凍結(jié)條件下飽和粉砂土靜力特性試驗(yàn)研究

武 寧 溫艷紅

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1 引言

深季節(jié)凍土因含有冰-水相結(jié)構(gòu)，其對(duì)比融土結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。凍土靜力學(xué)作為凍土力學(xué)的重要分支，主要是研究靜荷載下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、靜彈性模量、靜強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)。Pharr[1]通過(guò)對(duì)比荷載恒定時(shí)含鹽冰和含鹽凍結(jié)砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其非常相似。Li等[2]發(fā)現(xiàn)不同溫度和圍壓對(duì)凍結(jié)砂土力學(xué)性能影響的變化規(guī)律。Zhu Yuanlin等[3]研究了單軸壓縮對(duì)凍結(jié)粉土彈性模量的。孫星亮等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)影響應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的因素有溫度、圍壓和應(yīng)變速率，三軸剪切和蠕變一樣會(huì)弱化凍結(jié)粉質(zhì)粘土的結(jié)構(gòu)。王麗霞等[6]通過(guò)低溫動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)粉質(zhì)粘土的抗剪指標(biāo)、靜強(qiáng)度隨負(fù)溫度降低、含水率減小而減小。賴遠(yuǎn)明等[7]研究發(fā)現(xiàn)低圍壓、高溫度對(duì)凍結(jié)砂土有應(yīng)變軟化現(xiàn)象，文章還提出了比線性莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則更精確的變化規(guī)律。本文主要研究了不同圍壓、不同冷卻溫度下凍結(jié)飽和粉砂土試樣三軸壓縮試驗(yàn)。

2 物理指標(biāo)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)土樣制備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土樣取自青藏鐵路那曲物流中心的粉質(zhì)砂土，主要物理參數(shù)：土樣顆粒比重為 2.70，滲透系數(shù)為 5.87×10-6cm/s，最大干密度為1.95 g/cm3，最優(yōu)含水率為11.2%，含鹽量測(cè)試結(jié)果為0.15%(測(cè)試的離子主要包括SO42-、CO32-、Na+、K+)。

在土樣制備過(guò)程中應(yīng)盡量保證粉砂土攪拌均勻，按照設(shè)計(jì)要求的含水率將水均勻的灑在土料上，稍靜置后將試樣放入密閉的塑料袋中，靜置24 h。利所用試驗(yàn)均按95%的壓實(shí)度控制干密度。采用分層擊實(shí)法制備試樣，試樣高度H =125 mm，直徑D=61.8 mm，試樣制作過(guò)程中分5層在三瓣飽和器分層擊實(shí)，控制好每層土料的質(zhì)量，應(yīng)盡量準(zhǔn)確、相等，精確至0.1 g，層與層之間刮毛，防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，直至擊完最后一層，接下來(lái)整平試樣，兩端加裝透水石，完成試驗(yàn)制備后將其放入真空飽和器中進(jìn)行抽氣飽和。制作試樣前后，應(yīng)保證同一組試樣的含水率不得超過(guò)±1%。然后在高低溫實(shí)驗(yàn)交變箱中完成凍結(jié)條件，將飽水的試樣置于不同的負(fù)溫度下(-1.5 ℃、-3.0 ℃、-6.0 ℃)進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)48 h，至此凍結(jié)條件下飽和粉砂土試樣制作完成。

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)進(jìn)行了3種負(fù)溫度：-6℃、-3℃和-1.5℃，5種圍壓0.3 MPa、0.6 MPa、0.9 MPa、1.2 MPa和1.5 MPa的三軸試驗(yàn)，同時(shí)還進(jìn)行了-6℃、-3℃和-1.5℃溫度下的三軸剪切試驗(yàn)。

