寧波海相軟弱土層人工凍土強(qiáng)度特性試驗

江汪洋，楊平*，陳斌，何文龍

(1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037； 2.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315010)

寧波海相軟弱土層人工凍土強(qiáng)度特性試驗

江汪洋1，楊平1*，陳斌2，何文龍1

(1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037； 2.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315010)

人工凍土強(qiáng)度特性具有區(qū)域性，以寧波軌道交通2號線3種海相典型土質(zhì)(淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉土)開展凍土單軸抗壓和三軸剪切試驗研究。結(jié)果表明：3種土質(zhì)在不同溫度下試樣均為腰鼓形塑性破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈應(yīng)變硬化型，但隨溫度降低有向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變的趨勢；單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨溫度降低而近似線性增大；重塑粉質(zhì)黏土抗壓強(qiáng)度和彈性模量均與應(yīng)變速率呈冪函數(shù)關(guān)系增長；各土質(zhì)最大軸向偏應(yīng)力隨圍壓的增大而增大，且具有線性關(guān)系，-10℃抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c、φ)均得到大幅提高，黏聚力提高1.23～1.76 MPa；寧波地區(qū)典型粉質(zhì)黏土與其他地區(qū)類似地層相比，單軸抗壓和抗剪強(qiáng)度均較低，而彈性模量偏中等，與上海地區(qū)同類土質(zhì)接近。

寧波海相軟弱地層；人工凍土；單軸抗壓強(qiáng)度；三軸剪切強(qiáng)度；應(yīng)變速率

近年來，人工凍結(jié)法已成為地鐵建設(shè)中必不可少的地層加固手段之一，特別是像寧波地區(qū)這種海相軟土地層中的隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞、聯(lián)絡(luò)通道以及地鐵泵房等加固效果尤為突出。在凍結(jié)工程中，凍土強(qiáng)度是對凍結(jié)質(zhì)量最直接的反映，也是保證安全施工的核心。

凍土強(qiáng)度特性研究開始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過近90年的努力，現(xiàn)已取得一系列成熟成果。如Zhu等[1]對凍結(jié)砂土進(jìn)行了單軸抗壓試驗研究，得到溫度、應(yīng)變速率以及破壞時間對抗壓強(qiáng)度的影響，并給出它們之間的定量關(guān)系；李洪升等[2]和陳有亮等[3]以粉質(zhì)土為對象，研究得到凍土抗壓強(qiáng)度和彈性模量與溫度呈線性關(guān)系，而分別與應(yīng)變速率、應(yīng)變速率的對數(shù)成冪函數(shù)關(guān)系；肖海斌[4]通過單軸抗壓試驗分析了溫度和含水率對粉質(zhì)黏土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律；蔡正銀等[5]和Hass等[6]分別對黏土、砂土進(jìn)行含鹽量影響研究，得出易溶鹽可以降低凍結(jié)溫度使凍土強(qiáng)度隨含鹽量的增加而逐漸減??；楊平[7]選取潤揚(yáng)大橋錨錠處土層進(jìn)行原狀土與凍融土系列對比試驗，獲得兩種狀態(tài)下壓縮模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及單軸抗壓強(qiáng)度的差異；賀俊等[8]以蘇州地區(qū)凍土進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究，分析了不同因素(溫度、干密度和含水率)對該地區(qū)凍土抗壓強(qiáng)度的影響以及破壞形態(tài)，并探究了溫度對彈性模量和泊松比的影響；孫谷雨等[9]以南京粉質(zhì)黏土為對象進(jìn)行三軸剪切試驗研究，得到溫度、圍壓兩因素對剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律并建立了鄧肯-張本構(gòu)模型；孫星亮等[10]、牛亞強(qiáng)等[11]和馬巍等[12]分別對凍結(jié)粉質(zhì)黏土、砂土進(jìn)行了三軸剪切試驗，得到圍壓在一定范圍內(nèi)增長與強(qiáng)度呈正比關(guān)系，但隨圍壓的進(jìn)一步增長，強(qiáng)度會出現(xiàn)下降趨勢。

