冻结黏土力学性能多参数试验研究

陈雨漫

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001）

随着人工冻结技术的发展，对冻土力学性能的研究更显重要。目前，国内外学者对冻土相关特性的研究取得了一定的研究成果。张勇敢［1］通过开展不同温度、不同掺砾量条件下冻结掺砾黏土的单轴压缩试验，得到温度和掺砾量对冻结掺砾黏土应力-应变关系、单轴抗压强度、破坏应变和弹性模量的影响程度。姜自华［2］通过研究-15℃条件下含砂率和含水率对砂土单轴强度的影响，定义单轴强度影响因子，得出含砂率是影响人工冻结砂土强度的主要因素、含水率是次要因素的结论。尹珍珍［3］通过对3种不同含水率的上海冻结黏土进行单轴无侧限抗压强度试验，结果表明单轴抗压强度受温度、加载速率、含水率及干密度等因素影响，温度越低、加载速率越大，冻土强度越高。栗晓林［4］通过对冻结黏土进行单轴压缩试验，研究了不同温度和加载速率条件下冻结黏土的强度特性、模量特性和破坏特性。

以往研究大多针对冻土单一变量或少数几个变量，无法全面反映冻结黏土多物理参数规律，为了获得冻结黏土多参数物理力学规律，通过对皖北某矿取样原状土的冻胀试验，单轴抗压强度试验，抗剪强度试验和蠕变试验，获得了冻结黏土的弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等相关多物理参数及其变化规律，为矿井冻结工程施工和设计提供参考。

1 试验参数及方案

1.1 基本物理指标

选用某矿地下136.6～207.9 m深分为3层的黏土，冻土的含水率及取样深度见表1。

表1 冻土试验取样一览表

1.2 试验方案

冻土力学试验温度分别设置为-5℃、-10℃、-15℃，试样养护和试验过程中通过制冷压缩机组向恒温箱有规律供冷，保证恒温养护箱及试验箱内的环境温度维持在要求范围内，养护和试验过程中，采用温度传感器及自动记录仪进行温度监测和记录，温度波动范围控制在±0.2℃内。

2 试验结果及分析

2.1 冻胀率与冻胀力

按照中华人民共和国煤炭行业标准 《土壤冻胀试验方法》（MT/T 593.2—2011），进行无水源补给封闭条件下的单向冻胀试验，分别测定冻胀率和冻胀力，不同层位土层冻胀率和冻胀力与时间之间的关系如图1、图2所示。

图1 冻胀率和时间关系

图2 冻胀力和时间关系

由图1和图2可以发现，冻胀率及冻胀力与时间的关系均符合指数函数形式，如式（1）所示，其拟合参数值见表2。

式（1）中：yi为冻胀率或冻胀力；ai、bi为拟合参数；t为时间。

表2 拟合参数值

分析图1和图2可知，在没有外部水源补给的情况下，不同深度土的冻胀特性具有相似的变化规律，土的冻胀规律可用指数函数来描述，冻胀率、冻胀力都在经历最初的快速发展后逐渐趋于常量。

2.2 冻土单轴抗压强度

按照中华人民共和国煤炭行业标准《人工冻土单轴抗压强度试验方法》（MT/T 593.4—2011），采用WDT-100冻土试验机对冻土进行单轴抗压强度试验（应变速率为1%/min）。不同温度下不同层位的单轴抗压强度试验结果如图3所示，单轴抗压强度与温度的函数关系见式（2），各参数值见表3。σ=aiT+bi（2）

图3 单轴抗压强度与温度关系

表3 单轴抗压强度与温度关系的参数值

分析图3可知，在-15～-5℃范围内，不同土质冻土单轴抗压强度均与温度呈线性关系，冻结温度越低，冻土单轴抗压强度越高，温度每下降1℃，冻土单轴抗压强度约增大0.438 MPa。当温度降低时，冻土中未冻水含量减少，含冰量增大，而含冰量的增加导致冰土间的相互作用力增强，从而导致土体抵抗变形的能力增加。

