東北人工凍結(jié)黏土在不同溫度下抗壓抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

束玲玲 黃雅潔 陳云龍 楊潤(rùn)宇 張茂林

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)的活動(dòng)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，開(kāi)始涉及凍土區(qū)域，凍土地區(qū)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)已經(jīng)日益頻繁。同時(shí)，凍土地區(qū)的地下蘊(yùn)含著大量礦產(chǎn)資源，開(kāi)發(fā)價(jià)值大。隨著凍土地區(qū)工程建設(shè)和凍結(jié)法施工技術(shù)在地下空間建設(shè)中的發(fā)展，了解凍結(jié)巖土材料的靜態(tài)強(qiáng)度特性是保障建設(shè)工程安全施工的基礎(chǔ)。汪恩良等人使用WDT-100低溫電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同溫度和不同含水率的凍土試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)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(qiáng)度呈上升趨勢(shì)[1]。栗曉林等人研究不同溫度下凍土的單軸抗拉強(qiáng)度，利用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)凍土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到了凍土的抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)力隨著凍結(jié)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(duì)凍土的劈裂拉伸強(qiáng)度做出了研究，發(fā)現(xiàn)凍土的抗拉強(qiáng)度與凍結(jié)溫度和加載速率都可以用線性關(guān)系來(lái)進(jìn)行表征，凍結(jié)溫度的降低和加載速率的增大都引起抗拉強(qiáng)度增加，同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度逐漸增加[3]。

1 試件制備和試驗(yàn)儀器介紹

1.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1.1.1 土樣密度測(cè)定

在試驗(yàn)中通過(guò)封蠟法來(lái)測(cè)定土樣的密度。1）為了使土樣在封蠟時(shí)，不至于過(guò)于松散，將取得的土樣，放入模具中，進(jìn)行簡(jiǎn)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(xì)繩將試樣系緊浸入融化的蠟油中，待試樣整體沒(méi)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(méi)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(jì)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(shí)燒杯水的示數(shù)。

通過(guò)封蠟法測(cè)試樣密度的試驗(yàn)總共進(jìn)行三次，取三次的平均值得到該文試驗(yàn)所用土樣的密度，算的平均值為1.96g/cm3。

1.1.2 含水率的測(cè)定

含水率的測(cè)定包括以下步驟：1）將原狀土的大顆粒用橡膠錘進(jìn)行錘碎，去除大顆粒及石子。2）稱(chēng)取一定量的土樣，記錄質(zhì)量，放入燒杯中，燒杯中的量不宜裝的過(guò)滿，將土樣放入烘箱中烘24h以上，在烘干的過(guò)程中，可以使用攪拌棒對(duì)土樣進(jìn)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(chēng)取烘干后的質(zhì)量。4）計(jì)算含水率，如公式（2）所示。

式中：m1—為烘干后土樣的質(zhì)量，g；m2—為濕土土樣的質(zhì)量，g。

經(jīng)過(guò)測(cè)定得到該文試驗(yàn)所用的土樣的含水率為23%。

1.2 試件制備

由于我國(guó)大部分凍土地區(qū)的凍土都屬于黏性土質(zhì)，所以有必要對(duì)寒區(qū)地基工程下的黏性土質(zhì)進(jìn)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(zhì)，所以該文對(duì)原狀凍土進(jìn)行重塑來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)》（MT/T593.1-2011）重塑土要求，在試驗(yàn)室揭開(kāi)密封袋，記錄土樣的顏色、氣味和土的類(lèi)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(jìn)行破碎，去除大顆粒與雜物，選取小塊或較細(xì)的土樣進(jìn)行試驗(yàn)。烘干，將土樣裝入燒杯中，不超過(guò)燒杯的2/3，放入烘箱中烘24h以上，在烘干的過(guò)程中，可以利用攪拌棒對(duì)土樣進(jìn)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(zhì)量不再變化。配水，根據(jù)測(cè)定的含水率，用量杯量取相應(yīng)體積的純水，對(duì)烘干后的土進(jìn)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(jìn)行攪拌，使水分與土樣充分混合吸收。養(yǎng)護(hù)，將盛土樣的器皿進(jìn)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(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h以上，并且養(yǎng)護(hù)期間溫度和濕度保持恒定不變。注模，將養(yǎng)護(hù)好的土樣取出，揭開(kāi)密封袋，在模具內(nèi)部均勻涂抹一層機(jī)油。用電子天平稱(chēng)取同等質(zhì)量的土樣，將土樣分次放入模具中，進(jìn)行分層擊實(shí)，表面用刮刀抹平，使端面盡量平整。單軸抗壓試驗(yàn)試件尺寸為Φ50mm×100mm，單軸抗拉試驗(yàn)試件的尺寸為Φ65mm×35mm。凍結(jié)，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(yàn)所需的溫度下凍結(jié)24h以上，凍結(jié)期間，如果試件的端面不夠平整，可以用細(xì)砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨，再放入冷藏箱中進(jìn)行凍結(jié)養(yǎng)護(hù)，并將試件進(jìn)行標(biāo)號(hào)，再用于試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

