijing: China Planning Press, 2019. (in Chinese)
    [10] 黄英豪, 蔡正银, 朱锐, 等. 季冻区渠道湿干冻融离心模拟试验设备的研制[J]. 岩土工程学报,2020,42(7):1181-1188. (HUANG Yinghao, CAI Zhengyin, ZHU Rui, et al. Development of centrifuge model test equipment for canals in seasonal frozen areas under cyclic action of wetting-drying and freeze-thaw[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(7): 1181-1188. (in Chinese)
    [11] 蔡正银, 朱锐, 黄英豪, 等. 湿干冻融耦合循环作用下渠道劣化过程离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报,2020,42(10):1773-1782. (CAI Zhengyin, ZHU Rui, HUANG Yinghao, et al. Centrifugal model tests on deterioration process of canal under cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(10): 1773-1782. (in Chinese)
    [12] 殷宗泽, 袁俊平, 韦杰, 等. 论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响[J]. 岩土工程学报,2012,34(12):2155-2161. (YIN Zongze, YUAN Junping, WEI Jie, et al. Influence of fissure on slope stability of expansive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(12): 2155-2161. (in Chinese)
    [13] HOTINEANU A, BOUASKER M, ALDAOOD A, et al. Effect of freeze-thaw cycling on the mechanical properties of lime-stabilized expansive clays[J]. Cold Regions Science and Technology, 2015, 119: 151-157. doi:  10.1016/j.coldregions.2015.08.008
    [14] 王大雁, 马巍, 常小晓, 等. 冻融循环作用对青藏粘土物理力学性质的影响[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(33):4313-4319. (WANG Dayan, MA Wei, CHANG Xiaoxiao, et al. Physico-mechanical properties changes of Qinghai-Tibet clay due to cyclic freezing and thawing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(33): 4313-4319. (in Chinese)
    [15] 蔡国庆, 刘祎, 徐润泽, 等. 全吸力范围红黏土干湿循环土-水特征曲线[J]. 岩土工程学报,2019,41(增刊2):13-16. (CAI Guoqing, LIU Yi, XU Runze, et al. Experimental investigation for soil-water characteristic curve of red clay in full suction range[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(Suppl2): 13-16. (in Chinese)
    [16] 王东伟, 陆武萍, 唐朝生, 等. 砂土微观结构样品制备技术及量化方法研究[J]. 岩土力学,2019,40(12):4783-4792. (WANG Dongwei, LU Wuping, TANG Chaosheng, et al. Sample preparation technique and microstructure quantification method for sandy soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(12): 4783-4792. (in Chinese)
    [17] 许雷, 刘斯宏, 鲁洋, 等. 冻融循环下膨胀土物理力学特性研究[J]. 岩土力学,2016,37(增刊2):167-174. (XU Lei, LIU Sihong, LU Yang, et al. Physico-mechanical properties of expansive soil under freeze-thaw cycles[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(Suppl2): 167-174. (in Chinese)
    [18] 陈正汉. 非饱和土与特殊土力学的基本理论研究[J]. 岩土工程学报,2014,36(2):201-272. (CHEN Zhenghan. On basic theories of unsaturated soils and special soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(2): 201-272. (in Chinese) doi:  10.11779/CJGE201402001
