王海航,王 鷗,吳 澤,王天亮,程博遠(yuǎn)

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院,石家莊 050043；4.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,河北邯鄲 056038)

引言

人工地層凍結(jié)技術(shù)是利用人工凍結(jié)方法，降低土體溫度使含水土層形成凍結(jié)體，以抵抗地壓并隔絕與地下水聯(lián)系的一種土工工程特殊施工技術(shù)[1]。在地下及礦井等工程中，傳統(tǒng)的隧道支護(hù)方式與地基處理辦法在部分特殊地層環(huán)境中均未取得滿意的效果，而人工凍結(jié)法的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法如高壓注漿、化學(xué)注漿等的不足[2-4]。由于凍土強(qiáng)度較非凍結(jié)狀態(tài)下會(huì)有較大的提高，所以人工凍土在增加工程土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面有著顯而易見的優(yōu)勢(shì)。因此，人工凍結(jié)技術(shù)在許多國家的煤礦、隧道、地鐵、建筑基礎(chǔ)、工程搶險(xiǎn)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到不斷應(yīng)用和發(fā)展，并且成為許多工程唯一可選的方法。但是，針對(duì)礫石土地層，由于礫石土屬于粗顆粒土質(zhì)不存在或很少存在結(jié)合水，其凍結(jié)后的力學(xué)性能明顯區(qū)別于粉土、黏性土、砂性土等土質(zhì)，且富水礫石土具有凍結(jié)速度快、凍結(jié)強(qiáng)度和剛度高、不易開挖的特點(diǎn)。因此，為保障人工凍結(jié)法在地鐵聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)用的安全性與可靠性，有必要對(duì)人工凍結(jié)礫石土的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行研究。

目前，人工凍結(jié)細(xì)粒土如黏土、粉質(zhì)黏土及粉土等單軸或三軸剪切強(qiáng)度研究較為廣泛。通過研究發(fā)現(xiàn)，人工凍結(jié)粉土、黏土以及粉黏土等的抗剪強(qiáng)度均隨凍結(jié)溫度的降低而增大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的溫度效應(yīng)[5-7]，溫度對(duì)于粉質(zhì)黏土的變形特性以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形式影響較大[7]。張俊兵等[8]通過試驗(yàn)方法對(duì)飽和凍結(jié)蘭州粉土(黃土)進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出抗壓強(qiáng)度對(duì)溫度十分敏感，它隨著溫度降低，以冪函數(shù)的形式增加的規(guī)律結(jié)論。較大粒徑砂土的凍結(jié)剪切強(qiáng)度隨冷凍溫度的變化也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，馬玲等[9]通過對(duì)凍結(jié)砂土在不同溫度和圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)，得出三軸剪切過程中會(huì)產(chǎn)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(duì)抗剪強(qiáng)度具有不同的影響。對(duì)于大粒徑(卵)礫石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)研究不同學(xué)者也做了大量的試驗(yàn)分析，研究結(jié)果表明：試樣的相對(duì)密度大小會(huì)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線形式產(chǎn)生較大的影響，并且試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出一定的剪脹性[10]；礫石土級(jí)配的優(yōu)劣對(duì)其峰值抗剪強(qiáng)度影響較大，級(jí)配良好礫石土制備的試樣會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度[11]。礫石土中細(xì)粒含量、含水量的差異性對(duì)于其抗剪強(qiáng)度均有著顯著的影響[12-20]，劉建坤等[15]通過試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)細(xì)粒土的分布不均勻性會(huì)對(duì)粗粒土的最大剪脹高度產(chǎn)生影響。

綜上所述，相比凍結(jié)狀態(tài)下的黏性土、粉土、砂性土等細(xì)粒土以及非凍結(jié)狀態(tài)下礫石土抗剪強(qiáng)度特性研究而言，較大粒徑礫石土的三軸剪切強(qiáng)度規(guī)律在人工凍結(jié)狀態(tài)下研究略顯不足，對(duì)于礫石土隨冷凍溫度、含水量變化的三軸剪切強(qiáng)度研究較少，本試驗(yàn)在前人研究的基礎(chǔ)上，在等應(yīng)變速率和不同冷凍溫度、含水量等條件下對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性分析，以期得到冷凍溫度及含水量對(duì)人工凍結(jié)礫石土三軸剪切強(qiáng)度影響規(guī)律。

