凍結泥炭質土力學性質試驗研究

馮子亮

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

凍土是一種不良地基土，物理力學性質復雜多變，不僅受土質、含水量、圍壓的影響，還受溫度、含冰量的影響。因此，凍土的物理力學性質極不穩定，受溫度影響尤為強烈，在四季溫度變化過程中，往往伴有凍融循環。在土體凍融狀態改變過程中，不僅會產生凍脹、融沉等工程地質災害，還會降低土體強度，削弱土體抵抗變形的能力，對我國寒區工程造成了極大的損害。對凍土的變形和強度特性進行研究，不僅能為該地區工程病害的防治提供參考依據，還能為同類氣候條件下工程的設計、施工和運營提供理論基礎。

吳紫汪等人[1]對兩淮地區凍結粘性土、粗顆粒的砂土、砂礫石土進行了系統的試驗研究，得出溫度是控制凍土強度指標的主要因素，凍土的單軸抗壓強度值隨溫度的降低而線性增大，土質是凍土抗壓強度的一個重要影響因素，凍土單軸強度隨密度和含水率增大而增大。Chamberlain 等人[2]對一種渥太華細砂和一種冰磧物(粉質土)進行了大范圍圍壓下的三軸壓縮試驗，發現凍土強度隨著圍壓的增大先增大，當圍壓達到一定值后，凍土強度隨圍壓增大呈減小趨勢，若圍壓繼續增大則強度又表現為增大趨勢。他們認為，強度隨圍壓增大而減小的過程主要是由冰的壓碎、壓融所引起的。后來諸多研究都證實了這一現象[3-7]。常曉曉等人[8]對取自華東某地的深部粘土人工凍結后進行了室內單軸和三軸壓縮試驗，分析了高圍壓下凍結深部粘土的應力-應變行為與單軸壓縮條件下應力-應變行為的異同，并探討了圍壓和溫度對凍結粘土強度的影響規律。徐湘田等人[9]在-6 ℃的溫度下對含鹽量為0.5%的凍結粉質砂土在0.3～18 MPa的圍壓范圍內進行了三軸壓縮試驗，分析了含鹽凍結粉砂的變形、強度及彈性模量隨圍壓的變化規律。目前，針對凍結泥炭質土的相關研究還鮮有文獻報道，因此有必要針對凍結泥炭質土開展三軸壓縮試驗。

根河市位于大興安嶺北段西坡，呼倫貝爾市北部，地理坐標東經120°12′～122°55′，北緯50°20′～52°30′，是中國緯度最高的城市之一，也是中國最冷的城市，年平均氣溫-5.3 ℃，極端低溫-58 ℃，年封凍期210 d以上。本文在-6 ℃的溫度下對取自根河市的凍結泥炭質土進行了單軸壓縮試驗和圍壓范圍為1～6 MPa的三軸壓縮試驗，并根據試驗結果分析了凍結泥炭質土的變形特征和強度隨圍壓的變化規律。

1 試驗概況

1.1 土樣基本性質

本文所用土樣為內蒙古自治區根河市的泥炭質土，其中粒徑<0.075 mm的粒組占90%以上，屬于粉質黏土，液限38.14%，塑限27.76%，顆粒組分分布如表1所示[10]。

表1 泥炭質土粒徑分布表

1.2 試樣制備

試樣的制備按以下步驟進行。

(1)將取自根河地區的泥炭質土烘干、碾碎后，過2 mm篩，配置成含水率為18%左右的散土體，密封靜置24 h，使水分分布充分、均勻，后開始制樣。

(2)根據試驗規范，按照密度1.73 g/cm3稱取適量的土體，分5層壓入內徑50 mm、高100 mm的圓柱形試樣模具內，在試樣兩端各墊一塊透水石，進行抽氣飽水，待試樣飽和后將其兩端的透水石更換為環氧樹脂墊片，連同模具一同置于-30 ℃的低溫環境下快速凍結48 h，防止試樣水分遷移。

(3)將凍結后的土樣取出脫模，并在試樣兩端墊上環氧樹脂墊片后套入橡膠模內，隨后將試樣放入恒溫箱內，恒溫至目標溫度后進行試驗。

1.3 試驗設備與設置

本文采用GDS液壓凍土動三軸儀，軸力變化范圍為0～200 kN，圍壓控制范圍為0～20 MPa，溫度范圍為-30 ℃～20 ℃，溫度控制精度± 0.1 ℃。試樣過程中，軸向加載采用位移控制模式，加載速率1 mm/min。

試驗過程如下：

(1)將恒溫至目標溫度的試樣從恒溫箱取出，迅速放入GDS壓力腔內，控制試驗溫度為-6 ℃，待壓力腔內溫度穩定后，緩慢移動軸向加壓柱塞，使其與試樣頂端完全接觸，后開始加載。

(2)在進行單軸壓縮試驗時，關閉圍壓控制系統，對試樣直接進行加載，直至試樣破壞。

(3)在進行三軸壓縮試驗時，開啟圍壓控制系統，控制圍壓至目標圍壓后保持2 min，待圍壓穩定后進行軸向加載，直至軸向應變達到20 %后結束試驗。

試驗過程中每隔1 s對試樣進行1次數據采集。試驗結束后，根據數據采集系統記錄的數據，繪制出不同圍壓下凍結泥炭質土的應力-應變曲線，并確定出其強度進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 圍壓對凍結炭泥質土變形特性的影響

不同圍壓下的凍結炭泥質土的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 不同圍壓下凍結泥炭質土應力-應變曲線圖

