天津地區(qū)含水量和干密度對人工凍土強(qiáng)度特性的影響研究

人工凍土的強(qiáng)度特性是城市地下工程設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，指標(biāo)選取是否合理直接影響著工程的安全性，因此開展各影響因素對強(qiáng)度指標(biāo)的影響研究具有十分重要的工程意義，需要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。土的凍結(jié)主要是土中水的凍結(jié)，凍土中未凍水含量對凍土強(qiáng)度影響很大，徐學(xué)祖[1]等通過研究發(fā)現(xiàn)，凍土中未凍水含量主要受初始含水量和干密度控制，隨初始含水率的增加，凍土體中未凍水含量增加，土顆粒含量減小，凍土強(qiáng)度降低，逐漸接近于純冰的強(qiáng)度；張麗敏[2]等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了各種溫度、應(yīng)變率條件下冰的強(qiáng)度規(guī)律；張俊兵、李海鵬[3～4]等對蘭州和山東地區(qū)凍結(jié)砂土、粉土和粘土的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的研究，給出了抗壓強(qiáng)度與不同影響因素之間的定量關(guān)系；肖海濱[5]對長春市粉質(zhì)粘土在不同負(fù)溫、含水率下進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測試，建立了單軸抗壓強(qiáng)度與溫度和含水率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；陳有亮[6～7]等對上海人工凍結(jié)軟土和軟粘土進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得出抗壓強(qiáng)度與溫度、應(yīng)變速率關(guān)系的冪函數(shù)模型參數(shù)；賀俊[8]針對蘇州地區(qū)典型土層進(jìn)行了原狀土與重塑土凍土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出了凍土抗壓強(qiáng)度隨溫度降低及含水率增加而線性增長的規(guī)律。

盡管許多研究者對凍土的單軸抗壓強(qiáng)度作了深入的研究，但針對天津地區(qū)的土質(zhì)研究甚少。本次試驗(yàn)研究的土樣全部來自天津地區(qū)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 土樣制備

試樣尺寸為φ50mm×100mm。制作時(shí)將土樣切碎，在105～110℃下恒溫烘干，放入干燥器中冷卻，然后進(jìn)行破碎。根據(jù)不同的含水量和干密度，對干土進(jìn)行配水并攪拌均勻，密封后放入保濕器內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h。分3次均勻地將土放入模具壓實(shí)，保證試樣密度和含水量在允許誤差范圍內(nèi)。將制備好的試樣密封置于恒溫箱內(nèi)冷凍養(yǎng)護(hù)，24～48 h后用于試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)進(jìn)行的試樣統(tǒng)計(jì)見表1和表2。

表1 相同干密度（1.3×103 kg/m3）不同含水量試樣的試驗(yàn)安排

表2 相同含水量（20%）不同干密度試樣的試驗(yàn)安排

1.2 試驗(yàn)過程

根據(jù)MT-T_593—2011《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。所用的凍土壓力試驗(yàn)儀見圖1。

圖1 凍土壓力試驗(yàn)儀

開始試驗(yàn)前，設(shè)置凍土壓力儀的恒溫箱溫度，穩(wěn)定后，裝載試樣。穩(wěn)定20～30min，確保恒溫箱內(nèi)達(dá)到指定試驗(yàn)溫度后，開啟凍土壓力儀，系統(tǒng)自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到峰值或穩(wěn)定時(shí)，繼續(xù)增加3%～5%的應(yīng)變值，即可停止試驗(yàn)；如果應(yīng)力值持續(xù)增加，則試驗(yàn)進(jìn)行到試樣應(yīng)變達(dá)到20%為止。停機(jī)卸載取下試樣，記錄試樣變形破壞情況，見圖2。

圖2 部分土樣壓縮破壞情況

2 含水量對人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度的影響

進(jìn)行了-10℃下相同干密度（1.3 kg/m3）不同含水量的重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了含水量對人工凍土凍結(jié)強(qiáng)度的影響。

