不同養護條件下黏土熱力學性質試驗

摘要：溫度對土的物理力學特性有較大影響，對黏土開展了不同養護條件下的溫控三軸試驗，研究了黏土在不同溫度、不同時間下的熱力學特性。試驗結果表明：黏土具有熱固結性質，隨著溫度的增加，黏土的固結速度加快，試驗固結時間呈下降趨勢；在臨界溫度以下，土體應力-應變曲線呈現軟化特性，為脆性破壞；在臨界溫度以上，土體應力-應變曲線呈現硬化特性，為塑性破壞；黏土具有類似于混凝土“養護溫度”的性質，即同一溫度作用下，養護時間越長，主應力差越大；黏聚力在臨界溫度范圍以內，隨溫度升高而降低，而在臨界溫度以上，隨溫度升高而增大；內摩擦角在臨界溫度范圍以內，基本不受溫度變化的影響，而在臨界溫度以上，內摩擦角隨溫度增加而增大；黏土強度隨養護時間的增長過程分為快速增長階段、較快增長階段、緩慢增長階段，其最佳養護時間為快速增長階段和較快增長階段。

關鍵詞：黏土；熱力學；溫控三軸試驗；養護；黏聚力；內摩擦角

中圖分類號：TU411 " " " " "文獻標志碼：A " " "文章編號：1000-582X（2024）06-068-07

Experimental study on thermomechanical behaviour of clay under different curing conditions

XIAO Yongjie

（School of Architectural Engineering， Fuzhou Polytechnic， Fuzhou 350108， P. R. China）

Abstract： The physical and mechanical properties of soil are greatly influenced by temperature. Triaxial tests under different curing conditions were carried out on clay to investigate its thermomechanical behavior. This paper presents the findings of a laboratory investigation into the thermomechanical behavior of clay. Experimental results show that clay exhibits thermal consolidation properties. As temperature increases， the consolidation speed of clay accelerates， and the consolidation time shows a decreasing trend. Below the critical temperature， the stress-strain curve of the soil presents softening characteristics and brittle failure. Above the critical temperature， the stress-strain curve shows hardening characteristics and plastic failure. Clay exhibits a behavior similar to the “curing temperature” of concrete， where a longer curing time results in a greater principal stress difference. Within the critical temperature range， cohesion decreases with increasing temperature， while above the critical temperature， cohesion increases with temperature. Within the critical temperature range， the internal friction remains unaffected by temperature changes. However， above the critical temperature， the internal friction increases with temperature. The strength development of clay with curing time is divided into rapid growth， followed by a stage of less rapid growth and slow growth. The optimal curing time occurs during these rapid growth stages.

Keywords： clay; thermomechanical behaviour; temperature control triaxial test; curing; cohesion; internal friction

土體熱力學特性在一些工程應用中起到主導地位，如地熱結構的熱交換樁、油砂提取烴類物質、放射性廢棄物處理、城市“熱島”效應等[1]。這些工程中，土體溫度變化可以達到30 ℃以上。由于熱效應引起的工程地質問題越來越多，許多學者開展了土體熱力學特性的研究。Demars等[2]研究發現在排水條件下黏土溫度的上升會引起體縮現象。Towhata等[3]研究表明正常固結黏土表現出熱收縮行為，而超固結黏土則表現為熱膨脹行為。Hueckel等[4]進行了各向異性應力狀態條件下熱誘導體積變化的研究。Burghignoli等[5]研究表明不同溫度下的壓縮曲線相互平行，且土體溫度越高，孔隙比越小。上述研究側重點是溫度對土體體變的影響，而未深入探討土體的熱力學特性。

Cekerevac等[6]開展了常溫以上（22～90 ℃）飽和黏土的熱力學特性，對于低溫環境下黏土的熱力學特性有待進一步研究。歐孝奪等[7]通過三軸試驗研究膨脹土與紅黏土的熱力學特性，探討了紅黏土與膨脹土的抗剪強度指標與溫度之間的相關關系。該研究通過將試樣靜置在恒定溫度的密閉容器中模擬溫度因素，達到靜置時間后再將試樣安裝到三軸儀器上進行不固結不排水（UU）試驗。采用這種方法易對試樣造成損害，產生試驗誤差，且只能進行不固結不排水（UU）試驗。范高飛等[8]和陸嘉楠等[9]對黏土進行了溫控三軸剪切試驗。

上述研究成果從不同角度反映了黏土服役溫度下的熱力學特性。但實際工程中，黏土需在一定條件下靜置一段時間（定義該過程為“養護”）才承受外部荷載，對于不同養護條件下黏土的熱力學特性的研究甚少。筆者通過開展黏土在不同養護條件（不同溫度、不同時間）下的溫控三軸試驗，探討黏土的熱力學特性，嘗試從熱力學試驗角度進行黏土力學特性的研究。

