凍結(jié)時間對凍土抗壓強度影響的試驗分析

王儒默，馬芹永

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，地鐵逐步成為城市地下交通的重要樞紐，極大緩解城市路面的交通壓力，成為開發(fā)地下空間的標(biāo)志性成果之一。人工凍結(jié)法以隔水性好，無污染等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)隧道端頭加固、地鐵事故修復(fù)等工程中[1-3]。其中，人工凍土瞬時無側(cè)限抗壓強度是凍結(jié)法設(shè)計的重要參數(shù)，對于確保凍結(jié)法施工過程中凍結(jié)壁的安全與穩(wěn)定具有重要的意義，其值受到凍結(jié)溫度、含水率、土質(zhì)類型等[4-5]因素的共同影響，又因人工凍結(jié)法施工是一個隨時間變化的動態(tài)復(fù)雜過程[6]，故時間效應(yīng)也是凍結(jié)法所需考慮的又一重要因素。

目前對凍土無側(cè)限抗壓強度的影響因素已經(jīng)進行了大量的研究，文獻(xiàn)[7]研究了應(yīng)變率對凍結(jié)粉質(zhì)砂土單軸壓縮特性的影響。文獻(xiàn)[8-9]以含水率為變量，研究其對凍土強度的影響規(guī)律，結(jié)果表明存在一個界限含水率，使凍土的強度隨含水率的變化規(guī)律在界限含水率兩側(cè)呈現(xiàn)出相反的趨勢。文獻(xiàn)[10-12]研究了溫度對不同土質(zhì)類型的人工凍土抗壓強度、抗拉強度和抗折強度影響規(guī)律，得出了隨著溫度降低，凍土強度均增大，二者之間呈線性相關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)[13-14]以溫度、含水率、含鹽量、干密度為變量探究凍土單軸抗壓強度影響因素，結(jié)果表明單軸抗壓強度隨溫度的降低線性增大；隨干密度的增加呈冪函數(shù)增大；隨含水率和含鹽量含量的升高，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

以上的研究揭示了對凍土單軸抗壓強度的影響有較多因素，但主要集中在溫度、含水率、應(yīng)變率、含鹽量等因素，且在試驗中對試樣凍結(jié)時間的處理上具有較大差異，對不同含水率條件下凍結(jié)時間的影響研究鮮有報道，為此本文以地鐵凍結(jié)法施工中較為常見的粉質(zhì)黏土為研究對象，在凍結(jié)溫度為定值的條件下，研究含水率和凍結(jié)時間對人工凍土無側(cè)限抗壓強度的影響，為地鐵凍結(jié)法施工中凍結(jié)參數(shù)的選取提供一定的參考。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

試驗土樣取自合肥地鐵某段，為粉質(zhì)黏土，塑限為23.00%，液限為39.94%，塑性指數(shù)為16.94，顆粒級配如表1所示。

將土烘干粉碎后過2mm粒徑的篩網(wǎng)，分別配制試驗所需含水率的土樣，密封靜置 24h，待水分均勻后，分多層擊實制作尺寸為φ50mm×100mm的試樣，脫模后用保鮮膜包裹，貼上標(biāo)簽置于設(shè)定好溫度的冰箱中凍結(jié)至試驗時間。

表1 粉質(zhì)黏土顆粒級配

1.2 試驗方案

試驗選取的凍結(jié)溫度為-15℃，選取的含水率分別為17%、20%、23%、26%和29%，凍結(jié)時間分別為6h、12h、24h和48h，具體試驗方案如表2所示。壓力機型號為WDT-100，采用應(yīng)變加載方式，加載速率為1%/min，首先將壓力機工作室設(shè)定至所需溫度，待溫度穩(wěn)定后開始試驗，當(dāng)力值下降超過20%或應(yīng)變超過20%時試驗結(jié)束。

