干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究

2022-06-14马文鑫张勇敢刘斯宏郑军威

冰川冻土 2022年2期

马文鑫，张勇敢，刘斯宏，2，郑军威，凤良，鲁洋，2

（1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098； 2.河海大学大坝长效特性及环保修复技术中西联合实验室，江苏南京210098； 3.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京211102）

0 引言

我国水资源丰富，但在地理位置上呈南多北少、东多西少的分布特征，为保障缺水地区的水资源供给，相继修建了一系列的长距离调水工程［1］。然而，考虑到地理条件、工期和经费预算等不可抗拒因素，输水渠道的建设经常不可避免地会穿过工程界“较为棘手”的膨胀土地段［2］。例如，南水北调中线工程、新疆北部供水工程和黑龙江北部引嫩工程沿线均发现了大量的膨胀土发育区［3-5］。此外，这些膨胀土区域多数处于季节性冻土区、甚至部分处于多年冻土区，受当地气候环境的影响，输水渠道的安全运行面临着极大的挑战，例如：低温作用易引起渠基土冻结，从而引起输水渠道渠顶的结构性破坏［6］。为解决这一系列工程问题，有必要全面的了解冻结作用下膨胀土的物理力学特性。

抗压强度，作为冻土强度特性的重要指标，国内外研究人员对其开展了大量试验研究，其中早在19 世纪30 年代Tsytovich［7］就开展了冻结砂土的单轴压缩试验，探究了温度和加载速率与抗压强度之间的关系。Bragg 等［8］、Lee 等［9］、Girgis［10］等研究了试样尺寸、温度和加载速率对抗压强度的影响。国内学者张俊兵等［11］、杜海民等［12］、栗晓林等［13］、杨成松等［14］对冻结粉土、冻结砂土、冻结黏土、冻结盐渍土开展了系列研究，得出了温度、干密度、应变率、含水率和含盐量等因素对其抗压强度的影响规律。操子明等［15］对冻结膨胀土开展了单轴压缩试验，得出了冻结膨胀土的强度随含水率的增大呈现先增后减的规律。从已有研究中可知，目前在冻土单轴压缩特性研究方面，研究对象主要聚焦于冻结砂土、冻结粉土以及冻结的常规黏土等，而对冻结膨胀土的研究尚有待深入。膨胀土作为较为特别的黏土，在工程实际中极易产生各种危害，近年来也逐渐受到学界的关注。

基于此，本文以河南省平顶山市叶县膨胀土为研究对象，开展不同干密度、温度条件下冻结膨胀土的单轴压缩试验，探讨干密度和温度对冻结膨胀土应力应变关系、破坏模式、抗压强度和弹性模量的影响规律，研究成果有望为寒区膨胀土地段渠道工程的冻害机理与渠基土的治理提供参考。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

试验土料取自南水北调中线工程叶县段输水渠道工程现场，密封包装后运回实验室。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）［16］的要求，进行膨胀土基本物理性质的试验，详细结果如表1所示。该膨胀土最优含水率为21.7%，最大干密度为1.60 g·cm-3，自由膨胀率为59%，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112—2013）［17］，该土料属于弱膨胀土。

表1 膨胀土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of expansive soil

试验采用圆柱形重塑试样，试样的尺寸为（Φ×h）39.1 mm×80 mm。具体制备流程如下：①将土料风干、过筛（2 mm）、掺匀，充分掺拌后分袋密封包装，每袋分层取土测得初始含水率。②将风干土分层加水配至目标含水率（21.7%），接着将配好的土料装入保鲜袋中闷料2 天。③依据试验方案，分别称取不同质量的具有目标含水率的土料，采用改进的分层击实装置将土料分3 层击实到目标干密度［18］：先将第一层土料击实到对应位置并对上表面进行刨毛，刨毛后继续第二层土料的击实与刨毛，最后击实第三层土料，使试样达到预定制样高度。④将完成击实的试样进行脱模并在其表面包裹保鲜膜。

