在粉质粘土的剪切特性试验研究soil-ice接口

soil-ice接口是一种特殊的界面形成的土壤和冰的胶结层,这是广泛分布在自然永冻土层。由于冰和土壤之间的特殊的连接和结构层,界面的力学行为在很大程度上不同于一般的冻土。在过去的40 - 50年,在青藏地区温度的增加,边坡不稳定在寒冷地区经常发生。冻融的强度的衰减和soil-ice接口也可能是边坡破坏的一个重要因素。因此,有必要研究土壤冻融界面的剪切特性理解的影响强度变化对边坡稳定性soil-ice接口的。

研究人员最近对边坡稳定进行了大量研究活跃层融化在冻土地区¹。广泛的研究表明,冻土地区的滑坡与活性层的融化^1,2,强度衰减的冻融界面是造成边坡不稳定的关键³。水分和温度是两个最重要的因素影响冻土的强度^4,5,6。与此同时,大量的研究已经证实,强度的变化主要是通过温度实现通过改变水的状态^7,8,9。

因此,进行了一系列室内试验研究人员研究了在不同条件下冻融界面强度的变化模式。彭等。^10,11发现冻融界面强度的敏感温度和含水率的变化通过室内测试。通用电气Qi et al。¹²研究了冻融界面剪切强度之间的关系和在低温条件下冻融循环。王等。¹³发现冻融界面的强度的变化主要是在不同的水分含量与凝聚力。此外,一些研究人员已经研究了土壤类型和围压对强度的影响¹⁴。

此外,Yazdani et al。¹⁵与温度控制的直剪仪进行了一系列的测试来评估热循环的影响在该桩界面的强度。赵等。¹⁶进行了一系列的测试分析冷冻温度上升的影响,水分含量和法向应力的力学性能冷冻soil-pile接口在永冻层的融化过程。Janipour et al。¹⁷研究土壤和混凝土之间的界面剪切强度特性在静态加载。Noroozi et al。¹⁸评价之间的界面的力学行为筛选土壤材料和沥青混凝土核心在实验室。

与连续强度变化的机理研究冻土冻融界面和土壤结构界面,研究人员也开始注意soil-ice界面的温度对强度的影响。Du et al。¹⁹使用单轴测试研究之间的关系强度和含冰冻结粉土的含水量。高et al。¹⁴在积极进行剪切测试温度和剪切测试soil-ice接口的不同类型的土壤,分别,发现soil-ice界面的强度高于解冻的土壤,和土壤类型影响冻融界面的强度。施等。^20.进行剪切试验soil-ice接口在负温度,发现温度影响剪切特性。

过去的研究对冻融界面和土壤结构的界面。研究人员已经初步了解冻融界面的力学机理和土壤结构表面基于大量的实验。soil-ice接口也开始研究,并初步分析内部和外部的影响因素对soil-ice界面的剪切性能进行了。虽然一些研究探讨了温度的影响,初始含水量,soil-ice界面的强度等,这些研究没有系统地调查的发展soil-ice界面在不同的温度下的力量。此外,soil-ice界面上的实验研究还相对较少,并且改变soil-ice界面强度的影响冻土斜坡的稳定性和soil-ice界面的剪切特性仍需进一步的研究。

因此,探讨soil-ice界面强度的变化规律在解冻过程中通过改进测试方法,进行温度控制的直接剪切试验soil-ice标本。soil-ice界面的直接剪切试验进行了在不同初始水分含量(9.0,16.0,23.0%)、不同温度(−−−−10日5日2日1,0°C),和不同的正常压力(100、200、300、400 kPa)。抗剪强度和剪切指数的变化规律与温度和含水率透露,和抗剪强度衰减的机制的标本在解冻过程中进行了讨论。此外,剪切破坏面位置的变化在解冻过程中也进行了分析。这些讨论和分析具有重要意义理解的机械衰变机制soil-ice接口,也可以提供一些理论依据在寒冷地区边坡稳定性的研究。