通過以上研究可知，凍土強(qiáng)度特性受溫度、含水率、圍壓、區(qū)域水文地質(zhì)等諸多因素的影響，但其區(qū)域性特征明顯，隨著寧波地鐵大批連通道及進(jìn)出洞凍結(jié)法加固的應(yīng)用，急需研究寧波海相典型土層凍土強(qiáng)度特性。本研究結(jié)合寧波市軌道交通2號線凍結(jié)工程，選取工程范圍內(nèi)的典型土層進(jìn)行強(qiáng)度試驗研究，以期為凍結(jié)法設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗規(guī)劃與試驗方法

1.1 試驗土樣

試驗選取寧波軌道交通2號線對凍結(jié)工程影響范圍較大的3種典型土質(zhì)，分別為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土。土樣基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Table 1 The basic physical properties of the soil samples

1.2 試驗規(guī)劃

對3種典型土質(zhì)開展試驗，主要研究該地區(qū)凍土的破壞形態(tài)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、溫度對抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，以及圍壓對抗剪強(qiáng)度的影響等。為了研究應(yīng)變速率對單軸抗壓的影響，以單獨粉質(zhì)黏土重塑土進(jìn)行試驗分析，3種試驗的試驗規(guī)劃見表2。

表2 試驗規(guī)劃Table 2 Test plan

1.3 試驗方法

試驗使用原狀土和重塑土兩種試樣。原狀土試樣為使用切土器和削土刀將現(xiàn)場取回的土樣修整成的Φ50 mm×100 mm圓柱形試樣，重塑土試樣為根據(jù)天然含水率和干密度分層擊實制成的Φ50 mm×100 mm圓柱形試樣。試樣制作過程應(yīng)符合MT/T 593.1—1996《人工凍土物理力學(xué)性能試驗》要求。

凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗采用WDT-100B微機(jī)控制多功能凍土壓力試驗機(jī)，試驗前先把制作好的試樣放入試驗指定負(fù)溫環(huán)境箱中恒溫養(yǎng)護(hù)24 h以上，并將試驗機(jī)設(shè)置到指定負(fù)溫預(yù)冷2 h，然后迅速放入凍結(jié)好的試樣，按照規(guī)劃的應(yīng)變速率進(jìn)行加載。當(dāng)荷載達(dá)到峰值后繼續(xù)增加3%～6%的應(yīng)變值，即可停止試驗；如果荷載持續(xù)增長，則試驗進(jìn)行到應(yīng)變?yōu)?0%為止。

凍土三軸抗剪強(qiáng)度試驗采用美國進(jìn)口的FSTX-100型人工凍土三軸壓縮試驗機(jī)。試驗前先將常溫試樣裝入冷凍腔體中，設(shè)置試驗要求圍壓，并調(diào)節(jié)溫度至試驗指定負(fù)溫，恒溫24 h以上，然后進(jìn)行試驗剪切加載。當(dāng)軸向應(yīng)力不再增長時，繼續(xù)加載軸向應(yīng)變增加3%～5%；若壓力傳感器讀數(shù)無明顯變化，試驗直至軸向應(yīng)變達(dá)到20%為止。

每種情況需進(jìn)行4個試樣的平行試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍土單軸抗壓強(qiáng)度

2.1.1 破壞形態(tài)

3種土質(zhì)試樣的破壞形態(tài)見圖1。在不同溫度下均呈現(xiàn)腰鼓型破壞，且表面一周出現(xiàn)一些細(xì)小的豎向裂紋，其中粉土的腰鼓部位還存在表皮剝落，引起這些現(xiàn)象是由于試樣中的未凍水相對含量較高，抵抗荷載變形能力較弱，受相對較高應(yīng)力狀態(tài)的土體容易沿著徑向滑移，使表面的土體受到擠壓超過了冰土膠結(jié)力產(chǎn)生裂縫(可塑性差的土質(zhì)還伴隨著起剝)，加上試樣的兩端受到摩擦的變形限制，最終產(chǎn)生腰鼓形塑性破壞[13]。另外，試樣的腰鼓位置并不固定在試樣高度中部，出現(xiàn)這情況可能是原狀土土質(zhì)不均勻所致。

圖1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗后試樣破壞形態(tài)Fig.1 Specimen failure pattern after the uniaxial compressive strength test

