循環變溫條件下濱海軟土熱固結特性測試研究

曹光形， 鄧岳保， 李紅軍， 毛偉赟

(1. 寧波大學巖土工程研究所，浙江 寧波 315211; 2. 綠地浙江事業部，浙江 杭州 310015)

0 引 言

近年來，能源樁、能源隧道、核廢料處置、熱油回收、高溫海底管道、供熱管道、熱法地基處理等工程，受到越來越多的關注[1]。上述涉熱巖土工程在濱海軟土地區應用時，將對軟土場地有明顯的升溫效應。由于溫度是土體工程性質的重要影響因素[2]，因此有必要評估溫度變化對濱海軟土力學特性的影響。

土工試驗是土力學的重要組成部分，也是巖土工程問題研究與分析中不可或缺的環節。通過土工試驗可以確定土體材料的力學性質，進而為各種理論和工程設計提供參數取值。其中，溫控固結試驗是研究土體變形特性溫度效應的一種重要手段。自20世紀60年代起，國內外學者開展了一系列溫控固結試驗研究。Paaswell[3]測試了恒定荷載下土體的熱變形，發現加熱時土體體積隨時間變化的曲線與常溫標準固結實驗所得曲線類似，由此提出熱固結概念。郭楨[4]對寧波飽和軟黏土進行不同溫度荷載路徑的熱固結試驗，驗證了溫度越高固結排水速率越快的結論。郭蘭杰[5]對飽和粉質粘土進行了不同圍壓作用下的熱固結特性試驗研究，發現不排水升溫到設定溫度時，孔隙水壓力也增長到最大值；當溫度降至設定溫度時，孔隙水壓力也降至最低。楊光昌等[6]通過熱固結壓縮試驗發現飽和粉質黏土不排水時溫度幅度越大，產生的孔壓也越大。雷華陽等[7]通過自主研發的溫控三軸儀測試發現，排水條件下飽和軟黏土不同恒溫孔壓消散速率隨時間先迅速降低，然后逐漸趨于穩定。循環變溫研究方面，Abuel-Naga等[8]基于改進溫控固結儀，研究了曼谷軟黏土在22 ℃→90 ℃→22 ℃循環變溫條件下的排水固結變形，結果發現正常固結飽和軟土在加熱-冷卻循環后表現出明顯的超固結屬性。白冰等[9-10]通過對正常固結飽和粉質黏土進行升溫-降溫過程的熱固結壓縮試驗，發現不排水條件下循環升溫過程使孔隙水壓力不斷增大并趨于穩定值，土體經過循環溫度荷載作用后發生收縮。張震雨等[11]采用溫控三軸試驗研究飽和粉質黏土不排水升降溫過程中的孔壓響應，結果表明飽和粉質黏土多次溫度循環后存在殘余超孔壓，殘余孔壓隨溫度循環次數增加而逐漸累積，但幅值隨溫度循環次數的增加而減小。

從已有研究來看，循環變溫引起的軟土孔壓和變形發展規律尚不明確，其力學特性有必要開展進一步研究。另外還要指出的是，由于軟土內部微觀結構的復雜性以及地質成因和環境不同，使得各地區軟土力學性質溫度效應有所不同[12]。對此，為了更好地了解軟土在循環變溫情況下的工程特性，以寧波濱海軟土為試驗對象，基于溫控固結儀開展排水恒溫試驗、循環加溫-降溫試驗，測試土體在變溫過程中的孔壓響應及熱體積應變演化規律，評估溫度循環次數、荷載對試樣孔隙水壓力發展以及沉降變化的影響。

1 試驗裝置與測試方法

1.1 溫控固結儀

試驗采用康拓力儀器設備有限公司研制的KTL溫控固結儀，如圖1所示。

圖1 KTL溫控固結儀示意圖

儀器硬件主要包括標準靜態加載架、固結容器、體積壓力控制器、位移傳感器、孔壓傳感器、數據采集儀和計算機，見圖2。儀器軟件為GeoSmartLab。

圖2 KTL固結儀主要硬件

標準靜態加載架如圖2(a)所示。加載架內置力傳感器，最大行程100 mm，速度0.01～100 mm/min；力傳感器量程10 kN，精度為量程的±0.1%。固結容器包括試驗底座和外保溫罩，如圖2(b)所示。試驗底座包含4個聯絡通道，通道2控制試驗容器中的水壓；通道3測量試樣底部孔隙水壓力，并把試樣底部的孔壓實時傳輸給計算機；孔壓傳感器為AML STALC3，具有溫度補償和較好的長期穩定性[13]；通道4起補水排水作用。固結容器通過內置PT100溫度傳感器控制試樣溫度；溫控范圍為室溫至70 ℃[14]。體積壓力控制器如圖2(c)所示，由壓力缸、步進馬達、數字控制環路以及壓力傳感器構成，能測量體積變化、孔壓、流量，及施加垂直和徑向循環荷載。數據采集儀提供8個16位數據采集通道；通過RS232串行通信、傳感器和計算機通信接口進行數據傳輸；每個傳感器使用±5 V電壓，每個接口可以自定義設置增益和量程。

