人工凍結(jié)粉質(zhì)黏土力學(xué)性能演化規(guī)律研究

王天亮，王海航，宋宏芳，王 鷗，劉建勇

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；4.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

人工地層凍結(jié)法的應(yīng)用主要集中在煤炭礦井等深層巖土體工程[1]，以及聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)進出洞、基坑開挖和垃圾處理等淺層巖土體工程[2-3]。人工凍結(jié)深層巖土體的力學(xué)性能研究以大埋深、高圍壓(≥5 MPa)、軟弱地層變形控制[4-5]為主；而淺層巖土體的力學(xué)性能研究則偏重于凍脹變形控制[3]、相似模型試驗[6]、滲透性能[7]、剪切強度[8]等方面。凍結(jié)壁強度和由土體凍脹引起的地面隆起變形是淺層巖土體人工凍結(jié)技術(shù)的重要控制參數(shù)[3,9]，且冷凍溫度、地層埋深和地下水是確定人工凍結(jié)地層強度與變形性能的3個關(guān)鍵指標。

因試驗條件的限制，強度性能的研究多以單軸抗壓、單軸抗拉作為評估指標，影響因素以溫度、含水量和含鹽量為主[8,10-11]?？紤]冷凍溫度和地層埋深的影響，張向東、孫谷雨[12]和王大雁[13]等人均研究了溫度、圍壓影響下凍結(jié)粉質(zhì)黏土的三軸剪切性能，并建議了人工凍結(jié)粉土的力學(xué)響應(yīng)本構(gòu)模型；而Yamamoto Yuko等人[14]發(fā)現(xiàn)凍結(jié)溫度附近凍結(jié)的土體，其剪切強度降低且最小應(yīng)變率增加。因凍土地區(qū)工程建設(shè)需要，凍脹性能研究多集中在路基土體凍脹防控方面[15-16]，而涉及人工凍結(jié)淺層巖土體凍脹變形控制研究較少。唐益群、胡向東[17]等人探討了人工凍結(jié)土體凍脹率與溫度、滲透系數(shù)之間的關(guān)系；基于物理模型試驗，程樺等人[18]研究了人工水平凍結(jié)法施工隧道的凍脹、融沉變形分布規(guī)律。

綜上所述，本文旨在評價冷凍溫度、圍壓和含水量影響下人工凍結(jié)粉質(zhì)黏土的剪切強度和凍脹性能演化規(guī)律，通過室內(nèi)試驗的方法測試人工凍結(jié)粉質(zhì)黏土的三軸剪切強度、模量和凍脹變形，為地鐵工程聯(lián)絡(luò)通道的人工地層凍結(jié)法設(shè)計和施工變形控制提供必要的技術(shù)支持。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗所采用的土體取自粉質(zhì)黏土地層，埋深介于12.0～16.5 m之間。其天然含水量范圍14%～22%，密度范圍1.90～2.04 g·cm-3，液限28.9%，塑限17.6%，塑性指數(shù)11.3，滲透系數(shù)3.34×10-6cm·s-1，凍結(jié)點溫度-0.35 ℃，顆粒粒徑級配曲線如圖1所示。

圖1 粉質(zhì)黏土的顆粒粒徑級配曲線

用上述粉質(zhì)黏土制備三軸剪切強度測試試樣和凍脹性能測試試樣。

1.2 三軸剪切試驗

采用石家莊鐵道大學(xué)凍土室的GDS凍土動靜態(tài)三軸實驗儀研究凍結(jié)狀態(tài)下粉質(zhì)黏土的三軸剪切強度。

三軸剪切強度測試試樣高度為80 mm，直徑為39.1 mm。制樣時，分別按照15%和飽和狀態(tài)含水量燜料24 h以確保土體中水分均勻分布。在試模內(nèi)分層擊實，層與層之間刮毛。試樣制備完畢后，稱重并測量外圍尺寸，同時用保鮮膜包裹以防水分流失。

飽和狀態(tài)下試樣的試驗溫度為-2，-6，-8和-10 ℃，在此基礎(chǔ)上，增加20和-4 ℃作為15%含水量試樣的試驗溫度，對全部試樣施加100，300， 600，1 000，2 000和3 000 kPa圍壓進行三軸剪切試驗。每個試樣裝配完畢并在圍壓室內(nèi)充滿冷凍液后，開啟溫控裝置并調(diào)至恒定負溫凍結(jié)24 h，以確保試樣充分凍結(jié)。加載過程采用應(yīng)變速率控制，加載速率為0.4 mm·min-1，控制應(yīng)變?yōu)?5%。

