基于溫控直剪裝置溫度變化對土體力學特性影響試驗研究

陳 琦，寇海磊*，魏道凱，荊 皓

(1.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2.山東交通職業學院 公路與建筑系，山東 濰坊 261206； 3.日喀則市交通運輸局公路工程項目管理中心，西藏 日喀則 857000)

隨著國家“十四五”規劃在西部高原地區的戰略部署，基礎設施建設在高原地區相繼開展，但高原地區特殊的地理環境對基礎設施建設過程中的地基承載力提出了更高的要求。在高原凍土地區，溫度是影響地基承載力的重要因素，而探究高原地區的土體在不同溫度條件下的物理力學性質，是為基礎設施設計提供可靠依據，保障構筑物長期安全運行的關鍵。目前針對不同溫度下土體的力學性質的室內試驗研究中，直剪試驗作為常規的室內土工試驗方法，常用于測量土體的抗剪強度，確定土體的黏聚力c和內摩擦角φ。受制于試驗設備，目前較多的直剪試驗只能在室溫下開展，難以模擬高原地區的特殊環境。為滿足直剪試驗特殊條件下的試驗要求，能夠在不同溫度條件下展開對土體力學性質的研究，國內外學者對原始的直剪儀器進行了改進：我國最早由胡黎明等[1]對直剪儀器進行改進，用于研究砂土與結構物表面的剪切試驗。張嘎、張建民[2]研制了TH-20 t大型循環加載剪切儀器，能夠實現單調和循環加載。而對于凍土這一特殊領域，李永波等[3]設計了一套凍土-樁動力相互作用模型試驗系統，能為試驗提供所需的凍土環境，模擬分析凍土-樁動力性能。趙聯楨等[4]研制了大型多功能凍土-結構接觸面循環直剪系統DDJ-1，為系統開展凍土-結構接觸面的研究提供試驗基礎和重要思路。石泉彬等[5-6]在原凍土直剪儀基礎平臺上集成凍土接觸面凍結強度試驗、凍土界面層力學特性試驗模塊，滿足多功能試驗要求，新功能開發采用模塊化設計；并基于此設備探究了凍土與結構接觸面次峰值凍結強度影響因素，開展多影響因素條件下的凍結強度直剪試驗研究，為實際工程施工設計過程中提供凍結強度參數的選取依據。而國外針對于直剪儀器的改進及相關試驗起步較早，Desai[7]于1985年最早研制出了多自由度的直剪儀，并用于研究砂土與混凝土界面的應力路徑。此后的Uesugi等[8]利用矩形截面的單剪儀對干砂-低碳鋼接觸面進行了一系列試驗；Fakharian[9]成功研制了集直剪試驗和單剪試驗于一身的三維循環接觸面剪切儀。馬巍等[10]對于凍土的物理力學性質進行了系統的概述與總結。目前較多學者對影響凍土力學性質的參數進行了大量的研究[11-15]，對于凍土力學性質的研究進行不斷的補充和完善，形成理論體系從而全面地把握凍土特殊的物理力學性質。

綜上所述，以上針對凍土區土體物理力學性質的研究需進一步完善補充，研究成果將對凍土區構筑物長期穩定使用具有重要意義，對高原地區特殊環境下工程設計及施工具有指導作用。而本試驗基于自主改進設計的FAST-1型溫控直剪設備，針對高原季節性凍土地區不同溫度條件下土體的物理力學性質展開相關試驗研究。以高原凍土區采集的土體為研究對象，在不同溫度條件下進行直剪試驗，研究土體的物理力學性質及其隨溫度變化規律。