1 試樣制備及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土選取南寧地鐵1號(hào)線中涉及到的礫石土層，按照實(shí)際地勘資料制備重塑土，礫石土級(jí)配曲線如圖1所示。計(jì)算得礫石土不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為Cu=50、Cc=0.5，屬級(jí)配不良土質(zhì)。

圖1 礫石土級(jí)配曲線

1.2 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用儀器為石家莊鐵道大學(xué)凍土三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，該三軸儀為英國GDS公司生產(chǎn)的DYNTTS電機(jī)控制式三軸測(cè)試系統(tǒng)，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(yàn)需求。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選定在-2、-5、-7、-10 ℃四個(gè)特征溫度以及100、200、300、400、500 kPa五個(gè)特征圍壓下，分別進(jìn)行凍結(jié)礫石土的等應(yīng)變速率三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jù)MT/T593《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)》要求嚴(yán)格執(zhí)行。將試驗(yàn)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(shí)控制好壓實(shí)度后頂面做刮毛處理，防止試樣出現(xiàn)人為薄弱面，再放入第2層土樣擊實(shí)。以此類推。

1.3 過程控制

試樣制備完畢后進(jìn)行脫模處理，并將橡膠膜通過承膜筒套入試樣，準(zhǔn)備放入GDS三軸儀中進(jìn)行試樣冷凍及后續(xù)三軸剪切試驗(yàn)，凍結(jié)礫石土試樣的三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)按照軸向應(yīng)變速率1 mm/min進(jìn)行控制加載。在礫石土三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)中，加載方式采用等應(yīng)變加載控制方式，試驗(yàn)最大應(yīng)變控制為15%。對(duì)裝入GDS三軸儀升降臺(tái)的試樣進(jìn)行固結(jié)及凍結(jié)處理，試樣凍結(jié)時(shí)，首先通過氣泵將石家莊鐵道大學(xué)凍土實(shí)驗(yàn)室自行研制的低溫三軸圍壓室液體預(yù)降溫裝置中預(yù)先降溫冷浴液注入三軸儀圍壓室，然后設(shè)定目標(biāo)溫度，通過低溫恒溫冷浴機(jī)對(duì)圍壓室進(jìn)行繼續(xù)降溫，待三軸圍壓室內(nèi)冷浴液溫度達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度后恒溫6 h，再進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。

2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線特征

通過一系列三軸剪切試驗(yàn)得到人工凍結(jié)礫石土的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

注：圍壓400 kPa、ω=6%圖2 不同溫度下偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 不同圍壓下偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2、圖3可以得出以下結(jié)論。

(1)不同影響因素下的人工凍結(jié)礫石土偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢(shì)呈現(xiàn)出一定的差異性和相似性。差異性表現(xiàn)在：當(dāng)試驗(yàn)冷凍溫度較高時(shí)(-2 ℃)，礫石土偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展大致可以分為三個(gè)階段，線性快速增長階段、非線性緩慢增長階段以及數(shù)值平穩(wěn)階段。以圖3(a)為例，各組試驗(yàn)的線性快速增長階段的應(yīng)變范圍在0<ε<2%區(qū)間，說明該階段的礫石土表現(xiàn)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(yīng)變范圍大致在2%<ε<5%區(qū)間，說明該階段的礫石土表現(xiàn)出一定的非線彈性；數(shù)值平穩(wěn)階段的應(yīng)變范圍在5%<ε<15%區(qū)間，該階段的礫石土表現(xiàn)為偏應(yīng)力值不變而應(yīng)變隨著時(shí)間的推移繼續(xù)增加。圖3(a)也說明當(dāng)試驗(yàn)冷凍溫度較高時(shí)，試驗(yàn)圍壓的改變只對(duì)最大偏應(yīng)力值有所影響，對(duì)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀走勢(shì)基本無影響，即冷凍溫度較高時(shí)偏應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈硬化型，無峰值強(qiáng)度。相似性表現(xiàn)在：當(dāng)試驗(yàn)冷凍溫度較低時(shí)，隨著試驗(yàn)圍壓的增加礫石土試樣偏應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中峰值現(xiàn)象逐漸明顯。

