粉质黏土冻结状态下的单轴压缩能量演化规律①

陈 旭, 林 键2,,*,杨 溢, 樊 华, 殷健超, 马茂艳

(1安徽建筑大学建筑与土木工程学院,安徽 合肥2306011.2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室,安徽 合肥230601)

0 引 言

人工冻结法是地下工程领域应对富水软弱地层常用的特殊工法,冻结温度和冻土强度是冻结法设计的关键参数。

岩土体的变形破坏过程伴随着其内部能量的演化,其内部能量耗散与能量释放是产生其损伤和破坏的内在动力。近年来诸多学者通过能量耗散理论对岩土体的损伤演化过程进行了深入研究,并取得大量的优秀成果。谢和平[1]等从能量的角度出发,分析研究了岩石的变形破坏过程,并揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性,表明了在岩石变形破坏过程中,能量演化起着根本的作用,开创了能量分析岩土体破坏过程的先河;陈子全[2]等研究发现了不同应力路径下砂岩能耗变化规律的差异性;蒲超[3]等通过三轴压缩试验,研究了围压对千枚岩破坏特征和能量演化特征的影响,并引入能量分界点解释了高应力条件下岩爆的原因;黎立云[4]等通过岩石加卸载试验,研究岩石的可释放应变能和耗散能的变化规律;杨圣奇[5]等通过不同机械损伤程度的大理岩的单轴压缩试验,研究了岩样在损伤后的变形强度和能量特征,揭示了损伤对能量演化特性的影响;肖桃李[6]等通过预制单裂隙试样的常规三轴压缩试,研究了单裂隙特征对能量演化特性的影响。张志镇[7]等通过对红砂岩试件进行4种加载速率下单轴不断增加荷载循环加、卸载试验,得到弹性能和耗散能随应力的演化及分配规律;彭瑞[8]等通过岩石三轴循环加卸载试验,研究了不同围压作用下煤岩的损伤演化行为;金丰年[9]等从能量耗散角度定义了材料的损伤变量,并提出了损伤变量的理论计算公式及损伤阈值的确定方法;尤明庆[10]等通过对粉砂岩常规三轴试验,研究了试样在屈服破坏过程中的能量演化规律。

综上所述,在岩石能量特征的研究方向取得很多优秀的成果,但对于不同冻结温度下土体的能量演化特征的研究鲜有报道。因此,以合肥粉质黏土为研究对象,开展不同冻结温度下单轴压缩试验,从能量角度来分析冻结温度对粉质黏土变形破坏特征和能量特征的影响,以期从能量演化的角度探究冻结温度对粉质黏土力学特性的影响规律。

1 试验方法及步骤

以合肥市轨道交通5号线工程取样深度为12～17.5m的粉质黏土为研究对象,按照《人工冻土物理力学性能试验规程(MT/T593-1996)》的有关要求进行物理指标测试,测试结果如表1所示。

表1 土样参数

采用ZTCT-2000低温岩石试验机进行冻结状态下单轴试验,试验设备如图1所示。冻结温度分别在温度为-5℃,-10℃和-15℃下进行试验,试样在规定低温条件下冻结48h。试验过程中采用应变速率控制的方式进行加载,以1.0%/min的加载速率直至试样破坏。相同冻结温度条件下进行3次试验,并以3次试验的平均值作为相应条件下的试验结果。

图1 ZTCT-2000低温岩石三轴试验机

2 试验结果及分析

试样破坏如图2所示,试验过程中系统自动记录全过程应力-应变曲线。

图2 破坏前后试样

2.1 温度对粉质黏土单轴抗压强度影响

按照上述的实验方案对粉质黏土进行不同负温条件下单轴抗压强度试验,所获得的轴向加载过程中的全应力-应变曲线如图3所示。

图3 不同负温下轴向应力-轴向应变曲线

由应力-应变曲线中可以看出,随着温度的降低,冻土的单轴抗压强度有明显提升。这是由于冻土内所含的未冻水随温度的降逐渐低形成冰晶,温度越低未冻水含量越少,冰的冻结程度变强,黏土内部冰与土之间的胶结粘聚作用使冻土的抗压强度增强。

在弹性阶段,粉质黏土的应力-应变曲线大致呈线性增长,黏土内部孔隙逐渐压缩变小;经过塑形屈服阶段,黏土产生了不可恢复的塑性变形曲线斜率逐渐变小并趋于平滑;在试样破坏达到约0.006mm处达到峰值强度;进入峰后跌落阶段应力-应变曲线开始跌落,试样内部裂纹扩展并贯穿整个试样直至试样破坏。