1.2 试验方法

为研究干密度、温度对冻结膨胀土单轴压缩特性的影响，设计了表2 所示试验方案，共计60 个试样（每组试验设置3 个平行试样）。根据气象资料，该地区在1999—2020 年最低气温为-15～-3 ℃［19］，-2 ℃接近试样的冻结温度，故选取-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃和-2 ℃这4 种温度工况，试图探究不同温度下冻结膨胀土的力学特性。选用1.60 g·cm-3、1.52 g·cm-3、1.44 g·cm-3、1.36 g·cm-3、1.28 g·cm-3的干密度分别对应100%、95%、90%、85%和80%的压实度，选取这5种干密度，可对比不同压实度下冻结膨胀土试样的力学特性。试验土料的含水率都为最优含水率（21.7%），详细方案如表2所示。

表2 冻结膨胀土单轴压缩试验方案（ω=21.7%）Table 2 Uniaxial compression test scheme of frozen expansive soil（ω=21.7%）

冻结膨胀土试样的单轴压缩试验在微机控制低温动态试验机上进行，试验机位于河海大学冻土实验室的恒温房中。恒温房由风冷式制冷机完成控温，控温精度为±0.1 ℃。试验采用应变控制式加载方式，加载速率为0.8 mm·min-1。具体试验过程如下：首先将所有试样置于-30 ℃的恒温养护箱内快速冻结12 h，随后把试样移到对应试验目标温度的恒温箱里恒温养护12 h［20-21］。试验开始前，提前开启制冷机，使恒温房的室温达到试验目标温度。恒温3 h 后开始试验，将试样从恒温箱取出并立即移到试验机上，在恒定速率下开展压缩试验，直至轴向应变达到30%时停止试验（脆性破坏的试样除外）。值得注意的是，试样的单轴抗压强度取应力-应变曲线的峰值应力，无峰值时则取15%应变对应的应力值［22］。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变关系

2.1.1 干密度的影响

各温度工况不同干密度冻结膨胀土试样的单轴压缩应力-应变关系曲线如图1 所示。可以看出，在-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃温度工况下，不同干密度试样破坏形式皆为塑性破坏，应力-应变关系曲线也保持一致的规律：随着干密度的增大，各温度工况下应力-应变关系曲线由弱应变软化型转为应变硬化型。以-10 ℃温度工况为例：对于干密度为1.28 g·cm-3的试样，当轴向应力到达峰值后，应力随着应变的增加而缓慢减小，呈现软化型塑性破坏特征［15］。当干密度为1.36～1.60 g·cm-3时，随着应变的增加，轴向应力先近似线性增大后缓慢增加直至趋于平缓。本文压缩试验是在轴向应变达到30%时才停止的，以往很多文章在应变达到20%［23］时就停止了试验。如果只做到20%，该温度工况下应力-应变关系曲线皆为硬化型，而在大应变状态下（例如，本文的30%应变）则可发现干密度较小的试样后期应力随应变的增加而缓慢减小，呈现弱应变软化型。此外，在-2 ℃温度工况下，随着干密度的增大，试样的应力-应变关系曲线由应变软化转为应变硬化的形态，破坏形式由脆性破坏转为塑性破坏，这一现象将结合试样的破坏模式一起分析，详见下文。对于干密度为1.28～1.44 g·cm-3的试样，当轴向应力到达峰值后，随着应变的增加，应力迅速减小，表现为脆性破坏。与-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃温度工况相比，试样的峰值应力和破坏应变都显著减小，其中峰值应力均小于0.12 MPa，而最大破坏应变仅为7%。当干密度为1.52～1.60 g·cm-3时，轴向应力随着应变的增加逐渐趋于平缓，表现为塑性破坏。

图1 各温度工况不同干密度下的单轴压缩应力-应变关系Fig. 1 Uniaxial compressive stress-strain relationship at different dry densities for different temperatures

2.1.2 温度的影响

图2给出了各干密度工况不同温度冻结膨胀土试样的单轴压缩应力-应变关系曲线。可以看出，温度对单轴应力-应变关系影响显著。在同一干密度下，温度越低，同一应变对应的轴向应力越大。对于干密度为1.60 g·cm-3的试样，当轴向应变达到15%时，在-2 ℃下对应的轴向应力仅为0.26 MPa，而在-15 ℃下对应的轴向应力达到了3.57 MPa，提高了13 倍左右。从图2 中还可以看出，干密度不同的试样，应力应变曲线形态差异显著。当试样的干密度为1.60 g·cm-3和1.52 g·cm-3时，不同温度下试样的应力-应变曲线皆为硬化型。当试样的干密度为1.28 g·cm-3时，不同温度下试样的应力-应变曲线皆为软化型。当试样的干密度为1.44 g·cm-3和1.36 g·cm-3时，随着温度的降低，对应的应力-应变曲线形态先由强软化型转为弱软化型［24］，最后转为硬化型。

