砂黏土在冻融下力学性能的研究

田宁 席晨

[摘  要]：以具有实际应用价值的砂黏土为研究对象，来研究砂黏土在冻融条件下的力学性能。在已经认识了冻土所具有的冻胀融沉等特性的条件下，对已经处于冻融状态下的砂黏土土样进行三轴压缩试验并设置对照组，以试验数据基础，探究在冻融条件下影响岩土体强度因素的条件以及在力学性能方面表现出的规律，最终得出结论。

[关键词]：冻土; 砂黏土; 三轴压缩试验; 对照组

TU411.3A

随着工程建设的发展，在高寒地区进行工程建设的困难很多，其中重中之重是高寒地区冻土问题。

冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。研究冻土的安全问题其实就是在研究岩土体的冻胀融沉与工程的稳定性之间的联系。砂黏土在冻融作用下力学性能与冻土方面的一些安全指标有着密不可分的关系。对此，国内外许多学者对岩土体的冻胀融沉与工程稳定性的联系已做过不少研究，并提出了一些有效防止或改善岩土体冻融破坏的方案。

本文在此基础上，通过对砂黏土试样进行三轴压缩试验，得到试验数据，并进行分析，探究在冻融条件下影响岩土体强度因素的条件以及在力学性能方面表现出的规律。最终所得的数据和结论可以应用到工程中，为工程建设提供依据。

1 研究背景

冻土在高寒地区常出现，由于含冰与反复的冻融作用，使受力地基情况更为复杂，增大了地基的不稳定性。特别是对路基，桥梁，隧道和涵洞的危害现象尤为显著。由于冻土对温度的敏感性，使得冻土工程主要受到2个方面的危害：冻胀和融沉。冻胀大多发生在季节冻土区，是指土体在冻结过程中，孔隙水与结合水冻结成冰，导致其体积孔隙内体积增大，造成土颗粒的相对移动，使土体产生扩张，造成冻胀;融沉多见于多年冻土地区，在冻结土层融化时地基发生不均匀沉降，使地面不均匀变形，具有强度低、孔隙比大、含水量大，在外荷载和土层自重作用下产生较大压缩变形等特点[1]。

Tsytovich[2]在1937年进行了单轴抗压试验，为了得到冻土与温度之间的关系。这是对冻土进行最初的系统的研究。Vialov[3]建立了冻土的非线性蠕变模型，Assur[4]通过试验，建立了不同条件下的冻土蠕变模型。

国内对于冻土系统的研究开始于20世纪90年代。蔡中民[5]通过大量的单轴、三轴抗剪等试验，得到了冻土黏弹塑性的本构方程。田江永[6]提出在工程实践中，永久冻土可以看成脆性材料进行分析。赖远明[7]利用冻结状态下的砂土，修正了邓肯-张模型和莫尔强度准则，解释了冻土应变软化现象和应变硬化现象。宋明哲[8]介绍了研究冻土的必要性，通过对不同控制因素对冻土的物理力学性质进行分析。李顺群[9]对冻土力学性质影响因素的显著性和因素间交互作用进行了研究。闫冰[10]对冻土的动弹性模量和动强度进行了显著性研究。

砂质黏土这类土壤泛指与砂土性状相近的一类土壤，其物理黏粒含量一般为15%。其主要特点有透水性好、保蓄性差、土温变幅大等，而这些特点使得砂黏土很适合进行冻土方面的研究。

2 试验方案及试验数据整理与分析

2.1 静力三轴压缩试验

静力三轴压缩试验所用的仪器为静力三轴仪，采用圆柱形试样，其高度与直径之比为2～2.5。试样用薄橡皮膜包裹，使土样的孔隙水与膜外液体（水）完全隔开。对试样的空间3个坐标方向上施加压力。试验时先通过压力室内的有压液体，使试样在3个轴向受到相同的周围压力σ3（其大小由压力计测定），并维持整个试验过程不变。然后通过活塞向试样施加垂直轴向压力，直到试样剪坏，按莫尔强度理论计算剪破面上的法向应力与极限剪切应力。静力三轴压缩试验为核心试验，用来探究岩土体的抗剪强度和主应力差等力学性能的规律。

2.2 试验过程

试验主要分为几方面：

（1）制作土样：在保证每个土样的形状大小，密度及含水率相同的前提下，制作6组，每组3个，总计18个土样。其中1组为对照组（室温条件），5组为进行冻结试验的试验组。

（2）冻结试验：取试验组土样将其放入人工冻土仪器进行冻结，设定温度分別为0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃及-20 ℃，每组土样冻结时间相同且超过24 h。

（3）三轴压缩试验：对对照组和试验组等6组土样分别进行固结不排水剪，在保证室内温度等其他参数相同的条件下，设定围压分别为100 kPa、200 kPa以及400 kPa，记录数据并整理。待三轴压缩试验完成后，对已压坏的土样分别进行含水率测定。压坏的土样如图1所示，从左至右分别为围压100 kPa、200 kPa和400 kPa的土样。

（4）在对比了不同温度下通过三轴压缩试验得到的强度指标后，针对同一温度下不同冻结天数的试样进行了三轴压缩试验：以-10℃的土样为例，分别冻结24 h、48 h、72 h以及96 h后，设定围压分别为100 kPa、200 kPa以及400 kPa，同时记录数据并整理，并在土样破坏后进行含水率测定。