根据上述实验结果得到不同负温条件下粉质黏土的单轴抗压强度和弹性模量如图4所示,随着温度降低,粉质黏土的单轴抗压强度也随之增大,主要是由于低温导致黏土内部未冻水含量减少并转换为冰晶,内部结构由土体之间的粘合力转变成冰晶与黏土颗粒之间的胶结作用,导致粉质黏土的抗压强度有明显的增强。

由图4可知随着温度的降低,粉质黏土的弹性模量大致呈线型上升,从-5℃到-15℃,粉质黏土的弹性模量增长30.53MPa,由于冻土特性其强度受温度降低较为敏感,从-5℃降低到-10℃弹性模量增长较为平滑,平均每降低一个温度点冻土的弹性模量增涨2.362MPa,当温度再降低5℃至-15℃时弹性模量突增,平均每个温度点增长3.77MPa。

图4 弹性模量及单轴抗压强度与负温度绝对值关系

2.2 单轴能量分析原理

假设土体在外力作用下仅仅发生物理变形,并未发生热力与外界交换,视为封闭系统。若输入能量为U,由热力学第一定律[1]可知:

其中,U e为可释放的弹性应变能,弹性应变能在加载后期的释放是土体破坏的源动力。U d为耗散能,用于形成土体单元内部损伤和塑性变形,耗散能用于裂纹的产生和扩展。

在单轴压缩条件下,有:

其中,σ1i、ε1i为应力应变曲线上的每个点对应的应力值与应变,且初始值均为0;E为弹性模量。

2.3 单轴压缩全过程能量分析

图5 为不同负温条件下粉质黏土的单轴压缩应力-应变曲线以及应变-应变能曲线。从应力-应变曲线中可以看出,粉质黏土变形破坏过程经过闭合压密阶段(OA);弹性变形阶段(AB);弹塑性变形阶段(BC)以及峰后破坏阶段(CD)。

图5 不同负温下单轴压缩应力-应变-应变能变化曲线

其中在闭合压密阶段(OA)和弹性变形阶段(AB)粉质黏土的总应变能曲线与弹性应变能能曲线几乎重合,说明初期粉质黏土从外界吸收的能量几乎都以弹性应变能储存在黏土内部。

进入弹塑性变形段(BC)后弹性应变能增长趋势变弱,弹性应变能与峰值应变几乎同时达到最大值,耗散能初期较小,进入弹塑性变形阶段(BC)稳定增长且增长速度逐渐加快,表明在此阶段粉质黏土内部塑性变形及损伤逐渐形成且不断扩展。当进入峰后破坏阶段(CD)时,弹性应变能曲线快速下降,耗散能曲线急剧上升,粉质黏土内部损伤剧烈,弹性应变能快速释放但并未一直下降至零,从宏观上表明粉质黏土承载力降低并保持一定的残余强度,耗散能急速增涨直至试样破坏。

2.4 能量特征分析与温度的关系

图6 为不同负温条件下粉质黏土吸收的总能量与轴向应变关系曲线。在同一负温条件下随着轴向应变的增加粉质黏土吸收的总能量也逐渐增大。当轴应变相同时,温度越低粉质黏土吸收的总能量越高。如图所示,当温度为-5℃时,粉质黏土达到峰值应变吸收的总能量为8.13×10-3MJ/m3,当温度为-10℃时,粉质黏土达到峰值应变吸收的总能量为1.27×10-2MJ/m3,在温度为-15℃时,粉质黏土从开始接触到破坏整个过程从外界吸收的总能量为1.68×10-2MJ/m3。由于随着温度的降低粉质黏土抗压强度逐渐升高,内部萌发微裂纹所需要的能量也就越多,进而从外部吸收的总能量也就越大。

图6 不同负温下总能量-轴向应变曲线

图7 为吸收总能量最大值与负温度绝对值关系图。如图7所示,温度越低粉质黏土单轴压缩过程中从外界吸收的峰值总能量越大,温度-15℃时粉质黏土从外界吸收的总能量最大为1.68×10-2MJ/m3。这是由于随着温度的降低黏土内部的未冻水含量减少,冻土强度增大,内部微裂缝的发育扩展需要从外界吸收更多能量。温度与最大总能量呈近似线性关系,平均每降低1℃冻结黏土从外界吸收约8.7×10-4MJ的能量。