1.3 凍脹變形試驗

采用圖2所示凍土凍脹融沉測試系統(tǒng)進行粉質(zhì)黏土凍脹變形性能的測試。

按照三軸剪切試驗試樣的制備方法配制高度和直徑均為100 mm，初始含水量為15%的凍脹變形測試試樣。

凍脹性能測試過程中，試樣筒側(cè)向約束、外裹保溫棉，上、下冷浴盤(上冷浴盤為暖端，下冷浴盤為冷端)單向降溫模擬土體的一維凍脹過程，如圖2所示。凍脹開始前，先將整個試樣溫度恒溫至+1 ℃，然后調(diào)節(jié)溫控裝置至冷凍溫度(-4，-6，-8和-10 ℃)，凍結(jié)時間持續(xù)48 h。測試時，開啟或關(guān)閉補水裝置以模擬開敞補水、封閉不補水的試驗條件。

圖2 凍脹融沉試驗裝置示意圖(單位：cm)

2 三軸剪切試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線特征

圖3和圖4給出了不同冷凍溫度條件下粉質(zhì)黏土的偏應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢受冷凍溫度的影響顯著，尤其在低圍壓狀態(tài)下，冷凍溫度降低，破壞模式由應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化(見圖3(a)和圖4(a))；高圍壓狀態(tài)下，試樣多呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的破壞模式；當(dāng)達到飽和含水量且冷凍溫度較低時，不同冷凍溫度的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線非常接近(見圖4)。

圖3 不同冷凍溫度條件下粉質(zhì)黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(含水量為15%)

圖4 不同冷凍溫度條件下粉質(zhì)黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(飽和含水量)

2.2 三軸剪切強度

對于無峰值點的應(yīng)變硬化模式應(yīng)力應(yīng)變曲線，取應(yīng)變?yōu)?5%所對應(yīng)的偏應(yīng)力為剪切強度；對于出現(xiàn)峰值點的應(yīng)變軟化模式應(yīng)力應(yīng)變曲線，取峰值點所對應(yīng)的偏應(yīng)力為剪切強度。不同圍壓條件下試樣的剪切強度隨冷凍溫度的變化情況如圖5所示。不同冷凍溫度下試樣剪切強度隨圍壓的變化情況如圖6所示。

圖5 不同圍壓條件下剪切強度隨冷凍溫度變化情況

由圖5可以看出，冷凍溫度對粉質(zhì)黏土試樣剪切強度的影響顯著。伴隨冷凍溫度的降低，當(dāng)粉質(zhì)黏土試樣含水量低于塑限時，其剪切強度呈現(xiàn)線性增長的趨勢；而當(dāng)含水量接近飽和時，其剪切強度亦呈現(xiàn)近似線性增長的趨勢，但以冷凍溫度-6 ℃為分界點，增長速率減緩。同時，當(dāng)冷凍溫度接近凍結(jié)點溫度(-0.35 ℃)時，粉質(zhì)黏土的剪切強度遠遠低于其他冷凍溫度所對應(yīng)的剪切強度，這主要是由于冷凍溫度越高，土體中的未凍水則越多，未凍水的“潤滑”作用導(dǎo)致強度增長緩慢。

圖6 不同冷凍溫度條件下圍壓與剪切強度的關(guān)系

從圖6可以看出，相同冷凍溫度條件下，因粉質(zhì)黏土的初始含水量不同，圍壓的作用效果可歸結(jié)為“圍箍”和“壓融”效應(yīng)。伴隨試驗圍壓的升高，當(dāng)粉質(zhì)黏土試樣含水量低于塑限時，其剪切強度基本上呈現(xiàn)線性增長的趨勢，圍壓的“圍箍”效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位；而當(dāng)含水量接近飽和時，以圍壓值1 000 kPa為分界點，其剪切強度呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢，圍壓的“壓融”效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是冷凍溫度較高時(-2 ℃)此現(xiàn)象更加顯著。因此，人工凍結(jié)地層凍結(jié)壁的強度設(shè)計需根據(jù)地層埋深、含水量和冷凍溫度等因素綜合確定。

2.3 彈性模量

基于上述人工凍結(jié)粉質(zhì)黏土三軸剪切試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合鄧肯—張本構(gòu)模型，即

(1)

式中：a和b為試驗常數(shù)；σ1為軸向應(yīng)力，MPa；σ3為圍壓，MPa；ε為軸向應(yīng)變，%。

式(1)改寫為

(2)

依據(jù)圖3和圖4中的偏應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，通過式(2)擬合試驗數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)變σ很小時，試樣變形處于彈性階段，得到初始彈性模量E0為

(3)

