禹冠男

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150090)

凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

禹冠男

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150090)

通過(guò)對(duì)凍結(jié)鹽漬土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究不同凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓的凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度特性與本構(gòu)關(guān)系。研究表明：凍結(jié)鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變硬化型，滿足鄧肯-張雙曲線本構(gòu)模型，并確定本構(gòu)模型參數(shù)。凍結(jié)鹽漬土隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力不斷增加，曲線分為彈性變形階段和塑性變形階段兩個(gè)變形階段。隨著圍壓的增加，凍結(jié)鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，早期強(qiáng)度、彈性模量和破壞強(qiáng)度增加，工程性能和抵抗變形能力增強(qiáng)，而凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)卻與之相反。

凍結(jié)鹽漬土; 三軸試驗(yàn); 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系; 本構(gòu)模型

我國(guó)鹽漬土分布廣泛，占全國(guó)面積的2%[1]，其中大面積分布于季節(jié)凍土和多年凍土區(qū)。凍土是一種復(fù)雜架構(gòu)的多相體，包括礦物、冰、水和氣，由于溫度的降低，水不斷凍結(jié)形成冰膠結(jié)物，產(chǎn)生冰膠結(jié)作用，使得凍土的力學(xué)性能相對(duì)比較復(fù)雜[3]，其中，凍土強(qiáng)度的研究是凍土力學(xué)的一個(gè)重要課題[4]，但對(duì)于特殊性凍結(jié)鹽漬土就更為復(fù)雜，因此，研究?jī)鼋Y(jié)鹽漬土問(wèn)題是寒區(qū)工程建設(shè)中的難點(diǎn)。

對(duì)于凍結(jié)鹽漬土力學(xué)特性的研究，學(xué)者們已取得一些成果。邴慧等[5-7]對(duì)蘭州黃土進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，研究不同凍融循環(huán)次數(shù)、含鹽量和含水量的黃土狀鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線、破壞及強(qiáng)度特性。陳錦等[8]凍結(jié)含鹽土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究表明，含水量對(duì)含鹽土強(qiáng)度的影響與鹽分類型及含量有關(guān)，且隨著含水量的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)。楊成松等[9]對(duì)飽和含鹽凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，研究溫度、含鹽量與含鹽凍結(jié)粉質(zhì)黏土的屈服應(yīng)力和抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系；并引入相對(duì)溫度的概念，建立非鹽漬土和鹽漬土之間力學(xué)性質(zhì)上的聯(lián)系。陳煒韜等[10-11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)不同含鹽量和不同含鹽類型鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，從晶體位置變化、微觀結(jié)構(gòu)、鹽類性質(zhì)及未凍水含量等方面分析凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)鹽漬土黏聚力的作用機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹽漬土的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定。

在我國(guó)東北寒冷地區(qū)分布著大量?jī)鼋Y(jié)鹽漬土，由于其力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，為了工程建設(shè)需要對(duì)鹽漬土的強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行研究是必要的。對(duì)凍結(jié)鹽漬土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究不同凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓的凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律及力學(xué)特性，探索適合的本構(gòu)關(guān)系，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)凍結(jié)鹽漬土的工程性質(zhì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)土樣及其制備

