操子明, 馬芹永

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

現(xiàn)如今人工凍結(jié)法施工越來越多地應(yīng)用到地鐵隧道以及其聯(lián)絡(luò)通道施工中[1-2]，由于膨脹土是一種含蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物成分，并且有多裂隙性和強(qiáng)脹縮性的高塑性黏土[3]，因此在特殊性的膨脹土地區(qū)進(jìn)行凍結(jié)法施工會(huì)有所不同。因此，研究膨脹土在凍結(jié)狀態(tài)下的強(qiáng)度具有重要的意義。

目前對(duì)膨脹土的力學(xué)特性的研究較多，大多數(shù)研究都是集中在常溫下膨脹土的物理力學(xué)特性，文獻(xiàn)[4-5]研究了含水率對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響；文獻(xiàn)[6]研究了膨脹土強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、干密度及飽和度的關(guān)系，以及強(qiáng)度與膨脹壓力之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[7]研究了不同初始含水率和不同風(fēng)化砂摻量對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；但在低溫環(huán)境下含水率對(duì)膨脹土單軸抗壓強(qiáng)度影響的研究鮮見報(bào)道。在以往的研究中，許多學(xué)者對(duì)凍結(jié)黏土、凍結(jié)砂土、凍結(jié)砂質(zhì)黏土、凍結(jié)低液限黏土等進(jìn)行研究[8-12]，結(jié)果表明凍土的強(qiáng)度與含水率、溫度有很大的關(guān)系。

由于膨脹土中含有大量的親水性礦物，導(dǎo)致含水率對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度的影響很大。以往關(guān)于含水率對(duì)凍土強(qiáng)度的研究，文獻(xiàn)[13]以青藏鐵路沿線的凍結(jié)砂土為研究對(duì)象，研究了超飽和含水率對(duì)不同溫度下凍結(jié)砂土強(qiáng)度的影響，并給出了相應(yīng)的凍土強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[14]27選取天津地區(qū)粉質(zhì)黏土和黏土進(jìn)行不同含水率凍土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，提出了同一溫度下人工凍土強(qiáng)度隨含水率變化存在一峰值，峰值對(duì)應(yīng)的含水率定義為“凍土最佳含水率”。因此，對(duì)于不同的土質(zhì)，含水率對(duì)其強(qiáng)度的影響規(guī)律并不完全一致?？紤]到實(shí)際工程凍結(jié)法施工過程中凍結(jié)壁的凍結(jié)溫度在-5℃～-10℃[15]，所以本文選取-5℃條件下不同含水率對(duì)膨脹土力學(xué)性質(zhì)和破壞形態(tài)的影響，為膨脹土地區(qū)的凍結(jié)法施工提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 土樣和試樣的制備

試驗(yàn)所用的土料取自合肥市地鐵施工線路上的膨脹土，密封包裝后帶回實(shí)驗(yàn)室。按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)的要求，進(jìn)行土體的基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，土粒比重為2.71，塑限為22.0，液限為42.8，塑性指數(shù)為20.8，自由膨脹率為46%。土樣顆粒組成如圖1所示。根據(jù)膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[16]分類，土樣屬于弱膨脹土。

土粒直徑/mm圖1 土體顆粒級(jí)配曲線

凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑為50mm，高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，試驗(yàn)中，根據(jù)高含冰量土樣的制備方法[17]，試樣的制備分別采用不同的方法：1)對(duì)于含水率為10%～24%的試樣，直接配制成相應(yīng)含水率的土樣，攪拌均勻后放入密封袋潤濕一晝夜，保證含水率均勻，裝入制樣器中分層擊實(shí)成樣。2)對(duì)于含水率為27%～42.8%的試樣，將土塊碾碎烘干，過2mm篩后置于低溫箱中，將純水制成的冰塊粉碎，過2mm的篩制成冰顆粒，并將冰顆粒與置于低溫箱中的土樣混合后均勻攪拌，稱取一定質(zhì)量的冰土混合物，加入一定量的0℃左右的未凍水再次攪拌均勻，最后裝入制樣器中分層壓密。拆模后，試樣用保鮮膜包裹放置在低溫恒溫箱中進(jìn)行凍結(jié)，24h后取出進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WDT-100型微機(jī)控制電液伺服凍土單軸試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變控制式加載，應(yīng)變速率設(shè)定為1%/min。試驗(yàn)溫度為-5℃，含水率分為8組，分別為10%、15%、20%、24%、27%、30%、36%、42.8%。每組做3個(gè)平行試樣，共24個(gè)試樣。試驗(yàn)過程如下：首先打開WDT-100型微機(jī)控制電液伺服凍土單軸試驗(yàn)機(jī)的冷箱，設(shè)定制冷溫度和試樣養(yǎng)護(hù)溫度相同，待冷箱的溫度穩(wěn)定后開始裝載試樣，穩(wěn)定1 h，確保冷箱內(nèi)達(dá)到指定試驗(yàn)溫度后開始試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。應(yīng)變?cè)?0%范圍以內(nèi)時(shí)，取應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力作為該試樣的單軸抗壓強(qiáng)度；若沒有峰值應(yīng)力出現(xiàn)，則取20%應(yīng)變處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為該試樣的單軸抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)凍結(jié)膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行了-5℃下不同含水率的凍結(jié)膨脹土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 凍結(jié)膨脹土在不同含水率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，凍土在單軸壓縮荷載作用下會(huì)經(jīng)歷彈性階段、塑性階段和破壞階段。當(dāng)含水率為10%時(shí)，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看出，其峰值強(qiáng)度最低，而且破壞應(yīng)變很小，隨著軸向應(yīng)力達(dá)到峰值后，應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力下降較為迅速，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。當(dāng)含水率在15%～24%范圍內(nèi)時(shí)，軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨著應(yīng)變的增長，應(yīng)力下降緩慢，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型塑性破壞。當(dāng)含水率在27%～42.8%范圍內(nèi)時(shí)，除含水率為36%以外，其他含水率條件下，軸向應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增加先呈現(xiàn)線性增大，達(dá)到峰值，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾踊静蛔儯瑧?yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎近似水平直線，并有塑性硬化的趨向，直到應(yīng)變達(dá)到20%(當(dāng)應(yīng)變達(dá)到20%，試驗(yàn)停止)。

