含水率及應(yīng)變速率對凍結(jié)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性影響

張雅琴，楊 平，江汪洋，張 婷，陳 亮

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2.常州市軌道交通有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

國內(nèi)外學(xué)者對凍土強(qiáng)度展開了大量研究[1-3]，主要從兩個方面入手，一方面是土體本身物理性質(zhì)[4-11]對強(qiáng)度的影響，主要包括含水率、干密度、含冰量、試樣形狀等。存在最佳含水率使凍土抗壓強(qiáng)度最大，抗壓強(qiáng)度隨干密度增大而減小。冰含量越多，承受荷載能力越強(qiáng)，凍土強(qiáng)度越大。隨著含鹽量升高，凍土強(qiáng)度先增大后減小，存在最大強(qiáng)度。凍結(jié)粉土抗壓強(qiáng)度和破壞應(yīng)變與試件形狀有關(guān)，試驗(yàn)條件相同情況下，正方體試件性能高于圓柱體試件。另一方面是試驗(yàn)條件[12-18]的影響，主要包括圍壓、試驗(yàn)溫度、應(yīng)變速率、凍融循環(huán)次數(shù)等。

凍土強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加呈冪函數(shù)上升狀態(tài)，因此試驗(yàn)中應(yīng)慎重選擇應(yīng)變速率。溫度對凍土強(qiáng)度的影響與冰結(jié)晶有關(guān)，總體呈負(fù)相關(guān)。凍融循環(huán)對粗粒土試件回彈模量有一定弱化作用。但關(guān)于含水率及應(yīng)變速率對粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度影響的認(rèn)識還不深刻，特別是對凍土彈性模量、回彈模量及其影響因素的研究較少。

南京位于長三角地區(qū)，地層軟弱，地下水豐富，地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，加固軟弱土層隔絕地下水影響是施工難點(diǎn)，人工凍結(jié)法的出現(xiàn)有效解決了這一難題，因此南京地鐵聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)隧道端頭加固等多采用人工凍結(jié)法，大量人工凍土問題亟需解決。人工凍結(jié)法設(shè)計(jì)要考慮凍結(jié)壁厚度及后續(xù)變形問題，常選取凍土單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量為主要力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，因此有必要明確其變化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理。

基于人工凍結(jié)粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了含水率、應(yīng)變速率對南京地區(qū)粉質(zhì)黏土凍土應(yīng)力應(yīng)變特性、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與回彈模量的影響規(guī)律。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用土來自南京地鐵5號線，選取最典型的粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)，該土樣基本物理特性指標(biāo)見表1。采用微機(jī)控制多功能凍土壓力試驗(yàn)機(jī)(WDT-100B)進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)最大軸向荷載為100 kN，精度為l%，溫度控制范圍為-50～50 ℃，上下波動±0.2 ℃。通過設(shè)置參數(shù)自動采集試樣荷載和變形數(shù)據(jù)，并實(shí)時自動顯示數(shù)據(jù)曲線圖。

表1 試驗(yàn)用土基本物理特性指標(biāo)Table 1 Physical indexes of the soil

研究原狀土和重塑土兩種土樣狀態(tài)，將現(xiàn)場取回的原狀粉質(zhì)黏土削成φ50 mm×100 mm的圓柱形可得原狀土試樣。將土樣烘干后進(jìn)行粉碎并過2 mm篩，在干土中摻入一定量純水達(dá)到試驗(yàn)含水率后養(yǎng)護(hù)24 h。然后進(jìn)行分層擊實(shí)使其干密度與原狀土樣一致，試樣尺寸為φ50 mm×100 mm。最后將試樣在-10 ℃環(huán)境箱中放置24 h，使試件內(nèi)溫度一致，可得重塑土試樣。

具體試驗(yàn)規(guī)劃如表2所示。每組試驗(yàn)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)離散值超20%時補(bǔ)做一組平行試驗(yàn)。在類似試驗(yàn)中，應(yīng)變速率取值較小的成果較多，因此本次試驗(yàn)將研究大應(yīng)變速率對強(qiáng)度和彈性模量的影響，具體取值為1、10、20、40 %·min-1。