1 試驗簡介

1.1 試驗儀器

試驗采用全自動巖土溫度-滲透-應力-化學耦合多功能三軸試驗系統進行固結排水（CD）試驗，如圖1所示，其主要由主機系統、溫度控制系統、壓力體積控制器、數據采集系統4個部分構成。該試驗設備能夠模擬環境溫度（-20～80 ℃）變化、保持土壤化學成分和化學元素含量不變的前提條件下，對土壤的物理力學性能和滲透特性進行研究；實現環境溫度變化和土壤化學元素遷移條件下，土壤的物理力學特性和滲透特性的研究；完成化學場、溫度場、滲流場和應力場任意組合條件下，土壤相關特性的試驗。

1.2 試樣制備

試驗所采用土樣為福建地區的黏土，土樣的物理性質指標如表1所示，試樣直徑39.1 mm、高80 mm。

1.3 試驗方案

1）飽和：試樣裝好后，進行溫度控制，將壓力室水溫分別設置為1、5、10、20、40、60、80 ℃，對試樣進行反壓飽和，當孔壓系數B值達到0.98以上，認為試樣飽和。

2）固結：將試樣分別在圍壓100、200、300 kPa的條件下進行排水固結，待試樣的固結度達到95%以上時，認為固結完成。

3）養護：固結完成后，試樣在目標溫度下進行養護，養護時間分別為0、30、60、90 h。

4）剪切：在目標溫度下，對試樣進行連續加載，剪切速率為0.5%/min，直至試樣破壞或應變量進行到20%。

2 試驗結果及分析

2.1 固結時間

圖2為試樣反壓飽和后，試樣固結時間與溫度的關系曲線。試驗結果表明：1）黏土存在“熱固結”現象，即隨著溫度的增加，黏土的固結速度加快，試驗固結時間呈下降趨勢。分析其原因，溫度的升高會降低水的動力黏滯系數[10]，及引起礦物顆粒的熱膨脹[11]，從而誘使土體的滲透系數增大。2）顯然圍壓的增大能夠縮短試樣的固結時間，與現有研究結論一致[12?14]。

2.2 主應力差

在圍壓200 kPa、養護時間0 h的情況下，開展不同溫度條件的三軸試驗，繪制主應力差與應變的關系曲線，如圖3所示。從圖中得到如下規律：1）存在某一“臨界溫度”（10 ℃左右），在臨界溫度以下（1～10 ℃），土體應力-應變曲線呈現軟化特性，為脆性破壞；在臨界溫度以上（10～80 ℃），土體應力-應變曲線呈現硬化特性，為塑性破壞。這和霍明等[15]研究土的破壞形式（土溫低，多成脆性破壞；土溫高，成塑性破壞）的描述是一致的。需要說明的是，由于溫度對土性的影響非常復雜，臨界溫度也因土體的差異而不同。2）在臨界溫度以下，土體應力-應變曲線形態基本相同。在1 ℃時，破壞時應力峰值為520 kPa，對應的應變在11.7%；在5 ℃時，破壞時應力峰值為489 kPa，對應的應變為13.1%。說明在臨界溫度以下，隨著溫度的降低，黏土的脆性增加。這種現象主要是由于低溫情況下黏土的黏聚力增大，從而增強土體的強度。3）在臨界溫度以上，土體應力-應變曲線形態基本相同。溫度lt;60 ℃時，主應力差隨溫度升高增長幅度較小；溫度gt;60 ℃時，主應力差隨溫度升高而明顯增大。說明高溫條件下，黏土的塑性較大，其強度也會增大。

進一步開展不同養護時間條件下三軸試驗，試驗結果如圖4所示。研究表明：黏土具有類似于混凝土“養護溫度”的性質，即同一溫度作用下，養護時間越長，主應力差越大。這是由于溫度效應的累積造成的[16]。

在養護時間30 h內，主應力差受溫度影響較顯著，養護時間超過30 h后，主應力差增勢減弱。說明養護時間對黏土強度影響主要集中在養護前期。

2.3 黏聚力

通過三軸試驗結果計算出黏聚力，并繪出黏聚力與溫度的關系曲線，如圖5所示。結果表明：1）黏聚力與溫度之間的關系呈拋物線的關系。2）在臨界溫度范圍以內，養護時間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而降低。這是因為低溫環境下，黏土顆粒附近的黏滯水膜會增厚，誘使黏土可塑性增強，從而提高土體黏聚力[17]。3）在臨界溫度以上，養護時間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而增大。原因是黏土中的黏土礦物、鹽類和水發生物理化學反應，生成難溶的結晶或沉淀物，且某些離子、元素從水溶液滲入到土體孔隙中或晶格體上，從而提高黏土的膠結作用[18]。