土样

中使用的土壤,直接剪切试验,粉质粘土,这都是来自青藏高原的斜率。土壤的粒度分布和物理性质图所示。1和表1。

准备样品

首先,干土壤样本根据不同的需求与水混合,然后用保鲜膜,24 h,以确保标本的含水量保持一致。然后,soil-ice标本直径61.8毫米,高度20毫米的准备与环刀。标本形成如下:首先,10毫米厚垫的底部被切割环和覆盖着一层薄膜。然后,切断环充满蒸馏水和冷冻10−10°C h。标本被冻结后,膨胀的冰环刀的表面是用刀片刮掉,切断环下的垫被。随后,准备的填料填充成层的环刀。土壤样本中充满后,样品被放置在一个环境箱。当时温度设置为−10°C和冻结5 h允许形成的标本,并形成标本图所示。2。

测试程序和方案

模制soil-ice标本被放置到冷却剪切盒。剪切盒包有绝缘薄膜,只留下顶部表面传热的一个通道。绝缘膜的样品包装是放置在环境箱,设计和温度控制达到剪切温度,试样开始热从上到下。一旦温度的soil-ice接口标本达到设计值,剪切试验可以开始了。确保测试温度soil-ice界面达到剪力设计值,比较标本在测试期间出现。除了一米温度计埋在soil-ice接口,所有的操作比较样品试样的水平是一样的。当比较试样的温度到达剪力设计值,剪切试验可以开始了。

标本测定的初始水分含量为9.0%,16.0%,和23.0%根据相应的水分少冰的内容,更多的冰,和永久冻土土壤,分别。模拟现场环境的影响soil-ice界面的剪切强度,成形温度设置为−10°C,和剪切温度设置为10−−5 2−−1,0°C。考虑soil-ice接口对温度的敏感性,rapid-shearing测试应用在这项研究。正常的压力被确定为100、200、300和400 kPa,剪切速度设置为0.8毫米/分钟。试验方案如表所示2。

试验装置

试验装置由一个直剪仪,一个环境室(精度:±0.5°C),自动数据采集系统,和一个缸加载系统,如无花果所示。3。样品制备和剪切试验在环境室进行。在剪切应力是由数据采集系统自动记录,和积极的压力缸加载系统应用。

soil-ice界面的剪切强度

剪切温度的影响

图4表明soil-ice界面的剪切强度随着温度的增加而减小,可分为两个阶段:缓慢下降阶段和速降阶段。当温度从10−−2°C,增加样品的强度下降缓慢。强度迅速降低的温度上升−2 0°C。这表明−2°C的温度阈值强度soil-ice接口。这种现象变得越来越明显,增加水分含量。图5介绍了形态学的剪切破坏试样在不同的温度下,当初始含水率为23.0%。在图中,T代表温度;ꞷ代表了水分。它可以发现,冰晶表面的标本温度的升高逐渐降低。−10℃温度时,整个试样的表面布满了冰晶,而当温度增加到−2℃,冰晶的数量显著下降。当温度达到0°C时,试样开始解冻,自由水渗流标本。此外,它可以发现,剪切破坏时soil-ice界面表面温度是−10°C,和soil-ice的失败层呈现脆性破坏。

从剪切试验中观察到的现象说明冰内容起着至关重要的作用在整个生产过程中力量的变化与温度的增加。

初始含水率的影响

从无花果。6,它可以看到soil-ice界面在不同温度下的抗剪强度随含水率的增加,和力量在0°C是在负温度比强度值小得多。当剪切温度是负的,soil-ice界面强度随含水率的增加。

图7介绍了剪切破坏的形态的标本在不同含水率的剪切温度10°C和−−2°C。从图表可以看出,冰晶表面的标本与水分含量的增长增加,这表明强度的变化可能与冰有关内容。在低温下(≤−5°C),抗剪强度增加近线性与水分含量的增长,这种趋势更明显的温度10°C比−5°C。在高温(>−5°C),标本的强度首先迅速增加,然后缓慢增加。比较的剪切破坏状态的标本在无花果。7在10°C和−−2°C,它可以发现许多冰晶表面的标本在−−2°C明显小于10°C。这表明soil-ice界面强度的影响不仅初始含水率也由温度。soil-ice界面的抗剪强度随含水量增大而减小,剪切温度0°C。soil-ice标本的强度变化在不同水分含量从1.73到14.24 kPa。在0°C,试样的强度主要是由上层土壤,这是力量的变化很小的原因。此时,水在土壤中主要以自由水的形式存在,使试样的强度变化类似于土壤解冻。