1 多功能溫控直剪設備改進

本設備(FAST-1)從直剪試驗所擁有的基本功能出發，優化、改進、完善各個功能模塊，使其能更廣泛地應用于各種試驗條件與試驗需求中。通過各個功能模塊的升級優化，克服直剪試驗缺點，為相關試驗研究提供更可靠的數據；使直剪設備具有加荷穩定、操作方便、測量數據直觀的特點；尤其針對土體溫度進行精確控制，考慮溫度對土體力學參數的影響。本設備共分為5個功能模塊，分別為法向加載裝置、水平剪切裝置、剪切盒、量測控制裝置以及冷浴循環系統，如圖1。通過外接低溫恒溫攪拌反應浴(DHJF-4002)實現溫度控制，通過硅膠管與剪切盒內腔連接形成循環系統，如圖2。本設備能夠實現土體溫度在-40 ℃～70 ℃范圍內變化。恒溫控制過程中正溫條件下誤差為±1 ℃，負溫條件下誤差為±0.5 ℃，能夠滿足對土體溫度的精確控制。

法向加載裝置由加載框架、四個滾動膜片氣缸、載荷傳感器、彈簧等組成，保證提供40 kN的最大法向載荷。法向載荷由空氣壓縮機提供動力源，計算機發出指令，由SMC公司產的電氣比例閥調制氣壓力，以達到試驗要求的壓力；設置四個1 t的彈簧和附件，實現等剛度施加法向載荷。滾動膜片氣缸結構特點是活塞與缸體使用滾動隔膜隔離，活塞與缸體為滾動摩擦，能夠保證氣缸氣壓力與力之間的線性關系。

剪切裝置的控制模式為伺服控制方式。由0.75 kW的三菱伺服電機提供動力，經減速后，驅動升降機對試樣施加水平載荷，通過剪切傳感器反饋控制伺服電機實現等應力控制或等應變方式加載，實現直剪流變試驗或等應變直剪試驗。剪切盒分上下兩個部分，即上剪切盒和下剪切盒。上剪切盒內部尺寸為半徑5 cm、高5.5 cm，下剪切盒尺寸為半徑5 cm、高6 cm，如圖2(b)，剪切盒由不銹鋼材料制造，設置有機玻璃觀察窗，以便觀察土體剪切狀態。上下盒的聯接采用保證間隙的滾動方式結構，減小摩擦阻力。設置滾動軸承的導軌機構，使剪切盒在導軌上保持小的摩擦阻力，如圖2(a)。

圖1 多功能溫控直剪設備Fig.1 Multi-function temperature control direct shear equipment

圖2 剪切機構示意圖Fig.2 The diagram of shear mechanism

2 試樣制備與試驗過程

2.1 試樣制備

試驗所用土體取自西藏日喀則市賽鄉至秋洛縣公路路基，取樣深度為10～15 m，為高原季節性凍土地區，對土樣密封包裝運回實驗室按照《土工試驗方法標準》[16]進行相關土工試驗，土體的基本物理參數見表1。采用液塑限聯合測定儀確定土體的液塑限，根據美國ASTM土性分類標準[17]確定土樣為粉質黏土。通過篩分法和密度計法，確定土體的顆粒級配曲線如圖3。

表1 土的物理性質指標

圖3 顆粒級配曲線Fig.3 Grain size distribution curve

按照土工試驗規范將土體在烘干箱中烘干后碾碎，過5 mm篩子，并配置成15%含水率的重塑土樣，將水均勻噴灑于土體后，密封浸潤24 h備用。將上下剪切盒拼裝并用螺栓固定后，剪切盒內壁周邊涂抹凡士林。根據原狀土密度將一定質量的土體分三層用擊實錘擊實至固定體積的剪切盒中，從而控制重塑土樣的密度。試樣高度95 mm，直徑100 mm。擊實過程中第二層不能過于靠近剪切界面。制樣完成后將溫度傳感器探頭插入土體中心，如圖4。

圖4 試樣裝填過程Fig.4 Sample loading process

2.2 試驗方法

為研究凍土的力學性質，進行固結排水單剪試驗。將試驗裝填完畢后控制溫度在15 ℃條件下進行固結，分別施加300、400、500、600 kPa法向應力，根據公式(1)求出剪切應力。

P=F/A

(1)