軟件GeoSmartLab操控整個試驗進程并實時獲得孔隙水壓力、位移量、溫度等數據。通過選擇模塊來操作不同類型的固結滲透試驗；也可以建立多個工作站，對整個試驗的全程進行自動化控制。軟件操作界面的對話框主要分為3部分：1）Device表格顯示此工程的硬件表，具體內容包含硬件的縮略圖，當前配置硬件設備序號，以及相應的描述、連接狀態和設置；2）Channel表格顯示硬件的一些數據通道的具體內容；3）Control表格為硬件的一些控制通道。其次在試驗顯示窗口界面包含圖畫實時顯示區域、實時數據、試驗顯示設置和試驗控制4個區域。

1.2 測試方法

1）制備并安裝試樣：通過環刀法切取直徑為63.5 mm、高度為20 mm的標準試樣，裝入溫控固結容器。

2）排氣：分別對體積壓力控制器、固結容器和軸向壓力室沖水排氣。

3）土樣飽和：先對土樣抽真空飽和，再進行反壓飽和（壓力差建議值5 kPa），飽和度達到95%以上即可進入下一步測試。

4）開展不同應力-溫度路徑試驗：通過GeoSmartLab軟件建立新的工作站，連接硬件系統，設置初始位移為0；設置軸壓、反壓、固結試驗終止時間以及目標溫度等，開始試驗。

1.3 測試注意事項

裝載土樣之前先用體積壓力控制器設置壓強給各通道充水，排盡管內空氣，再連接固結容器，設置壓力以提供反壓。土樣上下均放置濾紙，盡量讓濾紙空氣排出，不要有氣泡。透水石放置前需浸濕；環刀外圍放置橡膠圈，并用凡士林填滿孔隙。固定容器裝置時，螺絲按對角順序擰緊；開始試驗前，需設置位移為0。在可能的情況下，開展重復性試驗，檢測測試的可靠性。

另外，由于試驗是在溫度變化的情況下進行，故試驗前需要對儀器設備進行溫度效應校核。本試驗儀器通過水介質加熱來進行固結壓力室土樣加熱，傳力軸桿也處于變溫環境，由此溫度變化對傳力軸桿的影響有必要進行測試。另外，孔壓傳感器在變溫環境下測試的數據是否準確也有必要校核。校訂試驗主要過程如下：試驗中不裝載試驗土樣（或者裝載力學特性已知的材料），通過預設10 kPa軸力使傳力軸桿直接作用在底座上，兩者之間接觸，軸向變形計反映的是傳力軸桿在變溫過程中的伸縮量。對固結儀進行兩次升降溫循環20℃→30℃→40℃→50℃→20 ℃，監測試驗溫度、變形、孔壓和反壓過程；結果如圖3所示。

圖3(a)給出了溫控固結儀在試驗過程中壓力室溫度隨時間的變化情況。圖3(b)為傳力軸桿在變溫過程中的伸縮量，通過計算可得傳力軸桿線性熱膨脹系數為2.0×10-5/℃。圖3(c)為溫控固結儀和反壓傳感器的讀數隨時間的變化情況；由于本溫控固結儀的反壓傳感器通過體積壓力控制器讀數，且該裝置全程在室溫環境下，故反壓傳感器讀數受溫度影響較小，可忽略不計；而孔壓傳感器置于試樣位置下端，受到壓力室溫度變化影響明顯；測試結果發現兩者數值基本一致，表明本設備孔壓傳感器（溫度補償型傳感器）的工作性能良好。

圖3 傳力軸桿溫度變形校核試驗

2 測試土樣和測試方案

2.1 測試土樣

試驗土樣取自寧波鎮海區某基坑工程，為本地區典型海相沉積淤泥質軟土，埋設約2 m。試驗土體呈灰褐色，可塑～軟塑狀。首先依據土工試驗規程，測定土樣的含水率、密度、相對體積質量等基本物理性質指標，結果如表1所示。

