循环变温条件下滨海软土热固结特性测试研究

2022-09-13曹光形邓岳保李红军毛伟赟

中国测试 2022年8期

曹光形，邓岳保，李红军，毛伟赟

(1. 宁波大学岩土工程研究所，浙江宁波 315211; 2. 绿地浙江事业部，浙江杭州 310015)

0 引言

近年来，能源桩、能源隧道、核废料处置、热油回收、高温海底管道、供热管道、热法地基处理等工程，受到越来越多的关注[1]。上述涉热岩土工程在滨海软土地区应用时，将对软土场地有明显的升温效应。由于温度是土体工程性质的重要影响因素[2]，因此有必要评估温度变化对滨海软土力学特性的影响。

土工试验是土力学的重要组成部分，也是岩土工程问题研究与分析中不可或缺的环节。通过土工试验可以确定土体材料的力学性质，进而为各种理论和工程设计提供参数取值。其中，温控固结试验是研究土体变形特性温度效应的一种重要手段。自20世纪60年代起，国内外学者开展了一系列温控固结试验研究。Paaswell[3]测试了恒定荷载下土体的热变形，发现加热时土体体积随时间变化的曲线与常温标准固结实验所得曲线类似，由此提出热固结概念。郭桢[4]对宁波饱和软黏土进行不同温度荷载路径的热固结试验，验证了温度越高固结排水速率越快的结论。郭兰杰[5]对饱和粉质粘土进行了不同围压作用下的热固结特性试验研究，发现不排水升温到设定温度时，孔隙水压力也增长到最大值；当温度降至设定温度时，孔隙水压力也降至最低。杨光昌等[6]通过热固结压缩试验发现饱和粉质黏土不排水时温度幅度越大，产生的孔压也越大。雷华阳等[7]通过自主研发的温控三轴仪测试发现，排水条件下饱和软黏土不同恒温孔压消散速率随时间先迅速降低，然后逐渐趋于稳定。循环变温研究方面，Abuel-Naga等[8]基于改进温控固结仪，研究了曼谷软黏土在22 ℃→90 ℃→22 ℃循环变温条件下的排水固结变形，结果发现正常固结饱和软土在加热-冷却循环后表现出明显的超固结属性。白冰等[9-10]通过对正常固结饱和粉质黏土进行升温-降温过程的热固结压缩试验，发现不排水条件下循环升温过程使孔隙水压力不断增大并趋于稳定值，土体经过循环温度荷载作用后发生收缩。张震雨等[11]采用温控三轴试验研究饱和粉质黏土不排水升降温过程中的孔压响应，结果表明饱和粉质黏土多次温度循环后存在残余超孔压，残余孔压随温度循环次数增加而逐渐累积，但幅值随温度循环次数的增加而减小。

从已有研究来看，循环变温引起的软土孔压和变形发展规律尚不明确，其力学特性有必要开展进一步研究。另外还要指出的是，由于软土内部微观结构的复杂性以及地质成因和环境不同，使得各地区软土力学性质温度效应有所不同[12]。对此，为了更好地了解软土在循环变温情况下的工程特性，以宁波滨海软土为试验对象，基于温控固结仪开展排水恒温试验、循环加温-降温试验，测试土体在变温过程中的孔压响应及热体积应变演化规律，评估温度循环次数、荷载对试样孔隙水压力发展以及沉降变化的影响。

1 试验装置与测试方法

1.1 温控固结仪

试验采用康拓力仪器设备有限公司研制的KTL温控固结仪，如图1所示。

图1 KTL温控固结仪示意图

仪器硬件主要包括标准静态加载架、固结容器、体积压力控制器、位移传感器、孔压传感器、数据采集仪和计算机，见图2。仪器软件为GeoSmartLab。

图2 KTL固结仪主要硬件

标准静态加载架如图2(a)所示。加载架内置力传感器，最大行程100 mm，速度0.01～100 mm/min；力传感器量程10 kN，精度为量程的±0.1%。固结容器包括试验底座和外保温罩，如图2(b)所示。试验底座包含4个联络通道，通道2控制试验容器中的水压；通道3测量试样底部孔隙水压力，并把试样底部的孔压实时传输给计算机；孔压传感器为AML STALC3，具有温度补偿和较好的长期稳定性[13]；通道4起补水排水作用。固结容器通过内置PT100温度传感器控制试样温度；温控范围为室温至70 ℃[14]。体积压力控制器如图2(c)所示，由压力缸、步进马达、数字控制环路以及压力传感器构成，能测量体积变化、孔压、流量，及施加垂直和径向循环荷载。数据采集仪提供8个16位数据采集通道；通过RS232串行通信、传感器和计算机通信接口进行数据传输；每个传感器使用±5 V电压，每个接口可以自定义设置增益和量程。

软件GeoSmartLab操控整个试验进程并实时获得孔隙水压力、位移量、温度等数据。通过选择模块来操作不同类型的固结渗透试验；也可以建立多个工作站，对整个试验的全程进行自动化控制。软件操作界面的对话框主要分为3部分：1）Device表格显示此工程的硬件表，具体内容包含硬件的缩略图，当前配置硬件设备序号，以及相应的描述、连接状态和设置；2）Channel表格显示硬件的一些数据通道的具体内容；3）Control表格为硬件的一些控制通道。其次在试验显示窗口界面包含图画实时显示区域、实时数据、试验显示设置和试验控制4个区域。

