砂黏土在凍融下力學(xué)性能的研究

田寧 席晨

[摘? 要]：以具有實(shí)際應(yīng)用價值的砂黏土為研究對象，來研究砂黏土在凍融條件下的力學(xué)性能。在已經(jīng)認(rèn)識了凍土所具有的凍脹融沉等特性的條件下，對已經(jīng)處于凍融狀態(tài)下的砂黏土土樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)并設(shè)置對照組，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，探究在凍融條件下影響巖土體強(qiáng)度因素的條件以及在力學(xué)性能方面表現(xiàn)出的規(guī)律，最終得出結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]：凍土; 砂黏土; 三軸壓縮試驗(yàn); 對照組

TU411.3A

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，在高寒地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)的困難很多，其中重中之重是高寒地區(qū)凍土問題。

凍土具有流變性，其長期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時強(qiáng)度特征。正由于這些特征，在凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物就必須面臨兩大危險：凍脹和融沉。研究凍土的安全問題其實(shí)就是在研究巖土體的凍脹融沉與工程的穩(wěn)定性之間的聯(lián)系。砂黏土在凍融作用下力學(xué)性能與凍土方面的一些安全指標(biāo)有著密不可分的關(guān)系。對此，國內(nèi)外許多學(xué)者對巖土體的凍脹融沉與工程穩(wěn)定性的聯(lián)系已做過不少研究，并提出了一些有效防止或改善巖土體凍融破壞的方案。

本文在此基礎(chǔ)上，通過對砂黏土試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，探究在凍融條件下影響巖土體強(qiáng)度因素的條件以及在力學(xué)性能方面表現(xiàn)出的規(guī)律。最終所得的數(shù)據(jù)和結(jié)論可以應(yīng)用到工程中，為工程建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究背景

凍土在高寒地區(qū)常出現(xiàn)，由于含冰與反復(fù)的凍融作用，使受力地基情況更為復(fù)雜，增大了地基的不穩(wěn)定性。特別是對路基，橋梁，隧道和涵洞的危害現(xiàn)象尤為顯著。由于凍土對溫度的敏感性，使得凍土工程主要受到2個方面的危害：凍脹和融沉。凍脹大多發(fā)生在季節(jié)凍土區(qū)，是指土體在凍結(jié)過程中，孔隙水與結(jié)合水凍結(jié)成冰，導(dǎo)致其體積孔隙內(nèi)體積增大，造成土顆粒的相對移動，使土體產(chǎn)生擴(kuò)張，造成凍脹;融沉多見于多年凍土地區(qū)，在凍結(jié)土層融化時地基發(fā)生不均勻沉降，使地面不均勻變形，具有強(qiáng)度低、孔隙比大、含水量大，在外荷載和土層自重作用下產(chǎn)生較大壓縮變形等特點(diǎn)[1]。

Tsytovich[2]在1937年進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)，為了得到凍土與溫度之間的關(guān)系。這是對凍土進(jìn)行最初的系統(tǒng)的研究。Vialov[3]建立了凍土的非線性蠕變模型，Assur[4]通過試驗(yàn)，建立了不同條件下的凍土蠕變模型。

國內(nèi)對于凍土系統(tǒng)的研究開始于20世紀(jì)90年代。蔡中民[5]通過大量的單軸、三軸抗剪等試驗(yàn)，得到了凍土黏彈塑性的本構(gòu)方程。田江永[6]提出在工程實(shí)踐中，永久凍土可以看成脆性材料進(jìn)行分析。賴遠(yuǎn)明[7]利用凍結(jié)狀態(tài)下的砂土，修正了鄧肯-張模型和莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則，解釋了凍土應(yīng)變軟化現(xiàn)象和應(yīng)變硬化現(xiàn)象。宋明哲[8]介紹了研究凍土的必要性，通過對不同控制因素對凍土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。李順群[9]對凍土力學(xué)性質(zhì)影響因素的顯著性和因素間交互作用進(jìn)行了研究。閆冰[10]對凍土的動彈性模量和動強(qiáng)度進(jìn)行了顯著性研究。

砂質(zhì)黏土這類土壤泛指與砂土性狀相近的一類土壤，其物理黏粒含量一般為15%。其主要特點(diǎn)有透水性好、保蓄性差、土溫變幅大等，而這些特點(diǎn)使得砂黏土很適合進(jìn)行凍土方面的研究。

