凍融循環(huán)條件下淤泥黏土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

李蓬勃，李棟偉，王澤成，張潮潮，楊 杰，丁國勝，蔣盛鋼

(1.中交海峽建設(shè)投資發(fā)展有限公司，福建 福州 350001；2.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004；4.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引 言

當(dāng)土體溫度為負(fù)值時(shí)，土層中含有冰層的各類土統(tǒng)稱為凍土[1-2]。土在凍結(jié)過程中內(nèi)部水會(huì)形成冰，發(fā)生物態(tài)變化，因此凍土的工程性質(zhì)比常規(guī)土更加復(fù)雜。水變成冰會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部的水分重新分布，其結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而使凍土的力學(xué)性質(zhì)變得極其不穩(wěn)定。確定凍土的力學(xué)參數(shù)在人工凍結(jié)法理論與實(shí)踐中具有重要意義[3- 4]。

凍結(jié)法是通過在地層中打入凍結(jié)孔，利用人工制冷方式將土體中的水凍結(jié)成冰，形成具有較高強(qiáng)度的凍結(jié)帷幕，起到提高地層穩(wěn)定性、防止地下水滲流的地層臨時(shí)加固方法[5- 6]。隨著我國大中城市軌道交通的建設(shè)，凍結(jié)法廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下富水軟弱地層的隧道及聯(lián)絡(luò)通道的建設(shè)中[7]，深基坑、深豎井及煤巷道等地下工程也廣泛應(yīng)用凍結(jié)法[8-10]。國內(nèi)外對凍融條件下人工凍土力學(xué)性質(zhì)影響的研究眾多，并取得大量成果[11-12]。張君岳等[13]對飽水紅砂巖試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)及不同凍融次數(shù)下的單軸壓縮試驗(yàn)，得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長，巖石的飽水質(zhì)量、孔隙率持續(xù)增加，巖石的縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量持續(xù)降低，巖石由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變等結(jié)論。黃海軍[14]對隧道圍巖(巖性為砂巖)進(jìn)行了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的單軸壓縮及蠕變試驗(yàn)得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，巖石瞬時(shí)變形量、蠕變變形量、蠕變總時(shí)長、破壞時(shí)的荷載水平及長期強(qiáng)度均逐漸減??；最后一級荷載作用下的蠕變時(shí)長則隨著凍融循環(huán)次數(shù)無明顯變化，且?guī)r石蠕變曲線呈典型的衰減、穩(wěn)定、加速3個(gè)階段蠕變特性。李棟偉等[15]認(rèn)為在溫度-5 ℃條件下，不同含水率的凍土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瞬時(shí)強(qiáng)度先減小后增大；當(dāng)試驗(yàn)溫度為-10 ℃時(shí)，隨著凍融作用次數(shù)的增加，瞬時(shí)強(qiáng)度先增加后減小，但變化幅度不大；當(dāng)試驗(yàn)溫度為-15 ℃時(shí)，凍融作用對人工凍土的強(qiáng)度影響不顯著。

福州地鐵穿越江底時(shí)經(jīng)過的土層是富水軟土地層，土質(zhì)為淤泥質(zhì)土，相比較普通土質(zhì)，淤泥土的凍結(jié)力學(xué)特性更具有研究意義。為此，本文對淤泥土凍結(jié)力學(xué)特性進(jìn)行研究，可為福州地鐵項(xiàng)目施工提供參考。

1 土樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 土樣制備

試驗(yàn)用土取自福州市地鐵隧道施工時(shí)經(jīng)過的富水淤泥質(zhì)黏土，取樣深度為地表以下19.9～38.1 m。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)要求，對土樣進(jìn)行烘干并碾碎，將其用直徑0.075 mm篩子篩分，再進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)，得到其物理參數(shù)，見表1。

表1 試驗(yàn)土樣物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)簡介

采用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)以及試樣恒溫專用溫度箱、壓力試驗(yàn)專用溫度箱進(jìn)行相關(guān)凍土性能試驗(yàn)，見圖1、2。根據(jù)設(shè)定好的程序控制試驗(yàn)加載和卸載過程，儀器可自動(dòng)采集時(shí)間、位移、軸向力等數(shù)據(jù)。后期通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單計(jì)算處理，得出應(yīng)力及應(yīng)變等物理量。計(jì)算公式如下

圖1 MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)專用溫度箱

ε=Δh/H

(1)

A0=A/(1-ε)

(2)

σ=F/A0

(3)

式中，ε為軸向應(yīng)變；Δh為軸向變形；H為試驗(yàn)前試樣高度；A0為校正后試樣截面積；A為試驗(yàn)前試樣截面積；σ為單軸抗壓強(qiáng)度；F為軸向荷載。

圖2 試樣恒溫專用溫度箱

首先，對淤泥土進(jìn)行初步處理并制樣，試樣為直徑50 mm、高100 mm的圓柱形，將其放于試樣恒溫專用溫度箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，循環(huán)1次周期為48 h。設(shè)置凍結(jié)溫度T為-5、-10、-15 ℃ 3個(gè)凍結(jié)溫度組。其中，-5 ℃設(shè)置0、1次凍融循環(huán)；-10 ℃設(shè)置0、1、3、5次凍融循環(huán)；-15 ℃設(shè)置0、1次凍融循環(huán)。在MTS主機(jī)上設(shè)定好程序，通過程序控制MTS試驗(yàn)機(jī)加載和卸載過程，抗壓試驗(yàn)采用位移速率加載方式，位移變化速率為1 mm/min。試驗(yàn)時(shí)，軸向應(yīng)變達(dá)到20%或應(yīng)力峰值下降20%終止試驗(yàn)。試驗(yàn)依照MT/T 593.6—2011《人工凍土物理力學(xué)性能》執(zhí)行。蠕變試驗(yàn)中，蠕變加載系數(shù)采取0.3、0.5、0.7這3級加載系數(shù)，試驗(yàn)時(shí)長為6 h。試驗(yàn)方案見表2。

