砂黏土在凍融下力學性能的研究

田寧 席晨

[摘? 要]：以具有實際應用價值的砂黏土為研究對象，來研究砂黏土在凍融條件下的力學性能。在已經認識了凍土所具有的凍脹融沉等特性的條件下，對已經處于凍融狀態下的砂黏土土樣進行三軸壓縮試驗并設置對照組，以試驗數據基礎，探究在凍融條件下影響巖土體強度因素的條件以及在力學性能方面表現出的規律，最終得出結論。

[關鍵詞]：凍土; 砂黏土; 三軸壓縮試驗; 對照組

TU411.3A

隨著工程建設的發展，在高寒地區進行工程建設的困難很多，其中重中之重是高寒地區凍土問題。

凍土具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度特征。正由于這些特征，在凍土區修筑工程構筑物就必須面臨兩大危險：凍脹和融沉。研究凍土的安全問題其實就是在研究巖土體的凍脹融沉與工程的穩定性之間的聯系。砂黏土在凍融作用下力學性能與凍土方面的一些安全指標有著密不可分的關系。對此，國內外許多學者對巖土體的凍脹融沉與工程穩定性的聯系已做過不少研究，并提出了一些有效防止或改善巖土體凍融破壞的方案。

本文在此基礎上，通過對砂黏土試樣進行三軸壓縮試驗，得到試驗數據，并進行分析，探究在凍融條件下影響巖土體強度因素的條件以及在力學性能方面表現出的規律。最終所得的數據和結論可以應用到工程中，為工程建設提供依據。

1 研究背景

凍土在高寒地區常出現，由于含冰與反復的凍融作用，使受力地基情況更為復雜，增大了地基的不穩定性。特別是對路基，橋梁，隧道和涵洞的危害現象尤為顯著。由于凍土對溫度的敏感性，使得凍土工程主要受到2個方面的危害：凍脹和融沉。凍脹大多發生在季節凍土區，是指土體在凍結過程中，孔隙水與結合水凍結成冰，導致其體積孔隙內體積增大，造成土顆粒的相對移動，使土體產生擴張，造成凍脹;融沉多見于多年凍土地區，在凍結土層融化時地基發生不均勻沉降，使地面不均勻變形，具有強度低、孔隙比大、含水量大，在外荷載和土層自重作用下產生較大壓縮變形等特點[1]。

Tsytovich[2]在1937年進行了單軸抗壓試驗，為了得到凍土與溫度之間的關系。這是對凍土進行最初的系統的研究。Vialov[3]建立了凍土的非線性蠕變模型，Assur[4]通過試驗，建立了不同條件下的凍土蠕變模型。

國內對于凍土系統的研究開始于20世紀90年代。蔡中民[5]通過大量的單軸、三軸抗剪等試驗，得到了凍土黏彈塑性的本構方程。田江永[6]提出在工程實踐中，永久凍土可以看成脆性材料進行分析。賴遠明[7]利用凍結狀態下的砂土，修正了鄧肯-張模型和莫爾強度準則，解釋了凍土應變軟化現象和應變硬化現象。宋明哲[8]介紹了研究凍土的必要性，通過對不同控制因素對凍土的物理力學性質進行分析。李順群[9]對凍土力學性質影響因素的顯著性和因素間交互作用進行了研究。閆冰[10]對凍土的動彈性模量和動強度進行了顯著性研究。

砂質黏土這類土壤泛指與砂土性狀相近的一類土壤，其物理黏粒含量一般為15%。其主要特點有透水性好、保蓄性差、土溫變幅大等，而這些特點使得砂黏土很適合進行凍土方面的研究。

2 試驗方案及試驗數據整理與分析

2.1 靜力三軸壓縮試驗

靜力三軸壓縮試驗所用的儀器為靜力三軸儀，采用圓柱形試樣，其高度與直徑之比為2～2.5。試樣用薄橡皮膜包裹，使土樣的孔隙水與膜外液體（水）完全隔開。對試樣的空間3個坐標方向上施加壓力。試驗時先通過壓力室內的有壓液體，使試樣在3個軸向受到相同的周圍壓力σ3（其大小由壓力計測定），并維持整個試驗過程不變。然后通過活塞向試樣施加垂直軸向壓力，直到試樣剪壞，按莫爾強度理論計算剪破面上的法向應力與極限剪切應力。靜力三軸壓縮試驗為核心試驗，用來探究巖土體的抗剪強度和主應力差等力學性能的規律。

2.2 試驗過程

試驗主要分為幾方面：

（1）制作土樣：在保證每個土樣的形狀大小，密度及含水率相同的前提下，制作6組，每組3個，總計18個土樣。其中1組為對照組（室溫條件），5組為進行凍結試驗的試驗組。

（2）凍結試驗：取試驗組土樣將其放入人工凍土儀器進行凍結，設定溫度分別為0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃及-20 ℃，每組土樣凍結時間相同且超過24 h。

（3）三軸壓縮試驗：對對照組和試驗組等6組土樣分別進行固結不排水剪，在保證室內溫度等其他參數相同的條件下，設定圍壓分別為100 kPa、200 kPa以及400 kPa，記錄數據并整理。待三軸壓縮試驗完成后，對已壓壞的土樣分別進行含水率測定。壓壞的土樣如圖1所示，從左至右分別為圍壓100 kPa、200 kPa和400 kPa的土樣。

（4）在對比了不同溫度下通過三軸壓縮試驗得到的強度指標后，針對同一溫度下不同凍結天數的試樣進行了三軸壓縮試驗：以-10℃的土樣為例，分別凍結24 h、48 h、72 h以及96 h后，設定圍壓分別為100 kPa、200 kPa以及400 kPa，同時記錄數據并整理，并在土樣破壞后進行含水率測定。

