張 虎，張建明，蘇 凱，劉世偉

中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000

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凍土旁壓試驗與單軸試驗對比

張 虎，張建明，蘇 凱，劉世偉

中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000

為了認(rèn)識凍土旁壓試驗結(jié)果與常規(guī)試驗結(jié)果之間的關(guān)系，在室內(nèi)分別開展了凍結(jié)重塑黏土的旁壓試驗和單軸壓縮試驗，并對試驗結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明，在各級荷載作用下旁壓曲線一般都呈現(xiàn)應(yīng)變速率衰減的趨勢，而單軸曲線在凍土破壞時會出現(xiàn)漸進流動階段。旁壓試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，而且出現(xiàn)初始擬彈性階段；而單軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線則屬于應(yīng)變軟化型，并在軸向應(yīng)變大約為10%時達到剪應(yīng)力峰值。溫度相同時，旁壓試驗的剪切強度以及初始彈性模量都要大于單軸試驗，且溫度越低差值越大。

旁壓試驗；單軸壓縮試驗；剪切強度；初始彈性模量

0 引言

旁壓儀作為一種操作方便的原位試驗儀器,能夠最大程度地減小對土體的擾動，獲得原位土體的力學(xué)性質(zhì)。在巖土工程領(lǐng)域，旁壓儀已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并從20世紀(jì)70年代以來成功地引入凍土力學(xué)研究中[1-4]。

截止目前，學(xué)者們利用旁壓試驗已經(jīng)得出了大量的研究成果，這些成果主要針對如何確定土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[5-9]以及計算土體強度和模量參數(shù)[10-12]。無論是旁壓試驗還是室內(nèi)常規(guī)試驗，其最終目的都是為工程建設(shè)提供參考，然而針對相同土體，試驗方式的不同就會得到不同的試驗結(jié)果，試驗結(jié)果的多樣性就對工程活動的參考造成了很大困難，所以將旁壓試驗與室內(nèi)試驗結(jié)果之間進行對比分析就成為了必要。這樣不僅可以了解不同試驗方法所得到結(jié)果之間的差異，還能大大提高其結(jié)果的工程利用價值。為了研究旁壓試驗結(jié)果與室內(nèi)單軸試驗結(jié)果的關(guān)系，筆者開展了重塑凍土的旁壓試驗，并選用相同的土樣進行了單軸壓縮試驗，最后對比分析了這兩種試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、剪切強度和彈性模量之間的關(guān)系。

1 旁壓試驗與單軸壓縮試驗介紹

1.1 旁壓試驗

旁壓試驗是在位于中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的低溫實驗室內(nèi)開展的，室內(nèi)采用風(fēng)冷降溫，溫度控制精度為±0.1℃。所采用的儀器為Menard旁壓儀，試驗在置于低溫實驗室內(nèi)的方形鐵箱中進行，鐵箱尺寸為194 cm×194 cm×100 cm，如圖1所示。試驗前將接近飽和含水量的青藏黏土拌勻后填充到鐵箱內(nèi)(密度約為2 142 kg/m3)，填土之前需將適宜尺寸的圓形塑料管均布在土體中以便形成預(yù)留的旁壓試驗孔。模型中采用了方形布孔的方式，共預(yù)留了4個旁壓試驗孔。根據(jù)試驗規(guī)范[13]，為了避免旁壓試驗的相互干擾對試驗結(jié)果的影響，相鄰兩孔位之間的距離設(shè)置為1 m，孔洞離兩側(cè)鐵箱側(cè)壁的距離都為0.47 m。在每個試驗孔旁邊沿深度安放3個溫度探頭(可將溫度探頭綁在竹竿上以固定其位置)，土體表面覆蓋塑料布以免土中水分的蒸發(fā)。準(zhǔn)備工作完成后，將整個低溫室冷卻到試驗所需溫度并保持一段時間，當(dāng)土體溫度均勻后將圓形塑料管拔出，并將旁壓探頭放進孔洞內(nèi)開始試驗。試驗完成后將試驗深度處的土體取樣、烘干，測量含水量。

筆者共開展了4個不同溫度條件下的旁壓試驗，試驗均采用等壓力增量加載，加載等級根據(jù)試驗溫度來調(diào)整(表1)。每次加載后持續(xù)大約30.0 min，期間每隔0.5～5.0 min記錄一次壓力和體積讀數(shù)。當(dāng)旁壓儀體積讀數(shù)達到750 cm3時停止試驗。

圖1 低溫室內(nèi)旁壓試驗Fig.1 Pressuremeter test in cold room

Table 1 Frozen soil conditions for pressuremeter tests and uniaxial tests

試驗號加載等級/MPa溫度/℃含水量/%旁壓試驗P10．3-4．9018．6P20．3-2．9517．8P30．2-1．9518．3P40．2-1．1818．9單軸試驗U10．3-4．9017．7U20．3-2．9517．6U30．2-1．9517．0U40．2-1．1817．7U50．1-0．8016．3U60．1-0．5016．4U70．1-0．3016．8U80．1-0．1016．3