土樣取自大慶地區(qū)鹽漬土，屬粉質(zhì)粘土。鹽漬土試樣制備：首先將鹽漬土風(fēng)干碾壓過(guò)2 mm篩，由擊實(shí)試驗(yàn)得最大干密度1.78 g/cm3和最佳含水量15.8%，以此配置土樣，然后將其放入塑料袋中悶料12 h，待水分均勻分布后制備試樣；分三層擊實(shí)，制成高度為125 mm、直徑為61.8 mm的圓柱形試樣，為保證凍結(jié)完全放入-30 ℃的冷凍箱內(nèi)快速凍結(jié)24 h，再將其放入所需達(dá)到凍結(jié)溫度恒溫24 h，為使其充分融化,放入0 ℃的恒溫箱內(nèi)24 h，再將其放入所需達(dá)到凍結(jié)溫度的冷凍箱快速凍結(jié)24 h，完成一個(gè)凍融過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)方案，將試樣完成所需凍融循環(huán)次數(shù)后，放入所需凍結(jié)溫度的恒溫箱內(nèi)24 h，使試樣完全恒溫備用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器為應(yīng)變式低溫三軸剪切儀，該儀器由周圍壓力、反壓力、孔隙水壓力系統(tǒng)和主機(jī)組成。對(duì)鹽漬土進(jìn)行不同凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓三軸試驗(yàn)，剪切速率為1.25 mm/min。破壞標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)力峰值點(diǎn)或應(yīng)變達(dá)到20%為止，具體工況見表1。

表1 凍結(jié)鹽漬土試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

2.1.1 凍結(jié)溫度的影響

由圖1可知，隨著凍結(jié)溫度降低，凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，強(qiáng)度越強(qiáng)，工程性能越好。

凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化初期，曲線處于彈性階段，線性程度較好，早期強(qiáng)度和彈性模量增加；應(yīng)變?cè)黾忧€進(jìn)入彈塑性階段，屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度增加。原因在于凍結(jié)溫度越低，土體中水轉(zhuǎn)化成冰越快，冰晶越結(jié)實(shí)膠結(jié)力越強(qiáng)。因此，隨著凍結(jié)溫度降低，凍結(jié)鹽漬土的強(qiáng)度越好，抵抗變形的能力越強(qiáng)，屬于典型彈塑性破壞特征。

圖1 不同凍結(jié)溫度凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

由圖2可知，隨著應(yīng)變?cè)黾?，凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力不斷增加最后趨于穩(wěn)定，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型特征。

加載初期直線段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加凍結(jié)鹽漬土早期強(qiáng)度和彈性模量降低；隨著應(yīng)變?cè)黾舆M(jìn)入曲線階段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加凍結(jié)鹽漬土屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度降低。實(shí)質(zhì)上是鹽漬土所受凍融循環(huán)次數(shù)越多時(shí)，土體中水與冰相互轉(zhuǎn)化次數(shù)越多，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷越大，土體結(jié)構(gòu)越脆弱，導(dǎo)致凍結(jié)鹽漬土工程性能和抵抗變形的能力越差。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1.3 圍壓的影響

由圖3可知，凍結(jié)鹽漬土隨著應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力不斷增加，曲線分兩個(gè)變形階段，即彈性變形階段和塑性變形階段。初始彈性階段，隨著圍壓增加，早期強(qiáng)度和彈性模量增加；接著，應(yīng)變?cè)黾舆M(jìn)入彈塑性階段，隨著圍壓增加，屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度不斷增加，且有較高的后期強(qiáng)度。分析其原因在于圍壓越高，對(duì)土體側(cè)向約束越強(qiáng)，產(chǎn)生側(cè)向變形越小，土顆粒間更加緊密，土體更為密實(shí)。因此，圍壓越大，凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度提升越明顯，抵抗變形的能力越強(qiáng)，土體性能得到有效改善。

圖3 不同圍壓凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.2凍結(jié)鹽漬土本構(gòu)模型分析

凍結(jié)鹽漬土隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力不斷增加，達(dá)到一定應(yīng)變后曲線不斷平穩(wěn)，無(wú)應(yīng)力峰值點(diǎn)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型特征。將凍結(jié)鹽漬土(σ1-σ3)～εa關(guān)系整理，得εa/(σ1-σ3)～εa關(guān)系近似為線性關(guān)系：

=a+bε1.