該試驗(yàn)利用WDT-100電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍土單軸壓縮試驗(yàn)。WDT-100電液伺服試驗(yàn)機(jī)主要用于巖石和凍土等非金屬材料的力學(xué)性能試驗(yàn)。WDT-100是對(duì)巖石及凍土力學(xué)性能測(cè)試最先進(jìn)的儀器，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，伺服閥反應(yīng)靈敏、精度高。最大試驗(yàn)載荷為10 kN，試驗(yàn)精度為 1%，試驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)結(jié)果全由計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自行控制和采集[5]。試驗(yàn)中可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康男枨筮x擇合適的加載速率，對(duì)試件進(jìn)行加載，當(dāng)試件發(fā)生破壞時(shí)，儀器自動(dòng)停止加載，來(lái)測(cè)得相應(yīng)的物理參數(shù)。

2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

凍土的單軸抗壓強(qiáng)度是衡量?jī)鐾亮W(xué)性能的重要指標(biāo)，對(duì)凍土地區(qū)工程建設(shè)地基的承載力研究具有重要意義。文中對(duì)取自東北地區(qū)的凍結(jié)黏土進(jìn)行人工重塑，對(duì)-10℃、-20℃、-30℃的人工凍結(jié)黏土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。試件分別在相應(yīng)溫度下冷藏箱中凍結(jié)養(yǎng)護(hù)24h以上，再進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中采用恒定速率加載，試件達(dá)到破壞狀態(tài)，儀器自動(dòng)停止，數(shù)據(jù)由試驗(yàn)儀器自動(dòng)進(jìn)行采集。每個(gè)溫度下準(zhǔn)備三個(gè)試件，結(jié)果取平均值。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)得到的相關(guān)參數(shù)，再結(jié)合公式，可得出凍土的單軸抗壓強(qiáng)度、軸向變形、彈性模量等相關(guān)參數(shù)，如公式（3）和公式（4）所示。式中：σ—單軸抗壓強(qiáng)度；P—試件破壞時(shí)軸向應(yīng)力；A—試件斷面面積；E—彈性模量；ε——峰值應(yīng)變。

通過(guò)WDT-100電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)-10℃、-20℃、-30℃三個(gè)溫度下的人工凍土試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，分別得到了三個(gè)溫度等級(jí)下的單軸抗壓強(qiáng)度，匯總?cè)绫?所示。

表1 人工凍土單軸壓縮試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

對(duì)土體力學(xué)性能的研究，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是主要研究的關(guān)鍵問(wèn)題，在工程領(lǐng)域的大部分問(wèn)題都與土體的應(yīng)力-應(yīng)變有關(guān)系，例如土體強(qiáng)度問(wèn)題、動(dòng)靜荷載下土體的穩(wěn)定性問(wèn)題等，因此想探究?jī)鐾恋牧W(xué)行為規(guī)律，就必須掌握土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[6-7]。圖1為單軸壓縮狀態(tài)下，-10℃、-20℃、-30℃三個(gè)溫度下的人工凍土下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。土樣破壞呈彈性-應(yīng)變軟化的特征，應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后緩慢降低。由圖1可以看出，不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了壓密、線彈性、塑性和應(yīng)變軟化四個(gè)階段。1）壓密階段，試件原來(lái)內(nèi)部存在的孔隙和裂縫在前期進(jìn)行壓實(shí)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(shì)，此階段試件橫向膨脹較小，主要是縱向密實(shí)階段，試件體積在動(dòng)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常快，人工凍土試件內(nèi)部孔隙被進(jìn)一步壓實(shí)，體積率開(kāi)始減少。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中發(fā)現(xiàn)，在此階段橫坐標(biāo)變化量較小，縱坐標(biāo)逐步增大。3）塑性階段，從線彈性階段結(jié)束點(diǎn)開(kāi)始，結(jié)束點(diǎn)即為屈服點(diǎn)，從屈服點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段，此階段試件內(nèi)部的裂隙開(kāi)始擴(kuò)展，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，塑性變形量達(dá)到最大。4）應(yīng)變軟化階段，到達(dá)應(yīng)力峰值，此階段人工凍土試件結(jié)構(gòu)完全破壞，裂隙量達(dá)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(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以發(fā)現(xiàn)人工凍土的峰值應(yīng)力隨著凍結(jié)溫度的降低，逐漸增加，可見(jiàn)凍土材料具有明顯的溫度效應(yīng)。主要原因：隨著凍結(jié)溫度的降低，人工凍土內(nèi)部的未凍水逐漸轉(zhuǎn)化為冰，使冰與凍土內(nèi)部的固體顆粒的膠結(jié)作用增強(qiáng)，從而凍土的抗壓強(qiáng)度有所增加。人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力峰值后，隨著應(yīng)變的增加，試件逐漸破壞，但應(yīng)力并沒(méi)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(jié)溫度下人工凍土單軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3 單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