表1 寧波軟土的基本物理特性指標

然后利用切土器切削土體制作標準試樣；試樣規格為直徑63.5 mm，高度20 mm。在土樣制備過程盡量避免對土樣擾動及水分蒸發，盡量保證試樣的微觀結構不受破壞。待試樣制備完成后，對其進行抽真空飽和處理。裝載至試驗設備上進行反壓飽和；待飽和度值大于95%，則認為土體已經達到飽和狀態，之后進行不同應力-溫度路徑試驗。

2.2 測試方案

為研究濱海軟土在變溫條件下的力學特性，開展排水條件下循環加溫-降溫過程的熱固結試驗；試驗方案如表2所示。一方面，荷載等級設定為25，50，100 kPa，以研究應力水平對濱海軟土溫度效應的影響；另一方面，溫度設置為室溫（15 ℃）到35 ℃，以模擬寧波地區能源樁熱交換對場地土層影響[15]。試驗過程：土體飽和完成后，對試樣分別施加25，50，100 kPa荷載進行常溫固結，待超靜孔隙水壓力完全消散及變形基本穩定時開始變溫試驗；試驗如表2所示。試樣在排水條件下從室溫（15 ℃）開始，升至20 ℃并保持溫度不變，記為15 ℃→20 ℃。該階段共用時180 min，其中加熱階段時長為25 min。然后重復升恒溫步驟，即20 ℃→25 ℃、25 ℃→30 ℃、30 ℃→35 ℃。升恒溫階段完成后自然降溫，記為35 ℃→15 ℃，時間為720 min。整個試驗總計5 d。待每次試驗結束后導出數據，分析試驗成果。

表2 溫度-荷載試驗方案

3 測試結果及分析

3.1 溫度

圖4是試樣在排水條件及25，50，100 kPa荷載作用下，土體溫度實時變化情況。第1天為預壓階段，記為I階段，可見此時溫度波動都為室溫波動溫度。第2天開始，按照白天能源樁熱交換土體的時間，總計720 min，將其劃分為4個升恒溫階段，記為II階段。每個升恒溫階段持續時間為180 min，即 15 ℃→20 ℃、20 ℃→25 ℃、25 ℃→30 ℃、30 ℃→35 ℃，其中每個升溫階段時長為25 min，升溫速率為0.2 ℃/min，恒溫時長為155 min。在II階段，溫度有明顯的升恒溫階段梯度，而且3種不同荷載情況下溫度波動范圍和趨勢大體一致。隨后模擬夜里土體降溫階段，即35 ℃→15 ℃，此時土體試樣溫度自然降到室溫，時間為720 min，記為III階段。在III階段可以看出，3種不同荷載下土體降溫的趨勢和速率也大體一致。直到第5天結束，按照II、III階段依次循環，循環4次后停止試驗。總體看來，在3種不同荷載條件下，5 d溫度變化幅度以及變化趨勢大致相同，可以看出其溫度的變化規律一致。

圖4 不同荷載試驗組循環溫度波動圖

3.2 孔壓

圖5分別給出當荷載為25，50，100 kPa時土樣的歸一化循環溫度孔壓(u/p0，p0分別對應于25，50，100 kPa)隨著時間和循環次數的變化過程。

從圖5（a）中可以看出，在各個循環中，u/p0隨著溫度的升高（15℃→35 ℃）總體趨勢不斷增大。u/p0隨循環次數（N≤4）的增加而不斷增大，表明溫度引起的孔壓逐漸積累；在該荷載條件下孔壓溫度效應大于荷載效應，即溫度引起的熱孔壓占主導地位；并且不同循環次數下孔壓的變化規律都類似。在II階段中，升溫階段的孔壓隨溫度的上升而上升，這是由水的熱膨脹引起的；恒溫階段的孔壓波動包括了超靜孔壓的消散以及溫度的影響，隨著溫度不斷升高，溫度引起的熱孔壓越來越明顯，熱孔壓的上升速率可能比荷載孔壓消散速率還大，故曲線呈先下降后逐漸上升的趨勢（具體來說，前兩級變溫孔壓下降，后兩次變溫孔壓略有上升）。在III階段中，u/p0隨著溫度降低而不斷降低并趨于穩定，但存在明顯的殘余孔壓。隨著溫度循環次數的增加，u/p0下降的速率減慢（循環次數N=3或4時更明顯），且溫度下降到室溫時的殘余孔壓力也在增大。

