人工凍結礫石土三軸剪切強度試驗研究

王海航,王 鷗,吳 澤,王天亮,程博遠

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學交通運輸學院,石家莊 050043；4.河北工程大學土木工程學院,河北邯鄲 056038)

引言

人工地層凍結技術是利用人工凍結方法，降低土體溫度使含水土層形成凍結體，以抵抗地壓并隔絕與地下水聯系的一種土工工程特殊施工技術[1]。在地下及礦井等工程中，傳統的隧道支護方式與地基處理辦法在部分特殊地層環境中均未取得滿意的效果，而人工凍結法的應用彌補了傳統方法如高壓注漿、化學注漿等的不足[2-4]。由于凍土強度較非凍結狀態下會有較大的提高，所以人工凍土在增加工程土體強度和穩定性方面有著顯而易見的優勢。因此，人工凍結技術在許多國家的煤礦、隧道、地鐵、建筑基礎、工程搶險和環境保護等領域得到不斷應用和發展，并且成為許多工程唯一可選的方法。但是，針對礫石土地層，由于礫石土屬于粗顆粒土質不存在或很少存在結合水，其凍結后的力學性能明顯區別于粉土、黏性土、砂性土等土質，且富水礫石土具有凍結速度快、凍結強度和剛度高、不易開挖的特點。因此，為保障人工凍結法在地鐵聯絡通道應用的安全性與可靠性，有必要對人工凍結礫石土的相關力學性能進行研究。

目前，人工凍結細粒土如黏土、粉質黏土及粉土等單軸或三軸剪切強度研究較為廣泛。通過研究發現，人工凍結粉土、黏土以及粉黏土等的抗剪強度均隨凍結溫度的降低而增大，表現出較強的溫度效應[5-7]，溫度對于粉質黏土的變形特性以及應力-應變關系曲線形式影響較大[7]。張俊兵等[8]通過試驗方法對飽和凍結蘭州粉土(黃土)進行了單軸抗壓強度試驗，得出抗壓強度對溫度十分敏感，它隨著溫度降低，以冪函數的形式增加的規律結論。較大粒徑砂土的凍結剪切強度隨冷凍溫度的變化也表現出一定的規律性，馬玲等[9]通過對凍結砂土在不同溫度和圍壓下的三軸剪切試驗，得出三軸剪切過程中會產生較為可觀的顆粒破碎且在-5 ℃條件下在不同的圍壓范圍顆粒破碎對抗剪強度具有不同的影響。對于大粒徑(卵)礫石土的抗剪強度參數研究不同學者也做了大量的試驗分析，研究結果表明：試樣的相對密度大小會對應力應變曲線形式產生較大的影響，并且試驗結果均表現出一定的剪脹性[10]；礫石土級配的優劣對其峰值抗剪強度影響較大，級配良好礫石土制備的試樣會出現穩定的殘余強度[11]。礫石土中細粒含量、含水量的差異性對于其抗剪強度均有著顯著的影響[12-20]，劉建坤等[15]通過試驗研究還發現細粒土的分布不均勻性會對粗粒土的最大剪脹高度產生影響。

綜上所述，相比凍結狀態下的黏性土、粉土、砂性土等細粒土以及非凍結狀態下礫石土抗剪強度特性研究而言，較大粒徑礫石土的三軸剪切強度規律在人工凍結狀態下研究略顯不足，對于礫石土隨冷凍溫度、含水量變化的三軸剪切強度研究較少，本試驗在前人研究的基礎上，在等應變速率和不同冷凍溫度、含水量等條件下對其進行系統性分析，以期得到冷凍溫度及含水量對人工凍結礫石土三軸剪切強度影響規律。

1 試樣制備及方案

1.1 試驗材料

試驗用土選取南寧地鐵1號線中涉及到的礫石土層，按照實際地勘資料制備重塑土，礫石土級配曲線如圖1所示。計算得礫石土不均勻系數和曲率系數分別為Cu=50、Cc=0.5，屬級配不良土質。

