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        凍結(jié)泥炭質(zhì)土力學(xué)性質(zhì)試驗研究

        2020-07-11 02:46:44馮子亮
        高速鐵路技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)土泥炭凍土

        馮子亮

        (中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

        凍土是一種不良地基土,物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變,不僅受土質(zhì)、含水量、圍壓的影響,還受溫度、含冰量的影響。因此,凍土的物理力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定,受溫度影響尤為強(qiáng)烈,在四季溫度變化過程中,往往伴有凍融循環(huán)。在土體凍融狀態(tài)改變過程中,不僅會產(chǎn)生凍脹、融沉等工程地質(zhì)災(zāi)害,還會降低土體強(qiáng)度,削弱土體抵抗變形的能力,對我國寒區(qū)工程造成了極大的損害。對凍土的變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行研究,不僅能為該地區(qū)工程病害的防治提供參考依據(jù),還能為同類氣候條件下工程的設(shè)計、施工和運營提供理論基礎(chǔ)。

        吳紫汪等人[1]對兩淮地區(qū)凍結(jié)粘性土、粗顆粒的砂土、砂礫石土進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究,得出溫度是控制凍土強(qiáng)度指標(biāo)的主要因素,凍土的單軸抗壓強(qiáng)度值隨溫度的降低而線性增大,土質(zhì)是凍土抗壓強(qiáng)度的一個重要影響因素,凍土單軸強(qiáng)度隨密度和含水率增大而增大。Chamberlain 等人[2]對一種渥太華細(xì)砂和一種冰磧物(粉質(zhì)土)進(jìn)行了大范圍圍壓下的三軸壓縮試驗,發(fā)現(xiàn)凍土強(qiáng)度隨著圍壓的增大先增大,當(dāng)圍壓達(dá)到一定值后,凍土強(qiáng)度隨圍壓增大呈減小趨勢,若圍壓繼續(xù)增大則強(qiáng)度又表現(xiàn)為增大趨勢。他們認(rèn)為,強(qiáng)度隨圍壓增大而減小的過程主要是由冰的壓碎、壓融所引起的。后來諸多研究都證實了這一現(xiàn)象[3-7]。常曉曉等人[8]對取自華東某地的深部粘土人工凍結(jié)后進(jìn)行了室內(nèi)單軸和三軸壓縮試驗,分析了高圍壓下凍結(jié)深部粘土的應(yīng)力-應(yīng)變行為與單軸壓縮條件下應(yīng)力-應(yīng)變行為的異同,并探討了圍壓和溫度對凍結(jié)粘土強(qiáng)度的影響規(guī)律。徐湘田等人[9]在-6 ℃的溫度下對含鹽量為0.5%的凍結(jié)粉質(zhì)砂土在0.3~18 MPa的圍壓范圍內(nèi)進(jìn)行了三軸壓縮試驗,分析了含鹽凍結(jié)粉砂的變形、強(qiáng)度及彈性模量隨圍壓的變化規(guī)律。目前,針對凍結(jié)泥炭質(zhì)土的相關(guān)研究還鮮有文獻(xiàn)報道,因此有必要針對凍結(jié)泥炭質(zhì)土開展三軸壓縮試驗。

        根河市位于大興安嶺北段西坡,呼倫貝爾市北部,地理坐標(biāo)東經(jīng)120°12′~122°55′,北緯50°20′~52°30′,是中國緯度最高的城市之一,也是中國最冷的城市,年平均氣溫-5.3 ℃,極端低溫-58 ℃,年封凍期210 d以上。本文在-6 ℃的溫度下對取自根河市的凍結(jié)泥炭質(zhì)土進(jìn)行了單軸壓縮試驗和圍壓范圍為1~6 MPa的三軸壓縮試驗,并根據(jù)試驗結(jié)果分析了凍結(jié)泥炭質(zhì)土的變形特征和強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律。

        1 試驗概況

        1.1 土樣基本性質(zhì)

        本文所用土樣為內(nèi)蒙古自治區(qū)根河市的泥炭質(zhì)土,其中粒徑<0.075 mm的粒組占90%以上,屬于粉質(zhì)黏土,液限38.14%,塑限27.76%,顆粒組分分布如表1所示[10]。

        表1 泥炭質(zhì)土粒徑分布表

        1.2 試樣制備

        試樣的制備按以下步驟進(jìn)行。

        (1)將取自根河地區(qū)的泥炭質(zhì)土烘干、碾碎后,過2 mm篩,配置成含水率為18%左右的散土體,密封靜置24 h,使水分分布充分、均勻,后開始制樣。