1.2 單軸壓縮試驗

旁壓試驗完成后，直接取試驗點深度處的土體制成Φ61.8 mm×125 mm的單軸試驗樣以保證2種試驗的土樣相同。然后將土樣放進恒溫箱內(nèi)在相同的溫度下保持恒溫；最后在單軸試驗機上進行單軸試驗。本次單軸試驗共開展8個，除了與旁壓試驗對應(yīng)的4個溫度外，還增加了4個溫度稍高的單軸試驗。試驗方式同樣為等壓力增量加載，加載等級根據(jù)溫度來調(diào)整(表1)，每次加載后持續(xù)大約30 min。

2 旁壓試驗與單軸試驗結(jié)果描述

圖2表示的是在等壓力增量加載下旁壓應(yīng)變隨時間的變化趨勢。文中是將環(huán)向應(yīng)變作為旁壓應(yīng)變[14-15]，即孔洞半徑變化量與孔洞初始半徑之比 。當(dāng)壓力較小時，旁壓應(yīng)變隨壓力的增大成比例增加，此時主要表現(xiàn)為凍土的彈性變形；隨著壓力的增大，旁壓應(yīng)變開始加速增加，此時孔洞周圍的凍土開始發(fā)生結(jié)構(gòu)改變而表現(xiàn)為塑性變形。從變形過程的整體趨勢來看，旁壓應(yīng)變隨壓力的逐漸增加而加速發(fā)展；然而，在每級壓力下凍土變形隨時間的發(fā)展均呈現(xiàn)衰減的趨勢。

T為溫度。圖2 旁壓試驗應(yīng)變隨時間變化曲線Fig.2 Strain-time curve of pressuremeter test

圖3 單軸試驗應(yīng)變隨時間變化曲線Fig.3 Strain-time curve of uniaxial compression test

圖3表示在等壓力增量加載下凍土單軸試驗軸向應(yīng)變εa隨時間的變化趨勢。從圖3可以看出，單軸試驗的應(yīng)力加載曲線與旁壓試驗稍有不同。這是由于該試驗機為滾軸絲杠加載，其達到每級目標(biāo)壓力都需要一定的時間，土樣的變形速率越大需要的時間越長；并且當(dāng)變形速率過大即土樣發(fā)生破壞時，施加于土樣的應(yīng)力開始減小。單軸試驗中，軸向應(yīng)變隨時間的發(fā)展趨勢與旁壓試驗曲線相似，但是當(dāng)土樣破壞時會出現(xiàn)軸向應(yīng)變加速增加的漸進流階段，如圖3中最后一級壓力下應(yīng)變的發(fā)展過程。

3 對比分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變對比分析

對于旁壓試驗，可利用Ladanyi[6]提出的方法計算土體的剪應(yīng)力τ，從而確定凍土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線τ-εp。對于單軸試驗，如果將其當(dāng)作圍壓為0的三軸試驗，那么也可得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系τ-εa，其中剪應(yīng)力為軸向壓力的1/2。如圖4所示，旁壓試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有著較大的差別。旁壓曲線主要表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，當(dāng)應(yīng)變較小時凍土變形近似彈性，應(yīng)變增加到約1.3%時凍土出現(xiàn)初始屈服；而后隨著應(yīng)變的增加剪應(yīng)力增加的速率逐漸減小，但始終保持增長的趨勢。與旁壓曲線不同，單軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)明顯的初始屈服點；隨著軸向應(yīng)變增加剪應(yīng)力不斷增大，達到峰值后又逐漸下降；其曲線類型屬于應(yīng)變軟化型，產(chǎn)生峰值應(yīng)力時應(yīng)變約為10%。

圖4 兩種試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.4 Comparison of stress-strain curves of the two kinds of tests

3.2 強度與模量對比

由表1可知，各試驗土樣的含水量是非常相近的，所以在數(shù)據(jù)分析時可不考慮含水量的影響。由于旁壓試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)峰值，那么將旁壓應(yīng)變εp=15%時對應(yīng)的剪應(yīng)力作為凍土旁壓剪切強度[13]，見表2。圖5表示旁壓試驗的剪切強度τp與單軸試驗剪切強度τu隨溫度的變化趨勢。從圖5可以看出，無論是旁壓試驗還是單軸試驗，其剪切強度都隨負(fù)溫呈線性關(guān)系，并隨負(fù)溫的降低而增大。線性回歸式如下：

(1)

(2)

從上述公式可知：當(dāng)負(fù)溫相同時旁壓試驗剪切強度τp大于單軸試驗剪切強度τu，且兩者的差值隨溫度的變化而變化，溫度越低差值越大，溫度越高差值越小。由圖5可知,當(dāng)溫度高于-1.0℃時，這種差值幾乎可以忽略。