图2 各干密度工况不同温度下的单轴压缩应力-应变关系Fig. 2 Uniaxial compressive stress-strain relationship at different temperatures for different dry densities

2.2 破坏模式

图3给出了两种典型的试样破坏模式，可以看出，对于相同干密度的试样，不同温度工况下其破坏模式区别显著。在-10 ℃温度工况下，随着荷载逐渐增大，试样的高度逐渐降低，试样中部略微向外膨胀。随着加载过程的继续，应变进一步增加，试样中部进一步向外膨胀，呈现“鼓状”的形态。在变形过程中未发现明显的裂缝，呈现典型的塑性破坏特征。而在-2 ℃温度工况下，当轴向应力达到峰值应力时，试样下部土体开始剥落并迅速出现明显的裂缝。随着应变的持续增加，试样底部产生多条贯穿性裂缝，整体表现为脆性破坏。

图3 典型的试样破坏模式Fig. 3 Typical failure modes of sample

各温度工况下不同干密度试样的最终破坏形态如图4 所示。可直观的看出，在-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃温度工况下，不同干密度试样的破坏形态基本相似，试样都保持的较为完整，没有出现明显的裂缝和剪切面。试样最终的破坏形态均呈现为“鼓状”。此外，试样的干密度越大，试样的破坏形态较初始形态变化越小。这是因为随着干密度的增大，试样的密实度和体积含冰量随之增大，土颗粒间黏聚力和土颗粒与冰之间的胶结能力也越强，整体表现出的抗变形能力也明显增强［25］。然而，在-2 ℃温度工况下，所有试样均发生明显的局部破坏，试样表面发生土体的坍塌与剥落。这是因为此时试验温度接近试样的冻结温度，试样内部未冻水含量高，含冰量低，土颗粒与冰胶结强度较低，从而导致整体性较差，整体抗变形能力较弱［21］。当试样的干密度为1.60 g·cm-3和1.52 g·cm-3时，在30%的应变下，试样的接触面积变大，试样整体更加密实，破坏形态与-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃温度工况下同干密度试样相似，应力-应变关系曲线呈现相似的应变硬化，破坏形式皆为塑性破坏。当试样的干密度为1.44 g·cm-3、1.36 g·cm-3和1.28 g·cm-3时，在较小的应变下，试样就发生了脆性破坏，整体上没有经历压密的过程，应力-应变关系曲线呈现应变软化。

图4 各温度工况下不同干密度试样最终破坏形态Fig. 4 Final failure mode of samples with different dry densities under different temperatures

2.3 单轴抗压强度

2.3.1 干密度的影响

图5给出了不同温度工况下单轴抗压强度与干密度的关系。可以看出，不同温度下试样的单轴抗压强度均随着干密度的增大而增大。这是因为冻结膨胀土试样单轴抗压强度与土颗粒的强度、冰的强度、未冻水含量以及土颗粒与冰胶结强度有关［21］。在同一温度和含水率的情况下，随着干密度的增大，试样的密实度和体积含冰量随之增大。一方面土颗粒承载的有效面积不断增大［26］，同时越多的冰颗粒填充着土颗粒的骨架，起到了承载的作用［27］，试样整体的强度更大。另一方面土颗粒与冰之间的胶结能力进一步加强，产生更大的胶结力［28］。通过回归分析，可用公式（1）所示的线性函数描述试样单轴抗压强度与干密度的关系：

图5 不同温度工况下试样抗压强度与干密度的关系Fig.5 Relationship between compressive strength and dry density of samples under different temperatures

式中：σc为试样单轴抗压强度，单位为MPa；ρd为试样干密度，单位为g·cm-3；a和b为与温度相关的参数。通过回归分析，可得a和b的值，具体见下表3。

表3 式（1）中参数a和b的值Table 3 Values of a and b in Equation（1）

由表3 可以看出，参数a和b与温度密切相关。参数a随着温度的降低而增大。也就是说，温度越低，试样的单轴抗压强度对干密度的敏感程度越高。参数b随着温度的降低先增大后减小。通过拟合分析，可用二次函数描述参数a和b与温度的关系，具体关系如式（2）和式（3）所示：