(2)從圖2可以看出，試樣殘余抗剪強(qiáng)度值隨著冷凍溫度的降低有所提升，試驗(yàn)冷凍溫度越低試樣偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)越高且越明顯；反之，試驗(yàn)冷凍溫度較高時(shí)試樣偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線單峰值點(diǎn)消失。說明試驗(yàn)冷凍溫度對(duì)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(dǎo)致試樣內(nèi)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(guān)。同時(shí)可以看出，隨著溫度的降低最大偏應(yīng)力逐漸上升，說明試驗(yàn)冷凍溫度對(duì)于試樣的強(qiáng)度有著較大的影響，溫度越低強(qiáng)度越大；從圖3可以看出，不同溫度下的最大偏應(yīng)力峰值隨著圍壓的增大而增大，圍壓越大軟化型趨勢(shì)越明顯，圍壓越小硬化型趨勢(shì)越明顯。

3 凍土三軸剪切強(qiáng)度

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

τf=σ·tanφ(T)+C(T)

(1)

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

圖4 p-q關(guān)系曲線

通過一系列三軸試驗(yàn)，得到凍結(jié)礫石土在不同條件下的部分剪切強(qiáng)度參數(shù)值，如表1所示。

表1 凍結(jié)礫石土不同條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

由表1可得以下結(jié)論。

(1)人工凍結(jié)礫石土的黏聚力c、內(nèi)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(jié)力增大，且由試驗(yàn)編號(hào)前6組的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，試樣含水量的增加對(duì)于黏聚力和內(nèi)摩擦角增幅影響較大。

(2)人工凍結(jié)礫石土的含水量對(duì)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ影響較大，c、φ值隨著含水量的增加表現(xiàn)出明顯的增大現(xiàn)象。凍土中由于水分的加入，凍結(jié)冰晶體在試樣中所占比例增加，進(jìn)而使其抗剪切強(qiáng)度增加。

(3)當(dāng)?shù)[石土含水量6%，溫度從-2 ℃降低至-7 ℃時(shí)，黏聚力和內(nèi)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(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角的平均變化率7.625 kPa/℃、1.025°/℃。因此，可以推斷當(dāng)含水量達(dá)到一定程度后，溫度的變化對(duì)于礫石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響降低。

4 結(jié)論

(1)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)，人工凍結(jié)礫石土三軸剪切試驗(yàn)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(xiàn)破碎或者重排列現(xiàn)象，峰值強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的降低而增大，隨著圍壓的增大而增大。殘余強(qiáng)度受冷凍溫度影響較大，隨著溫度的降低而提高；

(2)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)，人工凍結(jié)礫石土三軸剪切強(qiáng)度基本符合Mohr-Column定律，黏聚力、內(nèi)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(yīng)較為顯著，且冷凍溫度對(duì)于礫石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響受土體含水量變化影響較為顯著；

(3)人工凍結(jié)礫石土三軸剪切強(qiáng)度受試驗(yàn)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(cè)面反應(yīng)了礫石土試樣中各散粒體間的膠結(jié)程度。因此，從試驗(yàn)溫度及含水量上，可定性判別出人工凍結(jié)礫石土凍后強(qiáng)度情況，且試樣內(nèi)含冰量影響試樣變形破壞形式，而本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可定量計(jì)算出相應(yīng)條件下礫石土凍后強(qiáng)度，進(jìn)而為工程實(shí)際提供數(shù)據(jù)參考。