凍結(jié)溫度對不同粒徑凍土石混合體劈裂特性的影響

程 虎 ，李重情 ,3，穆朝民 ,3

（1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；3.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001）

土石混合體因其良好力學性能且在寒區(qū)內(nèi)廣泛分布，從而大量應用于邊坡、地基、路基和隧道等工程項目[1-2]。凍土石混合體是典型的多相復合材料，具有復雜的力學特性，其固體顆粒粒徑分布不均勻，尺寸從黏粒到塊石不等[3]。目前，國內(nèi)外學者對常溫土石混合體做了大量研究，取得了一些有價值的成果。李曉等[4]對不同含石量和尺寸的土石混合體進行原位推剪和壓剪試驗，發(fā)現(xiàn)土石混合體具有典型的全應力-應變曲線、應變軟化等特征以及含石量和尺寸效應是影響土石混合體強度與破壞形式的重要因素；楊忠平等[5]通過直剪試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了土石混合體-基巖界面的剪應力-剪切位移曲線隨法向壓力的增大有從應變軟化向應變硬化轉(zhuǎn)變的趨勢；李福平[6]利用GDS 自動三軸試驗系統(tǒng)對不同重塑壓力下黏土-砂巖混合體進行了三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)黏土-砂巖混合體的峰值強度和殘余強度隨著重塑壓力增加而升高以及試件在剪切過程中表現(xiàn)為先剪脹后剪縮；張振平等[7]以密實狀態(tài)混合體為主要研究對象，從“土-石-界面”三者協(xié)同作用分析其對混合體強度的影響，并建立了表述土石混合體力學特征的非線性強度準則。WANG等[8]研究了塊石含量和圍壓對土石混合體軸向應力和應變時程特征的影響；楊升等[9]通過對在不同圍壓、不同含石量條件下土石混合體進行直剪試驗與數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)含石量越高，試件的抗剪強度越大。

不同于眾多學者對常溫土石混合體的廣泛研究，凍土石混合體與常溫土石混合體存在顯著差異，其力學性質(zhì)極易受外界環(huán)境條件改變而發(fā)生變化，目前對于寒區(qū)凍土石混合體的試驗、理論研究都相對較少。唐麗云等[10]開展了不同含水率和塊石含量土石混合體凍融交界面直剪試驗，發(fā)現(xiàn)含水率對界面強度影響的閾值在27%左右，含石率對界面強度影響的閾值在30% 左右；ZHAO等[11]研究了10～20 mm 粒徑塊石顆粒的凍土石混合體在3 種溫度和3 種應變率下的單軸抗壓強度，發(fā)現(xiàn)試件的單軸抗壓強度會受到塊石顆粒含量的影響以及隨著溫度的降低和應變率的增加而增加；ZHANG 等[12]對不同含砂量的-6 ℃凍結(jié)粉質(zhì)黏土-砂混合體進行了0.5～3 MPa 圍壓下的三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)在0.5～1.0 MPa 圍壓下，凍結(jié)粉質(zhì)黏土-砂混合體的強度最大，同時基于均勻化理論，建立了考慮含砂量影響的凍結(jié)粉質(zhì)黏土-砂混合體非線性屈服準則。

目前，國內(nèi)外學者針對凍結(jié)溫度影響下的凍土石混合體壓縮強度特性研究較多，而對凍結(jié)溫度與尺寸效應耦合作用下的凍土石混合體劈裂力學特性研究尚淺?；诖?，以西藏地區(qū)的粉質(zhì)黏土為研究對象，通過RMT-150 巖石力學實驗機對不同凍結(jié)溫度下的不同粗顆粒粒徑凍土石混合體進行巴西劈裂實驗；分析凍結(jié)溫度及塊石粒徑對凍土石混合體試件劈裂抗拉強度的影響規(guī)律，并進一步通過數(shù)字圖像技術(shù)再現(xiàn)了凍土石混合體在巴西劈裂實驗過程中的應變場演化過程。

1 實 驗

1）實驗材料。實驗所用土樣取自西藏地區(qū)的凍結(jié)粉質(zhì)黏土，呈淡黃色，其塑限、液限和塑性指數(shù)分別為23.8%，33.4%、13.2。根據(jù)LINDQUIST E S[13]、徐文杰等[14]關(guān)于土石閾值的討論，將0.05Lc作為土石閾值，其中Lc為土石混合體的工程特征尺度，此處取圓柱體試件的直徑(65 mm)，則土石閾值為3.25 mm，故實驗選用過2.0 mm 篩孔的粉質(zhì)黏土為實驗土樣。同時選取漢白玉石子顆粒作為粗顆粒塊石，表面光滑，形狀較為規(guī)則，密度為2.49 g/cm3，將塊石通過標準圓孔篩進行人工篩選，分成了5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm 3 種單粒徑塊石和5～10 mm∶10～15 mm∶15～20 mm=1.5∶1∶1 質(zhì)量比的5～20 mm 全粒徑塊石。

