高溫凍土力學特性試驗研究

張 宏

（楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌712100）

我國多年凍土和季節(jié)性凍土分別占陸地總面積的20%和55%［1］，其中溫度介于0．0～-1．5 ℃的高溫凍土分布廣泛［2］，隨著全球氣候變暖我國高溫凍土區(qū)的面積將不斷增大［3］。凍土區(qū)大量工程建設涉及高溫凍土的力學性質，而土的凍脹破壞是渠道等灌溉系統(tǒng)破壞的重要原因，大大降低了我國的灌溉水利用系數(shù)［4-5］。因此，高溫凍土力學特性研究是高溫凍土區(qū)水利工程建設和維護的重要基礎。

目前，部分學者已經(jīng)開展了高溫凍土相關特性研究。李蒙蒙等［6］建立了考慮毛細吸力和附加壓力的低含水量非飽和高溫凍土模型，分析了有效應力及抗剪強度等力學參數(shù)隨溫度和含水量的變化規(guī)律。胡坤等［7］利用巴西圓盤劈裂試驗方法測試了高溫凍土的抗拉強度，分析了抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律。王松鶴等［8］開展了高溫凍土松弛特性試驗，分析了瞬時松弛量隨預應變量的變化規(guī)律，建立了偏應力與時間對數(shù)的雙曲線關系。焦貴德等［9］開展了循環(huán)荷載作用下高溫凍土的力學特性測試，提出累積應變與循環(huán)次數(shù)的關系曲線可分為破壞型、穩(wěn)定型和過渡型。在前人研究的基礎上，筆者現(xiàn)場取樣制備高溫凍土樣品，開展其力學特性測試，分析高溫凍土的單軸抗壓強度、抗剪強度和凍脹性隨溫度的變化規(guī)律。

1 試驗材料及設備

1．1 試樣制備

試驗材料為黃土，1#～3#土樣均取自陜西省咸陽市楊凌區(qū)，黃土的基本物理性質見表1，平均粒徑分布規(guī)律見圖1，土樣的平均粒徑主要分布在0．5 mm以下，而以往研究結果表明［4］，土體的凍脹性與其粒徑相關性很大，土體粒徑在0．5 mm以下凍脹破壞較為明顯。

表1 黃土的基本物理性質

圖1 級配曲線

取得土樣后，通過圖2所示的固結試驗系統(tǒng)制備重塑土樣品，試樣直徑61．8 mm、高50 mm，試樣制備依據(jù)《土工試驗方法標準》（GB／T 50123—1999）［10］，按照荷載等級為 12．5、25．0、50．0、100．0、200．0 kPa 進行壓縮試驗，通過千分表記錄變形量，確定下一級加載時間。

圖2 固結試驗系統(tǒng)

1．2 試驗方法

試驗設備由改造的固結試驗系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、單軸抗壓強度測試系統(tǒng)、直剪系統(tǒng)和凍脹率測試系統(tǒng)組成。溫度控制系統(tǒng)由冷源、保溫棉、熱敏電阻、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，將重塑土樣品進一步制備成高溫凍土樣品，低溫箱的溫度分別設置為0、-0．1、-0．2、-0．5、-0．8、-1．2、-1．5、-2．0 ℃。 單軸抗壓強度測試采用GDS非飽和土試驗系統(tǒng)，測試不同溫度的高溫凍土荷載、位移。直剪試驗采用應變控制式直剪儀開展，取豎向壓力分別為 100、200、300、400 kPa，剪應力施加速率為0．02 mm／min。高溫凍土的抗剪強度采用摩爾庫侖準則，計算公式為

式中：τf為抗剪強度；σ為豎向應力；φ為內摩擦角。

凍脹率測試系統(tǒng)由布置在溫度控制系統(tǒng)內的位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，凍脹率的計算公式為

式中：η為凍脹率；Δh為試驗期間總凍脹量；Hf為凍結深度。

2 試驗結果分析

2．1 高溫凍土的單軸抗壓強度分析

不同溫度下高溫凍土的單軸壓縮應力應變曲線如圖3所示。

圖3 高溫凍土單軸壓縮應力應變曲線

（1）不同溫度下高溫凍土單軸壓縮應力應變曲線均呈現(xiàn)出了彈性變形階段和塑性變形階段。當軸向應變較小時，高溫凍土原始內部結構能夠保持完整，其處于彈性變形階段，軸向應力與軸向應變基本成線性關系；當軸向應變大于一定值以后（應力達到峰值），高溫凍土進入塑性階段，其初始結構被破壞，產(chǎn)生影響土體強度的持續(xù)性損傷，軸向應力隨軸向應變的增大基本保持不變或逐漸較小。為了進一步分析峰值應力隨溫度的變化規(guī)律，繪制高溫凍土峰值應力隨溫度變化的曲線（如圖4所示），可見高溫凍土的峰值應力σ與溫度T成指數(shù)關系，σ＝-1．281eT／0．814+1．357（MPa）。