表2 試驗(yàn)規(guī)劃Table 2 Testing plans

在峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變基礎(chǔ)上再加5%應(yīng)變值作為抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)終止條件，如果沒有明顯峰值則取20%應(yīng)變?yōu)榻K止條件。試驗(yàn)結(jié)束后觀察試樣破壞形態(tài)。回彈試驗(yàn)具體步驟為：①將試驗(yàn)放在加載臺中央，避免偏心受力；②第一次加載前進(jìn)行10 kPa小荷載持續(xù)30 s的接觸性預(yù)壓；③進(jìn)行軸向加載，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度50%時開始軸向卸載，將軸向應(yīng)力卸載至零；④軸向應(yīng)力卸載至零后穩(wěn)定5 min(回彈間隔時間)，重新將軸向應(yīng)力加載至抗壓強(qiáng)度50%然后卸載到零，按加載-卸載-穩(wěn)定-再加載的順序重復(fù)循環(huán)10次后加載至試樣破壞，結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原狀與重塑粉質(zhì)黏土破壞形態(tài)

在試驗(yàn)結(jié)果中選取部分具有代表性的原狀與重塑粉質(zhì)黏土試樣的破壞形態(tài)如圖1～圖3所示。

圖1 原狀和重塑土破壞形態(tài)(-10 ℃、應(yīng)變速率10 %·min-1)Figure 1 Destructive form of original and remolded silty clay(-10 ℃, strain rate is 10 %·min-1)

圖2 不同含水率重塑土破壞形態(tài)(-10 ℃、應(yīng)變速率10 %·min-1)Figure 2 Destructive form of remolded silty clay with different water content(-10 ℃, strain rate is 10 %·min-1)

圖3 不同應(yīng)變速率重塑土破壞形態(tài)(-10 ℃，含水率22%)Figure 3 Destructive form of remolded silty clay with different strain rate(-10 ℃, water content is 22%)

破壞形態(tài)以塑性破壞為主，凍土試樣為中部凸起的腰鼓型破壞，并伴隨豎向裂紋。此種破壞形態(tài)與試樣中孔隙水相態(tài)有關(guān)，液態(tài)孔隙水為主時承受荷載能力較弱，土體向較高應(yīng)力狀態(tài)處滑移，表面土體顆粒間膠結(jié)力不足以抵抗擠壓,因此產(chǎn)生裂縫，同時受試驗(yàn)裝置兩端摩擦力限制，兩端變形有限，最終試樣呈現(xiàn)腰鼓型塑性破壞。

圖1為-10 ℃、10 %·min-1下原狀土和重塑土的凍土破壞形態(tài)，兩者略有區(qū)別。前者腰鼓位置偏離中心且腰線有所起伏，后者腰鼓位置則較為居中且腰線圓滑，相對于原狀土，重塑土更為均勻，破壞形態(tài)更為一致。

圖2為不同含水率重塑粉質(zhì)黏土凍土破壞試樣，表面豎向裂縫隨含水率增加逐漸減少，但裂縫寬度增加且分布分散，腰線弧度趨于平緩。

圖3為不同應(yīng)變速率重塑粉質(zhì)黏土凍土破壞試樣，在40 %·min-1應(yīng)變速率下重塑粉質(zhì)黏土試樣呈現(xiàn)剪切破壞，其剪切破壞角略大于45°。

2.2 含水率對強(qiáng)度和彈性模量的影響

不同含水率下重塑粉質(zhì)黏土凍土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，不同含水率重塑粉質(zhì)黏土凍土應(yīng)力在峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變基礎(chǔ)上再加5%應(yīng)變值作為應(yīng)變關(guān)系曲線線性段大致相同，但最終曲線形態(tài)存在差異。當(dāng)含水率≥22%時，試樣呈現(xiàn)應(yīng)變硬化形態(tài)；當(dāng)含水率≤20.6%時，試樣呈現(xiàn)應(yīng)變軟化形態(tài)，且隨含水率的減小，應(yīng)變軟化更加顯著，說明含水率對試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線破壞形態(tài)有顯著影響，存在含水率分界點(diǎn)(22%)。顆粒間膠結(jié)力主要為冰-土膠結(jié)力，低于分界點(diǎn)時，膠結(jié)力較小，脆性破壞為主;高于分界點(diǎn)時，膠結(jié)力逐漸增強(qiáng)，塑性破壞為主。

圖4 不同含水率下凍結(jié)粉質(zhì)黏土試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 4 The stress-strain curves of frozen soil with different water content