式中：a和b是与温度相关的参数；T为试样温度；A、B和C值分别为-0.0292、-0.7336 和-0.6944，相关系数R2为0.9972；D、E和F值分别为-0.0308、-0.6402和-0.3907，相关系数R2为0.9987。

2.3.2 温度的影响

图6给出了试样在不同干密度工况下单轴抗压强度与温度的关系，可以看出，不同干密度下试样的单轴抗压强度均随着温度的降低而增大。对于同一干密度的试样，当温度逐渐降低，冰的强度不断增大［29］，同时试样内部冰颗粒逐渐增多，进一步填充土体骨架间的孔隙，提高了冰-土胶结强度，从而增强了试样单轴抗压强度［30］。值得注意的是，在-2～-15 ℃温度区间内，抗压强度和温度的关系曲线可以划分为两个阶段：在-2～-5 ℃的温度区间为第一阶段，随温度的降低抗压强度增加较为迅速；在-5～-15 ℃温度区间为第二阶段，随温度的降低抗压强度的增加则相对平缓。产生上述现象的主要原因如下：-2 ℃比较接近试样的冻结温度，在该温度下试样内部未冻水含量较高，试样的抗压强度主要由土的骨架提供。当温度降低至-5 ℃时，试样内部的未冻水含量迅速下降，含冰量迅速增加，与-2 ℃温度工况相比，冰颗粒从“无”到有。当温度降低至-10 ℃和-15 ℃时，试样内部的未冻水含量逐渐减少，含冰量增加缓慢［31］。事实上，冻结膨胀土试样的抗压强度主要由土的强度、冰的强度以及冰-土胶结强度控制，含冰量增加越迅速，冰-土胶结强度提升越快，抗压强度提升越明显。

图6 不同干密度工况下试样抗压强度与温度的关系Fig. 6 Relationship between compressive strength and temperature of samples under different dry densities

2.4 弹性模量

2.4.1 干密度的影响

在冻土领域，对冻土弹性模量的取法不尽相同，本文取应力应变曲线中应变为2.0%所对应的割线模量作为冻结膨胀土试样的弹性模量［32］。图7 给出了不同温度下冻结膨胀土试样弹性模量与干密度的变化规律。可以看出，不同温度下试样的弹性模量均随着干密度的增加而增大。这一现象的原因是随着干密度的增大，土骨架的承载能力以及土颗粒与冰胶结强度不断增大［33］，从而导致试样单位应变增加需要的应力不断增大，即弹性模量不断增大。表4给出了不同温度工况下试样弹性模量与干密度的函数关系，其中温度为-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃和-2 ℃的拟合曲线斜率分别为103.480、60.300、41.025 和8.875。也即是说，温度越低，单位干密度增加引起的弹性模量增量越大。通过回归分析，可用公式（4）所示的线性函数描述拟合曲线斜率与温度的关系：

表4 不同温度工况试样弹性模量与干密度的函数关系Table 4 Relationship between elastic modulus and dry density of samples under different temperatures

图7 不同温度工况下弹性模量与干密度的关系Fig. 7 Relationship between elastic modulus and dry density of samples under different temperatures

k=aT+b（4）

式中：k为拟合曲线斜率；T为试样温度；a和b为参数，其值分别为-6.8228 和-1.1624，相关系数R2为

0.9724。

2.4.2 温度的影响

图8给出了不同干密度冻结膨胀土试样弹性模量与温度的关系。由图可知，随着温度的降低，不同干密度工况下试样的弹性模量均线性增大。这是因为温度下降，试样内部含冰量增加，冰的强度和冰-土胶结强度进一步增大，导致弹性模量增大［21］。表5给出了不同干密度工况下试样弹性模量与温度的函数关系，干密度为1.60、1.52、1.44、1.36 g·cm-3和1.28 g·cm-3的函数斜率分别为7.5829、7.3034、6.293、6.1111 和5.4500，可以看出随着干密度的增大，单位温度增加引起的弹性模量增量越大。通过拟合分析，可用线性函数描述拟合曲线斜率与干密度的关系，两者的关系如式（5）所示：