通過控制水和干土的質(zhì)量可以配制不同含水量和干密度的重塑土土樣。制作試樣的模具體積一定，事先計(jì)算好不同含水量的試樣所需的水和干土質(zhì)量，可制作干密度一定，飽和度由低到高的不同試樣。當(dāng)土樣達(dá)到飽和時(shí)，通過降低土樣的壓實(shí)度可制作更高含水量的重塑土試樣，但此時(shí)的干密度會(huì)有一定程度的減小，這樣可定量研究含水量對人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

重塑凍土試樣單軸抗壓強(qiáng)度值與含水量之間的關(guān)系見圖3。

圖3 凍結(jié)重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度與含水量的關(guān)系

1）粉砂含水率從15%增加到25%時(shí)，凍土強(qiáng)度從1.59 MPa增加至3.14MPa。含水率每增加1%，凍土強(qiáng)度平均增加0.155MPa，同時(shí)圖3中曲線也表明粉砂試樣凍土強(qiáng)度隨含水率增加而增長基本呈線性關(guān)系。25%時(shí)是凍土強(qiáng)度變化的拐點(diǎn)；之后隨著含水率的增加，強(qiáng)度開始下降。

2）粉土含水率為15%～30%時(shí)，人工凍結(jié)后凍結(jié)強(qiáng)度為1.16～2.77MPa，隨著含水率增加凍結(jié)強(qiáng)度不斷增大，到30%時(shí)達(dá)到最大值2.77MPa，比15%時(shí)增大1.61MPa，試樣凍結(jié)強(qiáng)度在含水率為15%～30%時(shí)，基本呈線性增長關(guān)系，含水率增加1%抗壓強(qiáng)度平均增加0.161MPa；30%時(shí)是凍土強(qiáng)度變化的拐點(diǎn)；之后隨著含水率的增加，強(qiáng)度下降。

3）粉質(zhì)粘土含水率為15%～35%時(shí)凍土強(qiáng)度為0.98～2.83MPa，隨含水率增加凍土強(qiáng)度不斷增大，到35%時(shí)達(dá)到最大2.83MPa，35%時(shí)是凍土強(qiáng)度變化的拐點(diǎn)；凍土強(qiáng)度只在含水率為15%～35%間呈線性增長關(guān)系，之后隨著含水率的增加，強(qiáng)度下降。

4）粘土含水率為15%～35%時(shí)人工凍結(jié)后凍土強(qiáng)度為1.28～3.47MPa，隨著含水率增加凍土強(qiáng)度不斷增大，到35%時(shí)達(dá)到最大3.47MPa，比15%時(shí)增大2.19 MPa，35%時(shí)是凍土強(qiáng)度變化的拐點(diǎn)；凍土強(qiáng)度只在含水率15%～35%間呈線性增長關(guān)系，之后隨著含水率的增加，強(qiáng)度下降。

5）在-10℃下，粉砂在25%時(shí)達(dá)到最大為3.14MPa，粉土在30%時(shí)達(dá)到最大為2.77MPa，粉質(zhì)粘土在35%時(shí)達(dá)到最大為2.83MPa，粘土凍土強(qiáng)度在含水率為35%時(shí)達(dá)到最大為3.47MPa。

6）隨著含水量的不斷增大，土顆粒含量減少，試樣的干密度減小，冰的含量開始起支配作用，試樣越來越多的呈現(xiàn)出冰的特性，強(qiáng)度逐漸接近于純冰的強(qiáng)度，而純冰的強(qiáng)度小于凍土的強(qiáng)度。

