東北人工凍結黏土在不同溫度下抗壓抗拉強度試驗研究

束玲玲 黃雅潔 陳云龍 楊潤宇 張茂林

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，人類的活動區(qū)域逐漸擴大，開始涉及凍土區(qū)域，凍土地區(qū)的開發(fā)與建設已經(jīng)日益頻繁。同時，凍土地區(qū)的地下蘊含著大量礦產(chǎn)資源，開發(fā)價值大。隨著凍土地區(qū)工程建設和凍結法施工技術在地下空間建設中的發(fā)展，了解凍結巖土材料的靜態(tài)強度特性是保障建設工程安全施工的基礎。汪恩良等人使用WDT-100低溫電子萬能試驗機對不同溫度和不同含水率的凍土試件進行單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，凍土的強度呈線性增加，彈性模量也逐漸增大，并且隨著含水率的上升，抗壓強度呈上升趨勢[1]。栗曉林等人研究不同溫度下凍土的單軸抗拉強度，利用MTS萬能試驗機對凍土進行單軸壓縮試驗，得到了凍土的抗壓強度和屈服應力隨著凍結溫度的降低和加載速率的增大而增大[2]。張勇敢、陳有亮都對凍土的劈裂拉伸強度做出了研究，發(fā)現(xiàn)凍土的抗拉強度與凍結溫度和加載速率都可以用線性關系來進行表征，凍結溫度的降低和加載速率的增大都引起抗拉強度增加，同時也發(fā)現(xiàn)土體的含水率越低，單位溫度降低所以引起的抗拉強度的增量越大，并發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，凍土中的未凍水的含量逐漸降低，抗壓、抗拉強度逐漸增加[3]。

1 試件制備和試驗儀器介紹

1.1 試驗前準備

1.1.1 土樣密度測定

在試驗中通過封蠟法來測定土樣的密度。1）為了使土樣在封蠟時，不至于過于松散，將取得的土樣，放入模具中，進行簡單按壓，使土樣的形狀規(guī)則，再脫模，得到了直徑為65mm，厚度為35mm的試樣。2）用細繩將試樣系緊浸入融化的蠟油中，待試樣整體沒入蠟油后，迅速將試樣提起，觀察試樣表面是否均勻地包裹上蠟油，若局部未包裹蠟油，則重新浸沒再提起，直至均勻包裹。3）用燒杯量取一定量的純凈水，記錄水的刻度數(shù)，將封好蠟的試樣浸入水中，迅速記錄燒杯上的刻度數(shù)，并將試樣提出燒杯，記錄下示數(shù)。4）計算試樣的密度，如公式（1）所示。

式中：m為試樣的體積，v2為試樣放入燒杯后讀取的示數(shù)，v1為未放入試樣時燒杯水的示數(shù)。

通過封蠟法測試樣密度的試驗總共進行三次，取三次的平均值得到該文試驗所用土樣的密度，算的平均值為1.96g/cm3。

1.1.2 含水率的測定

含水率的測定包括以下步驟：1）將原狀土的大顆粒用橡膠錘進行錘碎，去除大顆粒及石子。2）稱取一定量的土樣，記錄質量，放入燒杯中，燒杯中的量不宜裝的過滿，將土樣放入烘箱中烘24h以上，在烘干的過程中，可以使用攪拌棒對土樣進行攪拌，使其烘干的更加均勻。3）烘干后，將土樣從燒杯中倒出，稱取烘干后的質量。4）計算含水率，如公式（2）所示。

式中：m1—為烘干后土樣的質量，g；m2—為濕土土樣的質量，g。

經(jīng)過測定得到該文試驗所用的土樣的含水率為23%。

1.2 試件制備

由于我國大部分凍土地區(qū)的凍土都屬于黏性土質，所以有必要對寒區(qū)地基工程下的黏性土質進行研究，根據(jù)這些情況，該文所研究的凍土取自遼寧丹東的黏土。由于原狀凍土離散性較大，也不夠均質，所以該文對原狀凍土進行重塑來進行試驗。