        (2)根據(jù)試驗規(guī)范,按照密度1.73 g/cm3稱取適量的土體,分5層壓入內(nèi)徑50 mm、高100 mm的圓柱形試樣模具內(nèi),在試樣兩端各墊一塊透水石,進(jìn)行抽氣飽水,待試樣飽和后將其兩端的透水石更換為環(huán)氧樹脂墊片,連同模具一同置于-30 ℃的低溫環(huán)境下快速凍結(jié)48 h,防止試樣水分遷移。

        (3)將凍結(jié)后的土樣取出脫模,并在試樣兩端墊上環(huán)氧樹脂墊片后套入橡膠模內(nèi),隨后將試樣放入恒溫箱內(nèi),恒溫至目標(biāo)溫度后進(jìn)行試驗。

        1.3 試驗設(shè)備與設(shè)置

        本文采用GDS液壓凍土動三軸儀,軸力變化范圍為0~200 kN,圍壓控制范圍為0~20 MPa,溫度范圍為-30 ℃~20 ℃,溫度控制精度± 0.1 ℃。試樣過程中,軸向加載采用位移控制模式,加載速率1 mm/min。

        試驗過程如下:

        (1)將恒溫至目標(biāo)溫度的試樣從恒溫箱取出,迅速放入GDS壓力腔內(nèi),控制試驗溫度為-6 ℃,待壓力腔內(nèi)溫度穩(wěn)定后,緩慢移動軸向加壓柱塞,使其與試樣頂端完全接觸,后開始加載。

        (2)在進(jìn)行單軸壓縮試驗時,關(guān)閉圍壓控制系統(tǒng),對試樣直接進(jìn)行加載,直至試樣破壞。

        (3)在進(jìn)行三軸壓縮試驗時,開啟圍壓控制系統(tǒng),控制圍壓至目標(biāo)圍壓后保持2 min,待圍壓穩(wěn)定后進(jìn)行軸向加載,直至軸向應(yīng)變達(dá)到20 %后結(jié)束試驗。

        試驗過程中每隔1 s對試樣進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集。試驗結(jié)束后,根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù),繪制出不同圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并確定出其強(qiáng)度進(jìn)行分析。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 圍壓對凍結(jié)炭泥質(zhì)土變形特性的影響

        不同圍壓下的凍結(jié)炭泥質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

        圖1 不同圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

        由圖1可以看出,圍壓對炭泥質(zhì)土變應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形式均有明顯影響。在單軸壓縮條件下,凍結(jié)炭泥質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)變軟化型特性,有明顯的應(yīng)力峰值,其破壞形式為脆性破壞。該曲線可大致分為三個階段,即初始準(zhǔn)彈性階段、塑性變形階段和軟化階段。在初始準(zhǔn)彈性階段,偏應(yīng)力較小,應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性變化;當(dāng)所承受偏應(yīng)力達(dá)到屈服極限后,試樣進(jìn)入塑性變形階段,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸減小,表明試樣抵抗變形的能力逐漸下降,當(dāng)其達(dá)到峰值應(yīng)力后,試樣脆性劈壞;此后應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入軟化階段,由于試樣已破壞,該階段應(yīng)力隨應(yīng)變增大逐漸減小。

        在三軸壓縮條件下,凍結(jié)泥炭質(zhì)土的變形特性及破壞形式與圍壓有關(guān),當(dāng)圍壓小于1 MPa時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線末端會出現(xiàn)略微的應(yīng)變軟化特性,破壞形式為脆性破壞;當(dāng)圍壓大于1 MPa后,各圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變軟化特征基本消失,表現(xiàn)出輕微的硬化特性,其破壞形式由脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性破壞。

        圍壓超過1 MPa后,各圍壓下凍土體的變形行為分為兩個階段,即初始準(zhǔn)彈性階段和塑性硬化階段。初始準(zhǔn)彈性階段的變形行為受圍壓影響明顯,直線段斜率隨著圍壓的增大而增加,這是由于圍壓的增加使得土體的壓密作用增強(qiáng),偏應(yīng)力較小,因此土體抵抗初始壓縮變形的能力隨圍壓的增大而增大;塑性硬化階段的應(yīng)力隨應(yīng)變的增大繼續(xù)增大,但其增長速率明顯減小,值得注意的是各圍壓下凍結(jié)泥炭質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始趨近,受圍壓的影響逐漸減弱,這是因為試樣是含冰量較高的飽冰凍結(jié)黃土,在偏應(yīng)力較大時,冰作為一種晶體材料,其變形主要受剪切控制,受靜水壓力的影響很小,加之在凍土三軸試驗中無法實現(xiàn)排水、排氣,從而使得飽冰凍土在后期變形過程中受圍壓的影響較小;當(dāng)圍壓進(jìn)一步增大時,凍結(jié)泥炭質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線又開始受到圍壓的影響,這是因為高圍壓下,試樣內(nèi)的冰出現(xiàn)了壓碎、壓融現(xiàn)象,且圍壓越大,該現(xiàn)象越明顯。