2.3 試驗數據匯總與分析

2.3.1 應力-應變計算方法

（1）計算剪切過程中試樣的平均面積。

Aα=A01-ε1

式中：Aα為剪切過程中平均斷面積（cm2）;A0為土樣初始斷面面積（cm2）;ε1為軸向應變。

（2）計算主應力差。

σ1-σ3=10×CRAα=CR（1-ε1）A0×10

式中： σ1-σ3為主應力差（kPa）;C為測力計率定系數（N/0.01mm）;R為測力計讀數（0.01mm）;10為單位換算系數。

2.3.2 數據匯總、應力曲線選取與分析

通過三軸壓縮試驗得到軸向應變并計算出主應力差，其中最大軸向應變和主應力差如表1、表2所示。

根據得到的主應力差繪制應力曲線。不同溫度、相同凍結時間的主應力差應力曲線如圖2～圖7所示。

由表1可知，相同溫度下，20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃的最大主應力差均出現在圍壓400 kPa處，分別為150 kPa、146.7 kPa、139.7 kPa以及130 kPa。-10 ℃的最大值出現在圍壓100 kPa處，為123.3 kPa;-20 ℃的最大值出現在圍壓200 kPa處，為162 kPa。當圍壓相同時，圍壓100 kPa、200 kPa以及400 kPa，最大主應力差均出現在-20 ℃處，分別為153.3 kPa、162 kPa和157 kPa。但根據表中數據發現，軸向應變和主應力差的變化趨勢為先隨著溫度的降低而減小，當減小到一定值后隨著溫度的降低而變大。

由圖2～圖6可以看出，主應力差隨三軸壓縮試驗的進行而增大，且最開始增長較為迅速，隨后增長速率減慢，近似線性增長，并最終趨于平穩并有下降趨勢，曲線形狀為上凸型曲線。除-10 ℃及-20 ℃外，當凍結溫度相同時，主應力差最大值均出現在圍壓400 kPa處，且整體趨勢為圍壓越大，軸向應變與主應力差越大，這說土樣破壞時的軸向應變和主應力差隨著圍壓的增大而增大。對于-10 ℃和-20 ℃，可能由于制作土樣時未能保證同組土樣的孔隙率和含水率等無關變量相同以及試驗過程的不規范導致出現誤差。

相同溫度、不同凍結時間的主應力差應力曲線如圖8～圖10所示。其中凍結24 h的應力曲線見圖4。

由表2可知，相同凍結時間下，除凍結24 h外，凍結48 h、72 h、96 h的最大主應力差均發生在圍壓400 kPa處，分別為198.3 kPa、226.7 kPa、212.7 kPa。當圍壓相同時，圍壓100 kPa、200 kPa以及400 kPa，最大主應力差出現在凍結48 h、72 h以及72 h處，分別為166.7 kPa、176.7 kPa和226.7 kPa。根據表中數據發現，軸向應變和主應力差的變化趨勢為先隨著凍結時間的增大而增大，當增大到一定值后隨著凍結時間的增大而減小。

由圖4以及圖8～圖10可以看出，主應力差隨試驗時間的增長而非線性增大，且最開始增長較為迅速，隨后增長速率減慢。隨時間的增長曲線趨于平穩并有下降的趨勢。整體呈上凸型。當凍結時間相同時，主應力差最大值均出現在圍壓400 kPa處，由此可知，土樣抗剪強度和主應力差會隨圍壓的增大而增大。

各組土樣破壞后平均含水率如表3、表4所示。

（1）不同溫度下破壞后土樣的平均含水率，隨凍結溫度的降低而逐漸降低。其中最大值為室溫條件下（20 ℃），平均含水率為23.84%;最小值為凍結溫度-20 ℃條件下，平均含水率為23.49%。

（2）-10 ℃凍土土樣凍結不同時間下的平均含水率，隨凍結時間的增大而降低。其中最大值為凍結24 h條件下，平均含水率為23.65%;最小值為凍結96 h條件下，平均含水率為23.55%。

3 結論

（1）土樣的軸向應變和主應力差隨時間的增長而增大，且最開始增長較為迅速，隨后增長速率減慢，到達最大值后趨于平穩并有下降趨勢，曲線形狀為上凸型曲線。

（2）土樣抵抗剪切變形的能力隨著圍壓的增大而變強。

（3）土樣經過凍結后，平均含水率變小，且溫度越低、凍結時間越久，含水率越小，但達到一定凍結時間后，含水率幾乎不發生變化，趨于穩定。

（4）由于本次試驗試樣的數量和時間的限制，未能摸清凍結溫度和凍結時間是通過影響粘聚力還是內摩擦角來影響土樣的工程性質。剪應變和主應力差隨凍結溫度和時間的變化也并非單純的正向或反向，造成這種現象的原因是什么，是否與土樣的的含水率有關，還需要做進一步的系統性試驗研究。

參考文獻

[1] 劉亞，蔣寧山，李輝，等.溫度變化對凍土力學性質影響研究現狀[J].青海科技，2018，25（1）：83-86.

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[8] 宋明哲，程玉龍.凍土力學性質的影響因素分析及新方法的應用[J].科技創新與應用，2017（11）：299.

[9] 李順群，高凌霞，柴壽喜.凍土力學性質影響因素的顯著性和交互作用研究[J].巖土力學，2012，33（4）：1173-1177.

[10] 閆冰.凍土力學性質影響因素的顯著性分析[J].科技風，2017（10）：249.