    [19] 宋迎俊, 许雷, 鲁洋, 等. 基于正交设计的膨胀土冻融循环试验研究[J]. 水利水运工程学报,2017(2):51-58. (SONG Yingjun, XU Lei, LU Yang, et al. Experimental studies on freeze-thaw cycles of expansive soil based on orthogonal design[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 51-58. (in Chinese)
    [20] 唐朝生, 施斌, 王宝军. 基于SEM土体微观结构研究中的影响因素分析[J]. 岩土工程学报,2008,30(4):560-565. (TANG Chaosheng, SHI Bin, WANG Baojun. Factors affecting analysis of soil microstructure using SEM[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(4): 560-565. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-4548.2008.04.016
  • [1] 高梦娜, 王旭, 李建东, 张延杰, 蒋代军.  膨润土石灰改良黄土强度及微观结构试验研究 . 水利水运工程学报, 2022, (5): 86-93. doi: 10.12170/20210818003
    [2] 甘磊, 冯先伟, 沈振中.  盐冻作用下水工混凝土强度演化模型 . 水利水运工程学报, 2022, (4): 131-139. doi: 10.12170/20210725001
    [3] 孙超伟, 陈兴周, 柴军瑞, 卫田霖, 马斌.  冻融环境下水工碾压混凝土单轴动态抗压性能研究 . 水利水运工程学报, 2022, (): 1-13. doi: 10.12170/20211118005
    [4] 李燕, 王斯海, 朱锐.  复杂边界条件下膨胀土的体变特性与抗压强度研究 . 水利水运工程学报, 2022, (4): 106-113. doi: 10.12170/20210627001
    [5] 杜旭青, 翁佳兴, 别学清, 宋苗苗, 邱成春, 李辉.  EHP工法桩强度性状试验研究 . 水利水运工程学报, 2020, (6): 94-100. doi: 10.12170/20191213001
    [6] 李进前, 王起才, 张戎令, 梁柯鑫, 李航辉, 刘爱仓.  膨胀土膨胀变形试验研究 . 水利水运工程学报, 2019, (1): 60-66. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.01.008
    [7] 孙豹, 王乾峰, 徐童淋, 贺路翔.  冻融劣化混凝土压剪作用下力学特性及破坏准则 . 水利水运工程学报, 2019, (4): 107-115. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.04.015
    [8] 孙豹, 彭刚, 王乾峰, 杨紫辉.  混凝土剪切强度影响因素敏感性分析 . 水利水运工程学报, 2019, (3): 112-118. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.03.014
    [9] 姚吉康, 王志亮, 何爱林, 郝士云.  循环加卸载下花岗岩强度变形及声发射特征 . 水利水运工程学报, 2018, (2): 74-81. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.02.010
    [10] 柳琪, 彭刚, 徐童淋, 杨乃鑫.  冻融劣化混凝土循环加卸载外包络线及能量演化 . 水利水运工程学报, 2017, (6): 85-91. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.06.012
    [11] 刘博文, 彭刚, 王孝政, 马小亮, 邓媛.  不同冻融循环次数混凝土单轴压缩试验 . 水利水运工程学报, 2017, (1): 32-36. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.005
    [12] 宋迎俊, 许雷, 鲁洋, 钱智宇, 张雨灼, 李剑萍.  基于正交设计的膨胀土冻融循环试验研究 . 水利水运工程学报, 2017, (2): 51-58. doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.007
    [13] 冯婷婷, 王建华.  循环荷载作用下软土中吸力锚变形过程拟动力算法 . 水利水运工程学报, 2016, (3): 82-89.
    [14] 吴珺华, 杨松.  干湿循环下膨胀土裂隙发育与导电特性 . 水利水运工程学报, 2016, (1): 58-62.
    [15] 王玉军, 翟家欢, 高涛, 翟爱良.  再生砖骨料多孔混凝土微观结构及结构模型 . 水利水运工程学报, 2016, (2): 46-53.
    [16] 王顺,李涛涛,王林,聂琼.  南阳压实膨胀土膨胀变形规律研究 . 水利水运工程学报, 2011, (3): -.
    [17] 陈迅捷,欧阳幼玲.  海洋环境中混凝土抗冻融循环试验研究 . 水利水运工程学报, 2009, (2): -.
    [18] 王国利,陈生水,徐光明.  干湿循环下膨胀土边坡稳定性的离心模型试验 . 水利水运工程学报, 2005, (4): 6-10.
    [19] 何世钦,贡金鑫,赵国藩.  冻融循环下混凝土中氯离子的扩散性 . 水利水运工程学报, 2004, (4): 32-36.
    [20] 赵志仁.  水工混凝土自由体积变形的推算 . 水利水运工程学报, 1981, (4): -.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-16
  • 网络出版日期:  2021-08-31
  • 刊出日期:  2021-10-25

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