圖1 礫石土級配曲線

1.2 方案設計

試驗用儀器為石家莊鐵道大學凍土三軸試驗系統，該三軸儀為英國GDS公司生產的DYNTTS電機控制式三軸測試系統，儀器軸力傳感器0～40 kN，精度4 N，軸向位移沖程±50 mm，圍壓0～5 MPa完全滿足試驗需求。通過試驗設計，選定在-2、-5、-7、-10 ℃四個特征溫度以及100、200、300、400、500 kPa五個特征圍壓下，分別進行凍結礫石土的等應變速率三軸剪切強度試驗。試驗用試樣大小選定為尺寸φ61.9 mm×125.0 mm的圓柱體，土樣處理和試樣制作依據MT/T593《人工凍土物理力學性能試驗》要求嚴格執行。將試驗用土配置成特征含水量(ω=6%、9%、11%)，靜置12 h使土樣含水均勻。制樣前將配置好土樣攪拌均勻分3層裝入試模中，分層擊實控制好壓實度后頂面做刮毛處理，防止試樣出現人為薄弱面，再放入第2層土樣擊實。以此類推。

1.3 過程控制

試樣制備完畢后進行脫模處理，并將橡膠膜通過承膜筒套入試樣，準備放入GDS三軸儀中進行試樣冷凍及后續三軸剪切試驗，凍結礫石土試樣的三軸剪切強度試驗按照軸向應變速率1 mm/min進行控制加載。在礫石土三軸剪切強度試驗中，加載方式采用等應變加載控制方式，試驗最大應變控制為15%。對裝入GDS三軸儀升降臺的試樣進行固結及凍結處理，試樣凍結時，首先通過氣泵將石家莊鐵道大學凍土實驗室自行研制的低溫三軸圍壓室液體預降溫裝置中預先降溫冷浴液注入三軸儀圍壓室，然后設定目標溫度，通過低溫恒溫冷浴機對圍壓室進行繼續降溫，待三軸圍壓室內冷浴液溫度達到試驗設計溫度后恒溫6 h，再進行三軸剪切試驗。

2 應力應變關系曲線特征

通過一系列三軸剪切試驗得到人工凍結礫石土的偏應力-應變關系曲線，試驗結果如圖2、圖3所示。

注：圍壓400 kPa、ω=6%圖2 不同溫度下偏應力-應變曲線

圖3 不同圍壓下偏應力-應變曲線

由圖2、圖3可以得出以下結論。

(1)不同影響因素下的人工凍結礫石土偏應力-應變曲線走勢呈現出一定的差異性和相似性。差異性表現在：當試驗冷凍溫度較高時(-2 ℃)，礫石土偏應力-應變曲線的發展大致可以分為三個階段，線性快速增長階段、非線性緩慢增長階段以及數值平穩階段。以圖3(a)為例，各組試驗的線性快速增長階段的應變范圍在0<ε<2%區間，說明該階段的礫石土表現出一定的線彈性，可視為一彈性體；非線性緩慢增長階段的軸向應變范圍大致在2%<ε<5%區間，說明該階段的礫石土表現出一定的非線彈性；數值平穩階段的應變范圍在5%<ε<15%區間，該階段的礫石土表現為偏應力值不變而應變隨著時間的推移繼續增加。圖3(a)也說明當試驗冷凍溫度較高時，試驗圍壓的改變只對最大偏應力值有所影響，對偏應力-應變曲線形狀走勢基本無影響，即冷凍溫度較高時偏應力應變關系呈硬化型，無峰值強度。相似性表現在：當試驗冷凍溫度較低時，隨著試驗圍壓的增加礫石土試樣偏應力應變關系中峰值現象逐漸明顯。