2.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3種土質(zhì)在不同溫度水平下軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。由圖可知，3種土質(zhì)大部分應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形狀基本相似，在應(yīng)變初期，應(yīng)力的增速較快且與應(yīng)變近似為線性關(guān)系，表現(xiàn)出一定的彈性特征；隨著應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力增速開始逐漸減緩，出現(xiàn)明顯的塑性變形，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度時，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，屬于應(yīng)變硬化型，只有-15℃粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線存在峰值；當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增長呈下降衰減趨勢，屬于應(yīng)變軟化型，說明隨著溫度的降低凍土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將從硬化型逐漸轉(zhuǎn)為軟化型，且應(yīng)力初始增速均隨著溫度降低而增大，其中-10℃與-15℃應(yīng)力初始增速較接近，與-5℃應(yīng)力初始增速相差較大，表明溫度低于-10℃對應(yīng)力初始增速影響較小。

圖2 3種土質(zhì)在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of three kinds of soil at different temperatures

2.1.3 溫度對單軸抗壓強(qiáng)度的影響

3種土質(zhì)在不同溫度下的單軸抗壓強(qiáng)度及關(guān)系曲線見圖3。由圖可知，在不同溫度水平下，抗壓強(qiáng)度均隨溫度的下降呈近似線性增長。這是因為凍土強(qiáng)度主要取決于土顆粒與冰之間的膠結(jié)力，而試樣溫度決定著土中冰占含水總量的比例，當(dāng)溫度降低，冰占含水總量的比例增大，冰的強(qiáng)度增加，提高了土顆粒與冰之間的膠結(jié)力，從而凍土單軸抗壓強(qiáng)度明顯增大。在同一溫度水平下，3種土質(zhì)凍土單軸抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為：粉土>粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)黏土，源于粉土的土顆粒相對于其他兩種土質(zhì)來說比較大，且土的液性指數(shù)最大(1.13)，因此土中自由水的比例高，在試驗溫度范圍內(nèi)土中水分大部分容易被凍結(jié)，獲得較大的膠結(jié)力，增大了粉土的抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度最大。

對圖3試驗點進(jìn)行線性擬合得其關(guān)系式，擬合公式表明，溫度每降低1℃，3種土質(zhì)單軸抗壓強(qiáng)度分別提高0.17，0.30和0.24 MPa，其中粉質(zhì)黏土的增長變化最大，表明粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度受溫度影響最大，而粉土在-5℃較高溫度下即可獲得較大強(qiáng)度，進(jìn)一步說明粉土中自由水比例較高，易于凍結(jié)。

圖3 3種土質(zhì)單軸抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curves between uniaxial compressive strength and temperature of three kinds of soil

2.1.4 溫度對彈性模量的影響

凍土的彈性模量一般采用割線模量來表示，即試樣凍土單軸抗壓強(qiáng)度σs的1/2與其對應(yīng)的應(yīng)變εr1/2的比值[14]。3種土質(zhì)在不同溫度下的彈性模量及關(guān)系曲線如圖4所示。由圖可知，3種土質(zhì)的彈性模量均隨溫度降低近似呈線性增長關(guān)系，這和單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的變化關(guān)系相同，是由于土體中冰水比例受溫度影響所致。對其關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析得到擬合公式，發(fā)現(xiàn)溫度每降低1℃，土質(zhì)的彈性模量增加11～15 MPa。粉土彈性模量對溫度的敏感性最大，粉質(zhì)黏土最小，但凍土溫度較高時(-5℃)3種土質(zhì)彈性模量區(qū)別不大。

圖4 3種土質(zhì)的彈性模量與溫度關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curves between elastic modulus and temperature relation curve of three kinds of soil

2.1.5 應(yīng)變速率對重塑粉質(zhì)黏土強(qiáng)度和彈性模量的影響

應(yīng)變速率10%/min的重塑與原狀粉質(zhì)黏土強(qiáng)度比較及重塑粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如表3和圖5所示。