圖5 不同循環次數下孔壓隨時間變化圖

從圖 5（b）、圖 5（c）可以看出，在各個循環中，u/p0隨著溫度的升高，總體趨勢在不斷地增大。但u/p0隨著循環次數（N≤4）的增加而不斷減小，這是因為雖然有熱孔壓的積累，但消散的更多且N=1～3更明顯。另外，溫度效應小于荷載效應，即荷載引起的孔壓消散（占主導地位）較溫度引起的熱孔壓，消散得更明顯。而在各個循環的II階段中，升溫階段的孔壓隨溫度的上升而迅速提高，這是由于升溫產生孔壓的速率大于此時超靜孔壓的消散速率，但恒溫階段的孔壓呈下降趨勢，此時雖然也是熱孔壓和超靜孔壓的消散疊加，但是熱孔壓的產生小于荷載孔壓的消散，所以曲線呈下降趨勢。在III階段，u/p0也是隨著溫度降低而不斷降低并趨于穩定，幾乎不存在殘余孔壓。隨著溫度循環次數增加，u/p0下降速率加快，當溫度降到室溫時的殘余孔壓力也減小。

圖6分別給出了25 kPa和100 kPa荷載條件下第1次、第4次溫度循環過程中比值u/p0的時間變化情況。從圖中可以看出：在相同循環次數情況下，隨荷載增大，u/p0值降低，殘余孔壓逐漸趨于0。II階段恒溫階段的趨勢不同，荷載越大，荷載引起超靜孔壓的消散速率快，孔壓下降速率逐漸接近。

圖6 不同荷載對孔壓的影響

3.3 沉降

圖7（a）表示土樣在荷載 25，50，100 kPa時的沉降隨時間的變化曲線。其沉降總體變化趨勢是：在I階段，加載后沉降快速加大，然后隨時間趨于穩定，這是由于荷載引起的主固結。在隨后的4 d內，II階段和III階段沉降隨著循環溫度的變化而循環變化。當溫度上升時，沉降回彈，溫度下降時沉降增大，可以理解為土體的熱脹冷縮。從圖7（b）可以看出，3種不同荷載循環次數引起的最終的沉降量都是在增大的，且隨著荷載的增大而增大。

圖7 不同荷載循環變溫沉降變化圖

圖8為變溫引起的土體沉降（熱沉降）。由圖可知：熱沉降隨著循環次數增大而增大；每一級升溫，土體體積迅速膨脹，土體回彈，當升溫到最大溫度時，土體回彈達到峰值；恒溫階段，土體沉降隨循環次數的增加而增加，這是由于荷載持續作用且降溫引起不同沉降而導致的。溫度上升較小時（15 ℃→20 ℃），溫度引起的沉降反彈小于荷載引起沉降增量；溫度上升較大時，溫度引起的熱回彈和荷載引起的沉降抵消（N≠1時）。在III階段，由于土體體積收縮，沉降大幅增大，循環次數對降溫引起的沉降速率影響較小。另外，土體的塑性體積應變經過循環變溫持續累積，但增加的速度逐漸減小；溫度恢復后土體產生不可恢復的熱沉降[16]。

圖8 不同循環次數變溫引起的沉降隨時間變化圖

荷載為50 kPa、100 kPa時，曲線變化規律與25 kPa略有不同。恒溫階段N=1時沉降曲線下降，表明此荷載引起的沉降下降速率比溫度引起的反彈沉降速率大；隨循環次數的增加，曲線逐漸變緩。可能的原因是：由于溫度變化作用越久，土體固結度越大，荷載引起的沉降速率逐漸變緩。

4 結束語

本文介紹了溫控固結儀系統及其測試方法和注意事項，針對濱海軟土開展了循環變溫情況下的土樣測試，得到如下主要結論：

1）在荷載相同時，孔壓隨溫度升高而不斷增大，隨溫度的降低而不斷減小，且隨循環次數增大，累積熱孔壓也在增大。

2）荷載較小（25 kPa）時，孔壓隨循環次數增加而不斷增大，降溫階段孔壓消散速率隨循環次數增加而減小；荷載較大時（50 kPa、100 kPa），孔壓隨循環次數增加不斷減小，降溫階段孔壓消散速率隨循環次數增加而增大。

3）土體沉降變形是土體排水固結和熱脹冷縮耦合的結果。荷載水平較小時，沉降的溫度效應相對顯著，土體沉降變化規律與溫度變化趨勢一致，即土體的熱脹冷縮起主導作用。

4）土體沉降隨溫度變化循環次數的增加而增加，但增加趨勢隨循環次數增加而變緩。

5）土體沉降在循環升溫階段的回彈隨溫度升高而不斷增大。荷載較小時，恒溫階段沉降變化不大；在荷載較大時，沉降變化與循環次數有關；降溫階段沉降下降速率與循環次數無關。