表2 試驗方案

2 凍結(jié)時間對抗壓強度影響

2.1 凍結(jié)時間對試塊高度的影響

為探究不同含水率試樣經(jīng)歷不同凍結(jié)時間后試樣高度的變化情況，作試樣高度增量隨凍結(jié)時間變化曲線如圖1所示。

圖1 不同含水率試樣高度隨凍結(jié)時間增量曲線

由圖1可知，不同含水率試樣高度隨凍結(jié)時間變化趨勢較為一致，開始凍結(jié)時試樣高度隨凍結(jié)時間的增加迅速增大，曲線上升趨勢陡峭，當(dāng)增大到一定值后，曲線出現(xiàn)拐點，上升趨勢變緩，高度緩慢增加，近似呈水平波動。在-15℃時不同含水率土樣均在約1.5h左右曲線即出現(xiàn)拐點，凍結(jié)12h后趨于穩(wěn)定。

2.2 凍結(jié)時間對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

不同凍結(jié)時間下凍結(jié)粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

(a) 含水率為20%

(b) 含水率為23%

(c) 含水率為29%圖2 -15℃不同凍結(jié)時間應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可知， 在試驗凍結(jié)溫度下， 經(jīng)歷不同凍結(jié)時間后的不同含水率試樣， 其應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢較為一致， 均隨著應(yīng)變的增加， 應(yīng)力增加至峰值后開始下降直至試驗結(jié)束。同一含水率條件下，凍結(jié)時間由6h增加至48h，曲線的彈性段得到延長，峰值應(yīng)力增大且增加趨勢逐漸放緩，文獻(xiàn)[15]提出了將破壞應(yīng)變能密度作為衡量凍土承載能力大小的一個標(biāo)準(zhǔn)，由圖2可知，在同一含水率條件下，隨著凍結(jié)時間的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線起點與破壞點所圍成的面積逐漸增大，即應(yīng)變能密度逐漸增大，耗能能力逐漸增強。隨著含水率增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值后，下降段由上凸向下凹轉(zhuǎn)變，由陡峭變?yōu)槠骄?，脆性降低，塑性增大；除?3%含水率凍結(jié)24h應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)的不明顯外，所有曲線下降段的斜率均隨著凍結(jié)時間的增加而增大，即隨凍結(jié)時間增加脆性增加，表現(xiàn)出一定的凍脆性。文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)以溫度、應(yīng)變率為變量下人工凍土動態(tài)力學(xué)性能具有凍脆性和動脆性，而本文發(fā)現(xiàn)在人工凍土靜態(tài)力學(xué)試驗中也具有依賴于凍結(jié)時間的凍脆性特征。

2.3 凍結(jié)時間與抗壓強度關(guān)系

為探究凍結(jié)時間對抗壓強度的影響，分別作抗壓強度與含水率、凍結(jié)時間的關(guān)系曲線，如圖3和圖4所示。出現(xiàn)峰值的應(yīng)力-應(yīng)變曲線抗壓強度取峰值應(yīng)力，無峰值的應(yīng)力-應(yīng)變曲線取20%應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力為無側(cè)限抗壓強度。由圖3可知，在相同的凍結(jié)時間條件下，在試驗含水率范圍內(nèi)，凍結(jié)粉質(zhì)黏土無側(cè)限抗壓強度隨著含水率的增加而減小，且不同凍結(jié)時間下變化規(guī)律基本一致。

圖3 無側(cè)限抗壓強度與含水率關(guān)系

圖4 無側(cè)限抗壓強度與凍結(jié)時間關(guān)系

對圖4中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到如下方程

σ=aT2+bT+c

(1)

式中：σ為抗壓強度；T為凍結(jié)時間；a、b和c為與含水率有關(guān)試驗參數(shù)；R2為相關(guān)系統(tǒng)，如表3所示。

表3 不同含水率下a、b、c的值

由圖4可知，隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)粉質(zhì)黏土無側(cè)限抗壓強度逐漸增大，承載能力提高，增加趨勢逐漸減小。如20%含水率無側(cè)限抗壓強度在凍結(jié)48h后強度為4.17MPa，較凍結(jié)6h后強度3.59MPa提高了16.16%，較凍結(jié)12h后強度3.79MPa提高了10.03%，較凍結(jié)24h后強度4.0MPa提高了4.25%。其破壞形態(tài)如圖5所示，從圖5中可以看出，20%含水率試樣經(jīng)歷不同凍結(jié)時間后其破壞特征均表現(xiàn)為試樣表面出現(xiàn)斜向破壞裂縫，呈現(xiàn)出明顯的脆性特征。凍結(jié)6h試樣在外力作用下不斷向下壓縮，表面出現(xiàn)多條垂直于高度方向的壓縮痕跡，從圖2中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看出，與較長凍結(jié)時間的試樣相比，整個過程具有較大的變形，12h試樣表面壓縮痕跡略有減少，最終在下部被擠壓變形，出現(xiàn)裂縫并發(fā)展至試樣破壞，凍結(jié)6h和12h的試樣均在底部出現(xiàn)斜向破壞裂縫。隨著凍結(jié)時間的延長，凍結(jié)24h和48h試樣脆性增加，強度提高，表面則較為光滑無明顯壓痕，最終在試樣的中部出現(xiàn)45°破壞裂縫，呈現(xiàn)出典型的剪切破壞特征。