由表3中應(yīng)變速率10%/min的重塑粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與原狀粉質(zhì)黏土進(jìn)行對比可知，重塑粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度比原狀粉質(zhì)黏土約大8%，而彈性模量則比原狀粉質(zhì)黏土約小7%，這可能是由于重塑土試樣土質(zhì)均勻性比較好，對凍土強(qiáng)度提高起到一定的作用，而重塑土質(zhì)破壞了土體間的結(jié)構(gòu)性，導(dǎo)致凍土彈性模量有所減小。

表3 應(yīng)變速率10%/min的重塑與原狀粉質(zhì)黏土強(qiáng)度比較Table 3 Comparison of strength of remolded silty clay and undisturbed silty clay at a strain rate of 10%/min /MPa

圖5 -10℃粉質(zhì)黏土在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain curves of silty clay under different strain rates at -10℃

圖6 -10℃粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率關(guān)系曲線Fig.6 The relationship curves between uniaxial compressive strength and strain rate of silty clay at -10℃

圖7 -10℃粉質(zhì)黏土彈性模量與應(yīng)變速率關(guān)系曲線Fig.7 The relationship curves between elastic modulus and strain rate of silty clay at -10℃

由圖5可知，重塑粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本相似，均為應(yīng)變硬化形態(tài)。其單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著應(yīng)變速率的提高而增大，單軸抗壓強(qiáng)度在20%/min下較1%/min增加30%左右，彈性模量則增加超過60%，表明應(yīng)變速率對凍土的強(qiáng)度及彈性模量影響顯著，在單軸抗壓試驗中須嚴(yán)格控制。從圖6、7的關(guān)系曲線可以看出，重塑粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與應(yīng)變速率之間均呈冪函數(shù)關(guān)系，可用如下公式對其關(guān)系進(jìn)行表示：

由回歸分析結(jié)果可見，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與應(yīng)變速率的擬合公式相關(guān)性均較好。

2.2 凍土三軸抗剪強(qiáng)度

3種土質(zhì)凍土試樣經(jīng)過三軸剪切試驗后，不同圍壓下的破壞形態(tài)與單軸抗壓強(qiáng)度試驗后試驗破壞形態(tài)相同，均呈現(xiàn)塑性剪脹破壞。

3種土質(zhì)的最大軸向偏應(yīng)力與圍壓關(guān)系曲線如圖8所示，由圖可知，在試驗圍壓范圍內(nèi)，凍土的最大軸向偏應(yīng)力均隨圍壓提高而呈現(xiàn)近似線性增長。在同一等級圍壓下，最大軸向偏應(yīng)力大小表現(xiàn)為：粉土>粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)黏土，其中粉土和粉質(zhì)黏土的最大軸向偏應(yīng)力較接近，而淤泥質(zhì)黏土的最大軸向偏應(yīng)力則遠(yuǎn)小于粉土和粉質(zhì)黏土。

凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c，φ)值見表4。3種土質(zhì)的凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)與常溫土相比，均有較大提高，特別是黏聚力提高很大，增幅為1.23～1.76 MPa，這是由于在-10℃下土中大部分水轉(zhuǎn)變成冰，土顆粒與冰之間產(chǎn)生膠結(jié)作用，使凍土的黏聚力比常溫土增加了冰結(jié)膠結(jié)力，并且冰與土顆粒間增加的咬合力，也適當(dāng)提高了內(nèi)摩擦角。粉土的黏聚力增幅最大，粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角增幅最大。

圖8 -10℃條件下3種土質(zhì)最大軸向偏應(yīng)力與圍壓關(guān)系Fig.8 The relationship curves between maximum axial stress and confining pressure of three kinds of soil at -10℃

表4 3種土質(zhì)凍土與常溫土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 The shear strength index of frozen soil and normal temperature soil of three kinds of soil

2.3 寧波地區(qū)典型粉質(zhì)黏土與其他地區(qū)土層強(qiáng)度特性比較

寧波地區(qū)最為典型土質(zhì)(粉質(zhì)黏土)強(qiáng)度特性與上海、南京地區(qū)[15]的比較結(jié)果見表5。由表可知，3個地區(qū)單軸抗壓強(qiáng)度南京地區(qū)>上海地區(qū)>寧波地區(qū)；而彈性模量上海地區(qū)與寧波地區(qū)較接近，均小于南京地區(qū)，且均隨溫度降低而增長；南京地區(qū)單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量受溫度的影響相對較大，其他兩個地區(qū)相近。對于抗剪強(qiáng)度而言，從抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c，φ)值可以看出，寧波和上海地區(qū)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度較接近，均小于南京地區(qū)粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度。由于受篇幅限制，對其他兩種土質(zhì)比較分析從略。

