天津地區(qū)含水量和干密度對人工凍土強度特性的影響研究

人工凍土的強度特性是城市地下工程設(shè)計的重要指標，指標選取是否合理直接影響著工程的安全性，因此開展各影響因素對強度指標的影響研究具有十分重要的工程意義，需要進行系統(tǒng)的試驗研究。土的凍結(jié)主要是土中水的凍結(jié)，凍土中未凍水含量對凍土強度影響很大，徐學祖[1]等通過研究發(fā)現(xiàn)，凍土中未凍水含量主要受初始含水量和干密度控制，隨初始含水率的增加，凍土體中未凍水含量增加，土顆粒含量減小，凍土強度降低，逐漸接近于純冰的強度；張麗敏[2]等通過室內(nèi)試驗研究了各種溫度、應(yīng)變率條件下冰的強度規(guī)律；張俊兵、李海鵬[3～4]等對蘭州和山東地區(qū)凍結(jié)砂土、粉土和粘土的單軸抗壓強度進行了詳細的研究，給出了抗壓強度與不同影響因素之間的定量關(guān)系；肖海濱[5]對長春市粉質(zhì)粘土在不同負溫、含水率下進行了單軸抗壓強度測試，建立了單軸抗壓強度與溫度和含水率關(guān)系的數(shù)學模型；陳有亮[6～7]等對上海人工凍結(jié)軟土和軟粘土進行了單軸抗壓強度試驗研究，得出抗壓強度與溫度、應(yīng)變速率關(guān)系的冪函數(shù)模型參數(shù)；賀俊[8]針對蘇州地區(qū)典型土層進行了原狀土與重塑土凍土抗壓強度試驗，得出了凍土抗壓強度隨溫度降低及含水率增加而線性增長的規(guī)律。

盡管許多研究者對凍土的單軸抗壓強度作了深入的研究，但針對天津地區(qū)的土質(zhì)研究甚少。本次試驗研究的土樣全部來自天津地區(qū)。

1 試驗方法

1.1 土樣制備

試樣尺寸為φ50mm×100mm。制作時將土樣切碎，在105～110℃下恒溫烘干，放入干燥器中冷卻，然后進行破碎。根據(jù)不同的含水量和干密度，對干土進行配水并攪拌均勻，密封后放入保濕器內(nèi)養(yǎng)護24 h。分3次均勻地將土放入模具壓實，保證試樣密度和含水量在允許誤差范圍內(nèi)。將制備好的試樣密封置于恒溫箱內(nèi)冷凍養(yǎng)護，24～48 h后用于試驗。

本次試驗進行的試樣統(tǒng)計見表1和表2。

表1 相同干密度（1.3×103 kg/m3）不同含水量試樣的試驗安排

表2 相同含水量（20%）不同干密度試樣的試驗安排

1.2 試驗過程

根據(jù)MT-T_593—2011《人工凍土物理力學性能試驗規(guī)程》的要求進行人工凍土單軸抗壓強度試驗。所用的凍土壓力試驗儀見圖1。

圖1 凍土壓力試驗儀

開始試驗前，設(shè)置凍土壓力儀的恒溫箱溫度，穩(wěn)定后，裝載試樣。穩(wěn)定20～30min，確保恒溫箱內(nèi)達到指定試驗溫度后，開啟凍土壓力儀，系統(tǒng)自動記錄試驗數(shù)據(jù)。當應(yīng)力值達到峰值或穩(wěn)定時，繼續(xù)增加3%～5%的應(yīng)變值，即可停止試驗；如果應(yīng)力值持續(xù)增加，則試驗進行到試樣應(yīng)變達到20%為止。停機卸載取下試樣，記錄試樣變形破壞情況，見圖2。

圖2 部分土樣壓縮破壞情況

2 含水量對人工凍土單軸抗壓強度的影響

進行了-10℃下相同干密度（1.3 kg/m3）不同含水量的重塑土樣的單軸抗壓強度試驗，研究了含水量對人工凍土凍結(jié)強度的影響。

通過控制水和干土的質(zhì)量可以配制不同含水量和干密度的重塑土土樣。制作試樣的模具體積一定，事先計算好不同含水量的試樣所需的水和干土質(zhì)量，可制作干密度一定，飽和度由低到高的不同試樣。當土樣達到飽和時，通過降低土樣的壓實度可制作更高含水量的重塑土試樣，但此時的干密度會有一定程度的減小，這樣可定量研究含水量對人工凍土單軸抗壓強度的影響規(guī)律。

重塑凍土試樣單軸抗壓強度值與含水量之間的關(guān)系見圖3。

圖3 凍結(jié)重塑土樣的單軸抗壓強度與含水量的關(guān)系

1）粉砂含水率從15%增加到25%時，凍土強度從1.59 MPa增加至3.14MPa。含水率每增加1%，凍土強度平均增加0.155MPa，同時圖3中曲線也表明粉砂試樣凍土強度隨含水率增加而增長基本呈線性關(guān)系。25%時是凍土強度變化的拐點；之后隨著含水率的增加，強度開始下降。

2）粉土含水率為15%～30%時，人工凍結(jié)后凍結(jié)強度為1.16～2.77MPa，隨著含水率增加凍結(jié)強度不斷增大，到30%時達到最大值2.77MPa，比15%時增大1.61MPa，試樣凍結(jié)強度在含水率為15%～30%時，基本呈線性增長關(guān)系，含水率增加1%抗壓強度平均增加0.161MPa；30%時是凍土強度變化的拐點；之后隨著含水率的增加，強度下降。