圖5 無側(cè)限抗壓強度試驗破壞形態(tài)(含水率為20%)

3 含水率對抗壓強度影響

3.1 含水率對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

由圖6可知，凍結(jié)時間為24h，不同含水率的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出不同的變化特征。在-15℃下，含水率為17%和20%的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)脆性破壞特征，而隨著含水率的增加，23%、26%、29%則均呈現(xiàn)塑性破壞特征。表明試樣的破壞隨含水率的提高呈現(xiàn)出由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。

圖6 不同含水率下凍結(jié)粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 含水率與抗壓強度關(guān)系

為探究含水率對抗壓強度的影響，作抗壓強度與含水率關(guān)系曲線如圖7所示，17%、20%、23%、26%、29%的無側(cè)限抗壓強度分別為4.11MPa、4.0MPa、3.78MPa、3.3MPa、3.27MPa，由圖7可知，在17%～29%含水率范圍內(nèi)隨著含水率的增加，凍結(jié)粉質(zhì)黏土無側(cè)限抗壓強度逐漸降低，說明試樣內(nèi)水分含量增加，通過對凍結(jié)時間的研究可知，水分凍結(jié)成冰可增加凍土強度，但同時增加的水分凍結(jié)成冰破壞土體內(nèi)部膠結(jié)，從而導(dǎo)致強度降低。

圖7 無側(cè)限抗壓強度與含水率關(guān)系

4 機理分析

在試樣開始凍結(jié)時，其內(nèi)部的自由水首先發(fā)生凍結(jié)，試樣表面會在冷空氣的作用下使試樣內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度，水分由中心向四周遷移[17]。土中水的主要凍結(jié)方式分為原位凍結(jié)和分凝凍結(jié)[18-19]。試驗溫度為-15℃，開始凍結(jié)時，自由水快速原位凍結(jié)成冰，反映在圖1中即表現(xiàn)為曲線在約1.5h即出現(xiàn)拐點，加強了土顆粒間的膠結(jié)，隨著凍結(jié)時間的增加，凍土強度快速增大，但由于自由水不斷被凍結(jié)成冰，故強度增長速率逐漸放緩，凍結(jié)時間繼續(xù)增大，自由水基本凍結(jié)完成，結(jié)合水開始凍結(jié)，而結(jié)合水受電分子吸引力作用而不同于自由水不受吸附力作用可以自由移動，故結(jié)合水的凍結(jié)速率較慢，高度曲線表現(xiàn)為高度增長緩慢，強度增長的趨勢逐漸放緩。

5 結(jié)論

(1)不同含水率試樣隨著凍結(jié)時間的增加，高度變化趨勢較為一致，開始凍結(jié)時高度快速增加，均在約1.5h出現(xiàn)拐點，之后增加緩慢，12h后趨于穩(wěn)定。

(2)凍結(jié)粉質(zhì)黏土無側(cè)限抗壓強度隨著凍結(jié)時間的增大而增加且增加趨勢逐漸減??；隨著含水率增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值后，下降段由陡峭變?yōu)槠骄?，脆性降低，塑性增大；不同含水率?yīng)力-應(yīng)變曲線下降段斜率均隨著凍結(jié)時間的增加而增大，即隨凍結(jié)時間延長脆性增加，表現(xiàn)出在靜態(tài)試驗中存在依賴于凍結(jié)時間的凍脆性特征。

(3)在17%～29%試驗含水率范圍內(nèi)隨著含水率的增加，無側(cè)限抗壓強度逐漸降低，脆性降低，塑性增大，破壞形式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。