力量和解冻含水量之间的关系

从测试结果的影响剪切温度、含水量对剪切强度有关水的状态和分布。标本在0°C的强度随含水量增大而减小,这是类似于土壤解冻。解冻含水率的变化和冰的内容负温度下土壤是重要的其他各种影响因素的变化。反过来,强度的变化是一个全面反映各种生理变化。目前,解冻含水率是一个物理量,可以更准确地量化。因此,本文揭示了soil-ice界面强度的变化规律基础上,解冻含水率预测模型。

我们都知道,解冻含水量密切相关温度和初始含水率。基于大量的实验中,一系列的解冻含水率预测模型已经被一些研究者提出了温度²¹。摘要解冻曲线粘土粉水分含量随温度的初始水分含量为23.0%,16.0%,9.0%的人使用安德森预测模型绘制²²,见图。10。和幂函数模型的公式如下。

在哪里\ (W_{{\文本{你}}}\)代表解冻含水率;\ \ (T)是温度;\ (W_ {0} \)是初始含水率,\ (b \)土壤参数;\ (T_{{\文本{f}}}识别\)冻结温度。

从无花果。8可以看出,解冻的含水量与温度可分为三个阶段:严重阶段过渡区(我),过渡阶段过渡区(II),和霜区(3)²³。它可以指出,解冻含水率的变化最为明显,在I期和II期。和试样的抗剪强度也在这两个阶段变化非常显著,这表明解冻含水量密切相关的强度变化的标本。此外,它还可以在图中找到。8解冻的含水率随初始含水量的增加。这就解释了为什么强度增加范围随含水率的增加而减小的标本时,温度是−2°C。在负温度下,冰内容随初始含水率,和冰的增加内容显著增加强度的标本。然而,初始含水量的增加也将显著提高解冻水样本的内容,这将减少试样的强度。因此,当含水率超过16%−2°C的温度范围的增加强度显著降低。进一步调查soil-ice界面强度变化的机理,内摩擦角的变化和凝聚力的试样在不同的温度和含水量分析如下。

剪切指数soil-ice接口

剪切温度的影响

凝聚力

从无花果。9的凝聚力,可以看出,样品在不同水分含量的行为不同。当含水率为9.0%或16.0%,凝聚力增加与温度的下降,然后迅速增加缓慢。在含水率为23.0%,凝聚力下降了54.59 kPa的温度降低而不是增加2−−10°C。此外,它可以指出,凝聚力增加迅速下降的温度从0到−2°C下不同的水分含量。含水率为23.0%时,凝聚力从7.68增加到165.84 kPa,温度降低了从0到−2°C,这增加了95.37%。从无花果。9,可以发现,凝聚力是最重要的改变在第二阶段,虽然它不变量在第四阶段和第三阶段。这表明凝聚力的变化对应于解冻含水量的变化。含水率为9.0%和16.0%时,解冻含水率降低,随着温度下降,使标本的冰胶结和毛细管凝聚力增加,增加凝聚力的标本。此外,解冻含水率变化最重要的第二阶段,所以凝聚力有很大的改变在这个阶段。含水率为23.0%时,凝聚力下降在低温下(<−2°C)可能与土壤结构的变化^24,25。水分含量为23.0%,随着温度下降,从0到−2°C,大量的不冻的水冻结成冰导致土壤颗粒之间的孔隙。随后,随着温度继续下降,孔隙冰含量进一步增加。造成的体积膨胀解冻水冻结成冰此时将挤压土壤颗粒和强迫他们移动。和土壤颗粒之间的相互滑移破坏冰和土壤颗粒之间的胶结,这会削弱冰胶结凝聚力的贡献,因此凝聚力降低温度。应该注意的是,由于含量低的水解冻温度降低−2°C时,凝聚力主要受到冰胶结作用,和基质吸力的作用可以忽略。它可以发现凝聚力与温度的变化是密切相关的水样本。

内摩擦角

从无花果。9b,可以看出,内摩擦角降低慢慢开始,然后用剪切温度的增加迅速降低。内摩擦角保持不变剪切温度增加从10−−2°C时,含水率不超过16.0%,同时减少了4.91°的含水率23%。随着剪切温度上升从−2 0°C,标本的内摩擦角下降了4.62°,19.43°,和22.00°时,水分含量为9%,16%,和23.0%,分别。它可以发现,内摩擦角的变化也与解冻含水量的变化密切相关。