3）粉質(zhì)粘土含水率為15%～35%時凍土強度為0.98～2.83MPa，隨含水率增加凍土強度不斷增大，到35%時達到最大2.83MPa，35%時是凍土強度變化的拐點；凍土強度只在含水率為15%～35%間呈線性增長關(guān)系，之后隨著含水率的增加，強度下降。

4）粘土含水率為15%～35%時人工凍結(jié)后凍土強度為1.28～3.47MPa，隨著含水率增加凍土強度不斷增大，到35%時達到最大3.47MPa，比15%時增大2.19 MPa，35%時是凍土強度變化的拐點；凍土強度只在含水率15%～35%間呈線性增長關(guān)系，之后隨著含水率的增加，強度下降。

5）在-10℃下，粉砂在25%時達到最大為3.14MPa，粉土在30%時達到最大為2.77MPa，粉質(zhì)粘土在35%時達到最大為2.83MPa，粘土凍土強度在含水率為35%時達到最大為3.47MPa。

6）隨著含水量的不斷增大，土顆粒含量減少，試樣的干密度減小，冰的含量開始起支配作用，試樣越來越多的呈現(xiàn)出冰的特性，強度逐漸接近于純冰的強度，而純冰的強度小于凍土的強度。

7）土中的含水量對凍土的單軸抗壓強度影響較大。當含水量未達到飽和狀態(tài)時，隨著含水量的增加，冰與土顆粒、鹽晶體之間的膠結(jié)能力增強，同時含冰量增加，分擔載荷的能力也增加，而凍土抗壓強度決定于土骨架和冰的抗壓強度以及冰與礦物顆粒間的粘聚力，故單軸抗壓強度不斷增加；當含水量達到飽和狀態(tài)時，土體中的空隙完全被冰填充，土顆粒、冰晶體、鹽晶體及它們之間的相互作用達到了最好的狀態(tài)，單軸抗壓強度達到最大；當水分繼續(xù)增加，含水量超過飽和含水量時，土中冰體凍脹過大破壞土骨架，使得固體顆粒與冰體間膠結(jié)能力下降，單軸抗壓強度減小。

3 干密度對人工凍土單軸抗壓強度的影響

在保證含水量一定（20%）的前提下，可配制不同壓實度下不同干密度的重塑土樣，此時的試樣并非完全飽和，干密度越大，試樣孔隙率越低，對應(yīng)的飽和度越高，從而研究干密度這一單一因素對人工凍土單軸抗壓強度的影響。

重塑土在-10℃時的單軸抗壓強度與干密度之間的關(guān)系見圖4。

圖4 凍結(jié)重塑土樣的單軸抗壓強度與干密度的關(guān)系

1）粉砂干密度為1.25 kg/m3時人工凍結(jié)后凍土強度為2.65MPa，到1.55 kg/m3時達到4.2 MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強度相應(yīng)增加0.052MPa。粉土干密度為1.25 kg/m3時人工凍結(jié)后凍土強度為2.28 MPa，到1.55 kg/m3時達到3.64MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強度相應(yīng)增加0.045MPa。粉質(zhì)粘土干密度為1.25 kg/m3時人工凍結(jié)后凍土強度為2.02MPa，到1.55 kg/m3時達到3.33MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強度相應(yīng)增加0.044 MPa。粘土干密度為1.25 kg/m3時人工凍結(jié)后凍土強度為1.8MPa，到1.55 kg/m3時達到2.83MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強度相應(yīng)增加0.034MPa。

2）土樣的干密度對凍土的單軸抗壓強度有一定影響，抗壓強度隨干密度的增加而增加。同一含水量條件下，干密度越大，土體的抗壓強度越大。

4 結(jié)論

1）土中的含水量對凍土的單軸抗壓強度影響較大。當土中含水量未達飽和之前，凍土抗壓強度隨含水量增加而提高；但當含水量達飽和之后，含水量增加時，凍土抗壓強度反而降低。

2）土的干密度對凍土的單軸抗壓強度有一定影響。當含水量一定時，隨著干密度的增加，凍土的單軸抗壓強度增大。

[1]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京：科學出版社，2010.

[2]張麗敏，李志軍，賈 青，等.人工淡水冰單軸壓縮強度試驗研究[J].水利學報，2009，40(11)：1392-1396.

[3]張俊兵，李海鵬，林傳年，等.飽和凍結(jié)粉土在常應(yīng)變率下的單軸抗壓強度[J].巖石力學與工程學報，2003，（S2）：2865-2870.

[4]李海鵬，林傳年，張俊兵，等.原狀與重塑人工凍結(jié)粘土抗壓強度特征對比試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2003，（S2）：2861-2864.

[5]肖海濱.人工凍土單軸抗壓強度與溫度和含水率的關(guān)系[J].巖土工程界，2008，11（4）：62－64.

[6]陳有亮，王 明，徐 珊，等.上海人工凍結(jié)軟黏土抗壓抗拉強度試驗研究[J].巖土工程學報，2009，（7）：1046-1051.

[7]尹珍珍，陳有亮，王 鵬.上海人工凍結(jié)黏土單軸無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J].巖土力學，2012，（3）：788-792.

[8]賀 俊.蘇州地鐵典型土層凍土物理力學特性研究[D].南京：南京林業(yè)大學，2010.