從圖5還可發現，在相同溫度情況下，黏聚力隨養護時間增長而逐漸增大。進一步將溫度20 ℃、圍壓200 kPa條件下，計算出養護時間分別為0、30、60、90、120、150、180 h的黏聚力，如圖6所示。試驗結果表明：1）黏聚力與養護時間密切相關。根據黏聚力的增長速度，將黏聚力隨養護時間的增長過程分為快速增長階段、較快增長階段、緩慢增長階段。在養護前期（養護時間0～30 h范圍內），黏聚力隨養護時間基本呈線性增長，處于快速增長階段；在養護中期（養護時間30～90 h范圍內），黏聚力隨養護時間的增長速度減慢，由快速增長階段過渡到較快增長階段；在養護后期（養護時間超過90 h），黏聚力隨養護時間的增長趨勢趨于水平，由較快增長階段過渡到緩慢增長階段。2）黏聚力對應于快速增長階段、較快增長階段、緩慢增長階段的增長率分別為55%、34%、11%。由此可知，存在適合黏土的黏聚力增長的最佳養護時間（快速增長階段和較快增長階段）。

2.4 內摩擦角

圖7為不同養護時間下黏土內摩擦角隨溫度的變化規律。從圖7中可看出：1）在臨界溫度范圍以內，養護時間相同的情況下，內摩擦角基本不受溫度變化的影響。這是因為土的內摩擦角與土顆粒結構、大小、形狀及密實度密切相關[19]。而臨界溫度以下，只誘發黏土顆粒附近的黏滯水膜增厚，未改變土體顆粒結構等物理性狀，內摩擦角不受溫度影響。2）在臨界溫度以上，養護時間相同的情況下，內摩擦角隨溫度增加而增大。說明在臨界溫度以上，黏土礦物、鹽類和水發生物理化學反應，引起一些礦物溶解和另一些礦物沉淀，這些礦物形成大的凝聚體顆粒，導致黏土內摩擦角增大。

從圖7還可發現，在相同溫度情況下，內摩擦角隨養護時間增長而逐漸增大。進一步在溫度20 ℃、圍壓200 kPa條件下，計算出養護時間分別為0、30、60、90、120、150、180 h的內摩擦角，如圖8所示。研究表明，內摩擦角隨養護時間的變化規律與黏聚力的變化規律一致；內摩擦角隨養護時間的增長過程分為快速增長階段、較快增長階段、緩慢增長階段；黏土的內摩擦角的最佳養護時間段為快速增長階段和較快增長階段。

3 結 "論

1）黏土具有熱固結性質，隨著溫度的增加，黏土的固結速度加快，試驗固結時間呈下降趨勢。

2）存在某一“臨界溫度”（10 ℃左右）。在臨界溫度以下（1～10 ℃），土體應力-應變曲線呈現軟化特性，為脆性破壞；隨著溫度的降低，黏土的脆性增加。在臨界溫度以上（10～80 ℃），土體應力-應變曲線呈現硬化特性，為塑性破壞；主應力差隨溫度升高而增大。

3）黏土具有類似于混凝土“養護溫度”的性質，即同一溫度作用下，養護時間越長，主應力差越大。

4）在臨界溫度范圍以內，養護時間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而降低。在臨界溫度以上，養護時間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而增大。

5）在臨界溫度范圍以內，養護時間相同的情況下，內摩擦角基本不受溫度變化的影響。在臨界溫度以上，養護時間相同的情況下，內摩擦角隨溫度增加而增大。

6）黏土強度（黏聚力和內摩擦角）隨養護時間的增長過程分為快速增長階段、較快增長階段、緩慢增長階段，其最佳養護時間為快速增長階段和較快增長階段。

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（編輯 "鄭潔）

doi：10.11835/j.issn.1000.582X.2024.06.007

收稿日期：2023-12-20

基金項目：福建省自然科學基金資助項目（2019J05128）；福建省中青年教師教育科研資助項目（JZ230082）。

Foundation：Supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province（2019J05128）and Young and Middle-aged Teachers Education Scientific Research Project of Fujian Province（JZ230082）.

作者簡介：肖勇杰（1988—），男，博士，副教授，主要從事土力學與基礎工程方向研究，（E-mail）xiao_yongjie@126.com。