凍結(jié)泥炭質(zhì)土力學性質(zhì)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(zhì)復雜多變，不僅受土質(zhì)、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(zhì)極不穩(wěn)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(huán)。在土體凍融狀態(tài)改變過程中，不僅會產(chǎn)生凍脹、融沉等工程地質(zhì)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(qū)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(qū)工程病害的防治提供參考依據(jù)，還能為同類氣候條件下工程的設(shè)計、施工和運營提供理論基礎(chǔ)。

吳紫汪等人[1]對兩淮地區(qū)凍結(jié)粘性土、粗顆粒的砂土、砂礫石土進行了系統(tǒng)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(zhì)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(zhì)土)進行了大范圍圍壓下的三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)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(xù)增大則強度又表現(xiàn)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(xiàn)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(jié)后進行了室內(nèi)單軸和三軸壓縮試驗，分析了高圍壓下凍結(jié)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(jié)粘土強度的影響規(guī)律。徐湘田等人[9]在-6 ℃的溫度下對含鹽量為0.5%的凍結(jié)粉質(zhì)砂土在0.3～18 MPa的圍壓范圍內(nèi)進行了三軸壓縮試驗，分析了含鹽凍結(jié)粉砂的變形、強度及彈性模量隨圍壓的變化規(guī)律。目前，針對凍結(jié)泥炭質(zhì)土的相關(guān)研究還鮮有文獻報道，因此有必要針對凍結(jié)泥炭質(zhì)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(jīng)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(jié)泥炭質(zhì)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(jù)試驗結(jié)果分析了凍結(jié)泥炭質(zhì)土的變形特征和強度隨圍壓的變化規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 土樣基本性質(zhì)

本文所用土樣為內(nèi)蒙古自治區(qū)根河市的泥炭質(zhì)土，其中粒徑<0.075 mm的粒組占90%以上，屬于粉質(zhì)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(zhì)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(qū)的泥炭質(zhì)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(jù)試驗規(guī)范，按照密度1.73 g/cm3稱取適量的土體，分5層壓入內(nèi)徑50 mm、高100 mm的圓柱形試樣模具內(nèi)，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(huán)氧樹脂墊片，連同模具一同置于-30 ℃的低溫環(huán)境下快速凍結(jié)48 h，防止試樣水分遷移。

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

1.3 試驗設(shè)備與設(shè)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(nèi)，控制試驗溫度為-6 ℃，待壓力腔內(nèi)溫度穩(wěn)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(guān)閉圍壓控制系統(tǒng)，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(tǒng)，控制圍壓至目標圍壓后保持2 min，待圍壓穩(wěn)定后進行軸向加載，直至軸向應變達到20 %后結(jié)束試驗。

試驗過程中每隔1 s對試樣進行1次數(shù)據(jù)采集。試驗結(jié)束后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，繪制出不同圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)土的應力-應變曲線，并確定出其強度進行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 圍壓對凍結(jié)炭泥質(zhì)土變形特性的影響

不同圍壓下的凍結(jié)炭泥質(zhì)土的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 不同圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)土應力-應變曲線圖

由圖1可以看出，圍壓對炭泥質(zhì)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(jié)炭泥質(zhì)土的應力-應變曲線表現(xiàn)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(jié)泥炭質(zhì)土的變形特性及破壞形式與圍壓有關(guān)，當圍壓小于1 MPa時，應力-應變曲線末端會出現(xiàn)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(jié)泥炭質(zhì)土應力-應變軟化特征基本消失，表現(xiàn)出輕微的硬化特性，其破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)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(xù)增大，但其增長速率明顯減小，值得注意的是各圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)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(jié)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(xiàn)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(jié)泥炭質(zhì)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(nèi)的冰出現(xiàn)了壓碎、壓融現(xiàn)象，且圍壓越大，該現(xiàn)象越明顯。

2.2 強度特性分析

本文根據(jù)GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》)[11]確定炭泥質(zhì)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(jié)炭泥質(zhì)土在各圍壓下的強度值如圖2所示。

圖2 不同圍壓凍結(jié)泥炭質(zhì)土強度圖

由圖2可以看出，凍結(jié)泥炭質(zhì)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(jié)泥炭質(zhì)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(jié)泥炭質(zhì)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(nèi)，圍壓增大將繼續(xù)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(nèi)的膠結(jié)冰破碎，甚至可能發(fā)生膠結(jié)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(nèi)冰的壓融現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)的應力-應變曲線呈現(xiàn)出相互重疊的趨勢上。各圍壓下，凍結(jié)泥炭質(zhì)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(jié)論

本文在-6 ℃溫度條件下，對凍結(jié)泥炭質(zhì)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(jù)試驗結(jié)果，分析了凍結(jié)泥炭質(zhì)土的變形特征和強度隨圍壓的變化規(guī)律，為相似地質(zhì)條件下工程設(shè)計提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1) 單軸壓縮條件下，凍結(jié)泥炭質(zhì)土應力-應變曲線表現(xiàn)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(jié)泥炭質(zhì)土的應力-應變曲線末端會出現(xiàn)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(jié)泥炭質(zhì)土強度隨圍壓的變化規(guī)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(nèi)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(jù)主導；降低階段，由于圍壓較大，試樣內(nèi)冰被大量壓碎、壓融，使得圍壓對凍結(jié)泥炭質(zhì)土強度的弱化作用占據(jù)主導，強度隨圍壓增大而降低。