式中：σ為偏應(yīng)力。

圖7和圖8分別給出了初始彈性模量與冷凍溫度、圍壓的關(guān)系曲線。由圖7和圖8可知，凍結(jié)狀態(tài)下粉質(zhì)黏土的彈性模量與冷凍溫度、圍壓的關(guān)系呈現(xiàn)和剪切強度類似的演化趨勢。也就是說，隨著冷凍溫度的降低，冰晶的膠結(jié)作用使得彈性模量增大；圍壓的“圍箍”和“壓融”效應(yīng)使得彈性模量因試樣含水量的不同而呈現(xiàn)不同的演化趨勢。

圖7 不同圍壓條件下冷凍溫度與彈性模量的關(guān)系

圖8 不同冷凍溫度條件下圍壓與彈性模量的關(guān)系

3 凍脹試驗結(jié)果及分析

3.1 凍脹變形演化過程

自上而下的單向凍結(jié)過程中，相同時刻土體內(nèi)部溫度隨試樣高度的增加而呈現(xiàn)梯度式遞減，且凍結(jié)初期凍結(jié)速率發(fā)展迅速，隨著時間的增長，凍結(jié)速率逐漸趨于穩(wěn)定并達到最大凍結(jié)深度，如圖9所示。這與現(xiàn)場的實測土體內(nèi)部溫度演化規(guī)律一致[18]。

圖9 凍脹過程中土體內(nèi)部溫度場時程變化曲線

在溫度場與水分場的耦合作用下，水分不斷遷移并形成冰晶體，導(dǎo)致土顆粒重新排列、土體積發(fā)生變化，宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)為土體表面的隆起變形，凍脹變形演化過程如圖10所示。由圖10可知：凍結(jié)初期，粉質(zhì)黏土的凍脹變形迅速增長，當(dāng)試樣凍結(jié)深度達到最大值時，凍脹變形增長速率減緩并基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；同一含水量條件下，同一時刻試樣的凍脹變形隨冷凍溫度的降低而呈現(xiàn)增大的趨勢(見圖10(a))；在有外界水源補給的情況下，試樣的凍脹變形遠大于無水源補給的情況(見圖10(b))。

圖10 不同冷凍溫度條件下凍脹變形演化曲線

3.2 凍脹率

凍脹率為一定時間內(nèi)土樣凍脹量總量與凍結(jié)深度的比值[3,15]，即

(4)

式中：η為凍脹率，%；Δh為試樣總凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)深度，mm。

通過分析土體溫度場和凍脹變形時程曲線，可以得到試樣的最大凍結(jié)深度、最大凍脹變形，從而獲得試樣的凍脹率η，結(jié)果見表1。

表1 粉質(zhì)黏土試樣的凍脹率

粉質(zhì)黏土試樣凍脹率與冷凍溫度的關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11可見：單向凍結(jié)模式且有外界水源補給的情況下，粉質(zhì)黏土試樣凍脹率是無水源補給試樣的3～15倍，說明在地下水豐富的地層實施人工凍結(jié)時，應(yīng)嚴格控制因凍脹引起的地面隆起問題。

粉質(zhì)黏土試樣的凍脹率隨冷凍溫度的降低均呈現(xiàn)增長的趨勢，封閉不補水條件和開敞補水條件下試樣凍脹率線性回歸關(guān)系式分別為

η=-0.178 2T+0.196 2

(5)

η=-0.215 0T+2.605 0

(6)

式中：T為試樣冷卻溫度。

式(5)和式(6)的相關(guān)系數(shù)分別為0.82和0.99。

圖11 粉質(zhì)黏土凍脹率與冷凍溫度的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)冷凍溫度、圍壓和含水量顯著影響凍結(jié)粉質(zhì)黏土偏應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的破壞模式、強度增長趨勢等曲線特征。

(2)凍結(jié)粉質(zhì)黏土的剪切強度和彈性模量隨冷凍溫度的降低而呈現(xiàn)線性增長的趨勢；同一冷凍溫度條件下，圍壓的作用效果因試樣含水量不同可歸結(jié)為“圍箍”和“壓融”效應(yīng)。

(3)單向凍結(jié)模式下，有外界水源補給的試樣凍脹率是無水源補給試樣的3～15倍；粉質(zhì)黏土試樣凍脹率與冷凍溫度之間存在較好的線性回歸關(guān)系。

(4)人工地層凍結(jié)過程中，應(yīng)綜合考慮冷凍溫度、地層埋深和地下水等因素，保證凍結(jié)壁達到設(shè)計強度、有效控制凍脹變形，不至于引起結(jié)構(gòu)物破裂、滲水或漏泥等問題。