        2.2 強(qiáng)度特性分析

        本文根據(jù)GB/T 50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》)[11]確定炭泥質(zhì)土強(qiáng)度值。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有峰值時,取曲線上峰值應(yīng)力為強(qiáng)度值,無峰值時,取15%軸向應(yīng)變時的偏應(yīng)力值為強(qiáng)度值。凍結(jié)炭泥質(zhì)土在各圍壓下的強(qiáng)度值如圖2所示。

        圖2 不同圍壓凍結(jié)泥炭質(zhì)土強(qiáng)度圖

        由圖2可以看出,凍結(jié)泥炭質(zhì)土強(qiáng)度隨圍壓的變化可以分為三個階段,即快速增大階段、緩慢增大階段和降低階段。

        (1)第一階段:快速增大階段

        當(dāng)圍壓0 MPa≤σ3<1 MPa,強(qiáng)度由3.56 MPa增至5.88 MPa。在此階段圍壓的增大使凍結(jié)泥炭質(zhì)土顆粒間的排列更加緊密,增大了顆粒間的咬合摩擦和破壞面上的正應(yīng)力,從而使凍結(jié)泥炭質(zhì)土的強(qiáng)度增加。

        (2)第二階段:緩慢增大階段

        當(dāng)圍壓1 MPa≤σ3≤5 MPa,強(qiáng)度由5.88 MPa增至6.43 MPa,圍壓為5 MPa時,強(qiáng)度值最大,為6.43 MPa,圍壓為1 MPa時,強(qiáng)度值最小,為5.88 MPa,二者相差0.55 MPa。在第二階段的圍壓范圍內(nèi),圍壓增大將繼續(xù)增強(qiáng)顆粒之間的咬合和摩擦,增加土體的強(qiáng)度,但圍壓的增大和加載過程中軸向應(yīng)力的增加使土體內(nèi)的膠結(jié)冰破碎,甚至可能發(fā)生膠結(jié)冰融化,使得土體的強(qiáng)度降低,強(qiáng)度的增長速率較第一階段較為緩慢。

        (3)第三階段:降低階段

        當(dāng)圍壓5 MPa<σ3≤6 MPa,強(qiáng)度由6.43 MPa下降至5.83 MPa,這是因為該階段土體內(nèi)冰的壓融現(xiàn)象明顯,一方面使得強(qiáng)度隨圍壓的增加而整體降低,另一方面壓融所產(chǎn)生的孔隙水可承擔(dān)圍壓的增量,使固體顆粒上作用的靜水壓力隨圍壓的變化較小,使得強(qiáng)度受圍壓的影響不再如前兩階段明顯。這也反映在該圍壓范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相互重疊的趨勢上。各圍壓下,凍結(jié)泥炭質(zhì)土的強(qiáng)度與各圍壓階段的強(qiáng)度變化速率如表2所示。

        表2 各圍壓下的強(qiáng)度值與各階段的變化速率表

        3 結(jié)論

        本文在-6 ℃溫度條件下,對凍結(jié)泥炭質(zhì)土進(jìn)行了單軸壓縮試驗和圍壓范圍為1~6 MPa的三軸壓縮試驗,根據(jù)試驗結(jié)果,分析了凍結(jié)泥炭質(zhì)土的變形特征和強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律,為相似地質(zhì)條件下工程設(shè)計提供依據(jù)。主要結(jié)論如下:

        (1) 單軸壓縮條件下,凍結(jié)泥炭質(zhì)土應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型,破壞形式為脆性破壞,其變形過程可以分為初始準(zhǔn)彈性階段、塑性變形階段和軟化階段三個階段;三軸壓縮條件下,當(dāng)圍壓較低時,凍結(jié)泥炭質(zhì)土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線末端會出現(xiàn)略微的應(yīng)變軟化,當(dāng)圍壓較高時,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表型為應(yīng)變硬化型,破壞形式為脆性破壞。

        (2) 凍結(jié)泥炭質(zhì)土強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律大體可以分為三個階段,即快速增大階段、緩慢增大階段和降低階段。快速增大階段,由于圍壓較小,圍壓對強(qiáng)度僅有強(qiáng)化作用;緩慢增大階段由于試樣內(nèi)部分冰被壓碎、壓融,圍壓對強(qiáng)度有強(qiáng)化和弱化雙重作用,但強(qiáng)化作用占據(jù)主導(dǎo);降低階段,由于圍壓較大,試樣內(nèi)冰被大量壓碎、壓融,使得圍壓對凍結(jié)泥炭質(zhì)土強(qiáng)度的弱化作用占據(jù)主導(dǎo),強(qiáng)度隨圍壓增大而降低。

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