2）試件制備。含水量和含石量是影響凍土石混合體力學特性的重要因素，其中根據(jù)LINDQUIST E S[13]的研究，典型土石混合體材料的含石量為25%～75%。同時基于NICKLING W G[15]和LI等[16]的研究，實驗試件的含石量選為40%、土體含水量為25%。首先將烘干后的土樣與蒸餾水充分混合，密封靜置12 h 使水分均勻；隨后充分混合塊石顆粒與土樣，依次放入模具中分3 層擊實，制成直徑為65 mm，高度為35 mm 的短圓柱試件；最后在設(shè)定溫度分別為-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40 ℃的低溫箱中密封凍結(jié)從模具中取出的試件。

3）實驗方法。采用RMT-150 巖石力學實驗機（位移計最大量程為50 mm，壓力傳感器最大量程為1 000 kN）對7 種凍結(jié)溫度下的4 類試件分別進行了84 組巴西圓盤劈裂加載實驗，其中在每種情況下進行3 組平行實驗。為防止在室溫(20 ℃)加載過程中試件過分融化，用低導熱系數(shù)的PMMA（有機玻璃）材料加載臺以實現(xiàn)短時端面保溫加載效果。

2 實驗結(jié)果

2.1 劈裂破壞形態(tài)

-30 ℃時各試件的劈裂破壞形態(tài)如圖1，與凍土試件直線型劈裂破壞形態(tài)不同[17]，凍土石混合體試件的裂紋多呈彎曲折線型。取圖1 中10～15 mm 粒徑試件破壞時的5 個典型時刻圖像，通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)去再現(xiàn)劈裂加載試件表面拉伸應變場演化過程，劈裂加載試件表面拉伸應變場演化如圖2。

圖1 劈裂破壞形態(tài)Fig.1 Splitting damage patterns

圖2 劈裂加載試件表面拉伸應變場演化Fig.2 Evolution of tensile strain field on the sample surface of splitting loading

由圖2 可見：拉伸應變會在試件中心集中并產(chǎn)生初始裂紋，隨著拉應力的加載，裂紋向兩加載端延伸；由于凍土石混合體為多相非均質(zhì)材料，其內(nèi)部塊石起到對裂紋擴展的阻擋作用，當凍土中延伸的裂紋遇到塊石后會發(fā)生偏移，導致試件表面的裂紋形態(tài)因塊石的存在而變得曲折，最終轉(zhuǎn)為沿土石界面開裂并貫穿試件。結(jié)合圖1（a）～圖1（c）中單粒徑試件的劈裂破壞形態(tài)圖，可見試件內(nèi)塊石粒徑越大，裂紋越曲折；對于圖1（d）中5～20 mm 全粒徑試件，其裂紋形態(tài)介于5～10 mm和15～20 mm 試件之間，與10～15 mm 試件相近。

各試件峰值荷載所對應的徑向峰值位移與凍結(jié)溫度關(guān)系如圖3。

圖3 徑向峰值位移與凍結(jié)溫度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between radial peak displacement and freezing temperature

由圖3 可見：同一凍結(jié)溫度下不同粒徑發(fā)生的徑向峰值位移偏差集中在0.05～0.35 mm 之間，而同一粒徑不同凍結(jié)溫度下均在0.12～0.45 mm 左右；同時各試件徑向峰值位移集中在2.2～3 mm，且隨著凍結(jié)溫度呈振蕩變化，但總體上隨凍結(jié)溫度降低而徑向位移近似增加的趨勢。

2.2 徑向拉應力-徑向位移

各試件在7 種凍結(jié)溫度下的徑向拉應力-徑向位移曲線如圖4，其中RMT 實驗機會對試件實現(xiàn)預加載，導致試件在徑向位移為0 時，已具有一定的徑向拉應力。