式中，P表示剪切過程中剪應力，kPa；F為剪切過程中剪切荷載，kN；A為剪切界面面積，m2。施加法向應力固結至法向位移每10 min的位移變化小于0.001 mm[18]。在滿足固結度后施加溫度，當溫度達到穩定30 min后開始剪切，剪切速率為0.2 mm/min，水平位移剪切至15 mm處停止。共進行4個不同溫度條件15 ℃、5 ℃、-5 ℃、-15 ℃，共16組固結排水直剪試驗，為防止試驗較大誤差，每組試驗不少于3個試樣，試驗方案如表2。

表 2 試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 土體抗剪強度與剪切位移關系

土體抗剪強度在不同溫度(T/℃)條件下關系曲線如圖5所示，在正溫15 ℃和5 ℃條件下，在不同法向壓力條件下抗剪強度都比較接近，5 ℃條件下的抗剪強度略大于15 ℃條件下的抗剪強度，說明在正溫環境下，溫度變化對土體的力學性質無較大影響。而在溫度-5 ℃和-15 ℃條件下土體的抗剪強度產生了明顯峰值，并且隨著溫度的降低峰值強度明顯增加。負溫下的抗剪強度增長速率明顯大于正溫條件下抗剪強度增長速率；負溫條件下抗剪強度到達峰值后，抗剪強度迅速降低，峰后殘余強度隨溫度降低而增大，但大于正溫條件下的殘余強度值。

圖6 不同法向應力下抗剪強度-剪切位移關系曲線Fig.6 The shear strength-shear displacement curve under different normal stresses

土體抗剪強度在不同法向壓力條件下關系曲線如圖6所示，抗剪強度隨法向壓力增加而變大，且抗剪強度變化在水平位移6 mm內變化較迅速，水平位移8 mm后基本上趨于平穩。在不同法向壓力、同一溫度下，土體所顯示的應力應變關系趨勢相近，說明在不同法向力下，對同一溫度下的凍土的力學性質不會產生影響。

3.2 土體法向位移與剪切位移關系

在剪切過程中隨著土體內部運動，剪切界面產生相互作用會出現剪脹的現象[19-20]。在不同溫度、相同法向載荷條件下法向位移與水平位移直剪關系如圖7。從圖中可看出，在300 kPa法向荷載條件下，在剪切過程中負溫下的法向位移明顯大于正溫下的法向位移。負溫下最大可達2.5 mm，約是正溫條件下的5倍。低溫下產生較大剪脹的示意圖如圖8，低溫條件使水分子與土顆粒凍結產生黏結塊體，增強了剪切界面土顆粒的強度，剪切過程中剪切上下界面產生相對滑移，由于剪切界面參差不齊，使土體在負溫條件下產生較大的法向位移；而在正溫條件下，土體間黏聚力和內摩擦角比較小，剪切界面相對平整，故正溫下的剪切過程中法向位移較小。

圖7 不同溫度條件下法向位移-剪切位移關系曲線Fig.7 Normal displacement-shear displacement curve under different temperature conditions

圖8 凍土剪脹過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of permafrost dilatancy process

3.3 土體黏聚力、內摩擦角隨溫度變化規律

根據在每一溫度下峰值強度或剪切力隨位移不再變化時的抗剪強度與法向應力的關系，得到剪切強度-法向應力關系曲線(圖9)，根據庫倫公式繪制抗剪強度與剪切位移之間的關系，得到一次函數。其中與Y軸的截距為土體間的黏聚力c，斜率為內摩擦角φ。

τf=c+σtanφ

(2)

式中，τf為土體抗剪強度，kPa；σ為總應力，kPa；c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內摩擦角，(°)。

