含水率对冻结膨胀土单轴抗压强度影响的试验与分析

操子明, 马芹永

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

现如今人工冻结法施工越来越多地应用到地铁隧道以及其联络通道施工中[1-2]，由于膨胀土是一种含蒙脱石和伊利石等强亲水性矿物成分，并且有多裂隙性和强胀缩性的高塑性黏土[3]，因此在特殊性的膨胀土地区进行冻结法施工会有所不同。因此，研究膨胀土在冻结状态下的强度具有重要的意义。

目前对膨胀土的力学特性的研究较多，大多数研究都是集中在常温下膨胀土的物理力学特性，文献[4-5]研究了含水率对膨胀土强度的影响；文献[6]研究了膨胀土强度指标与含水率、干密度及饱和度的关系，以及强度与膨胀压力之间的关系；文献[7]研究了不同初始含水率和不同风化砂掺量对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的影响；但在低温环境下含水率对膨胀土单轴抗压强度影响的研究鲜见报道。在以往的研究中，许多学者对冻结黏土、冻结砂土、冻结砂质黏土、冻结低液限黏土等进行研究[8-12]，结果表明冻土的强度与含水率、温度有很大的关系。

由于膨胀土中含有大量的亲水性矿物，导致含水率对其单轴抗压强度的影响很大。以往关于含水率对冻土强度的研究，文献[13]以青藏铁路沿线的冻结砂土为研究对象，研究了超饱和含水率对不同温度下冻结砂土强度的影响，并给出了相应的冻土强度屈服准则；文献[14]27选取天津地区粉质黏土和黏土进行不同含水率冻土试样的单轴抗压强度试验，提出了同一温度下人工冻土强度随含水率变化存在一峰值，峰值对应的含水率定义为“冻土最佳含水率”。因此，对于不同的土质，含水率对其强度的影响规律并不完全一致。考虑到实际工程冻结法施工过程中冻结壁的冻结温度在-5℃～-10℃[15]，所以本文选取-5℃条件下不同含水率对膨胀土力学性质和破坏形态的影响，为膨胀土地区的冻结法施工提供试验依据。

1 试样制备及试验方法

1.1 土样和试样的制备

试验所用的土料取自合肥市地铁施工线路上的膨胀土，密封包装后带回实验室。按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)的要求，进行土体的基本物理性质试验，土粒比重为2.71，塑限为22.0，液限为42.8，塑性指数为20.8，自由膨胀率为46%。土样颗粒组成如图1所示。根据膨胀土地区建筑技术规范[16]分类，土样属于弱膨胀土。

土粒直径/mm图1 土体颗粒级配曲线

冻土单轴抗压强度试验采用直径为50mm，高度为100mm的标准圆柱形试样，试验中，根据高含冰量土样的制备方法[17]，试样的制备分别采用不同的方法：1)对于含水率为10%～24%的试样，直接配制成相应含水率的土样，搅拌均匀后放入密封袋润湿一昼夜，保证含水率均匀，装入制样器中分层击实成样。2)对于含水率为27%～42.8%的试样，将土块碾碎烘干，过2mm筛后置于低温箱中，将纯水制成的冰块粉碎，过2mm的筛制成冰颗粒，并将冰颗粒与置于低温箱中的土样混合后均匀搅拌，称取一定质量的冰土混合物，加入一定量的0℃左右的未冻水再次搅拌均匀，最后装入制样器中分层压密。拆模后，试样用保鲜膜包裹放置在低温恒温箱中进行冻结，24h后取出进行单轴抗压强度试验。

1.2 试验设计与方法

冻土单轴抗压强度试验采用WDT-100型微机控制电液伺服冻土单轴试验机，应变控制式加载，应变速率设定为1%/min。试验温度为-5℃，含水率分为8组，分别为10%、15%、20%、24%、27%、30%、36%、42.8%。每组做3个平行试样，共24个试样。试验过程如下：首先打开WDT-100型微机控制电液伺服冻土单轴试验机的冷箱，设定制冷温度和试样养护温度相同，待冷箱的温度稳定后开始装载试样，稳定1 h，确保冷箱内达到指定试验温度后开始试验，试验数据由计算机自动采集。应变在20%范围以内时，取应力-应变曲线的峰值应力作为该试样的单轴抗压强度；若没有峰值应力出现，则取20%应变处对应的应力值作为该试样的单轴抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 含水率对冻结膨胀土应力-应变曲线的影响