2.3 冻土弹性模量

冻土弹性模量通常取冻土单轴抗压强度的一半与其所对应的应变值的比值：

图4 弹性模量与温度关系

式（3）中：E为试样的弹性模量，MPa；σs为试样的单轴抗压强度，MPa；ε1/2为试样单轴抗压强度值的一半所对应的应变，%。

冻土弹性模量与温度关系曲线见图4，弹性模量与温度的关系见式（5），各参数值见表4。

表4 弹性模量与温度的关系表达式的参数值

由图4可以看出：在-15～-5℃范围内，冻土弹性模量与冻结温度呈线性关系，随着冻结温度的降低，冻土弹性模量明显增大。温度每下降1℃，冻土弹性模量约增大6～19 MPa。

2.4 冻土泊松比

表5 泊松比与温度关系表达式的参数值

由图5可知，在-15～-5℃范围内，冻土泊松比与冻结温度呈线性关系，随着冻结温度的降低，冻土泊松比减小。温度每下降1℃，冻土泊松比约减小0.005。

图5 泊松比与温度关系

图6 黏聚力与温度关系

2.5 冻土三轴剪切强度

按照中华人民共和国煤炭行业标准 《人工冻土三轴剪切试验方法》（MT/T 593.5—2011），试样规格均为（61.8×125.0）mm的圆柱体，试验采用W3Z-200型三轴试验机，应变速率0.08%/min，冻结24 h后进行剪切试验。

不同土层冻结温度与黏聚力、内摩擦角之间的关系如表6所示，不同土层黏聚力与冻结温度之间的关系如图6所示，各层位黏聚力与温度关系见式（7），各参数值见表7。

表6 冻土三轴剪切试验结果

表7 各层位黏聚力与温度关系的参数值

由图6可知，在-15～-5℃范围内，冻土黏聚力随冻结温度的降低而明显增大，冻土黏聚力和温度呈线性关系。温度平均降低1℃，黏聚力约增加0.120 MPa。

2.6 冻土蠕变

按照中华人民共和国煤炭行业标准 《人工冻土三轴压缩蠕变试验方法》（MT/T 593.7—2011），进行-5℃、-10℃、-15℃的冻土单轴蠕变试验，获得冻样在稳定荷载条件下，轴向应变与应力、时间、温度的关系。试验荷载取0.3、0.5、0.7三个等级（σs为冻土的瞬时抗压强度）。试验采用多试样法进行，即每个冻土样品只进行一个载荷或一个负温下的试验。经过数学建模和数据分析处理，得到蠕变参数。冻土蠕变特性可按如下幂函数描述：

式（8）中：Ai为试验确定的常数；mi为试验确定的应力影响无量纲常数；ni为试验确定的时间影响无量纲常数；σ为蠕变应力，MPa；t为蠕变时间，h；ε为蠕变应变，×10-2。

根据试验得到的各层冻土应变与时间的关系见图7～图9。各层冻土单轴蠕变应变与时间、应力关系中相关参数见表8。

图9 -15℃各层应变与时间关系

表8 各层冻土应变与时间、应力关系中相关参数

试验结果表明：在应力水平较低条件下（0.3σs和0.5σs），冻土蠕变基本上属于稳定性蠕变；当应力水平较高时（0.7σs），试验结果属于非稳定性蠕变。影响冻土蠕变变形的因素很多，温度、应力与时间是工程上的关键因素，在实际工程中应重点控制时间因素，尽量缩短冻结壁的暴露时间，控制冻结壁的总变形量，保证冻结壁的安全，防止冻结管断裂。

3 结论

（1）冻土的冻胀规律可用指数函数来描述，冻胀率、冻胀力都在经历最初的快速发展后逐渐趋于常量。

（2）在-15～-5℃范围内，冻土的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力均随温度降低而增加，泊松比随温度降低而减小。

（3）在应力水平较低条件下（0.3σs和0.5σs），冻土蠕变基本上属于稳定性蠕变；当应力水平较高时（0.7σs），试验结果属于非稳定性蠕变。