在不排水平面應(yīng)變的條件下，旁壓探頭周圍土體認(rèn)為體應(yīng)變εv=0，從而剪切應(yīng)變γ=2εp[16]，那么從圖4中旁壓試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線中得到的初始曲線斜率便是凍土初始剪切模量Gi的2倍。那么通過彈性模量E與剪切模量G的關(guān)系公式E=2(1+μ)G，可得到旁壓試驗凍土的初始彈性模量Ep，見表2(其中通過Ladanyi[17]的實驗結(jié)果，將泊松比μ選取為0.5)。而對于單軸試驗，剪應(yīng)力為軸向壓力的1/2，那么從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上得到的初始曲線斜率便是凍土彈性模量Eu的1/2。圖6表示旁壓試驗 初始彈性模量Ep與單軸試驗初始彈性模量Eu隨

表2 旁壓試驗與單軸試驗的試驗結(jié)果

Table 2 Test results of pressuremeter tests and uniaxial tests

試驗號剪切強度/MPa初始彈性模量/MPa旁壓試驗P12．10153．86P21．4796．48P30．8870．94P40．6837．53單軸試驗U11．3363．96U20．9238．32U30．7127．80U40．5417．70U50．3414．21U60．2611．38U70．215．27U80．111．96

圖5 兩種試驗的剪切強度隨溫度的變化關(guān)系Fig.5 Variation of shear strength with temperature for the two kinds of tests

溫度的變化趨勢。與剪切強度類似，Ep和Eu與負(fù)溫之間也呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系：

(3)

(4)

從式(3)、(4)可知，在相同溫度條件下Ep比Eu要大得多。

從上述分析可以看出，旁壓試驗得出的剪切強度和彈性模量與單軸試驗有較大的差別，這主要是由于旁壓試驗的受力狀態(tài)與單軸試驗不同造成的。單軸試驗中沒有側(cè)限約束，使得土樣能夠沿側(cè)向自由變形而導(dǎo)致內(nèi)部容易產(chǎn)生豎向裂縫，其結(jié)果是強度和彈性模量都較小。對于旁壓試驗，探頭周圍土體的受力狀態(tài)要復(fù)雜得多，豎向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力能夠起到一定的圍壓作用而使得凍土強度和彈性模量較大。

圖6 兩種試驗的初始彈性模量隨溫度的變化關(guān)系Fig.6 Variation of initial deformation modulus with temperature for the two kinds of tests

4 結(jié)論

1)在每級壓力下，旁壓試驗曲線都呈現(xiàn)衰減變形特征，而單軸試驗曲線在凍土破壞時會產(chǎn)生漸進流動階段。

2)旁壓試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，而且出現(xiàn)了較明顯的近似彈性階段；而單軸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，在軸向應(yīng)變約為10%時達到剪應(yīng)力峰值。

3)無論是旁壓試驗還是單軸試驗，其剪切強度和初始彈性模量都隨溫度的降低而線性增加。溫度相同時，旁壓試驗的剪切強度以及初始彈性模量都要大于單軸試驗，且其差值隨著溫度的變化而變化，溫度越低差值越大，溫度越高差值越小,但當(dāng)溫度高于-1.0℃時,差值幾乎可以忽略。

4)原位旁壓試驗在不破壞土體結(jié)構(gòu)的前提下能夠得到更加可信的力學(xué)參數(shù)，而單軸試驗中土樣的力學(xué)狀態(tài)受到了很大的改變，所得到的力學(xué)參數(shù)會在一定程度上失真，這種差別在工程實踐參數(shù)選擇時應(yīng)詳加考慮。單軸試驗受力狀態(tài)較為簡單，而旁壓試驗卻較為復(fù)雜，理論上與三軸試驗的受力狀態(tài)更為接近，所以在后續(xù)工作中將旁壓試驗與三軸試驗進行對比也是非常必要的。

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Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compression Test of Frozen Soil

Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai, Liu Shiwei

StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

In order to identify the relationship between pressuremeter tests and indoor tests, the pressuremeter tests and uniaxial tests were performed and the comparisons between the test results were analyzed. The results indicate that the pressuremeter creep curve presents a decaying form; while a progressive flow stage appears in the uniaxial test once the frozen soil is broken. The stress-strain curves of pressuremeter test manifest a strain-hardening character with an initial quasi-elastic stage; while the uniaxial test shows a strain-softening stress-strain curve with peak strength at the axial strain of 10%. At the same temperature, the shear strength as well as the initial deformation modulus of pressuremeter test are greater than those of uniaxial tests; and the difference increases with the decreasing of temperature.

pressuremeter test; uniaxial compression test; shear strength; initial deformation modulus

10.13278/j.cnki.jjuese.201505202.

2014-12-01

國家自然科學(xué)基金項目(40971045);凍土工程國家重點實驗室自主研究課題(SKLFSE-ZY-02-6)

張虎(1986--)，男，助理研究員，博士，主要從事寒區(qū)巖土工程等方面的研究，E-mail:zhanghu@lzb.ac.cn

張建明(1963--)，男，研究員，主要從事寒區(qū)巖土工程等方面的研究，E-mail:zhangjm@lzb.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201505202

TU413.3

A

張虎，張建明，蘇凱，等. 凍土旁壓試驗與單軸試驗對比.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(5):1479-1484.

Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai,et al. Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compression Test of Frozen Soil.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(5):1479-1484.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201505202.