凍土屬于嚴(yán)重的拉壓不對(duì)稱(chēng)性材料，其拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)小于壓縮強(qiáng)度，對(duì)凍土的抗拉試驗(yàn)方式有直接法和間接法兩種[8]。直接法主要是通過(guò)對(duì)試件兩端施加力來(lái)使試件破壞，抗拉強(qiáng)度的計(jì)算方式為試件達(dá)到破壞的力除以破壞試件的端面面積。間接法就是通過(guò)彎折，劈裂等方式，通過(guò)間接測(cè)試和對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算，來(lái)獲得的材料的抗拉強(qiáng)度，例如巴西圓盤(pán)劈裂、彎曲試驗(yàn)等。該文對(duì)凍土材料采用巴西圓盤(pán)劈裂的方式來(lái)間接獲得凍土試件的抗拉強(qiáng)度。對(duì)人工凍土試件在-10℃、-20℃、-30℃三個(gè)凍結(jié)溫度下分別進(jìn)行巴西圓盤(pán)劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)的驗(yàn)，各組試件分別在相應(yīng)溫度下冷藏箱中凍結(jié)24h以上，每個(gè)溫度下設(shè)定三組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取三組的平均值。隨后采用恒定速率對(duì)試件進(jìn)行加載，直至試件被破壞，儀器自動(dòng)停止加載，清理破壞的試件。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)得到的相關(guān)參數(shù)，再結(jié)合公式，可得出凍土的抗拉強(qiáng)度。

式中：σt—抗拉強(qiáng)度，MPa，P—試件破壞時(shí)荷載，D—試件直徑，mm，L—試件厚度，mm。

通過(guò)巴西圓盤(pán)劈裂法對(duì)-10℃、-20℃、-30℃三個(gè)溫度下的人工凍土試件進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，取平均值分別得到了三個(gè)溫度等級(jí)下的單軸拉伸相關(guān)參數(shù)，匯總?cè)绫?所示。

表2 不同溫度下凍土試件的抗拉強(qiáng)度

凍結(jié)溫度為-10℃、-20℃、-30℃下人工凍土的抗拉強(qiáng)度分別為1.57MPa、2.23MPa、3.56MPa，溫度是影響土體力學(xué)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系只研究線彈性階段到達(dá)應(yīng)力峰值的部分，對(duì)試件破壞后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不做研究。在單軸抗拉下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在線彈性階段，曲線上升得非常快，隨后便進(jìn)入塑性變形階段，曲線緩慢上升，隨后到達(dá)應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著凍結(jié)溫度的降低，人工凍土在單軸拉伸下的應(yīng)力峰值隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。由于在不同的溫度等級(jí)下凍土內(nèi)部固體顆粒與冰的膠結(jié)作用有所不同，所以強(qiáng)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(yīng)。且單軸拉伸下所得到的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于單軸壓縮下的抗壓強(qiáng)度。

圖2 不同凍結(jié)溫度下人工凍土單軸拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

對(duì)單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)凍土試件的制備方式進(jìn)行了介紹，單軸抗壓試驗(yàn)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(shí)對(duì)人工凍土單軸抗壓和抗拉的試驗(yàn)儀器WDT電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了說(shuō)明。在進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，通過(guò)巴西圓盤(pán)劈裂的方式間接得到不同溫度下人工凍土的抗拉強(qiáng)度。

對(duì)人工凍土試件在-10℃、-20℃、-30℃三個(gè)凍結(jié)溫度下分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到了三個(gè)溫度下的單軸抗壓強(qiáng)度分別為4.05 MPa、7.89 MPa、9.71 MPa。從應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力峰值呈增大的趨勢(shì)，凍土材料在單軸壓縮下具有明顯的溫度效應(yīng)。

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