1.2 测试方法

1）制备并安装试样：通过环刀法切取直径为63.5 mm、高度为20 mm的标准试样，装入温控固结容器。

2）排气：分别对体积压力控制器、固结容器和轴向压力室冲水排气。

3）土样饱和：先对土样抽真空饱和，再进行反压饱和（压力差建议值5 kPa），饱和度达到95%以上即可进入下一步测试。

4）开展不同应力-温度路径试验：通过GeoSmartLab软件建立新的工作站，连接硬件系统，设置初始位移为0；设置轴压、反压、固结试验终止时间以及目标温度等，开始试验。

1.3 测试注意事项

装载土样之前先用体积压力控制器设置压强给各通道充水，排尽管内空气，再连接固结容器，设置压力以提供反压。土样上下均放置滤纸，尽量让滤纸空气排出，不要有气泡。透水石放置前需浸湿；环刀外围放置橡胶圈，并用凡士林填满孔隙。固定容器装置时，螺丝按对角顺序拧紧；开始试验前，需设置位移为0。在可能的情况下，开展重复性试验，检测测试的可靠性。

另外，由于试验是在温度变化的情况下进行，故试验前需要对仪器设备进行温度效应校核。本试验仪器通过水介质加热来进行固结压力室土样加热，传力轴杆也处于变温环境，由此温度变化对传力轴杆的影响有必要进行测试。另外，孔压传感器在变温环境下测试的数据是否准确也有必要校核。校订试验主要过程如下：试验中不装载试验土样（或者装载力学特性已知的材料），通过预设10 kPa轴力使传力轴杆直接作用在底座上，两者之间接触，轴向变形计反映的是传力轴杆在变温过程中的伸缩量。对固结仪进行两次升降温循环20℃→30℃→40℃→50℃→20 ℃，监测试验温度、变形、孔压和反压过程；结果如图3所示。

图3(a)给出了温控固结仪在试验过程中压力室温度随时间的变化情况。图3(b)为传力轴杆在变温过程中的伸缩量，通过计算可得传力轴杆线性热膨胀系数为2.0×10-5/℃。图3(c)为温控固结仪和反压传感器的读数随时间的变化情况；由于本温控固结仪的反压传感器通过体积压力控制器读数，且该装置全程在室温环境下，故反压传感器读数受温度影响较小，可忽略不计；而孔压传感器置于试样位置下端，受到压力室温度变化影响明显；测试结果发现两者数值基本一致，表明本设备孔压传感器（温度补偿型传感器）的工作性能良好。

图3 传力轴杆温度变形校核试验

2 测试土样和测试方案

2.1 测试土样

试验土样取自宁波镇海区某基坑工程，为本地区典型海相沉积淤泥质软土，埋设约2 m。试验土体呈灰褐色，可塑～软塑状。首先依据土工试验规程，测定土样的含水率、密度、相对体积质量等基本物理性质指标，结果如表1所示。

表1 宁波软土的基本物理特性指标

然后利用切土器切削土体制作标准试样；试样规格为直径63.5 mm，高度20 mm。在土样制备过程尽量避免对土样扰动及水分蒸发，尽量保证试样的微观结构不受破坏。待试样制备完成后，对其进行抽真空饱和处理。装载至试验设备上进行反压饱和；待饱和度值大于95%，则认为土体已经达到饱和状态，之后进行不同应力-温度路径试验。

2.2 测试方案

为研究滨海软土在变温条件下的力学特性，开展排水条件下循环加温-降温过程的热固结试验；试验方案如表2所示。一方面，荷载等级设定为25，50，100 kPa，以研究应力水平对滨海软土温度效应的影响；另一方面，温度设置为室温（15 ℃）到35 ℃，以模拟宁波地区能源桩热交换对场地土层影响[15]。试验过程：土体饱和完成后，对试样分别施加25，50，100 kPa荷载进行常温固结，待超静孔隙水压力完全消散及变形基本稳定时开始变温试验；试验如表2所示。试样在排水条件下从室温（15 ℃）开始，升至20 ℃并保持温度不变，记为15 ℃→20 ℃。该阶段共用时180 min，其中加热阶段时长为25 min。然后重复升恒温步骤，即20 ℃→25 ℃、25 ℃→30 ℃、30 ℃→35 ℃。升恒温阶段完成后自然降温，记为35 ℃→15 ℃，时间为720 min。整个试验总计5 d。待每次试验结束后导出数据，分析试验成果。