凍土三軸試驗(yàn)采用GDS公司生產(chǎn)的DYNPTS凍土動(dòng)靜三軸儀，為應(yīng)變率控制方式，動(dòng)態(tài)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)有NESLAB低溫恒溫冷浴組成，將其與壓力室內(nèi)循環(huán)冷液管相連，控制三軸壓力室內(nèi)的試驗(yàn)溫度，溫度精確到±0.1℃，待三軸壓力室溫度達(dá)到預(yù)定的試驗(yàn)溫度時(shí)，將制作好的凍結(jié)飽和粉砂土試樣脫模取出，并迅速安裝到DYNPTS凍土動(dòng)靜三軸儀上。然后開(kāi)始試驗(yàn)，輸入相關(guān)參數(shù)創(chuàng)建試樣站點(diǎn)，選擇標(biāo)準(zhǔn)三軸CU模塊，然后使用高級(jí)加載模塊緩慢加至試驗(yàn)圍壓，待圍壓穩(wěn)定后再施以1.25 mm/min的剪切應(yīng)變速率施加軸向靜荷載，進(jìn)行固結(jié)不排水靜三軸試驗(yàn)，直至試件產(chǎn)生20%應(yīng)變?yōu)橹埂?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 凍結(jié)飽和粉砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力水平、路徑和歷史是影響凍土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的主要因素。通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)研究應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加表現(xiàn)為非線性、彈塑性等規(guī)律，但最后都趨于穩(wěn)定。

3.1.1 圍壓σ3的影響

本試驗(yàn)偏應(yīng)力峰值取極限應(yīng)變不超過(guò)20%的值為其(σ1-σ3)值。圍壓σ3對(duì)凍結(jié)飽和粉砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響曲線如圖1所示。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)該關(guān)系與圍壓σ3的關(guān)系曲線

本試驗(yàn)主要研究冷卻溫度為-1.5 ℃、-3.0 ℃、-6.0 ℃凍結(jié)條件下飽和粉砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一溫度條件下，偏應(yīng)力峰值(σ1-σ3)隨圍壓的增大而增大，曲線變化形態(tài)相似變化不大。同一圍壓下，剪應(yīng)變隨冷卻負(fù)溫度的增大而明顯增大，而強(qiáng)度則在偏應(yīng)力峰值(σ1-σ3)后均降低。

3.1.2 冷卻溫度Tc的影響

冷卻溫度對(duì)凍結(jié)飽和土凍結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響曲線如圖2所示。

圖2 不同冷卻溫度Tc與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線

凍結(jié)飽和粉砂土因內(nèi)部存在冰-水結(jié)構(gòu)，所以對(duì)溫度有明顯的依賴性，溫度的變化對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有直接的影響。由圖2可知，同一圍壓條件下，負(fù)溫度越高應(yīng)力峰值增幅越大，說(shuō)明負(fù)溫度增大土顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度也增大。

3.2 凍結(jié)飽和粉砂土的彈性模量

圍壓與冷卻溫度與彈性模量的關(guān)系曲線如圖3和圖4所示。

圖3 圍壓與彈性模量的關(guān)系曲線

圖4 冷卻溫度與彈性模量的關(guān)系曲線

利用鄧肯-張分析方法，采用直線擬合凍結(jié)飽和粉砂土的彈性模量，具體如圖3和圖4所示。凍結(jié)飽和粉砂土的彈性模量隨圍壓的增大而呈非線性增大。圍壓一定條件下，彈性模量表現(xiàn)為低圍壓下的非線性變化比高圍壓下更加明顯。

3.3 凍結(jié)飽和粉砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

凍結(jié)飽和粉砂土的抗剪強(qiáng)度如表1所示。依據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論，凍結(jié)飽和粉砂土的摩擦角和粘聚力均隨負(fù)溫度的升高而增大，表明負(fù)溫度的升高增強(qiáng)了凍土顆粒間的結(jié)合。

表1 抗剪強(qiáng)度c、φ

4 結(jié)論

(1) 凍結(jié)飽和粉砂土靜三軸試驗(yàn)中，溫度和圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均有較明顯的影響，低圍壓時(shí)應(yīng)力近似呈線性增長(zhǎng)，隨著圍巖的增大，應(yīng)變顯示為非線性增大。偏應(yīng)力峰值隧圍壓的增大，負(fù)溫度的增大呈現(xiàn)的趨勢(shì)。

(2) 凍結(jié)飽和粉砂土彈性在不同圍壓和不同冷卻溫度下呈非線性變化，且隨圍壓的增大，負(fù)溫度的降低而增大。負(fù)溫度和圍壓的增大導(dǎo)致凍結(jié)飽和粉砂土顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度增大飽和粉砂土的粘聚力和內(nèi)摩擦角也增大。