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 靜力三軸壓縮試驗(yàn)

靜力三軸壓縮試驗(yàn)所用的儀器為靜力三軸儀，采用圓柱形試樣，其高度與直徑之比為2～2.5。試樣用薄橡皮膜包裹，使土樣的孔隙水與膜外液體（水）完全隔開。對試樣的空間3個坐標(biāo)方向上施加壓力。試驗(yàn)時先通過壓力室內(nèi)的有壓液體，使試樣在3個軸向受到相同的周圍壓力σ3（其大小由壓力計測定），并維持整個試驗(yàn)過程不變。然后通過活塞向試樣施加垂直軸向壓力，直到試樣剪壞，按莫爾強(qiáng)度理論計算剪破面上的法向應(yīng)力與極限剪切應(yīng)力。靜力三軸壓縮試驗(yàn)為核心試驗(yàn)，用來探究巖土體的抗剪強(qiáng)度和主應(yīng)力差等力學(xué)性能的規(guī)律。

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)主要分為幾方面：

（1）制作土樣：在保證每個土樣的形狀大小，密度及含水率相同的前提下，制作6組，每組3個，總計18個土樣。其中1組為對照組（室溫條件），5組為進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)的試驗(yàn)組。

（2）凍結(jié)試驗(yàn)：取試驗(yàn)組土樣將其放入人工凍土儀器進(jìn)行凍結(jié)，設(shè)定溫度分別為0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃及-20 ℃，每組土樣凍結(jié)時間相同且超過24 h。

（3）三軸壓縮試驗(yàn)：對對照組和試驗(yàn)組等6組土樣分別進(jìn)行固結(jié)不排水剪，在保證室內(nèi)溫度等其他參數(shù)相同的條件下，設(shè)定圍壓分別為100 kPa、200 kPa以及400 kPa，記錄數(shù)據(jù)并整理。待三軸壓縮試驗(yàn)完成后，對已壓壞的土樣分別進(jìn)行含水率測定。壓壞的土樣如圖1所示，從左至右分別為圍壓100 kPa、200 kPa和400 kPa的土樣。

（4）在對比了不同溫度下通過三軸壓縮試驗(yàn)得到的強(qiáng)度指標(biāo)后，針對同一溫度下不同凍結(jié)天數(shù)的試樣進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)：以-10℃的土樣為例，分別凍結(jié)24 h、48 h、72 h以及96 h后，設(shè)定圍壓分別為100 kPa、200 kPa以及400 kPa，同時記錄數(shù)據(jù)并整理，并在土樣破壞后進(jìn)行含水率測定。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總與分析

2.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變計算方法

（1）計算剪切過程中試樣的平均面積。

Aα=A01-ε1

式中：Aα為剪切過程中平均斷面積（cm2）;A0為土樣初始斷面面積（cm2）;ε1為軸向應(yīng)變。

（2）計算主應(yīng)力差。

σ1-σ3=10×CRAα=CR（1-ε1）A0×10

式中： σ1-σ3為主應(yīng)力差（kPa）;C為測力計率定系數(shù)（N/0.01mm）;R為測力計讀數(shù)（0.01mm）;10為單位換算系數(shù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)匯總、應(yīng)力曲線選取與分析

通過三軸壓縮試驗(yàn)得到軸向應(yīng)變并計算出主應(yīng)力差，其中最大軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差如表1、表2所示。

根據(jù)得到的主應(yīng)力差繪制應(yīng)力曲線。不同溫度、相同凍結(jié)時間的主應(yīng)力差應(yīng)力曲線如圖2～圖7所示。

由表1可知，相同溫度下，20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃的最大主應(yīng)力差均出現(xiàn)在圍壓400 kPa處，分別為150 kPa、146.7 kPa、139.7 kPa以及130 kPa。-10 ℃的最大值出現(xiàn)在圍壓100 kPa處，為123.3 kPa;-20 ℃的最大值出現(xiàn)在圍壓200 kPa處，為162 kPa。當(dāng)圍壓相同時，圍壓100 kPa、200 kPa以及400 kPa，最大主應(yīng)力差均出現(xiàn)在-20 ℃處，分別為153.3 kPa、162 kPa和157 kPa。但根據(jù)表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差的變化趨勢為先隨著溫度的降低而減小，當(dāng)減小到一定值后隨著溫度的降低而變大。