含水量是9%或16%时,生成孔隙冰不填补毛孔,而土壤颗粒随着孔隙冰压力增加。土壤颗粒之间的压力越高,摩擦系数越高,所以内摩擦角随冰内容。几乎23.0%的含水量,冰填充土壤的孔隙。此时冰含量的增加可能会使土壤中压力超过极限值,导致土壤颗粒的位移以及冰晶。和粒子之间的滑移之间的机械咬力将大大增加谷物。因此,当含水率为23.0%,温度越低,内摩擦角越大。

初始含水率的影响

凝聚力

从无花果。10,可以看出,凝聚力在不同温度条件下有不同的趋势随着水分含量的增加。剪切温度是0°C时,凝聚力下降从18.81到11.59 kPa近乎线性发展随着含水率的增加从9.0到23.0%。当剪切温度是负的,凝聚力会随着水分含量的增加而增加。当剪切温度−1°C,凝聚力从30提高到39.9 kPa,含水量的增加从9至16%,这是一个增加约33%。和凝聚力增加从39.9到146.79 kPa随着含水率的增加从16.0至23.0%,这是一个增加约267.4%。−2°C的剪切温度,凝聚力从34岁增加到65 kPa随着含水率的增加从9到16%,增长了88.7%。从65增加到165.84 kPa和凝聚力随着含水率的增加从16.0到23.0%,增长了158.4%。而在低温下(<−2°C),尽管标本的内聚强度增加,增加的温度范围是小于−2°C和−1°C。它可以发现,含水量存在一个阈值(i.e.16.0%)当温度是负的,和凝聚力的标本价值超过时迅速增加。此外,凝聚力和含水率的变化也是影响剪切温度,可以发现,温度越高,更大的凝聚力与水分含量的增加。 A possible explanation for this might be that the growth of ice content affects the development of strength. At a temperature of − 5 °C, the cohesion only increased by about 64.1% as the moisture content rise from 16.0 to 23.0%. This is because the ice content increases as the temperature decreases, and when the ice content reaches the initial frost heave ice content of the specimen, the volume increment generated by the water turning into ice will make the soil particles slip. The displacement between soil particles will damage the ice cementation leading to the reduction of cohesion. This explains why the cohesion at − 5 °C is less than that at − 2 °C when the moisture content reaches 23.0%.

内摩擦角

从无花果。10b,可以看出,摩擦角的变化趋势与增加soil-ice接口是不一样的水分含量在不同的温度下。soil-ice试样的摩擦角不随含水率的剪切温度0°C。在负温度,标本一般的内摩擦角随着含水量的增加而增加。这是因为水在上层土壤主要存在形式的自由水在0°C。尽管含水量的增加使润滑效果增加,摩擦角没有显著改变。和负温度,水分含量的增加,土壤的孔隙冰含量增加,使土壤颗粒之间的压力增长,所以摩擦角与水分含量增加。而温度−2℃和−1℃,摩擦角先增加然后减少。这种变化密切相关的解冻土壤中的水分含量。−2°C的温度,大部分自由水的土壤冻结成冰。此时,水变成冰的体积膨胀将使土壤颗粒之间的压力增加,使内摩擦角增强。 However, as the initial moisture content increases, although the ice content also increases, the unfrozen moisture content increases significantly at this time, which makes the lubrication between the particles greatly enhanced, so the internal friction angle of the specimen starts to decrease after the moisture content exceeds 16.0%. And the internal friction angle grows with the increase of moisture content when the temperature is − 5 °C and − 10 °C. However, when the moisture content is 23.0%, the internal friction angle increases rather than decreases with the increase of moisture content. The reason for this phenomenon is related to the occurrence of frost heave. When the moisture content reaches the starting frost heave moisture content, the soil particles slide because of the frost heave, which makes the mechanical bite force between the particles increase. Therefore, the internal friction angle increases.

