冻融循环条件下淤泥黏土力学特性试验研究

李蓬勃，李栋伟，王泽成，张潮潮，杨 杰，丁国胜，蒋盛钢

(1.中交海峡建设投资发展有限公司，福建 福州 350001；2.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；3.福州地铁集团有限公司，福建 福州 350004；4.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010)

0 引 言

当土体温度为负值时，土层中含有冰层的各类土统称为冻土[1-2]。土在冻结过程中内部水会形成冰，发生物态变化，因此冻土的工程性质比常规土更加复杂。水变成冰会导致土体内部的水分重新分布，其结构也会发生相应改变，从而使冻土的力学性质变得极其不稳定。确定冻土的力学参数在人工冻结法理论与实践中具有重要意义[3- 4]。

冻结法是通过在地层中打入冻结孔，利用人工制冷方式将土体中的水冻结成冰，形成具有较高强度的冻结帷幕，起到提高地层稳定性、防止地下水渗流的地层临时加固方法[5- 6]。随着我国大中城市轨道交通的建设，冻结法广泛应用于复杂环境下富水软弱地层的隧道及联络通道的建设中[7]，深基坑、深竖井及煤巷道等地下工程也广泛应用冻结法[8-10]。国内外对冻融条件下人工冻土力学性质影响的研究众多，并取得大量成果[11-12]。张君岳等[13]对饱水红砂岩试样进行冻融循环试验及不同冻融次数下的单轴压缩试验，得出随着冻融循环次数的增长，岩石的饱水质量、孔隙率持续增加，岩石的纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量持续降低，岩石由脆性破坏向延性破坏转变等结论。黄海军[14]对隧道围岩(岩性为砂岩)进行了不同冻融循环次数下的单轴压缩及蠕变试验得出，随着冻融循环次数的逐渐增大，岩石瞬时变形量、蠕变变形量、蠕变总时长、破坏时的荷载水平及长期强度均逐渐减小；最后一级荷载作用下的蠕变时长则随着冻融循环次数无明显变化，且岩石蠕变曲线呈典型的衰减、稳定、加速3个阶段蠕变特性。李栋伟等[15]认为在温度-5 ℃条件下，不同含水率的冻土随着冻融循环次数的增加，瞬时强度先减小后增大；当试验温度为-10 ℃时，随着冻融作用次数的增加，瞬时强度先增加后减小，但变化幅度不大；当试验温度为-15 ℃时，冻融作用对人工冻土的强度影响不显著。

福州地铁穿越江底时经过的土层是富水软土地层，土质为淤泥质土，相比较普通土质，淤泥土的冻结力学特性更具有研究意义。为此，本文对淤泥土冻结力学特性进行研究，可为福州地铁项目施工提供参考。

1 土样制备及试验方案

1.1 土样制备

试验用土取自福州市地铁隧道施工时经过的富水淤泥质黏土，取样深度为地表以下19.9～38.1 m。根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中相关要求，对土样进行烘干并碾碎，将其用直径0.075 mm筛子筛分，再进行常规土工试验，得到其物理参数，见表1。

表1 试验土样物理参数

1.2 试验简介

采用MTS疲劳试验机以及试样恒温专用温度箱、压力试验专用温度箱进行相关冻土性能试验，见图1、2。根据设定好的程序控制试验加载和卸载过程，仪器可自动采集时间、位移、轴向力等数据。后期通过对数据进行简单计算处理，得出应力及应变等物理量。计算公式如下

图1 MTS疲劳试验机、压力试验专用温度箱

ε=Δh/H

(1)

A0=A/(1-ε)

(2)

σ=F/A0

(3)

式中，ε为轴向应变；Δh为轴向变形；H为试验前试样高度；A0为校正后试样截面积；A为试验前试样截面积；σ为单轴抗压强度；F为轴向荷载。

图2 试样恒温专用温度箱

首先，对淤泥土进行初步处理并制样，试样为直径50 mm、高100 mm的圆柱形，将其放于试样恒温专用温度箱内养护24 h，循环1次周期为48 h。设置冻结温度T为-5、-10、-15 ℃ 3个冻结温度组。其中，-5 ℃设置0、1次冻融循环；-10 ℃设置0、1、3、5次冻融循环；-15 ℃设置0、1次冻融循环。在MTS主机上设定好程序，通过程序控制MTS试验机加载和卸载过程，抗压试验采用位移速率加载方式，位移变化速率为1 mm/min。试验时，轴向应变达到20%或应力峰值下降20%终止试验。试验依照MT/T 593.6—2011《人工冻土物理力学性能》执行。蠕变试验中，蠕变加载系数采取0.3、0.5、0.7这3级加载系数，试验时长为6 h。试验方案见表2。