表2 温度-荷载试验方案

3 测试结果及分析

3.1 温度

图4是试样在排水条件及25，50，100 kPa荷载作用下，土体温度实时变化情况。第1天为预压阶段，记为I阶段，可见此时温度波动都为室温波动温度。第2天开始，按照白天能源桩热交换土体的时间，总计720 min，将其划分为4个升恒温阶段，记为II阶段。每个升恒温阶段持续时间为180 min，即 15 ℃→20 ℃、20 ℃→25 ℃、25 ℃→30 ℃、30 ℃→35 ℃，其中每个升温阶段时长为25 min，升温速率为0.2 ℃/min，恒温时长为155 min。在II阶段，温度有明显的升恒温阶段梯度，而且3种不同荷载情况下温度波动范围和趋势大体一致。随后模拟夜里土体降温阶段，即35 ℃→15 ℃，此时土体试样温度自然降到室温，时间为720 min，记为III阶段。在III阶段可以看出，3种不同荷载下土体降温的趋势和速率也大体一致。直到第5天结束，按照II、III阶段依次循环，循环4次后停止试验。总体看来，在3种不同荷载条件下，5 d温度变化幅度以及变化趋势大致相同，可以看出其温度的变化规律一致。

图4 不同荷载试验组循环温度波动图

3.2 孔压

图5分别给出当荷载为25，50，100 kPa时土样的归一化循环温度孔压(u/p0，p0分别对应于25，50，100 kPa)随着时间和循环次数的变化过程。

从图5（a）中可以看出，在各个循环中，u/p0随着温度的升高（15℃→35 ℃）总体趋势不断增大。u/p0随循环次数（N≤4）的增加而不断增大，表明温度引起的孔压逐渐积累；在该荷载条件下孔压温度效应大于荷载效应，即温度引起的热孔压占主导地位；并且不同循环次数下孔压的变化规律都类似。在II阶段中，升温阶段的孔压随温度的上升而上升，这是由水的热膨胀引起的；恒温阶段的孔压波动包括了超静孔压的消散以及温度的影响，随着温度不断升高，温度引起的热孔压越来越明显，热孔压的上升速率可能比荷载孔压消散速率还大，故曲线呈先下降后逐渐上升的趋势（具体来说，前两级变温孔压下降，后两次变温孔压略有上升）。在III阶段中，u/p0随着温度降低而不断降低并趋于稳定，但存在明显的残余孔压。随着温度循环次数的增加，u/p0下降的速率减慢（循环次数N=3或4时更明显），且温度下降到室温时的残余孔压力也在增大。

图5 不同循环次数下孔压随时间变化图

从图 5（b）、图 5（c）可以看出，在各个循环中，u/p0随着温度的升高，总体趋势在不断地增大。但u/p0随着循环次数（N≤4）的增加而不断减小，这是因为虽然有热孔压的积累，但消散的更多且N=1～3更明显。另外，温度效应小于荷载效应，即荷载引起的孔压消散（占主导地位）较温度引起的热孔压，消散得更明显。而在各个循环的II阶段中，升温阶段的孔压随温度的上升而迅速提高，这是由于升温产生孔压的速率大于此时超静孔压的消散速率，但恒温阶段的孔压呈下降趋势，此时虽然也是热孔压和超静孔压的消散叠加，但是热孔压的产生小于荷载孔压的消散，所以曲线呈下降趋势。在III阶段，u/p0也是随着温度降低而不断降低并趋于稳定，几乎不存在残余孔压。随着温度循环次数增加，u/p0下降速率加快，当温度降到室温时的残余孔压力也减小。

图6分别给出了25 kPa和100 kPa荷载条件下第1次、第4次温度循环过程中比值u/p0的时间变化情况。从图中可以看出：在相同循环次数情况下，随荷载增大，u/p0值降低，残余孔压逐渐趋于0。II阶段恒温阶段的趋势不同，荷载越大，荷载引起超静孔压的消散速率快，孔压下降速率逐渐接近。

图6 不同荷载对孔压的影响

3.3 沉降

图7（a）表示土样在荷载 25，50，100 kPa时的沉降随时间的变化曲线。其沉降总体变化趋势是：在I阶段，加载后沉降快速加大，然后随时间趋于稳定，这是由于荷载引起的主固结。在随后的4 d内，II阶段和III阶段沉降随着循环温度的变化而循环变化。当温度上升时，沉降回弹，温度下降时沉降增大，可以理解为土体的热胀冷缩。从图7（b）可以看出，3种不同荷载循环次数引起的最终的沉降量都是在增大的，且随着荷载的增大而增大。

图7 不同荷载循环变温沉降变化图

图8为变温引起的土体沉降（热沉降）。由图可知：热沉降随着循环次数增大而增大；每一级升温，土体体积迅速膨胀，土体回弹，当升温到最大温度时，土体回弹达到峰值；恒温阶段，土体沉降随循环次数的增加而增加，这是由于荷载持续作用且降温引起不同沉降而导致的。温度上升较小时（15 ℃→20 ℃），温度引起的沉降反弹小于荷载引起沉降增量；温度上升较大时，温度引起的热回弹和荷载引起的沉降抵消（N≠1时）。在III阶段，由于土体体积收缩，沉降大幅增大，循环次数对降温引起的沉降速率影响较小。另外，土体的塑性体积应变经过循环变温持续累积，但增加的速度逐渐减小；温度恢复后土体产生不可恢复的热沉降[16]。