冻结饱水砂卵石蠕变损伤特性试验研究

2021-11-10张晋勋宋永威

科学技术与工程 2021年29期

张晋勋，宋永威，杨昊，张雷，亓轶

(北京城建集团有限责任公司博士后工作站，北京 100088)

冻结法作为最为有效的地下止水技术，广泛应用在煤矿立井、斜井建设中，而在城市地下空间应用较少。经工程实践证明[1-4]：立井、联络通道、盾构进出洞等工程问题不仅受岩土材料性质、荷载的影响，还与荷载作用时间具有紧密的联系。就冻结工程而言，施工周期更长，尤其是土体(粉土、黏土等细粒土)，冻结体会表现出显著的蠕变特性，因此冻土蠕变特性的研究对冻土工程长期稳定性有深远影响。目前对岩土体蠕变特性的研究已有很大的进展[5-7]，陈军浩等[8]、姚兆明等[9]对粉土、黏土进行了蠕变试验，通过理论推导建立了适用于两者的蠕变模型，并进行了验证。任鹏等[10]深入研究了成都黏土的蠕变特性，考虑了蠕变过程中材料参数的变化，建立了非定常参数的非线性蠕变模型。姚亚峰等[11]研究了不同低温条件下淮南某矿区冻结黏土的三轴力学特性，通过最优解信息素模糊系数改进了传统算法，提高了计算精度，降低了复杂度，并提出了3种应力条件下的最有预测模型。朱艳军等[12]采用自主研发的大型三轴试验机研究了巨粒混合土的蠕变特性，改进了鱼群算法，预测了Burgers模型参数，并得到了验证。张向东等[13]采用人工神经网络建立了冻结黏土的改进反向传播(back propagation，BP)预测模型。袁文华[14]基于小生境技术及有限元理论，开发了一套反演程序，获得了冻土本构力学参数，对冻结工程具有重要的意义。肖华杰等[15]以水电工程边坡为研究背景，构建了考虑基质吸力的非饱和粉质黏土的蠕变模型。综上所述，中外学者的研究主要集中在粉土、黏土、岩石等材料的蠕变特性，而对冻结砂卵石蠕变特性的研究鲜有报道。

北京地铁线路逐渐进入地下30～100 m深层区域(砂卵石⑨层)，地下水含量逐渐增大，由潜水层向承压水层转变，冻结法成为城市地下空间不降水施工行之有效的方法。而地铁车站大体量冻结工程施工周期更长，荷载作用时长对冻结体的影响显得尤为重要。根据相关工程实践可知：冻结壁的设计平均温度一般为-10 ℃。为此，现以北京某地铁冻结法施工为工程背景，基于等效替代法深入研究-10 ℃冻结砂卵石的蠕变力学特性，综合损伤理论及元件模型建立蠕变预测模型，并通过试验数据对该模型参数进行标定。

1 试验方案

1.1 试样制备

砂卵石取自北京某地铁站饱和砂卵石7#地层，如图1所示，通过现场灌水法得到原状砂卵石密度2.499 g/cm3；通过室内烘干试验得到其干密度为2.436 g/cm3，含水率为12.19%。采用筛分析法得到其颗粒级配，如图2所示，考虑到试验设备的局限性，采用等效替代法[16]将试样中的超粒径部分用2～10 mm的粗粒土按质量百分比替代，替代后的颗粒级配曲线如图2所示，等效替代后最大粒径为10 mm。

图1 砂卵石地层Fig.1 Sandy gravel stratum

图2 砂卵石颗粒级配Fig.2 Grading of sandy gravel

常规低温三轴及蠕变试样尺寸均采用Φ50 mm×100 mm的圆柱体，按照等效替代后的颗粒级配制作试样，反复夯实土体，使试样密度与原状土一致。将试样浸泡在水池内48 h，使试样饱和，然后将试样放入冻结试验箱内冻结7 d，拆模并放入-10 ℃恒温箱内保存备用。

1.2 试验参数及加载条件

冻结三轴及蠕变试验根据《人工冻土物理力学性能试验》进行，确定试验温度为-10 ℃，围压为0、0.3、0.6、1及1.5 MPa。对于三轴剪切试验：围压达到设计值后，维持围压不变，轴压采用位移控制，加载应变率取1%/min，直至试样破坏。三轴蠕变试验：采用单试样分级加载，围压达到设计值后维持围压不变，轴压采用应力控制，应力差分别为1、2、3、4 MPa，当试样在某一级荷载下的变形符合dε/dt≤0.000 5 h-1(Ⅰ类蠕变)或dε/dt≤0.000 5 h-1(Ⅱ类蠕变)24 h以上，进行下级荷载加载，当进入加速蠕变阶段时，在该级荷载作用下直至试样破坏结束本次试验。

1.3 试验设备及操作

试验设备采用的是DRTS-500动力扰动低温岩石三轴试验系统(通过控制台输入不同形式的动荷载及静荷载)，如图2所示，主要由控制台、加载装置、冷却液循环系统等组成。

图2 动力扰动低温岩石三轴试验系统Fig.2 Dynamic disturbance subzero rock triaxial testing system

试验前，试验系统的压力室通过冷却液循环降温至-10 ℃，等待放入试样。将冻结砂卵石试样放入指定温度(-10 ℃)24 h以上，其充分达到热平衡。将乳胶薄膜套在冰样上，上下两端加上刚性垫块，薄膜通过O形圈固定在两个垫块上，在试样中部安装好径向位移传感器，快速放入主机框架的压力室内，冷却液循环至压力室内试样上下温度测点均稳定在-10 ℃(试验温度控制精度±0.1 ℃)，随后进行试验，如图3所示。