單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量與含水率關(guān)系如圖5所示。由圖5(a)可知，重塑粉質(zhì)黏土的凍土單軸抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線存在峰值，峰值前后皆近似線性關(guān)系，可用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，但峰值前后單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率變化的變化速率不同，減小速率僅為增長速率的1/4。說明含水率對重塑粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度的影響與土體飽和度有關(guān)。土體未飽和時，含冰量隨含水率上升而增加，冰-土膠結(jié)力增強(qiáng)，抵抗荷載能力提升，單軸抗壓強(qiáng)度增大；土體飽和后，由于成冰能力有限，存在大量未凍水使顆粒表面水膜增厚，導(dǎo)致土顆粒間摩擦力減小，膠結(jié)力減弱。荷載主要由固態(tài)冰承擔(dān)，因此冰的含量開始起支配作用，越來越多呈現(xiàn)出冰的特性，而冰的強(qiáng)度約為3～4 MPa[19]，明顯低于重塑粉質(zhì)黏土凍土強(qiáng)度。冰強(qiáng)度受到粒徑尺寸影響，粒徑尺寸小的冰強(qiáng)度要大于粒徑尺寸大的強(qiáng)度。粒徑越小，顆粒間接觸面越多，對相對運(yùn)動阻礙越大，對材料變形阻力就越大。因此，試樣中含水率越大，冰粒徑尺寸越大，抗壓強(qiáng)度越小。但在純?nèi)斯け杏绊懼挡怀^0.5 MPa，相對于凍土整體強(qiáng)度而言影響較小，因此強(qiáng)度下降緩慢。此外，由于凍結(jié)產(chǎn)生的新的體積膨脹已不能完全被孔隙容納，將破壞土體骨架產(chǎn)生新裂隙，故達(dá)到飽和含水率后單軸抗壓強(qiáng)度隨著含水量的增加而略減小。

由圖5(b)可知，重塑粉質(zhì)黏土凍土的彈性模量隨含水率增長而衰減性增大，可見含水率對彈性模量影響主要集中在飽和含水率以下，達(dá)到飽和含水率后，含水率對彈性模量影響逐漸減小，彈性模量趨于穩(wěn)定，飽和含水率亦為分界點(diǎn)。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量與含水率關(guān)系曲線Figure 5 The curve of uniaxial compressive strength and elastic modulus with water content

2.3 應(yīng)變速率對強(qiáng)度和彈性模量的影響

不同應(yīng)變速率下重塑粉質(zhì)黏土試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖6所示。不同應(yīng)變速率下試樣均呈應(yīng)變軟化形態(tài)，說明破壞形態(tài)受應(yīng)變速率影響較小，主要影響試樣強(qiáng)度與模量。應(yīng)變速率增加，線性段應(yīng)力增速提高，線性轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)力值增大。

圖6 不同應(yīng)變速率下凍結(jié)重塑粉質(zhì)黏土試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 6 The stress-strain curves of frozen soil with different strain rates

單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量與應(yīng)變速率關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，凍結(jié)重塑粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨應(yīng)變速率增加而增大，應(yīng)變速率由1 %·min-1增至40 %·min-1時，單軸抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)約50%，彈性模量的提高也超過了40%，可見單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量受應(yīng)變速率影響較大，對比凍土單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量時要在應(yīng)變速率統(tǒng)一的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此凍土試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定試驗(yàn)應(yīng)變速率為1 %·min-1，以減少應(yīng)變速率變化影響。

圖7 單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量與應(yīng)變速率關(guān)系曲線Figure 7 The curve of uniaxial compressive strength and elastic modulus with strain rate

南京凍結(jié)粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率大致呈冪指數(shù)(y=mxa)增長，其中系數(shù)a小于1，即單軸抗壓強(qiáng)度增長率隨應(yīng)變速率增長逐漸變?。磺嗖馗咴吆史圪|(zhì)砂土規(guī)律類似，但抗壓強(qiáng)度總體低于南京，應(yīng)變速率影響較小，在小于0.6×10-3m·s-1時敏感度相對較高；蘭州凍結(jié)黃土也呈冪指數(shù)形式增長，但系數(shù)a大于1，增長率變大，在10-3～10-2m·s-1間靈敏度最高；杭州凍結(jié)淤泥質(zhì)黏土在應(yīng)變速率小于10-2m·s-1時呈線性增長，強(qiáng)度在2～5 MPa(-10 ℃)。說明不同土質(zhì)單軸抗壓強(qiáng)度對應(yīng)變速率的靈敏度及變化規(guī)律是不同的。

