凍土旁壓試驗與單軸試驗對比

張 虎，張建明，蘇 凱，劉世偉

中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000

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凍土旁壓試驗與單軸試驗對比

張 虎，張建明，蘇 凱，劉世偉

中國科學院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000

為了認識凍土旁壓試驗結果與常規試驗結果之間的關系，在室內分別開展了凍結重塑黏土的旁壓試驗和單軸壓縮試驗，并對試驗結果進行了對比分析。結果表明，在各級荷載作用下旁壓曲線一般都呈現應變速率衰減的趨勢，而單軸曲線在凍土破壞時會出現漸進流動階段。旁壓試驗的應力-應變曲線呈現應變硬化型，而且出現初始擬彈性階段；而單軸試驗的應力-應變曲線則屬于應變軟化型，并在軸向應變大約為10%時達到剪應力峰值。溫度相同時，旁壓試驗的剪切強度以及初始彈性模量都要大于單軸試驗，且溫度越低差值越大。

旁壓試驗；單軸壓縮試驗；剪切強度；初始彈性模量

0 引言

旁壓儀作為一種操作方便的原位試驗儀器,能夠最大程度地減小對土體的擾動，獲得原位土體的力學性質。在巖土工程領域，旁壓儀已經得到了廣泛的應用，并從20世紀70年代以來成功地引入凍土力學研究中[1-4]。

截止目前，學者們利用旁壓試驗已經得出了大量的研究成果，這些成果主要針對如何確定土體的應力-應變關系[5-9]以及計算土體強度和模量參數[10-12]。無論是旁壓試驗還是室內常規試驗，其最終目的都是為工程建設提供參考，然而針對相同土體，試驗方式的不同就會得到不同的試驗結果，試驗結果的多樣性就對工程活動的參考造成了很大困難，所以將旁壓試驗與室內試驗結果之間進行對比分析就成為了必要。這樣不僅可以了解不同試驗方法所得到結果之間的差異，還能大大提高其結果的工程利用價值。為了研究旁壓試驗結果與室內單軸試驗結果的關系，筆者開展了重塑凍土的旁壓試驗，并選用相同的土樣進行了單軸壓縮試驗，最后對比分析了這兩種試驗的應力-應變曲線、剪切強度和彈性模量之間的關系。

1 旁壓試驗與單軸壓縮試驗介紹

1.1 旁壓試驗

旁壓試驗是在位于中國科學院寒區旱區環境與工程研究所的低溫實驗室內開展的，室內采用風冷降溫，溫度控制精度為±0.1℃。所采用的儀器為Menard旁壓儀，試驗在置于低溫實驗室內的方形鐵箱中進行，鐵箱尺寸為194 cm×194 cm×100 cm，如圖1所示。試驗前將接近飽和含水量的青藏黏土拌勻后填充到鐵箱內(密度約為2 142 kg/m3)，填土之前需將適宜尺寸的圓形塑料管均布在土體中以便形成預留的旁壓試驗孔。模型中采用了方形布孔的方式，共預留了4個旁壓試驗孔。根據試驗規范[13]，為了避免旁壓試驗的相互干擾對試驗結果的影響，相鄰兩孔位之間的距離設置為1 m，孔洞離兩側鐵箱側壁的距離都為0.47 m。在每個試驗孔旁邊沿深度安放3個溫度探頭(可將溫度探頭綁在竹竿上以固定其位置)，土體表面覆蓋塑料布以免土中水分的蒸發。準備工作完成后，將整個低溫室冷卻到試驗所需溫度并保持一段時間，當土體溫度均勻后將圓形塑料管拔出，并將旁壓探頭放進孔洞內開始試驗。試驗完成后將試驗深度處的土體取樣、烘干，測量含水量。

筆者共開展了4個不同溫度條件下的旁壓試驗，試驗均采用等壓力增量加載，加載等級根據試驗溫度來調整(表1)。每次加載后持續大約30.0 min，期間每隔0.5～5.0 min記錄一次壓力和體積讀數。當旁壓儀體積讀數達到750 cm3時停止試驗。

圖1 低溫室內旁壓試驗Fig.1 Pressuremeter test in cold room

Table 1 Frozen soil conditions for pressuremeter tests and uniaxial tests

試驗號加載等級/MPa溫度/℃含水量/%旁壓試驗P10．3-4．9018．6P20．3-2．9517．8P30．2-1．9518．3P40．2-1．1818．9單軸試驗U10．3-4．9017．7U20．3-2．9517．6U30．2-1．9517．0U40．2-1．1817．7U50．1-0．8016．3U60．1-0．5016．4U70．1-0．3016．8U80．1-0．1016．3