2.2 含水率對(duì)凍結(jié)膨脹土單軸抗壓強(qiáng)度的影響

圖3表示在-5℃下凍結(jié)膨脹土的單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率變化的試驗(yàn)結(jié)果。含水率為15%的土樣單軸抗壓強(qiáng)度值為2.09MPa，比含水率為10%的土樣單軸抗壓強(qiáng)度提高了120.0%，因?yàn)橥翗又杏懈嗟目紫侗凰痔畛洌纬杀w粒后，承受外力的能力顯著增強(qiáng)；含水率為20%的土樣單軸抗壓強(qiáng)度值為2.20MPa，強(qiáng)度比含水率為15%的土樣提高了5.3%，強(qiáng)度增長的速率明顯變慢，說明此時(shí)土樣中未被水分填充的孔隙越來越少，土樣的含水率越來越接近最佳的狀態(tài)，在最佳的狀態(tài)下，形成的冰顆粒正好完全填充土體內(nèi)部的孔隙，此時(shí)冰和土顆粒的相互關(guān)聯(lián)以抵抗外力的作用達(dá)到最佳，使凍結(jié)膨脹土的單軸抗壓強(qiáng)度值最大，在試驗(yàn)中，最佳狀態(tài)下的含水率在20%左右，這和文獻(xiàn)[14]27的研究結(jié)果相似；在含水率為24%時(shí)，土樣的單軸抗壓強(qiáng)度值為2.11MPa，強(qiáng)度相比含水率20%的土樣降低了4.1%；當(dāng)含水率為42.8%時(shí)，土樣的單軸抗壓強(qiáng)度值為1.07MPa，相比于含水率24%的土樣強(qiáng)度下降了97.2%，此時(shí)土樣中的水分已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，水相變成冰后，土樣越來越多呈現(xiàn)冰的特點(diǎn)，冰的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于土樣礦物顆粒的強(qiáng)度，因此土樣強(qiáng)度顯著降低。

圖3 凍結(jié)膨脹土單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化

2.3 含水率對(duì)凍結(jié)膨脹土破壞形態(tài)的影響

在采用凍結(jié)法施工的地鐵隧道等工程中，研究凍土在低溫條件下的破壞機(jī)理具有很重要的實(shí)際意義，-5℃下試樣的破壞形態(tài)如圖4所示。當(dāng)土樣的含水率為10%時(shí)，在土樣的下部可以看到很明顯的開裂裂紋，且裂紋寬度較大，試樣受到外力的擠壓，下部土體向外膨脹并且立即產(chǎn)生裂紋，裂紋迅速發(fā)展導(dǎo)致試樣破壞，土樣的破壞應(yīng)變較小，呈脆性破壞特征。當(dāng)含水率在15%～24%時(shí)，試樣表面沒有很明顯的開裂裂紋，試樣下部略微向外膨脹，由于含水率高于10%含水率的土樣，土顆粒和冰顆粒更充分接觸，土樣內(nèi)部的孔隙被更好地填充，在-5℃的低溫條件下，有足夠的水相變成冰。當(dāng)含水率在27%～42.8%時(shí)，隨著含水率的增加，冰顆粒填充完土樣內(nèi)部的孔隙后，多余的冰顆粒會(huì)使土體向外膨脹，宏觀上表現(xiàn)為土體體積膨脹，形成越來越多的凍脹裂隙，含水率為36%和42.8%最為明顯，所以承載能力在降低，含水率的增加導(dǎo)致相變成冰的顆粒越來越多，此時(shí)土顆粒在土樣強(qiáng)度方面所起到的作用越來越小，土樣中的冰含量越來越高，因此冰顆粒對(duì)土樣強(qiáng)度的影響也越來越大。

圖4 溫度為-5℃下不同含水率土樣破壞后的形態(tài)

3 結(jié)論

(1)含水率對(duì)凍結(jié)膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線有顯著影響。當(dāng)含水率為10%時(shí)，土體呈脆性破壞特征；當(dāng)含水率在15%～24%，土體具有明顯的應(yīng)變軟化塑性破壞特征；當(dāng)含水率在27%～42.8%時(shí)，土體有塑性硬化的趨向。

(2)隨著含水率的增大，凍結(jié)膨脹土單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，達(dá)到峰值后，隨著含水率的繼續(xù)增加，強(qiáng)度會(huì)減小。試驗(yàn)中土樣的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大的含水率為20%左右。

(3)相同溫度不同含水率條件下的凍結(jié)膨脹土的破壞形態(tài)有所不同，含水率為10%，有較多明顯的開裂裂縫；含水率在15%～24%之間，土樣破壞后表面沒有很明顯的開裂裂紋，試樣下部略微向外膨脹；含水率在27%～42.8%之間，土樣破壞后有明顯的凍脹裂隙。