表2 人工冻土单轴试验方案

2 结果及分析

2.1 单轴抗压试验

通过-5、-10、-15 ℃冻结温度条件下、不同冻融循环次数的强度试验，获得不同循环次数应力-应变曲线，见图3。从图3可以看出，开始时，单轴抗压强度呈线性快速发展，后期趋于缓慢，变化速率逐渐降低。相同温度下，经过循环后，应力-应变曲线变化规律一致，但单轴抗压强度逐渐减小。弹性阶段，应力-应变曲线为直线变化，达到塑性屈服后应力达到峰值，随后应变持续增大，应力降低，应力-应变曲线呈软化型。

图3 不同温度和冻融循环下单轴抗压强度

人工冻土在静荷载作用下典型破坏特征为塑性破坏，见图4。图4中，a为未冻试样，b为低蠕变系数下破坏试样，c为高蠕变系数下破坏试验。从图4可以看出，破坏试样中破坏面呈45°，c试样中的破坏面比b试样更大、更长，说明高蠕变系数对试样破坏更严重。

图4 试样破坏形态

通过试验获得人工冻土单轴瞬时强度。不同温度下抗压强度与冻融循环的关系见图5所示。从图5可知，-5～-15 ℃温度范围内，随着温度降低，其抗压强度显著增加，且增加幅度越来越大，最大达6.56 MPa。随着冻融循环次数的增加，其强度逐渐减小，且减小幅度越来越小，最小达1.30 MPa，且趋于稳定。

图5 不同温度下抗压强度与冻融循环的关系

不同冻结温度下的试样经过不同冻融循环后，其变化规律基本相似。不同冻融循环下抗压强度与温度的关系见图6。从图6可以看出，相同冻融循环下的试样，其抗压强度随着冻结温度降低而增大，且增幅越来越大。冻结温度较低时，土样中的未冻水含量变小，含冰量增加，故土样强度不断增大。但土样中的水分产生迁移，从而使试样中间部分含水率减小，土颗粒间的黏聚力变小。但随着冻融循环次数的增加，颗粒间的接触方式发生改变，减小了颗粒间的摩擦力，因此人工冻土瞬时强度不断减小。

图6 不同冻融循环下抗压强度与温度的关系

2.2 单轴蠕变试验

通过-5、-10、-15 ℃ 3组冻结温度条件下、不同冻融循环次数的应变试验，获得不同循环次数时间-应变曲线，见图7～9。从图7～9可以看出：

图7 -5 ℃下不同冻融循环次数时间-应变关系

(1)-5 ℃下0次循环0.3σs(σs为最大单轴抗压强度)蠕变曲线从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段。0.5σs从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段，并出现蠕变第三阶段。0.7σs从蠕变第一阶段直接过渡到蠕变第三阶段。-5 ℃下1次循环全部为从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段。

(2)-10 ℃下0次循环0.7σs从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段，并出现蠕变第三阶段。其他全部为从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段。

(3)-15 ℃下0次循环0.3σs和0.5σs蠕变曲线

图8 -10 ℃下不同冻融循环次数时间-应变关系

从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段。0.7σs从蠕变第一阶段直接过渡到蠕变第三阶段。-15 ℃下1次循环0.3σs和0.5σs蠕变曲线从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段。0.7σs从蠕变第一阶段过渡到蠕变第二阶段，接着过渡到蠕变第三阶段。

从试验条件范围内的数据分析，冻土在某冻结温度以及某冻融循环下存在屈服抗压强度。在下阶段的研究中，要充分开展某种条件下的深入研究，从而得出其界限冻结温度及界限冻融循环。

图9 -15 ℃下不同冻融循环次数时间-应变关系

3 结 语

本文对福州淤泥质黏土进行单轴压缩及单轴蠕变试验研究，在试验条件范围内可以得出以下结论：

(1)随着冻结温度的降低，单轴抗压强度逐渐增大，且增加幅度逐渐增大，最大达6.56 MPa。随着冻融循环次数的增加，单轴抗压强度逐渐减小，且减小幅度逐渐减小，最小达1.30 MPa。

(2)低荷载时，蠕变以衰减阶段和稳定阶段为主；高荷载时，主要为衰减阶段和加速阶段。

(3)当加载应力水平较低时，冻土的蠕变速率较小，且快速降至0。当加载应力水平较高时，冻土的蠕变速率较大，且其速率降低缓慢，甚至出现加速蠕变阶段。

(4)多次冻融循环后，循环对单轴抗压强度以及蠕变曲线形状影响逐渐减小。随着冻融循环次数的增加，试样更快地从衰减蠕变阶段过渡到稳定蠕变阶段，且蠕变变形量逐渐减小。