(1)

式中：a，b為與土性有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù)；a為截距，b為斜率，參數(shù)a，b見表2。

表2 凍結(jié)鹽漬土參數(shù)a，b值

凍結(jié)鹽漬土(σ1-σ3)～εa關(guān)系近似為雙曲線關(guān)系，滿足鄧肯-張雙曲線模型。三軸試驗(yàn)中，切線模量為

(2)

式中：a為初始變形模量Ei的倒數(shù)，b為極限主應(yīng)力差(σ1-σ3)ult漸進(jìn)線的倒數(shù)。繪制lg(Ei/pa)與lg(σ3/pa)的關(guān)系可知，兩者近似為線性關(guān)系(見圖4)。

(3)

式中：pa為大氣壓，量綱與σ3相同。

圖4 凍結(jié)鹽漬土lg(Ei/pa)與lg(σ3/pa)關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

1)凍結(jié)鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變硬化型，滿足鄧肯-張雙曲線模型。

2)凍結(jié)鹽漬土隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力不斷增加，曲線分兩個(gè)變形階段，即彈性變形階段和塑性變形階段。

3)隨著圍壓增加，凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，強(qiáng)度越強(qiáng)，工程性能越好，屬于典型彈塑性破壞特征，而凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)與之相反。

4)加載初期彈性階段，隨著圍壓增加凍結(jié)鹽漬土早期強(qiáng)度和彈性模量增加；隨著應(yīng)變?cè)黾舆M(jìn)入彈塑性階段，隨著圍壓增加凍結(jié)鹽漬土屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度增加，且有較高的后期強(qiáng)度。因此，圍壓越大，凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度明顯提升，增強(qiáng)抵抗變形的能力，改善土體性能。而凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)與之相反。

[1] 徐斅祖,王家澄,張立新.凍土物理學(xué)[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2010:1-378.

[2] 吳紫汪,馬巍.凍土強(qiáng)度與蠕變[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,1994.

[3] 崔托維奇H A.凍土力學(xué)[M].張長(zhǎng)慶, 朱元林，譯.北京:科學(xué)出版社,25-43.

[4] 邴慧,何平.凍融循環(huán)對(duì)含鹽土物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J].巖土程學(xué)報(bào),2009,31(12): 1968-1962.

[5] 邴慧.反復(fù)凍融作用下含鹽土路基破壞機(jī)理研究[D].蘭州:中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,2008.

[6] 邴慧,武俊杰,鄧津.黃土狀鹽漬土洗鹽前后物理力學(xué)性質(zhì)的變化[J].冰川凍土,2011,33(4):796-800.

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[8] 楊成松,何平,程國(guó)棟,等.含鹽凍結(jié)粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2006,23(1):144-148.

[9] 陳煒韜,王鷹,王明年,等.凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土粘聚力影響的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007, 28(11): 2343-2348.

[10] 陳煒韜.環(huán)境因素變化對(duì)格爾木地區(qū)鹽漬土剪強(qiáng)度參數(shù)的影響研究[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Experimental study on the frozen saline soil strength characteristics

YU Guannan

(Longjian No.4 Road and Bridge Engineering Co., Ltd., of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China)

Through the frozen saline soil in triaxial test, this paper studies the different freezing temperature, freezing and thawing cycles and confining pressure freeze saline soil strength characteristics and constitutive relation.Studies have shown that frozen saline soil stress-strain relationship curves of strain hardening model, can meet the Duncan-double curve, and determine the constitutive model and constitutive model parameters.The frozen saline soil with strain increases with the stress. The curve consists of two deformation stages for elastic deformation and plastic deformation phase.With the increase of confining pressure frozen saline soil stress-strain curve, the early strength, elastic modulus and fracture strength are on the increase, and the engineering properties and resistance to deformation ability are enhanced, while the freezing temperature and freezing and thawing cycles are in decrease.

frozen saline soil;triaxial test;stress-strain relationship;constitutive model

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.006

2017-03-20

禹冠男(1981-)，男，工程師，研究方向：凍土區(qū)路基工程技術(shù).

TU448

A

1671-4679(2017)03-0019-03