1.2 單軸壓縮試驗

旁壓試驗完成后，直接取試驗點深度處的土體制成Φ61.8 mm×125 mm的單軸試驗樣以保證2種試驗的土樣相同。然后將土樣放進恒溫箱內在相同的溫度下保持恒溫；最后在單軸試驗機上進行單軸試驗。本次單軸試驗共開展8個，除了與旁壓試驗對應的4個溫度外，還增加了4個溫度稍高的單軸試驗。試驗方式同樣為等壓力增量加載，加載等級根據溫度來調整(表1)，每次加載后持續大約30 min。

2 旁壓試驗與單軸試驗結果描述

圖2表示的是在等壓力增量加載下旁壓應變隨時間的變化趨勢。文中是將環向應變作為旁壓應變[14-15]，即孔洞半徑變化量與孔洞初始半徑之比 。當壓力較小時，旁壓應變隨壓力的增大成比例增加，此時主要表現為凍土的彈性變形；隨著壓力的增大，旁壓應變開始加速增加，此時孔洞周圍的凍土開始發生結構改變而表現為塑性變形。從變形過程的整體趨勢來看，旁壓應變隨壓力的逐漸增加而加速發展；然而，在每級壓力下凍土變形隨時間的發展均呈現衰減的趨勢。

T為溫度。圖2 旁壓試驗應變隨時間變化曲線Fig.2 Strain-time curve of pressuremeter test

圖3 單軸試驗應變隨時間變化曲線Fig.3 Strain-time curve of uniaxial compression test

圖3表示在等壓力增量加載下凍土單軸試驗軸向應變εa隨時間的變化趨勢。從圖3可以看出，單軸試驗的應力加載曲線與旁壓試驗稍有不同。這是由于該試驗機為滾軸絲杠加載，其達到每級目標壓力都需要一定的時間，土樣的變形速率越大需要的時間越長；并且當變形速率過大即土樣發生破壞時，施加于土樣的應力開始減小。單軸試驗中，軸向應變隨時間的發展趨勢與旁壓試驗曲線相似，但是當土樣破壞時會出現軸向應變加速增加的漸進流階段，如圖3中最后一級壓力下應變的發展過程。

3 對比分析

3.1 應力-應變對比分析

對于旁壓試驗，可利用Ladanyi[6]提出的方法計算土體的剪應力τ，從而確定凍土的應力-應變關系曲線τ-εp。對于單軸試驗，如果將其當作圍壓為0的三軸試驗，那么也可得到應力-應變關系τ-εa，其中剪應力為軸向壓力的1/2。如圖4所示，旁壓試驗的應力-應變曲線與單軸試驗的應力-應變曲線有著較大的差別。旁壓曲線主要表現為應變硬化型，當應變較小時凍土變形近似彈性，應變增加到約1.3%時凍土出現初始屈服；而后隨著應變的增加剪應力增加的速率逐漸減小，但始終保持增長的趨勢。與旁壓曲線不同，單軸試驗的應力-應變曲線沒有出現明顯的初始屈服點；隨著軸向應變增加剪應力不斷增大，達到峰值后又逐漸下降；其曲線類型屬于應變軟化型，產生峰值應力時應變約為10%。

圖4 兩種試驗的應力-應變曲線對比Fig.4 Comparison of stress-strain curves of the two kinds of tests

3.2 強度與模量對比

由表1可知，各試驗土樣的含水量是非常相近的，所以在數據分析時可不考慮含水量的影響。由于旁壓試驗的應力-應變曲線沒有出現峰值，那么將旁壓應變εp=15%時對應的剪應力作為凍土旁壓剪切強度[13]，見表2。圖5表示旁壓試驗的剪切強度τp與單軸試驗剪切強度τu隨溫度的變化趨勢。從圖5可以看出，無論是旁壓試驗還是單軸試驗，其剪切強度都隨負溫呈線性關系，并隨負溫的降低而增大。線性回歸式如下：

(1)

(2)

從上述公式可知：當負溫相同時旁壓試驗剪切強度τp大于單軸試驗剪切強度τu，且兩者的差值隨溫度的變化而變化，溫度越低差值越大，溫度越高差值越小。由圖5可知,當溫度高于-1.0℃時，這種差值幾乎可以忽略。

在不排水平面應變的條件下，旁壓探頭周圍土體認為體應變εv=0，從而剪切應變γ=2εp[16]，那么從圖4中旁壓試驗應力-應變曲線中得到的初始曲線斜率便是凍土初始剪切模量Gi的2倍。那么通過彈性模量E與剪切模量G的關系公式E=2(1+μ)G，可得到旁壓試驗凍土的初始彈性模量Ep，見表2(其中通過Ladanyi[17]的實驗結果，將泊松比μ選取為0.5)。而對于單軸試驗，剪應力為軸向壓力的1/2，那么從應力-應變曲線上得到的初始曲線斜率便是凍土彈性模量Eu的1/2。圖6表示旁壓試驗 初始彈性模量Ep與單軸試驗初始彈性模量Eu隨