分析的结果

抗剪强度的变化机制

根据剪切强度和剪切指数的变化在不同的条件下,它可以发现凝聚力和内摩擦角对剪切强度的影响是不一样的在不同的因素。当水分含量低(≤16.0%),标本的凝聚力开始减少和温度的增加,而内摩擦角不变,和试样的强度的变化主要是由于减少的凝聚力。含水率为23.0%时,随着温度的增加,试样的凝聚力增加然后减少,而摩擦角慢慢减少,然后迅速降低。在低温下(<−2°C),标本的凝聚力和摩擦角与水分含量增加,和标本受到的力量都在一起。在更高的温度下(−2°C ~ 0℃),标本的凝聚力增加缓慢,然后迅速随着含水率的增加,而内摩擦角迅速增加,然后降低。虽然凝聚力也是重要的变化,试样的强度内摩擦角的影响。

剪切破坏soil-ice标本的表面

剪切试验的结果说明soil-ice界面的剪切破坏面出现在上部土层,如无花果所示。11。这一现象的原因可能是大大标本的结构有关。直接剪切试验使剪切破坏的位置相对固定,但剪切破坏面不一定出现在soil-ice接口。

标本由两部分组成:冰一层一层和土壤。试样的强度是由冰的强度层,冻土的强度,强度的soil-ice接口。一般来说,冰的力量远远超过土壤的强度,因此试样的抗剪强度是由上层冻土的强度层和soil-ice接口。

应该注意的是,测试结果可能受到样本的大小和在剪切soil-ice接口的位置。然而,作者仍然发现了一些规律性的基础上,多组实验。根据剪切试验结果在无花果。5和7失败,可以发现,表面出现在soil-ice界面的剪切温度−10°C。而剪切破坏面时soil-ice界面上方的温度高于−5°C。这是还发现,在较低温度下含水率越高,上部土层的完整性越好,和剪切破坏后的上半部分是一个整体。这表明标本的上部土层的强度高于soil-ice界面的破坏面时在soil-ice接口。相比之下,soil-ice界面的强度高于上部土层的强度,当温度高于−5°C。

本研究的目的是评估soil-ice界面的界面剪切行为和强度在不同的温度和水分含量。样品的剪切破坏面也是评估基于剪切标本的形态。变化的模式标本在含水率和温度的强度相似的永冻层土壤。力量的发展与解冻含水量的变化密切相关。凝聚力降低,然后增加而增加温度,当含水率为23%。这一发现是一致的与Du et al。²⁶他们认为与解冻含水量变化趋势。根据剪切破坏形态,我们发现剪切破坏面并不总是在soli-ice接口。随着温度的增加,弱者标本表面从上部土层soil-ice接口。这一发现是一致的与高et al。¹⁴谁还发现,弱者标本表面位于上层土壤冻融界面或层。此外,它可以从剪切破坏形态推断soil-ice界面的强度大于的土层,当温度高于−5°C,而soil-ice界面的强度小于上部土层的剪切温度时−10°C。这一发现与陈等人是一致的。²⁷他们认为与解冻含水量变化趋势。

在春季解冻,冻土受到外部空气温度的影响,以及热能转移从表面到内部,和附近的温度明显高于冻土内部的温度。因此,上部土层的强度明显降低在热能转移到冰层。此时,疲软的永冻层表面不发生在soil-ice接口但位于上部土层。从可用的结果和调查结果,可以看出soil-ice界面的强度高于普通冻土温度高于−5°C。因此,边坡表面不会出现疲软soil-ice接口在春季解冻,但将位于上部土层。

根据本文提供的实验结果,可以得出以下结论:

1. 1。

   样品的强度随着温度增加而减小,强度的变化是最重要的从−−2 0°C。强度降低这个范围从21.8到74.8%,含水率越高这种现象越明显。样品的强度随着含水率的增加而增加,负温度,增加是更重要的在较低的温度。随着含水率的增加从9.0到23.0%,强度增加了55.1%,48.4%和46.8%−10°C,−5°C和−2°C,分别。试样的抗剪强度随着含水率的增加减少在0°C由于存在大量的自由水。

2. 2。

   凝聚力和内摩擦角的变化解冻含水量密切相关,和强度的变化是影响他们两人在一起。剪切指数往往与解冻含水量的增加,减少和更大的水解冻的增加,减少的越快,尤其是在第二阶段。应该注意的是,当含水率23%,凝聚力和内摩擦展示交流增长和下降的趋势,而内摩擦角的影响强度高于凝聚力。

3. 3所示。

   当温度高于−5°C,标本失败表面位于上部土层,略高于soil-ice接口。这时,soil-ice试样的强度是由上部土层的强度,和soil-ice界面的强度大于土层的强度。当剪切温度−10°C, soil-ice界面剪切破坏表面。在这个时候,soil-ice界面的强度小于上部土层的强度。