（2）不同溫度的高溫凍土進入塑性階段的軸向應變不同，且隨著溫度的降低，高溫凍土進入塑性階段的應變增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為，隨著軸向應變的增大，溫度高的高溫凍土由于冰土結晶體數(shù)量較少，承載能力相對較低，因此會在單向加載力作用下進入塑性狀態(tài)，同時受脆性冰晶體的強烈作用，高溫凍土會隨溫度的降低表現(xiàn)出越來越明顯的脆性特征，即溫度越低，高溫凍土的應變軟化現(xiàn)象越明顯。

圖4 高溫凍土峰值應力—溫度曲線

（3）不同溫度高溫凍土的塑性階段變化規(guī)律不同，當高溫凍土溫度高于-0．5℃時，高溫凍土軸向應變在達到峰值點應變后，其軸向應力基本不變；而當高溫凍土溫度低于-0．5℃時，高溫凍土的軸向應力則會在軸向應變達到峰值點應變后出現(xiàn)緩慢下降現(xiàn)象，溫度越低，這種下降趨勢就越明顯。

2．2 高溫凍土的抗剪強度分析

不同溫度下高溫凍土的剪應力與豎向應力的關系如圖5所示。

圖5 高溫凍土剪應力和豎向應力的關系

（1）不同溫度下高溫凍土的抗剪強度均與豎向應力成線性關系，即高溫凍土的抗剪強度隨著豎向應力的增大而增大；當豎向應力相同時，高溫凍土的抗剪強度則隨溫度的降低而逐漸增大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是高溫凍土的溫度越低，其內部冰土結晶比例越高，而冰土結晶一方面可以直接提高凍土的強度，另一方面孔隙水結冰膨脹使試樣內部孔隙度減小，從而提高了凍土的強度。

（2）根據(jù)式（1）可以計算凍土的內聚力和內摩擦角，高溫凍土內聚力和內摩擦角隨溫度變化的曲線如圖6所示。高溫凍土的內聚力和內摩擦角均與其溫度成“指數(shù)遞增式”減小關系，即隨著溫度的增高，高溫凍土的內聚力和內摩擦角不斷減小，而且減小速率越來越大。

2．3 高溫凍土的凍脹性分析

圖7給出了不同含水率條件下高溫凍土凍脹率隨溫度變化的曲線。

圖6 高溫凍土內聚力和內摩擦角隨溫度變化的曲線

圖7 高溫凍土凍脹率隨含水率和溫度的變化曲線

（1）當含水率ω較小時（如ω＝10%），孔隙水含量有限，即使所有孔隙水與土顆粒結成冰晶體也難以完全填充土內的孔隙，此時高溫凍土基本不會在低溫下發(fā)生凍脹。當含水率較高時（如ω＝20%），高溫凍土在低溫作用下產(chǎn)生的冰土結晶體積膨脹量大于土體內部孔隙體積，導致土體試樣總體積增大，產(chǎn)生凍脹，含水率越高，則冰土結晶體數(shù)量越多，凍脹現(xiàn)象就越明顯。

（2）隨著溫度的降低，由于孔隙水結冰的比例變高，相應地冰土結晶體數(shù)量增多，因此凍脹率不斷增大。由圖7可知，高溫凍土的凍脹率f與含水率ω成“指數(shù)遞增式”增長關系（當T＝-2．0℃ 時f＝0．33eω／9．1-0．8），與溫度T成“指數(shù)遞增式”減小關系（當ω＝30%時f＝-13．98eT／2．16+13．90）。

3 結 論

通過單軸壓縮試驗、直接剪切試驗、體積測試等試驗方法測試了不同溫度下高溫凍土的力學特性，得到以下結論：

（1）高溫凍土的溫度越低，其進入塑性狀態(tài)后的峰值應力和峰值點應變越大，且峰值后的應變軟化現(xiàn)象越明顯；同時，高溫凍土的峰值應力與溫度成指數(shù)遞減關系。

（2）當溫度為0℃時高溫凍土內聚力和內摩擦角分別為 21．1 kPa 和 25．6°，當溫度為-2．0 ℃時高溫凍土的內聚力和內摩擦角比溫度為0℃時增大較多。

（3）當含水率小于10%時，高溫凍土基本不發(fā)生凍脹；而當含水率大于10%時，相同溫度下，高溫凍土凍脹率與含水率成“指數(shù)遞增式”增長關系，相同含水率下，高溫凍土凍脹率與溫度成“指數(shù)遞增式”減小關系。