由圖2～圖6可以看出，主應(yīng)力差隨三軸壓縮試驗(yàn)的進(jìn)行而增大，且最開始增長較為迅速，隨后增長速率減慢，近似線性增長，并最終趨于平穩(wěn)并有下降趨勢，曲線形狀為上凸型曲線。除-10 ℃及-20 ℃外，當(dāng)凍結(jié)溫度相同時，主應(yīng)力差最大值均出現(xiàn)在圍壓400 kPa處，且整體趨勢為圍壓越大，軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差越大，這說土樣破壞時的軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大。對于-10 ℃和-20 ℃，可能由于制作土樣時未能保證同組土樣的孔隙率和含水率等無關(guān)變量相同以及試驗(yàn)過程的不規(guī)范導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。

相同溫度、不同凍結(jié)時間的主應(yīng)力差應(yīng)力曲線如圖8～圖10所示。其中凍結(jié)24 h的應(yīng)力曲線見圖4。

由表2可知，相同凍結(jié)時間下，除凍結(jié)24 h外，凍結(jié)48 h、72 h、96 h的最大主應(yīng)力差均發(fā)生在圍壓400 kPa處，分別為198.3 kPa、226.7 kPa、212.7 kPa。當(dāng)圍壓相同時，圍壓100 kPa、200 kPa以及400 kPa，最大主應(yīng)力差出現(xiàn)在凍結(jié)48 h、72 h以及72 h處，分別為166.7 kPa、176.7 kPa和226.7 kPa。根據(jù)表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差的變化趨勢為先隨著凍結(jié)時間的增大而增大，當(dāng)增大到一定值后隨著凍結(jié)時間的增大而減小。

由圖4以及圖8～圖10可以看出，主應(yīng)力差隨試驗(yàn)時間的增長而非線性增大，且最開始增長較為迅速，隨后增長速率減慢。隨時間的增長曲線趨于平穩(wěn)并有下降的趨勢。整體呈上凸型。當(dāng)凍結(jié)時間相同時，主應(yīng)力差最大值均出現(xiàn)在圍壓400 kPa處，由此可知，土樣抗剪強(qiáng)度和主應(yīng)力差會隨圍壓的增大而增大。

各組土樣破壞后平均含水率如表3、表4所示。

（1）不同溫度下破壞后土樣的平均含水率，隨凍結(jié)溫度的降低而逐漸降低。其中最大值為室溫條件下（20 ℃），平均含水率為23.84%;最小值為凍結(jié)溫度-20 ℃條件下，平均含水率為23.49%。

（2）-10 ℃凍土土樣凍結(jié)不同時間下的平均含水率，隨凍結(jié)時間的增大而降低。其中最大值為凍結(jié)24 h條件下，平均含水率為23.65%;最小值為凍結(jié)96 h條件下，平均含水率為23.55%。

3 結(jié)論

（1）土樣的軸向應(yīng)變和主應(yīng)力差隨時間的增長而增大，且最開始增長較為迅速，隨后增長速率減慢，到達(dá)最大值后趨于平穩(wěn)并有下降趨勢，曲線形狀為上凸型曲線。

（2）土樣抵抗剪切變形的能力隨著圍壓的增大而變強(qiáng)。

（3）土樣經(jīng)過凍結(jié)后，平均含水率變小，且溫度越低、凍結(jié)時間越久，含水率越小，但達(dá)到一定凍結(jié)時間后，含水率幾乎不發(fā)生變化，趨于穩(wěn)定。

（4）由于本次試驗(yàn)試樣的數(shù)量和時間的限制，未能摸清凍結(jié)溫度和凍結(jié)時間是通過影響粘聚力還是內(nèi)摩擦角來影響土樣的工程性質(zhì)。剪應(yīng)變和主應(yīng)力差隨凍結(jié)溫度和時間的變化也并非單純的正向或反向，造成這種現(xiàn)象的原因是什么，是否與土樣的的含水率有關(guān)，還需要做進(jìn)一步的系統(tǒng)性試驗(yàn)研究。

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