2.3 试验数据汇总与分析

2.3.1 应力-应变计算方法

（1）计算剪切过程中试样的平均面积。

Aα=A01-ε1

式中：Aα为剪切过程中平均断面积（cm2）;A0为土样初始断面面积（cm2）;ε1为轴向应变。

（2）计算主应力差。

σ1-σ3=10×CRAα=CR（1-ε1）A0×10

式中： σ1-σ3为主应力差（kPa）;C为测力计率定系数（N/0.01mm）;R为测力计读数（0.01mm）;10为单位换算系数。

2.3.2 数据汇总、应力曲线选取与分析

通过三轴压缩试验得到轴向应变并计算出主应力差，其中最大轴向应变和主应力差如表1、表2所示。

根据得到的主应力差绘制应力曲线。不同温度、相同冻结时间的主应力差应力曲线如图2～图7所示。

由表1可知，相同温度下，20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-15 ℃的最大主应力差均出现在围压400 kPa处，分别为150 kPa、146.7 kPa、139.7 kPa以及130 kPa。-10 ℃的最大值出现在围压100 kPa处，为123.3 kPa;-20 ℃的最大值出现在围压200 kPa处，为162 kPa。当围压相同时，围压100 kPa、200 kPa以及400 kPa，最大主应力差均出现在-20 ℃处，分别为153.3 kPa、162 kPa和157 kPa。但根据表中数据发现，轴向应变和主应力差的变化趋势为先随着温度的降低而减小，当减小到一定值后随着温度的降低而变大。

由图2～图6可以看出，主应力差随三轴压缩试验的进行而增大，且最开始增长较为迅速，随后增长速率减慢，近似线性增长，并最终趋于平稳并有下降趋势，曲线形状为上凸型曲线。除-10 ℃及-20 ℃外，当冻结温度相同时，主应力差最大值均出现在围压400 kPa处，且整体趋势为围压越大，轴向应变与主应力差越大，这说土样破坏时的轴向应变和主应力差随着围压的增大而增大。对于-10 ℃和-20 ℃，可能由于制作土样时未能保证同组土样的孔隙率和含水率等无关变量相同以及试验过程的不规范导致出现误差。

相同温度、不同冻结时间的主应力差应力曲线如图8～图10所示。其中冻结24 h的应力曲线见图4。

由表2可知，相同冻结时间下，除冻结24 h外，冻结48 h、72 h、96 h的最大主应力差均发生在围压400 kPa处，分别为198.3 kPa、226.7 kPa、212.7 kPa。当围压相同时，围压100 kPa、200 kPa以及400 kPa，最大主应力差出现在冻结48 h、72 h以及72 h处，分别为166.7 kPa、176.7 kPa和226.7 kPa。根据表中数据发现，轴向应变和主应力差的变化趋势为先随着冻结时间的增大而增大，当增大到一定值后随着冻结时间的增大而减小。

由图4以及图8～图10可以看出，主应力差随试验时间的增长而非线性增大，且最开始增长较为迅速，随后增长速率减慢。随时间的增长曲线趋于平稳并有下降的趋势。整体呈上凸型。当冻结时间相同时，主应力差最大值均出现在围压400 kPa处，由此可知，土样抗剪强度和主应力差会随围压的增大而增大。

各组土样破坏后平均含水率如表3、表4所示。

（1）不同温度下破坏后土样的平均含水率，随冻结温度的降低而逐渐降低。其中最大值为室温条件下（20 ℃），平均含水率为23.84%;最小值为冻结温度-20 ℃条件下，平均含水率为23.49%。

（2）-10 ℃冻土土样冻结不同时间下的平均含水率，随冻结时间的增大而降低。其中最大值为冻结24 h条件下，平均含水率为23.65%;最小值为冻结96 h条件下，平均含水率为23.55%。

3 结论

（1）土样的轴向应变和主应力差随时间的增长而增大，且最开始增长较为迅速，随后增长速率减慢，到达最大值后趋于平稳并有下降趋势，曲线形状为上凸型曲线。

（2）土样抵抗剪切变形的能力随着围压的增大而变强。

（3）土样经过冻结后，平均含水率变小，且温度越低、冻结时间越久，含水率越小，但达到一定冻结时间后，含水率几乎不发生变化，趋于稳定。

（4）由于本次试验试样的数量和时间的限制，未能摸清冻结温度和冻结时间是通过影响粘聚力还是内摩擦角来影响土样的工程性质。剪应变和主应力差随冻结温度和时间的变化也并非单纯的正向或反向，造成这种现象的原因是什么，是否与土样的的含水率有关，还需要做进一步的系统性试验研究。

参考文献

[1] 刘亚，蒋宁山，李辉，等.温度变化对冻土力学性质影响研究现状[J].青海科技，2018，25（1）：83-86.

[2] Tsytovich NA ，Sumgin M I .Principles of mechanics of frozen ground[C].US SIPRE Transl，1937，（19）：106-107 .

[3] Vialov S.S..The strength and creep of frozen soils and calculations for ice-soil retaining structures[R].USA Cold Regions Research and Engineering Laboratory，1965.

[4] Assur A .Some promising trends in ice mechanics[M].Physics and mechanics of ice，1980.

[5] 蔡中民，朱元林，等.冻土的粘弹塑性本构模型及材料参数的确定[J].冰川冻土，1990，12（1）：31-40.

[6] 田江永.強度理论在冻土本构模型中的应用[D].西安：西北农林科技大学，2006.

[7] 赖远明，程红彬，高志华，等.冻结砂土的应力应变关系及非线性莫尔强度准则[J].岩石力学与土工程学报，2007，26（8）：1612-1617.

[8] 宋明哲，程玉龙.冻土力学性质的影响因素分析及新方法的应用[J].科技创新与应用，2017（11）：299.

[9] 李顺群，高凌霞，柴寿喜.冻土力学性质影响因素的显著性和交互作用研究[J].岩土力学，2012，33（4）：1173-1177.

[10] 闫冰.冻土力学性质影响因素的显著性分析[J].科技风，2017（10）：249.