凍結條件下飽和粉砂土靜力特性試驗研究

武 寧 溫艷紅

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1 引言

深季節凍土因含有冰-水相結構，其對比融土結構更為復雜。凍土靜力學作為凍土力學的重要分支，主要是研究靜荷載下應力-應變關系、靜彈性模量、靜強度和抗剪強度等力學指標。Pharr[1]通過對比荷載恒定時含鹽冰和含鹽凍結砂無側限抗壓強度性質，發現其非常相似。Li等[2]發現不同溫度和圍壓對凍結砂土力學性能影響的變化規律。Zhu Yuanlin等[3]研究了單軸壓縮對凍結粉土彈性模量的。孫星亮等[4-5]研究發現影響應力-應變關系的因素有溫度、圍壓和應變速率，三軸剪切和蠕變一樣會弱化凍結粉質粘土的結構。王麗霞等[6]通過低溫動、靜三軸試驗發現，凍結粉質粘土的抗剪指標、靜強度隨負溫度降低、含水率減小而減小。賴遠明等[7]研究發現低圍壓、高溫度對凍結砂土有應變軟化現象，文章還提出了比線性莫爾-庫倫強度準則更精確的變化規律。本文主要研究了不同圍壓、不同冷卻溫度下凍結飽和粉砂土試樣三軸壓縮試驗。

2 物理指標及試驗方法

2.1 試驗土樣制備及試驗方法

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

在土樣制備過程中應盡量保證粉砂土攪拌均勻，按照設計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。利所用試驗均按95%的壓實度控制干密度。采用分層擊實法制備試樣，試樣高度H =125 mm，直徑D=61.8 mm，試樣制作過程中分5層在三瓣飽和器分層擊實，控制好每層土料的質量，應盡量準確、相等，精確至0.1 g，層與層之間刮毛，防止出現分層現象，直至擊完最后一層，接下來整平試樣，兩端加裝透水石，完成試驗制備后將其放入真空飽和器中進行抽氣飽和。制作試樣前后，應保證同一組試樣的含水率不得超過±1%。然后在高低溫實驗交變箱中完成凍結條件，將飽水的試樣置于不同的負溫度下(-1.5 ℃、-3.0 ℃、-6.0 ℃)進行凍結試驗48 h，至此凍結條件下飽和粉砂土試樣制作完成。

2.2 試驗方法

本次試驗進行了3種負溫度：-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，同時還進行了-6℃、-3℃和-1.5℃溫度下的三軸剪切試驗。

凍土三軸試驗采用GDS公司生產的DYNPTS凍土動靜三軸儀，為應變率控制方式，動態控制和數據采集系統。溫度控制系統有NESLAB低溫恒溫冷浴組成，將其與壓力室內循環冷液管相連，控制三軸壓力室內的試驗溫度，溫度精確到±0.1℃，待三軸壓力室溫度達到預定的試驗溫度時，將制作好的凍結飽和粉砂土試樣脫模取出，并迅速安裝到DYNPTS凍土動靜三軸儀上。然后開始試驗，輸入相關參數創建試樣站點，選擇標準三軸CU模塊，然后使用高級加載模塊緩慢加至試驗圍壓，待圍壓穩定后再施以1.25 mm/min的剪切應變速率施加軸向靜荷載，進行固結不排水靜三軸試驗，直至試件產生20%應變為止。

3 試驗結果及分析

3.1 凍結飽和粉砂土的應力-應變關系

應力水平、路徑和歷史是影響凍土應力-應變關系的主要因素。通過三軸壓縮試驗研究應力與應變關系的三軸試驗發現，應力隨應變的增加表現為非線性、彈塑性等規律，但最后都趨于穩定。

3.1.1 圍壓σ3的影響

本試驗偏應力峰值取極限應變不超過20%的值為其(σ1-σ3)值。圍壓σ3對凍結飽和粉砂土應力-應變關系影響曲線如圖1所示。

圖1 應力-應該關系與圍壓σ3的關系曲線

本試驗主要研究冷卻溫度為-1.5 ℃、-3.0 ℃、-6.0 ℃凍結條件下飽和粉砂土的應力-應變關系曲線，通過試驗發現同一溫度條件下，偏應力峰值(σ1-σ3)隨圍壓的增大而增大，曲線變化形態相似變化不大。同一圍壓下，剪應變隨冷卻負溫度的增大而明顯增大，而強度則在偏應力峰值(σ1-σ3)后均降低。

3.1.2 冷卻溫度Tc的影響

冷卻溫度對凍結飽和土凍結應力-應變關系影響曲線如圖2所示。

圖2 不同冷卻溫度Tc與應力-應變的關系曲線

凍結飽和粉砂土因內部存在冰-水結構，所以對溫度有明顯的依賴性，溫度的變化對應力-應變關系有直接的影響。由圖2可知，同一圍壓條件下，負溫度越高應力峰值增幅越大，說明負溫度增大土顆粒間的膠結強度也增大。

3.2 凍結飽和粉砂土的彈性模量

圍壓與冷卻溫度與彈性模量的關系曲線如圖3和圖4所示。

圖3 圍壓與彈性模量的關系曲線

圖4 冷卻溫度與彈性模量的關系曲線

利用鄧肯-張分析方法，采用直線擬合凍結飽和粉砂土的彈性模量，具體如圖3和圖4所示。凍結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，彈性模量表現為低圍壓下的非線性變化比高圍壓下更加明顯。

3.3 凍結飽和粉砂土的抗剪強度指標

凍結飽和粉砂土的抗剪強度如表1所示。依據摩爾-庫倫強度理論，凍結飽和粉砂土的摩擦角和粘聚力均隨負溫度的升高而增大，表明負溫度的升高增強了凍土顆粒間的結合。

表1 抗剪強度c、φ

4 結論

(1) 凍結飽和粉砂土靜三軸試驗中，溫度和圍壓對應力-應變關系曲線均有較明顯的影響，低圍壓時應力近似呈線性增長，隨著圍巖的增大，應變顯示為非線性增大。偏應力峰值隧圍壓的增大，負溫度的增大呈現的趨勢。

(2) 凍結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，負溫度的降低而增大。負溫度和圍壓的增大導致凍結飽和粉砂土顆粒間的結合力增強，抗剪強度增大飽和粉砂土的粘聚力和內摩擦角也增大。