按照试验设计的方案，进行了-5℃下不同含水率的冻结膨胀土单轴抗压强度试验，试验结果如图2所示。

图2 冻结膨胀土在不同含水率下的应力-应变曲线

从图2可以看出，冻土在单轴压缩荷载作用下会经历弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。当含水率为10%时，从应力-应变曲线中可以看出，其峰值强度最低，而且破坏应变很小，随着轴向应力达到峰值后，应变增加，应力下降较为迅速，呈现明显的脆性破坏。当含水率在15%～24%范围内时，轴向应力达到峰值强度后，随着应变的增长，应力下降缓慢，呈现应变软化型塑性破坏。当含水率在27%～42.8%范围内时，除含水率为36%以外，其他含水率条件下，轴向应力均随着应变的增加先呈现线性增大，达到峰值，轴向应力随应变增加基本不变，应力-应变曲线几乎近似水平直线，并有塑性硬化的趋向，直到应变达到20%(当应变达到20%，试验停止)。

2.2 含水率对冻结膨胀土单轴抗压强度的影响

图3表示在-5℃下冻结膨胀土的单轴抗压强度随含水率变化的试验结果。含水率为15%的土样单轴抗压强度值为2.09MPa，比含水率为10%的土样单轴抗压强度提高了120.0%，因为土样中有更多的孔隙被水分填充，形成冰颗粒后，承受外力的能力显著增强；含水率为20%的土样单轴抗压强度值为2.20MPa，强度比含水率为15%的土样提高了5.3%，强度增长的速率明显变慢，说明此时土样中未被水分填充的孔隙越来越少，土样的含水率越来越接近最佳的状态，在最佳的状态下，形成的冰颗粒正好完全填充土体内部的孔隙，此时冰和土颗粒的相互关联以抵抗外力的作用达到最佳，使冻结膨胀土的单轴抗压强度值最大，在试验中，最佳状态下的含水率在20%左右，这和文献[14]27的研究结果相似；在含水率为24%时，土样的单轴抗压强度值为2.11MPa，强度相比含水率20%的土样降低了4.1%；当含水率为42.8%时，土样的单轴抗压强度值为1.07MPa，相比于含水率24%的土样强度下降了97.2%，此时土样中的水分已经达到饱和状态，水相变成冰后，土样越来越多呈现冰的特点，冰的强度远小于土样矿物颗粒的强度，因此土样强度显著降低。

图3 冻结膨胀土单轴抗压强度随含水率的变化

2.3 含水率对冻结膨胀土破坏形态的影响

在采用冻结法施工的地铁隧道等工程中，研究冻土在低温条件下的破坏机理具有很重要的实际意义，-5℃下试样的破坏形态如图4所示。当土样的含水率为10%时，在土样的下部可以看到很明显的开裂裂纹，且裂纹宽度较大，试样受到外力的挤压，下部土体向外膨胀并且立即产生裂纹，裂纹迅速发展导致试样破坏，土样的破坏应变较小，呈脆性破坏特征。当含水率在15%～24%时，试样表面没有很明显的开裂裂纹，试样下部略微向外膨胀，由于含水率高于10%含水率的土样，土颗粒和冰颗粒更充分接触，土样内部的孔隙被更好地填充，在-5℃的低温条件下，有足够的水相变成冰。当含水率在27%～42.8%时，随着含水率的增加，冰颗粒填充完土样内部的孔隙后，多余的冰颗粒会使土体向外膨胀，宏观上表现为土体体积膨胀，形成越来越多的冻胀裂隙，含水率为36%和42.8%最为明显，所以承载能力在降低，含水率的增加导致相变成冰的颗粒越来越多，此时土颗粒在土样强度方面所起到的作用越来越小，土样中的冰含量越来越高，因此冰颗粒对土样强度的影响也越来越大。

图4 温度为-5℃下不同含水率土样破坏后的形态

3 结论

(1)含水率对冻结膨胀土应力-应变曲线有显著影响。当含水率为10%时，土体呈脆性破坏特征；当含水率在15%～24%，土体具有明显的应变软化塑性破坏特征；当含水率在27%～42.8%时，土体有塑性硬化的趋向。

(2)随着含水率的增大，冻结膨胀土单轴抗压强度逐渐增大，达到峰值后，随着含水率的继续增加，强度会减小。试验中土样的单轴抗压强度达到最大的含水率为20%左右。

(3)相同温度不同含水率条件下的冻结膨胀土的破坏形态有所不同，含水率为10%，有较多明显的开裂裂缝；含水率在15%～24%之间，土样破坏后表面没有很明显的开裂裂纹，试样下部略微向外膨胀；含水率在27%～42.8%之间，土样破坏后有明显的冻胀裂隙。