图3 试验操作流程Fig.3 Test operation

2 试验结果分析

2.1 三轴剪切试验

-10 ℃、不同围压条件下的冻结饱水砂卵石三轴剪切应力应变曲线如图4所示。

图4 -10 ℃冻结饱水砂卵石应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of frozen saturated sandy gravel at -10 ℃

由图4可知：从损伤的角度出发可以将冻结饱水砂卵石应力应变曲线分为3个阶段：无损伤阶段，冻结砂卵石骨架排列变化不明显，内部孔隙、裂隙逐渐闭合，结构强化为主；损伤阶段，冻结砂卵石内部骨架、分凝冰、未冻水不断重组排列，有效应力增大，应力集中处产生微裂纹，即损伤，试样损伤不断增大，可能产生裂隙簇；损伤破坏阶段，应力超过了屈服强度，试样内颗粒滑移并产生大量裂纹，但由于加载速度较小，应力的增大导致冰透晶体融化，冰、颗粒、未冻水在不断地重组，因此峰值应变后，冻结砂卵石并没有立即破坏，而是逐渐趋于稳定，存在残余应变。

提取冻结砂卵石峰值应力、弹性模量、围压，并绘图，如图5所示。

σ1为峰值应力；σ3为围压图5 峰值应力及弹性模量随围压的变化规律Fig.5 The variation of peak stress and elastic modulus with confining pressure

由图5可知，同一温度条件下，冻结砂卵石弹性模量及峰值应力均随围压的增大而增大，这主要是由于围压的增大导致冻结砂卵石内的颗粒与分凝冰结合更加紧密。但在围压为1 MPa时，弹性模量增幅不大，有可能是围压及轴向荷载增加引起分凝冰融化量较大，即未冻水增幅较大，围压引起试样内裂隙的压缩量较小，未冻水对试样的弱化大于围压对试样的强化，宏观表现为弹性模量降低。

冻土强度依然符合M-C准则[17]，表达式为

(1)

式(1)中：c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)。

则按该准则可得冻结砂卵石的黏聚力c为3.923 MPa，内摩擦角φ为4.08°。

2.2 三轴蠕变试验

采用单试样分级加载，围压达到设计值后维持围压不变，轴压采用应力控制，应力差分别为1、2、3、4 MPa，逐级加载，得到围压0、0.3、0.6、1 MPa蠕变曲线，如图6所示。

图6 不同围压条件下冻结砂卵石蠕变曲线Fig.6 Creep curve of frozen sandy gravel under different confining pressures

由图6(a)可知：围压0 MPa、应力差为1 MPa时，冻结砂卵石稳定时的轴向应变为0.013 2，二级荷载作用下的稳定轴向应变为0.038 2，轴向应变引起的轴向应变是1.89倍，均属于衰减型蠕变。当作用三级荷载时，轴向变形迅速增大，并逐渐减小，当轴向应变大于0.076 1时，试样内部已产生大量裂纹，损伤较大，开始加速变形并逐渐破坏，该级荷载下为非衰减型蠕变。同理，由图6(b)、图6(c)、图6(d)可知，围压为0.3、0.6、1 MPa下的加速蠕变拐点分别为0.072 6、0.072 4、0.071 6。

由图6(a)～图6(d)中一级荷载蠕变曲线可知，四者在达到稳定时应变分别为0.013 2、0.007 1、0.006 7、0.012 9，而施加荷载引起的瞬时弹性变量分别为0.012 9、0.004 6、0.003 86、0.007 6，即瞬时弹性应变占该级荷载引起总应变的97.7%、64.79%、57.62%、58.91%，说明在荷载较小时，总变形量以瞬时弹性变形为主，这主要是由于冻结砂卵石是一个四相体，内部不仅存在分凝冰，还存在未冻水、孔隙(裂隙)、颗粒，在低围压、低轴向荷载条件下，试样内主要以少量裂隙闭合、分凝冰弹性变形为主，该低作用力不足以产生新裂纹等缺陷，该级荷载下冻结砂卵石以结构强化为主。而随着荷载的增加，荷载引起的瞬时弹性应变在该级荷载引起的总应变的比例越来越小，以非线性变形为主，这主要是由于荷载较大时，试样内产生放射性微裂纹，分凝冰部分融化形成未冻水、裂纹产生、旧裂纹扩展，骨架结构重新分布，甚至产生裂隙簇，损伤增大，试样仍具有一定的承载力，变形以塑型变形为主，变形速度较快。当荷载继续增大时，该现象会加剧最终导致试样骨架崩溃，丧失承载能力，因此瞬时弹性变形占总变形比例较小。

由图6(a)～图6(d)还可以发现：围压分别为0、0.3、0.6、1 MPa的冻结砂卵石试样发生蠕变破坏时的应力差分别为3、3、4、4 MPa，可以判断四种围压的长期强度分别在2～3、2～3、3～4、3～4 MPa，而四者的瞬时强度分别为8.45、8.67、9.12、9.52 MPa，由此可以认为冻结砂卵石的长期强度为瞬时强度的0.23～0.42倍。

3 蠕变损伤模型

3.1 模型

由试验可知，冻结砂卵石的蠕变过程主要取决于轴向荷载，蠕变过程不仅表现出了弹性特征，也有黏壶特性及损伤特性。对于低应力水平，冻结砂卵石在试验时间内不会发生破坏，其蠕变速率随着试验进程逐渐趋于零；在高应力水平下冻结砂卵石的蠕变速率先逐渐减小至一定值，持续一段时间后，由于内部损伤较大，蠕变速率增大，进入加速蠕变阶段，最终破坏。为了能更好地研究冻结砂卵石衰减型蠕变及非衰减型蠕变，结合损伤理论及元件模型，引入了弹性体，黏壶体及损伤体，以建立适用于冻结砂卵石蠕变特征的模型，如图7所示。