圖9 剪切強度-法向應力關系曲線Fig.9 Shear strength-normal stress curve

溫度作為環境中特殊客觀的物理變量，會引起土體力學性質產生較大的改變(表3)，黏聚力主要在負溫下產生較大的變化，而正溫條件下變化不大，主要原因是在低溫環境下水分子發生相變，水由液態向固態轉變，在向低溫轉變過程中水分子作為土體顆粒間的膠結介質會使土顆粒之間的引力增加。在-15 ℃下的黏聚力為1 803.5 kPa，約是正溫條件下黏聚力的900倍，變化劇烈；而土體的內摩擦角在20°～45°之間變化，在5 ℃～-5 ℃間變化不大，內摩擦角基本相對保持緩慢增加，當溫度低于-5 ℃時土體的內摩擦角進一步增大。

表3 抗剪強度指標

根據黏聚力和內摩擦角與溫度關系(圖10—圖11)，擬合出-15 ℃～15 ℃范圍內，粉質黏土黏聚力隨溫度變化規律，見式(3)，內摩擦角隨溫度變化規律，見式(4)。在一定溫度范圍內，粉質黏土的黏聚力與內摩擦角隨溫度的降低呈指數關系增長，此項規律為高原凍土地區地基承載力設計提供理論依據。

c=146.69e-0.17T

(3)

φ=29.88e-0.017T

(4)

圖10 黏聚力-溫度關系曲線Fig.10 Cohesion-temperature curve

圖11 內摩擦角-溫度關系曲線Fig.11 Internal friction Angle - temperature relation curve

土體在不同溫度下所產生黏聚力和內摩擦角變化的原因是土體中水分和冰的含量隨溫度產生變化。如圖12，在不同溫度條件下土體成分變化示意圖[11]，在正溫條件下土體由固、液、氣三相組成，當溫度下降至0 ℃以下達到水的冰點時，土體由三相轉化成四相(固、液、氣、冰)，隨著溫度的繼續降低，冰的含量繼續增加，直至土體中的水全部轉化成冰再次成為“三相”(固、氣、冰)。而水向冰產生相變后，冰狀態下水分子間的相互作用力遠遠大于常溫下水分子間的作用力，故在負溫情況下冰使土顆粒間產生膠結力，產生較強的黏聚力和摩擦角。

圖12 不同溫度土體成分變化示意圖[11]Fig.12 Schematic diagram of soil composition change at different temperatures[11]

4 結論

通過對不同溫度下的土體進行直剪試驗，得到抗剪強度、黏聚力和內摩擦角隨溫度變化的規律；溫度在土體剪切過程中產生剪脹影響，并得出以下結論：

1) 自行改進的FAST-1型溫控直剪設備能夠應用于多條件、多操作下的試驗研究，能夠準確控制試驗溫度并對試驗結果做出直觀的輸出。

2) 正負溫差的變化可以使粉質黏土的力學性質產生較大的改變，抗剪強度會隨著溫度的降低而增加。反之高原凍土區當土體由負溫向正溫過渡時，地基承載力會有較大的下降，對構筑物產生較大的影響。

3) 在負溫和正溫的不同條件下，所產生的剪脹量有較大差異。在負溫條件下土體的剪脹明顯較大，最大可達2.5 mm，約是正溫條件下的5倍，說明低溫使水分子與土顆粒凍結產生黏結，增強了剪切界面土顆粒的強度，剪切過程中剪切上下界面產生相對滑移，由于剪切界面參差不齊，使土體在負溫條件下產生較大的法向位移；而在正溫條件下，土體間黏聚力和內摩擦角比較小，剪切界面相對平整，故正溫下的剪切過程中法向位移較小。

4) 溫度在正負溫變化時對土體的黏聚力和內摩擦角產生較大影響。黏聚力在-15 ℃可達1 803.5 kPa，明顯大于正溫條件下的黏聚力，且在正溫條件下溫度的變化對土體的黏聚力和內摩擦角影響不大。內摩擦角隨溫度變化比較穩定，基本在20°～45°之間變化，隨溫度的降低而升高，在5 ℃～-5 ℃間土體的內摩擦角保持較小的增加。負溫可以增強土體的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角，使土體的力學性質產生較大的改變。