根據(jù)《人工凍土物理力學性能試驗》（MT/T593.1-2011）重塑土要求，在試驗室揭開密封袋，記錄土樣的顏色、氣味和土的類別[4]。初步擊碎處理，選取一定量的土，用橡膠錘將土中的大塊進行破碎，去除大顆粒與雜物，選取小塊或較細的土樣進行試驗。烘干，將土樣裝入燒杯中，不超過燒杯的2/3，放入烘箱中烘24h以上，在烘干的過程中，可以利用攪拌棒對土樣進行攪拌，使土樣烘的更均勻、充分，直到水分完全蒸發(fā)，土的質量不再變化。配水，根據(jù)測定的含水率，用量杯量取相應體積的純水，對烘干后的土進行配水，用噴壺將純凈水均勻分層噴入土樣中，并攪拌均勻，并放置20min后再進行攪拌，使水分與土樣充分混合吸收。養(yǎng)護，將盛土樣的器皿進行密封，防止水分流失，將密封好的土樣放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24h以上，并且養(yǎng)護期間溫度和濕度保持恒定不變。注模，將養(yǎng)護好的土樣取出，揭開密封袋，在模具內部均勻涂抹一層機油。用電子天平稱取同等質量的土樣，將土樣分次放入模具中，進行分層擊實，表面用刮刀抹平，使端面盡量平整。單軸抗壓試驗試件尺寸為Φ50mm×100mm，單軸抗拉試驗試件的尺寸為Φ65mm×35mm。凍結，將制好的試件和模具放入冷藏箱，速凍3h～6h，再脫模，將脫模后的試件放入冷藏箱中，在試驗所需的溫度下凍結24h以上，凍結期間，如果試件的端面不夠平整，可以用細砂紙對其進行打磨，再放入冷藏箱中進行凍結養(yǎng)護，并將試件進行標號，再用于試驗。

1.3 試驗儀器簡介

該試驗利用WDT-100電液伺服試驗機進行凍土單軸壓縮試驗。WDT-100電液伺服試驗機主要用于巖石和凍土等非金屬材料的力學性能試驗。WDT-100是對巖石及凍土力學性能測試最先進的儀器，可自動進行數(shù)據(jù)的采集及處理，伺服閥反應靈敏、精度高。最大試驗載荷為10 kN，試驗精度為 1%，試驗所需要的數(shù)據(jù)結果全由計算機程序和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自行控制和采集[5]。試驗中可根據(jù)試驗目的需求選擇合適的加載速率，對試件進行加載，當試件發(fā)生破壞時，儀器自動停止加載，來測得相應的物理參數(shù)。

2 單軸抗壓強度試驗

2.1 試驗方法

凍土的單軸抗壓強度是衡量凍土力學性能的重要指標，對凍土地區(qū)工程建設地基的承載力研究具有重要意義。文中對取自東北地區(qū)的凍結黏土進行人工重塑，對-10℃、-20℃、-30℃的人工凍結黏土進行單軸壓縮試驗。試件分別在相應溫度下冷藏箱中凍結養(yǎng)護24h以上，再進行試驗，試驗過程中采用恒定速率加載，試件達到破壞狀態(tài)，儀器自動停止，數(shù)據(jù)由試驗儀器自動進行采集。每個溫度下準備三個試件，結果取平均值。

2.2 試驗結果與分析

通過試驗得到的相關參數(shù)，再結合公式，可得出凍土的單軸抗壓強度、軸向變形、彈性模量等相關參數(shù)，如公式（3）和公式（4）所示。式中：σ—單軸抗壓強度；P—試件破壞時軸向應力；A—試件斷面面積；E—彈性模量；ε——峰值應變。

通過WDT-100電液伺服試驗機對-10℃、-20℃、-30℃三個溫度下的人工凍土試件進行了單軸壓縮試驗，分別得到了三個溫度等級下的單軸抗壓強度，匯總如表1所示。

表1 人工凍土單軸壓縮試驗相關參數(shù)

對土體力學性能的研究，應力-應變關系是主要研究的關鍵問題，在工程領域的大部分問題都與土體的應力-應變有關系，例如土體強度問題、動靜荷載下土體的穩(wěn)定性問題等，因此想探究凍土的力學行為規(guī)律，就必須掌握土體的應力-應變關系[6-7]。圖1為單軸壓縮狀態(tài)下，-10℃、-20℃、-30℃三個溫度下的人工凍土下的應力-應變關系。土樣破壞呈彈性-應變軟化的特征，應力達到峰值應力后緩慢降低。由圖1可以看出，不同試驗條件下的應力-應變曲線均經(jīng)歷了壓密、線彈性、塑性和應變軟化四個階段。1）壓密階段，試件原來內部存在的孔隙和裂縫在前期進行壓實閉合，宏觀上呈現(xiàn)出早期非線性變形，曲線呈緩慢上升的趨勢，此階段試件橫向膨脹較小，主要是縱向密實階段，試件體積在動荷載的作用下，體積逐漸呈減少狀態(tài)。2）彈性階段，隨著荷載的增加，曲線呈線性遞增，在線性階段曲線遞增得非?？?，人工凍土試件內部孔隙被進一步壓實，體積率開始減少。從應力-應變曲線中發(fā)現(xiàn)，在此階段橫坐標變化量較小，縱坐標逐步增大。3）塑性階段，從線彈性階段結束點開始，結束點即為屈服點，從屈服點開始進入塑性變形階段，此階段試件內部的裂隙開始擴展，整體結構發(fā)生破壞，塑性變形量達到最大。4）應變軟化階段，到達應力峰值，此階段人工凍土試件結構完全破壞，裂隙量達到最大，試件發(fā)生較大塊的斷裂與滑移。