圖4 徑向拉應力-徑向位移曲線Fig.4 Radial tensile stress-radial displacement curves

由圖4 可見：凍結(jié)土石混合體試件的徑向拉應力-徑向位移曲線可以簡化為線彈性階段、塑性-脆性變形破壞階段。在線彈性階段中，單粒徑試件的拉應力會隨著徑向位移的增長而近似線性增長，這是由于試件的破壞過程首先要破壞冰的連接作用，同時塊石基本不具有壓縮性而使得試件在屈服前經(jīng)歷1 個較長的線性變形階段；同時5～10 mm 試件的應力變化速率要大于10～15 mm試件，而5～20 mm 全粒徑試件的加載曲線應力變化速率介于上述兩者之間。隨著徑向位移的增大與冰的膠結(jié)作用的破壞，拉應力隨著徑向位移的增大而出現(xiàn)緩慢增大趨勢，呈現(xiàn)出比較明顯的塑性特征，此時試件處于塑性變形階段。同時隨著加載的進行，在凍結(jié)溫度較高時，試件應力值并沒有快速下降至完全喪失承載力而是形成了較高的應力平臺；在凍結(jié)溫度較低時，峰值后應力平臺會快速下降，試件破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐牟⒈憩F(xiàn)為宏觀失穩(wěn)破壞，這是由于隨著凍結(jié)溫度的降低，高含冰量凍土石混合體中的未凍水含量也隨之降低，試件的黏性就會越弱，越易于發(fā)生脆性破壞。

2.3 凍土石混合體的劈裂抗拉強度

不同凍結(jié)溫度和不同粒徑試件的劈裂抗拉強度見表1，不同單粒徑試件的抗拉強度與凍結(jié)溫度的關(guān)系曲線如圖5，5～20 mm 全粒徑與5～10 mm、15～20 mm 單粒徑試件的抗拉強度與凍結(jié)溫度關(guān)系曲線如圖6。

表1 不同凍結(jié)溫度和不同粒徑試件的劈裂抗拉強度Table 1 Splitting tensile strength of the samples with different freezing temperatures and particle sizes

圖5 單粒徑試件的抗拉強度與凍結(jié)溫度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between tensile strength and freezing temperature of single particle size samples

圖6 5～20 mm 全粒徑與5～10 mm、15～20 mm單粒徑試件的抗拉強度與凍結(jié)溫度關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between tensile strength and freezing temperature of 5-20 mm full particle size and 5-10 mm,15-20 mm single particle size samples

由圖5 可見：各試件的抗拉強度均隨著凍結(jié)溫度的降低而呈線性增大，均表現(xiàn)出強溫度敏感性。劈裂抗拉強度大小依次為5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm 粒徑試件，其隨著粒徑的減小而呈近似線性增大。這是由于凍土和塊石共同作用與控制凍土石混合體的強度，同時由于塊石本身比凍土強度大，試件在受力發(fā)生裂紋擴展過程中遇到塊石后裂紋會沿著相對薄弱的凍土石界面進行擴展，進而形成了彎曲折線型裂紋，同時也延遲了達到應力峰值和出現(xiàn)破壞時間，實現(xiàn)了材料強化。

由圖6 可見：隨著凍結(jié)溫度的降低，5～20 mm 全粒徑試件的劈裂抗拉強度總是大于15～20 mm 單粒徑試件，說明混合不同粒徑對試件強度有增益效果；5～20 mm 全粒徑試件的劈裂抗拉強度總是小于5～10 mm 單粒徑試件，說明塊石粒徑越小，試件抗拉強度越高。

3 結(jié)語

1）在劈裂拉應力作用下凍土石混合體試件表面的裂紋多呈彎曲折線型，其中單粒徑試件內(nèi)塊石粒徑越大，裂紋越曲折；徑向峰值位移集中在2.2～3 mm 且隨著凍結(jié)溫度的降低呈現(xiàn)近似增加的趨勢；拉伸應變會在試件中心集中并產(chǎn)生初始裂紋，并向著兩加載端沿著土石界面開裂并貫穿試件。

2）凍土石混合體試件在加載時會經(jīng)歷線彈性階段、塑性-脆性破壞階段；其中在塑性階段中，在凍結(jié)溫度較高時，試件應力值并沒有快速下降至完全喪失承載力，而是形成了較高的應力平臺；在凍結(jié)溫度較低時，峰值后應力平臺會快速下降，試件破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐牟⒈憩F(xiàn)為宏觀失穩(wěn)破壞。

3）塊石尺寸效應導致試件強度的差異性，凍土石混合體試件的劈裂抗拉強度表現(xiàn)出強溫度敏感性，均會隨著凍結(jié)溫度的降低而近似線性增加，其值大小依次為5～10 mm、5～20 mm、10～15 mm、15～20 mm 粒徑試件。