由圖1可以看出，圍壓對炭泥質土變應力-應變曲線及破壞形式均有明顯影響。在單軸壓縮條件下，凍結炭泥質土的應力-應變曲線表現出應變軟化型特性，有明顯的應力峰值，其破壞形式為脆性破壞。該曲線可大致分為三個階段，即初始準彈性階段、塑性變形階段和軟化階段。在初始準彈性階段，偏應力較小，應力-應變曲線基本呈線性變化；當所承受偏應力達到屈服極限后，試樣進入塑性變形階段，應力-應變曲線的斜率逐漸減小，表明試樣抵抗變形的能力逐漸下降，當其達到峰值應力后，試樣脆性劈壞；此后應力-應變曲線進入軟化階段，由于試樣已破壞，該階段應力隨應變增大逐漸減小。

在三軸壓縮條件下，凍結泥炭質土的變形特性及破壞形式與圍壓有關，當圍壓小于1 MPa時，應力-應變曲線末端會出現略微的應變軟化特性，破壞形式為脆性破壞；當圍壓大于1 MPa后，各圍壓下凍結泥炭質土應力-應變軟化特征基本消失，表現出輕微的硬化特性，其破壞形式由脆性破壞轉化為塑性破壞。

圍壓超過1 MPa后，各圍壓下凍土體的變形行為分為兩個階段，即初始準彈性階段和塑性硬化階段。初始準彈性階段的變形行為受圍壓影響明顯，直線段斜率隨著圍壓的增大而增加，這是由于圍壓的增加使得土體的壓密作用增強，偏應力較小，因此土體抵抗初始壓縮變形的能力隨圍壓的增大而增大；塑性硬化階段的應力隨應變的增大繼續增大，但其增長速率明顯減小，值得注意的是各圍壓下凍結泥炭質土的應力-應變曲線開始趨近，受圍壓的影響逐漸減弱，這是因為試樣是含冰量較高的飽冰凍結黃土，在偏應力較大時，冰作為一種晶體材料，其變形主要受剪切控制，受靜水壓力的影響很小，加之在凍土三軸試驗中無法實現排水、排氣，從而使得飽冰凍土在后期變形過程中受圍壓的影響較小；當圍壓進一步增大時，凍結泥炭質土應力-應變曲線又開始受到圍壓的影響，這是因為高圍壓下，試樣內的冰出現了壓碎、壓融現象，且圍壓越大，該現象越明顯。

2.2 強度特性分析

本文根據GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》)[11]確定炭泥質土強度值。當應力-應變曲線有峰值時，取曲線上峰值應力為強度值，無峰值時，取15%軸向應變時的偏應力值為強度值。凍結炭泥質土在各圍壓下的強度值如圖2所示。

圖2 不同圍壓凍結泥炭質土強度圖

由圖2可以看出，凍結泥炭質土強度隨圍壓的變化可以分為三個階段，即快速增大階段、緩慢增大階段和降低階段。

(1)第一階段：快速增大階段

當圍壓0 MPa≤σ3<1 MPa，強度由3.56 MPa增至5.88 MPa。在此階段圍壓的增大使凍結泥炭質土顆粒間的排列更加緊密，增大了顆粒間的咬合摩擦和破壞面上的正應力，從而使凍結泥炭質土的強度增加。

(2)第二階段：緩慢增大階段

當圍壓1 MPa≤σ3≤5 MPa，強度由5.88 MPa增至6.43 MPa，圍壓為5 MPa時，強度值最大，為6.43 MPa，圍壓為1 MPa時，強度值最小，為5.88 MPa，二者相差0.55 MPa。在第二階段的圍壓范圍內，圍壓增大將繼續增強顆粒之間的咬合和摩擦，增加土體的強度，但圍壓的增大和加載過程中軸向應力的增加使土體內的膠結冰破碎，甚至可能發生膠結冰融化，使得土體的強度降低，強度的增長速率較第一階段較為緩慢。

(3)第三階段：降低階段

當圍壓5 MPa<σ3≤6 MPa，強度由6.43 MPa下降至5.83 MPa，這是因為該階段土體內冰的壓融現象明顯，一方面使得強度隨圍壓的增加而整體降低，另一方面壓融所產生的孔隙水可承擔圍壓的增量，使固體顆粒上作用的靜水壓力隨圍壓的變化較小，使得強度受圍壓的影響不再如前兩階段明顯。這也反映在該圍壓范圍內的應力-應變曲線呈現出相互重疊的趨勢上。各圍壓下，凍結泥炭質土的強度與各圍壓階段的強度變化速率如表2所示。

表2 各圍壓下的強度值與各階段的變化速率表

3 結論

本文在-6 ℃溫度條件下，對凍結泥炭質土進行了單軸壓縮試驗和圍壓范圍為1～6 MPa的三軸壓縮試驗，根據試驗結果，分析了凍結泥炭質土的變形特征和強度隨圍壓的變化規律，為相似地質條件下工程設計提供依據。主要結論如下：

(1) 單軸壓縮條件下，凍結泥炭質土應力-應變曲線表現為應變軟化型，破壞形式為脆性破壞，其變形過程可以分為初始準彈性階段、塑性變形階段和軟化階段三個階段；三軸壓縮條件下，當圍壓較低時，凍結泥炭質土的應力-應變曲線末端會出現略微的應變軟化，當圍壓較高時，其應力-應變曲線表型為應變硬化型，破壞形式為脆性破壞。

(2) 凍結泥炭質土強度隨圍壓的變化規律大體可以分為三個階段，即快速增大階段、緩慢增大階段和降低階段。快速增大階段，由于圍壓較小，圍壓對強度僅有強化作用；緩慢增大階段由于試樣內部分冰被壓碎、壓融，圍壓對強度有強化和弱化雙重作用，但強化作用占據主導；降低階段，由于圍壓較大，試樣內冰被大量壓碎、壓融，使得圍壓對凍結泥炭質土強度的弱化作用占據主導，強度隨圍壓增大而降低。