2.4 重塑粉質(zhì)黏土回彈模量特性

對凍結(jié)重塑粉質(zhì)黏土回彈試驗(yàn)回彈應(yīng)力取單軸抗壓強(qiáng)度值(5.28 MPa)的一半，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。卸載后再加載使曲線形成滯回圈，且在回彈間隔時間內(nèi)，回彈變形隨著時間的延長不斷增大，說明存在滯后回彈現(xiàn)象，總回彈變形量為瞬時回彈量與滯后回彈量的總和。初始加載產(chǎn)生的變形量遠(yuǎn)大于第一次的卸載總回彈變形量，但兩者之差隨加卸荷次數(shù)增加而逐漸減小，說明初始加載時以塑性變形為主，彈性變形只有很小一部分，但隨著頻繁加卸載，彈性變形比例迅速提升甚至在后期成為變形主體，此時凍土處于彈性壓密狀態(tài)。第10次卸載完成后開始持續(xù)加載直至破壞。若延長初始加荷段將發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與第10次加載至破壞曲線重合，若直接將兩者相連，整個曲線形態(tài)類似于單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，這一發(fā)現(xiàn)與前人描述一致[20]。

圖8 回彈試驗(yàn)重塑粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 8 The stress-strain curve of frozen soil under resilient modulus test

回彈模量為應(yīng)力幅值與彈性應(yīng)變的比值，即

Ed=σd/εc，

(1)

可近似看成滯回圈頂點(diǎn)連線斜率(如線AB)。圖9為重塑粉質(zhì)黏土回彈模量與加卸荷次數(shù)的關(guān)系。

圖9 回彈模量與加卸荷次數(shù)關(guān)系曲線Figure 9 The curve of resilient modulus with the number of times of loading

回彈模量隨加卸荷次數(shù)的增加先迅速增大，反復(fù)7次卸載后趨于平緩，凍土塑性變形在反復(fù)加卸載中迅速減小,導(dǎo)致穩(wěn)定時的回彈模量值是彈性模量值的12倍。對回彈模量與加卸荷次數(shù)關(guān)系用雙曲線公式進(jìn)行擬合，見式(2)：

(2)

式中：Ee為回彈模量，MPa；n為加卸荷次數(shù)；a和b為試驗(yàn)常數(shù),對關(guān)系進(jìn)行擬合得到：a值為0.000 5，b值為0.000 4；相關(guān)系數(shù)為0.994 4。

3 結(jié)論

選取南京地鐵5號線粉質(zhì)黏土，通過凍土單軸抗壓試驗(yàn)探討了人工凍結(jié)狀態(tài)下，含水率及加載速度對單軸抗壓強(qiáng)度的影響，主要結(jié)論如下：

(1)人工凍結(jié)原狀及重塑粉質(zhì)黏土試樣大部分呈現(xiàn)腰鼓型破壞，僅在高應(yīng)變速率下才可能呈剪切破壞形態(tài)。

(2)重塑粉質(zhì)黏土凍土單軸抗壓強(qiáng)度受含水率影響，隨著含水率的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)力軟化型向應(yīng)力硬化型轉(zhuǎn)變。存在最優(yōu)含水率使凍土強(qiáng)度達(dá)到峰值，該最優(yōu)含水率接近飽和含水率。

(3)凍結(jié)重塑粉質(zhì)黏土的彈性模量隨含水率的增長而呈衰減性增長，含水率對彈性模量影響主要集中在飽和含水率以下，達(dá)到飽和含水率后，含水率對彈性模量影響逐漸減小，彈性模量趨于穩(wěn)定，飽和含水率為分界點(diǎn)。

(4)凍結(jié)重塑粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨應(yīng)變速率的增加而增大，但彈性模量的增長速率隨應(yīng)變速率增大逐漸減小。

(6)對比了原狀土與重塑土破壞形態(tài)的區(qū)別，從宏觀上詳細(xì)描述了不同含水率及應(yīng)變速率下的破壞形態(tài)，并發(fā)現(xiàn)存在使強(qiáng)度最大的最優(yōu)含水率，且最優(yōu)含水率接近飽和含水率。