表5 3個地區(qū)凍結(jié)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性比較Table 5 Comparison of strength characteristics of frozen silty clay in three area

3 結(jié) 論

1)3種土質(zhì)試樣在不同溫度下的單軸抗壓破壞形態(tài)均為腰鼓狀塑性破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈應(yīng)變硬化型，但隨溫度降低有向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變的趨勢；3種土質(zhì)試樣在不同圍壓下的三軸剪切破壞形態(tài)均為塑性剪脹破壞。

2)3種土質(zhì)的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨溫度的下降而近似呈線性增長，且粉質(zhì)黏土強(qiáng)度受溫度影響最大；重塑粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨應(yīng)變速率的提高近似呈冪函數(shù)式增長。

3)3種典型土質(zhì)凍土的最大軸向偏應(yīng)力均與圍壓呈線性增長關(guān)系，其中不同土質(zhì)的最大軸向偏應(yīng)力大小為：粉土>粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)黏土；凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比常溫下土質(zhì)抗剪指標(biāo)有較大提高，特別是黏聚力各種土質(zhì)提高了1.23～1.76 MPa。

4)寧波地區(qū)與南京、上海地區(qū)土層強(qiáng)度特性對比發(fā)現(xiàn)，南京地區(qū)粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量及抗剪強(qiáng)度均最大，寧波地區(qū)抗壓強(qiáng)度最小，彈性模量和抗剪強(qiáng)度與上海地區(qū)粉質(zhì)黏土的相近。

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Experimental study on strength properties of artificial frozen soil inmarine soft soil area of Ningbo City,China

JIANG Wangyang1，YANG Ping1*，CHEN Bin2，HE Wenlong1

(1.School of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China； 2.Ningbo Urban Rail Transit Project Construction Headquarter,Ningbo 315010,Zhejiang,China)

The strength of artificial frozen soil has regional characteristics.In this study,the uniaxial compressive strength test and triaxial shear strength test of frozen soils were carried out on three types of typical marine soils (muddy clay,silty clay and silt) in No.2 Line of Ningbo Rail Transit.The results showed that three types of soil samples at different temperatures were all drum-shaped plastic failure,and the stress-strain curves substantially assumed the strain hardening form,but the strain tended to soften with the decrease of the temperature.The uniaxial compressive strength and elastic modulus of each soil were increased linearly with the decreasing temperature,and the uniaxial compressive strength of silty clay was most affected by temperature (the temperature reduced by 1℃,and the strength increased by 0.3 MPa).At the strain rate of 10%/min,the uniaxial compressive strength of remolded silty clay was about 8% higher than that of the undisturbed silty clay,and the elastic modulus was about 7% lower than that of the undisturbed silty clay.The compressive strength and elastic modulus of the remolded silty clay all increased with the power function of the strain rate.The maximal axial deviator stresses of the three soils increased linearly with the increase of confining pressure,and the order of maximum axial deviator stresses of different soils was silt >silty clay >muddy clay.The shear strength index (c,φ) at -10℃ was significantly improved compared with the normal temperature in particular,and the cohesion increased by nearly 1.23-1.76 MPa.The typical silty clay in Ningbo was compared with those of similar stratum in other areas (Nanjing City and Shanghai City).The uniaxial compressive strength and shear strength were relatively low,while the elastic modulus was moderate,which was close to those of Shanghai.

Ningbo marine soft stratum；artificial frozen soil；uniaxial compressive strength；triaxial shear strength；strain rate

TU445

A

2096-1359(2017)05-0126-06

2016-10-12

2017-02-21

國家自然科學(xué)基金(51478226)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)；寧波軌道交通有限公司科研資助項目。

江汪洋，男，研究方向為環(huán)境巖土與地下工程。

楊平，男，教授。E-mail:yangping@njfu.edu.cn