表2 旁壓試驗與單軸試驗的試驗結果

Table 2 Test results of pressuremeter tests and uniaxial tests

試驗號剪切強度/MPa初始彈性模量/MPa旁壓試驗P12．10153．86P21．4796．48P30．8870．94P40．6837．53單軸試驗U11．3363．96U20．9238．32U30．7127．80U40．5417．70U50．3414．21U60．2611．38U70．215．27U80．111．96

圖5 兩種試驗的剪切強度隨溫度的變化關系Fig.5 Variation of shear strength with temperature for the two kinds of tests

溫度的變化趨勢。與剪切強度類似，Ep和Eu與負溫之間也呈現出一種線性關系：

(3)

(4)

從式(3)、(4)可知，在相同溫度條件下Ep比Eu要大得多。

從上述分析可以看出，旁壓試驗得出的剪切強度和彈性模量與單軸試驗有較大的差別，這主要是由于旁壓試驗的受力狀態與單軸試驗不同造成的。單軸試驗中沒有側限約束，使得土樣能夠沿側向自由變形而導致內部容易產生豎向裂縫，其結果是強度和彈性模量都較小。對于旁壓試驗，探頭周圍土體的受力狀態要復雜得多，豎向應力和環向應力能夠起到一定的圍壓作用而使得凍土強度和彈性模量較大。

圖6 兩種試驗的初始彈性模量隨溫度的變化關系Fig.6 Variation of initial deformation modulus with temperature for the two kinds of tests

4 結論

1)在每級壓力下，旁壓試驗曲線都呈現衰減變形特征，而單軸試驗曲線在凍土破壞時會產生漸進流動階段。

2)旁壓試驗的應力-應變曲線呈現應變硬化型，而且出現了較明顯的近似彈性階段；而單軸試驗的應力-應變曲線呈現應變軟化型，在軸向應變約為10%時達到剪應力峰值。

3)無論是旁壓試驗還是單軸試驗，其剪切強度和初始彈性模量都隨溫度的降低而線性增加。溫度相同時，旁壓試驗的剪切強度以及初始彈性模量都要大于單軸試驗，且其差值隨著溫度的變化而變化，溫度越低差值越大，溫度越高差值越小,但當溫度高于-1.0℃時,差值幾乎可以忽略。

4)原位旁壓試驗在不破壞土體結構的前提下能夠得到更加可信的力學參數，而單軸試驗中土樣的力學狀態受到了很大的改變，所得到的力學參數會在一定程度上失真，這種差別在工程實踐參數選擇時應詳加考慮。單軸試驗受力狀態較為簡單，而旁壓試驗卻較為復雜，理論上與三軸試驗的受力狀態更為接近，所以在后續工作中將旁壓試驗與三軸試驗進行對比也是非常必要的。

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Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compression Test of Frozen Soil

Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai, Liu Shiwei

StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

In order to identify the relationship between pressuremeter tests and indoor tests, the pressuremeter tests and uniaxial tests were performed and the comparisons between the test results were analyzed. The results indicate that the pressuremeter creep curve presents a decaying form; while a progressive flow stage appears in the uniaxial test once the frozen soil is broken. The stress-strain curves of pressuremeter test manifest a strain-hardening character with an initial quasi-elastic stage; while the uniaxial test shows a strain-softening stress-strain curve with peak strength at the axial strain of 10%. At the same temperature, the shear strength as well as the initial deformation modulus of pressuremeter test are greater than those of uniaxial tests; and the difference increases with the decreasing of temperature.

pressuremeter test; uniaxial compression test; shear strength; initial deformation modulus

10.13278/j.cnki.jjuese.201505202.

2014-12-01

國家自然科學基金項目(40971045);凍土工程國家重點實驗室自主研究課題(SKLFSE-ZY-02-6)

張虎(1986--)，男，助理研究員，博士，主要從事寒區巖土工程等方面的研究，E-mail:zhanghu@lzb.ac.cn

張建明(1963--)，男，研究員，主要從事寒區巖土工程等方面的研究，E-mail:zhangjm@lzb.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201505202

TU413.3

A

張虎，張建明，蘇凱，等. 凍土旁壓試驗與單軸試驗對比.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(5):1479-1484.

Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai,et al. Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compression Test of Frozen Soil.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(5):1479-1484.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201505202.