表2 人工凍土單軸試驗(yàn)方案

2 結(jié)果及分析

2.1 單軸抗壓試驗(yàn)

通過-5、-10、-15 ℃凍結(jié)溫度條件下、不同凍融循環(huán)次數(shù)的強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得不同循環(huán)次數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3。從圖3可以看出，開始時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度呈線性快速發(fā)展，后期趨于緩慢，變化速率逐漸降低。相同溫度下，經(jīng)過循環(huán)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律一致，但單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小。彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線變化，達(dá)到塑性屈服后應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后應(yīng)變持續(xù)增大，應(yīng)力降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型。

圖3 不同溫度和凍融循環(huán)下單軸抗壓強(qiáng)度

人工凍土在靜荷載作用下典型破壞特征為塑性破壞，見圖4。圖4中，a為未凍試樣，b為低蠕變系數(shù)下破壞試樣，c為高蠕變系數(shù)下破壞試驗(yàn)。從圖4可以看出，破壞試樣中破壞面呈45°，c試樣中的破壞面比b試樣更大、更長，說明高蠕變系數(shù)對試樣破壞更嚴(yán)重。

圖4 試樣破壞形態(tài)

通過試驗(yàn)獲得人工凍土單軸瞬時(shí)強(qiáng)度。不同溫度下抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系見圖5所示。從圖5可知，-5～-15 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度降低，其抗壓強(qiáng)度顯著增加，且增加幅度越來越大，最大達(dá)6.56 MPa。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其強(qiáng)度逐漸減小，且減小幅度越來越小，最小達(dá)1.30 MPa，且趨于穩(wěn)定。

圖5 不同溫度下抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系

不同凍結(jié)溫度下的試樣經(jīng)過不同凍融循環(huán)后，其變化規(guī)律基本相似。不同凍融循環(huán)下抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見圖6。從圖6可以看出，相同凍融循環(huán)下的試樣，其抗壓強(qiáng)度隨著凍結(jié)溫度降低而增大，且增幅越來越大。凍結(jié)溫度較低時(shí)，土樣中的未凍水含量變小，含冰量增加，故土樣強(qiáng)度不斷增大。但土樣中的水分產(chǎn)生遷移，從而使試樣中間部分含水率減小，土顆粒間的黏聚力變小。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的接觸方式發(fā)生改變，減小了顆粒間的摩擦力，因此人工凍土瞬時(shí)強(qiáng)度不斷減小。

圖6 不同凍融循環(huán)下抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

2.2 單軸蠕變試驗(yàn)

通過-5、-10、-15 ℃ 3組凍結(jié)溫度條件下、不同凍融循環(huán)次數(shù)的應(yīng)變試驗(yàn)，獲得不同循環(huán)次數(shù)時(shí)間-應(yīng)變曲線，見圖7～9。從圖7～9可以看出：

圖7 -5 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系

(1)-5 ℃下0次循環(huán)0.3σs(σs為最大單軸抗壓強(qiáng)度)蠕變曲線從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。0.5σs從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段，并出現(xiàn)蠕變第三階段。0.7σs從蠕變第一階段直接過渡到蠕變第三階段。-5 ℃下1次循環(huán)全部為從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。

(2)-10 ℃下0次循環(huán)0.7σs從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段，并出現(xiàn)蠕變第三階段。其他全部為從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。

(3)-15 ℃下0次循環(huán)0.3σs和0.5σs蠕變曲線

圖8 -10 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系

從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。0.7σs從蠕變第一階段直接過渡到蠕變第三階段。-15 ℃下1次循環(huán)0.3σs和0.5σs蠕變曲線從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。0.7σs從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段，接著過渡到蠕變第三階段。

從試驗(yàn)條件范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分析，凍土在某凍結(jié)溫度以及某凍融循環(huán)下存在屈服抗壓強(qiáng)度。在下階段的研究中，要充分開展某種條件下的深入研究，從而得出其界限凍結(jié)溫度及界限凍融循環(huán)。

圖9 -15 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)間-應(yīng)變關(guān)系

3 結(jié) 語

本文對福州淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行單軸壓縮及單軸蠕變試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)可以得出以下結(jié)論：

(1)隨著凍結(jié)溫度的降低，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，且增加幅度逐漸增大，最大達(dá)6.56 MPa。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且減小幅度逐漸減小，最小達(dá)1.30 MPa。

(2)低荷載時(shí)，蠕變以衰減階段和穩(wěn)定階段為主；高荷載時(shí)，主要為衰減階段和加速階段。

(3)當(dāng)加載應(yīng)力水平較低時(shí)，凍土的蠕變速率較小，且快速降至0。當(dāng)加載應(yīng)力水平較高時(shí)，凍土的蠕變速率較大，且其速率降低緩慢，甚至出現(xiàn)加速蠕變階段。

(4)多次凍融循環(huán)后，循環(huán)對單軸抗壓強(qiáng)度以及蠕變曲線形狀影響逐漸減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣更快地從衰減蠕變階段過渡到穩(wěn)定蠕變階段，且蠕變變形量逐漸減小。