7）土中的含水量對凍土的單軸抗壓強(qiáng)度影響較大。當(dāng)含水量未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，隨著含水量的增加，冰與土顆粒、鹽晶體之間的膠結(jié)能力增強(qiáng)，同時(shí)含冰量增加，分擔(dān)載荷的能力也增加，而凍土抗壓強(qiáng)度決定于土骨架和冰的抗壓強(qiáng)度以及冰與礦物顆粒間的粘聚力，故單軸抗壓強(qiáng)度不斷增加；當(dāng)含水量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，土體中的空隙完全被冰填充，土顆粒、冰晶體、鹽晶體及它們之間的相互作用達(dá)到了最好的狀態(tài)，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)水分繼續(xù)增加，含水量超過飽和含水量時(shí)，土中冰體凍脹過大破壞土骨架，使得固體顆粒與冰體間膠結(jié)能力下降，單軸抗壓強(qiáng)度減小。

3 干密度對人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度的影響

在保證含水量一定（20%）的前提下，可配制不同壓實(shí)度下不同干密度的重塑土樣，此時(shí)的試樣并非完全飽和，干密度越大，試樣孔隙率越低，對應(yīng)的飽和度越高，從而研究干密度這一單一因素對人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度的影響。

重塑土在-10℃時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度與干密度之間的關(guān)系見圖4。

圖4 凍結(jié)重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

1）粉砂干密度為1.25 kg/m3時(shí)人工凍結(jié)后凍土強(qiáng)度為2.65MPa，到1.55 kg/m3時(shí)達(dá)到4.2 MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加0.052MPa。粉土干密度為1.25 kg/m3時(shí)人工凍結(jié)后凍土強(qiáng)度為2.28 MPa，到1.55 kg/m3時(shí)達(dá)到3.64MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加0.045MPa。粉質(zhì)粘土干密度為1.25 kg/m3時(shí)人工凍結(jié)后凍土強(qiáng)度為2.02MPa，到1.55 kg/m3時(shí)達(dá)到3.33MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加0.044 MPa。粘土干密度為1.25 kg/m3時(shí)人工凍結(jié)后凍土強(qiáng)度為1.8MPa，到1.55 kg/m3時(shí)達(dá)到2.83MPa；干密度平均增加0.01 kg/m3抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加0.034MPa。

2）土樣的干密度對凍土的單軸抗壓強(qiáng)度有一定影響，抗壓強(qiáng)度隨干密度的增加而增加。同一含水量條件下，干密度越大，土體的抗壓強(qiáng)度越大。

4 結(jié)論

1）土中的含水量對凍土的單軸抗壓強(qiáng)度影響較大。當(dāng)土中含水量未達(dá)飽和之前，凍土抗壓強(qiáng)度隨含水量增加而提高；但當(dāng)含水量達(dá)飽和之后，含水量增加時(shí)，凍土抗壓強(qiáng)度反而降低。

2）土的干密度對凍土的單軸抗壓強(qiáng)度有一定影響。當(dāng)含水量一定時(shí)，隨著干密度的增加，凍土的單軸抗壓強(qiáng)度增大。

[1]徐學(xué)祖，王家澄，張立新.凍土物理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]張麗敏，李志軍，賈 青，等.人工淡水冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2009，40(11)：1392-1396.

[3]張俊兵，李海鵬，林傳年，等.飽和凍結(jié)粉土在常應(yīng)變率下的單軸抗壓強(qiáng)度[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，（S2）：2865-2870.

[4]李海鵬，林傳年，張俊兵，等.原狀與重塑人工凍結(jié)粘土抗壓強(qiáng)度特征對比試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，（S2）：2861-2864.

[5]肖海濱.人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度與溫度和含水率的關(guān)系[J].巖土工程界，2008，11（4）：62－64.

[6]陳有亮，王 明，徐 珊，等.上海人工凍結(jié)軟黏土抗壓抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，（7）：1046-1051.

[7]尹珍珍，陳有亮，王 鵬.上海人工凍結(jié)黏土單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，（3）：788-792.

[8]賀 俊.蘇州地鐵典型土層凍土物理力學(xué)特性研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010.