(2)從圖2可以看出，試樣殘余抗剪強度值隨著冷凍溫度的降低有所提升，試驗冷凍溫度越低試樣偏應力-應變曲線峰值點越高且越明顯；反之，試驗冷凍溫度較高時試樣偏應力-應變曲線單峰值點消失。說明試驗冷凍溫度對于試樣的變形破壞形式有著較大的影響。在同一含水量試樣中，由于冷凍溫度的變化直接導致試樣內冰晶體含量變化，因此，試樣的變形破壞形式與試樣含冰量緊密相關。同時可以看出，隨著溫度的降低最大偏應力逐漸上升，說明試驗冷凍溫度對于試樣的強度有著較大的影響，溫度越低強度越大；從圖3可以看出，不同溫度下的最大偏應力峰值隨著圍壓的增大而增大，圍壓越大軟化型趨勢越明顯，圍壓越小硬化型趨勢越明顯。

3 凍土三軸剪切強度

由試驗控制條件得σ2=σ3，所以平均主應力p=(σ1+2σ3)/3、廣義剪應力q=σ1-σ3，它們之間的關系如圖4所示，通過圖4可知，人工凍結礫石土的三軸剪切強度特征可以用Mohr-Column強度準則來描述，即

τf=σ·tanφ(T)+C(T)

(1)

式中，σ為剪切面上的正應力，kPa；C(T)、φ(T)分別為凍結礫石土的黏聚力和內摩擦角，是溫度的函數。

圖4 p-q關系曲線

通過一系列三軸試驗，得到凍結礫石土在不同條件下的部分剪切強度參數值，如表1所示。

表1 凍結礫石土不同條件下的抗剪強度參數

由表1可得以下結論。

(1)人工凍結礫石土的黏聚力c、內摩擦角φ隨著冷凍溫度的降低而增大，分析原因是由于隨著溫度的降低，試樣中未凍水含量減少，冰含量增多，其膠結力增大，且由試驗編號前6組的數據對比分析可知，試樣含水量的增加對于黏聚力和內摩擦角增幅影響較大。

(2)人工凍結礫石土的含水量對黏聚力c、內摩擦角φ影響較大，c、φ值隨著含水量的增加表現出明顯的增大現象。凍土中由于水分的加入，凍結冰晶體在試樣中所占比例增加，進而使其抗剪切強度增加。

(3)當礫石土含水量6%，溫度從-2 ℃降低至-7 ℃時，黏聚力和內摩擦角的平均變化率分別為42.2 kPa/℃、2.84°/℃，明顯大于含水量9%，溫度從-2 ℃降低至-10 ℃時，黏聚力和內摩擦角的平均變化率7.625 kPa/℃、1.025°/℃。因此，可以推斷當含水量達到一定程度后，溫度的變化對于礫石土抗剪強度參數影響降低。

4 結論

(1)在試驗設計變量范圍內，人工凍結礫石土三軸剪切試驗后的凍土呈明顯的塑性剪脹破壞，說明在礫石土剪切破壞過程中顆粒出現破碎或者重排列現象，峰值強度隨著試驗溫度的降低而增大，隨著圍壓的增大而增大。殘余強度受冷凍溫度影響較大，隨著溫度的降低而提高；

(2)在試驗設計變量范圍內，人工凍結礫石土三軸剪切強度基本符合Mohr-Column定律，黏聚力、內摩擦角隨著溫度的降低而增大，隨著含水量的增大而增大，溫度效應較為顯著，且冷凍溫度對于礫石土抗剪強度參數的影響受土體含水量變化影響較為顯著；

(3)人工凍結礫石土三軸剪切強度受試驗冷凍溫度及試樣含水量影響明顯，冷凍溫度與含水量共同決定土體中未凍水含量或含冰量，而含冰量從側面反應了礫石土試樣中各散粒體間的膠結程度。因此，從試驗溫度及含水量上，可定性判別出人工凍結礫石土凍后強度情況，且試樣內含冰量影響試樣變形破壞形式，而本試驗所得數據可定量計算出相應條件下礫石土凍后強度，進而為工程實際提供數據參考。