图7 吸收总能量最大值与负温度绝对值关系

图8 为不同负温梯度下吸收总能量增长值与轴向应变的关系,当进入弹塑性变形(BC)阶段应变达到B1点时,粉质黏土在-10℃的条件下要比-5℃多吸收7.5×10-4MJ的能量。平均每降低1℃吸收总能量增长1.5×10-4MJ。从-10℃降低到-15℃在弹塑性阶段B2点时,粉质黏土在-15℃下比-10℃多吸收1.8×10-3MJ的能量,平均每降低1℃吸收总能量增长3.6×10-4MJ,比前者每个温度点吸收总能量增长值多2.1×10-4MJ,且在不同轴向应变条件下吸收总能量增长值的差值基本相同。在同一负温梯度内粉质黏土从弹塑性阶段的B点到达到峰值应力C点,单位温度下吸收总能量的增长值与轴向应变呈线性增长,在峰值应力C点处达到最大吸收总能量差值。在同一轴向应变下,单位温度吸收总能量增长值随最终冻结温度的绝对值成正比关系。主要是由于随着温度降低,粉质黏土内部结构受温度影响的程度不同,从-5℃降至-10℃时,粉质黏土内部主要以黏土颗粒间的粘聚力为主,而温度从-10℃降至-15℃时大量未冻水冻结成冰晶,内部以冰晶与黏土颗粒间的胶结作用为主,导致粉质黏土的抗压强度增大。

图8 不同负温梯度下吸收总能量增长值-轴向应变关系

图9 为不同负温条件下粉质黏土可释放的弹性应变能与轴向应变之间的关系曲线。从图中可以看出同一温度条件下,弹性应变能与轴向应变大致呈上凸曲线并在峰值应力处达到最大,在峰后破坏阶段急速降低但并未下降至零,这是由于粉质黏土内部储存的弹性应变能在跌落阶段快速释放后仍保持一定的残余强度。当轴向应变相同时,温度越低弹性应变能越大,粉质黏土内部储存的弹性能越多。

图9 不同负温下弹性应变能-轴向应变曲线

图10 为不同负温下粉质黏土耗散能与轴向应变能曲线。从图中可以看出在同一温度条件下,随着轴向应变的增大,耗散能大致呈凹曲线增长,增长速率缓慢变大。在初始加载压密阶段以及弹性阶段耗散能增涨较为缓慢,耗散能主要用于粉质黏土内部小孔隙的压密闭合以及可恢复的弹性变形。进入弹塑性变形阶段后粉质黏土内部裂纹加速扩展耗散能曲线增涨趋势缓慢变大,达到峰后破坏阶段,粉质黏土内部的弹性应变能迅速释放,耗散能急剧增加直至试样破坏。

图10 不同负温下耗散能-轴向应变曲线

当达到相同的轴向应变时,温度越低耗散能越大。在轴向应变达到0.006mm时,粉质黏土在-5℃时耗散能为3.61×10-3MJ/m3,-10℃时耗散能为4.59×10-3MJ/m3,在-15℃时耗散能为7.13×10-3MJ/m3。温度越低冻粉质黏土的单轴抗压强度越大,当达到相同应变时需要释放的能量也就越多。

3 结 论

对合肥市轨道交通5号线工程取样深度为12～17.5m的粉质黏土试样进行了不同负温条件下的单轴压缩试验,基于冻土试验原理分析了不同负温条件下粉质黏土的力学特特征和能量特征,得到以下结论:

(1)在不同负温条件下,粉质黏土的单轴抗压强度、弹性模量以及外界吸收的总能量均与负温绝对值大致呈线性关系。总能量、弹性应变能及耗散能在同一应变下均随负温绝对值增大而增大,平均每降低1℃粉质黏土约从外界吸收8.7×10-4MJ的总能量。

(2)在同一冻结温度下,随着轴向应变的增大,粉质黏土的弹性应变能呈上凸曲线并与轴向应力同时达到最大,在峰后破坏阶段弹性应变能曲线急速下降但并未降至到零,宏观上表现为试样破坏后仍保留一定残余强度。耗散能随轴向应变呈下凹曲线,且在峰后破坏阶段曲线急剧上升。

(3)由于不同负温条件下粉质黏土内部未冻水含量不同,在不同轴向应变条件下粉质黏土从外界吸收的总能量增长值的差值基本不变约为2.1×10-4MJ/℃。且在单位温差下同一轴向应变值时,吸收的总能量增长值随最终冻结温度的绝对值呈正比。