從圖1單軸抗壓下的應力-應變曲線中可以發(fā)現(xiàn)人工凍土的峰值應力隨著凍結溫度的降低，逐漸增加，可見凍土材料具有明顯的溫度效應。主要原因：隨著凍結溫度的降低，人工凍土內部的未凍水逐漸轉化為冰，使冰與凍土內部的固體顆粒的膠結作用增強，從而凍土的抗壓強度有所增加。人工凍土單軸抗壓強度的應力-應變曲線在應力達到應力峰值后，隨著應變的增加，試件逐漸破壞，但應力并沒有迅速下降，表現(xiàn)出了凍土材料明顯的塑性特征。

圖1 不同凍結溫度下人工凍土單軸壓縮應力－應變曲線

3 單軸抗拉強度試驗

3.1 試驗方法

凍土屬于嚴重的拉壓不對稱性材料，其拉伸強度遠小于壓縮強度，對凍土的抗拉試驗方式有直接法和間接法兩種[8]。直接法主要是通過對試件兩端施加力來使試件破壞，抗拉強度的計算方式為試件達到破壞的力除以破壞試件的端面面積。間接法就是通過彎折，劈裂等方式，通過間接測試和對應的公式計算，來獲得的材料的抗拉強度，例如巴西圓盤劈裂、彎曲試驗等。該文對凍土材料采用巴西圓盤劈裂的方式來間接獲得凍土試件的抗拉強度。對人工凍土試件在-10℃、-20℃、-30℃三個凍結溫度下分別進行巴西圓盤劈裂抗拉強度實的驗，各組試件分別在相應溫度下冷藏箱中凍結24h以上，每個溫度下設定三組平行試驗，試驗結果取三組的平均值。隨后采用恒定速率對試件進行加載，直至試件被破壞，儀器自動停止加載，清理破壞的試件。

3.2 試驗結果與分析

通過試驗得到的相關參數(shù)，再結合公式，可得出凍土的抗拉強度。

式中：σt—抗拉強度，MPa，P—試件破壞時荷載，D—試件直徑，mm，L—試件厚度，mm。

通過巴西圓盤劈裂法對-10℃、-20℃、-30℃三個溫度下的人工凍土試件進行了單軸拉伸試驗，取平均值分別得到了三個溫度等級下的單軸拉伸相關參數(shù)，匯總如表2所示。

表2 不同溫度下凍土試件的抗拉強度

凍結溫度為-10℃、-20℃、-30℃下人工凍土的抗拉強度分別為1.57MPa、2.23MPa、3.56MPa，溫度是影響土體力學特性的重要影響因素，圖2給出了不同溫度下人工凍土在單軸拉伸下凍土的應力-應變關系，應力-應變關系只研究線彈性階段到達應力峰值的部分，對試件破壞后的應力-應變關系不做研究。在單軸抗拉下，應力-應變曲線在線彈性階段，曲線上升得非?？?，隨后便進入塑性變形階段，曲線緩慢上升，隨后到達應力峰值，接著試件發(fā)生不可逆的破壞。從圖2單軸拉伸下應力-應變曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著凍結溫度的降低，人工凍土在單軸拉伸下的應力峰值隨著凍結溫度的降低而增大。由于在不同的溫度等級下凍土內部固體顆粒與冰的膠結作用有所不同，所以強度有所不同[9]。凍土材料在單軸拉伸下也具有明顯的溫度效應。且單軸拉伸下所得到的抗拉強度遠小于單軸壓縮下的抗壓強度。

圖2 不同凍結溫度下人工凍土單軸拉伸應力－應變曲線

4 結論

對單軸抗壓和抗拉強度試驗凍土試件的制備方式進行了介紹，單軸抗壓試驗所需人工凍土的尺寸為Φ50mm×100mm，單軸抗拉人工凍土的尺寸為Φ65mm×35mm。同時對人工凍土單軸抗壓和抗拉的試驗儀器WDT電液伺服試驗機進行了說明。在進行抗拉強度測試時，通過巴西圓盤劈裂的方式間接得到不同溫度下人工凍土的抗拉強度。

對人工凍土試件在-10℃、-20℃、-30℃三個凍結溫度下分別進行單軸壓縮試驗，得到了三個溫度下的單軸抗壓強度分別為4.05 MPa、7.89 MPa、9.71 MPa。從應力-應變曲線中可以看出人工凍土材料在單軸壓縮下具有明顯的塑性特征，并且隨著溫度的降低，應力峰值呈增大的趨勢，凍土材料在單軸壓縮下具有明顯的溫度效應。

對人工凍土試件在-10℃、-20℃、-30℃三個凍結溫度下分別進行單軸拉伸試驗，得到凍土試件的抗拉強度分別為1.57 MPa、2.23 MPa、3.56 MPa。發(fā)現(xiàn)隨著凍結溫度的降低，人工凍土的抗拉強度逐漸增大。并且在相同溫度等級下，抗拉強度均小于抗壓強度。