周 志， 李海鵬，2， 王建偉， 康慶平， 張 洋， 李智涵， 楊 念

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221008； 3.中原環(huán)保股份有限公司，河南鄭州450000）

0 引言

人工地層凍結(jié)技術(shù)（AGF）通過(guò)人工制冷方法加固巖土體，形成具有承載和封水功能的凍結(jié)壁，該方法具有安全可靠，易于控制優(yōu)點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜地層條件適應(yīng)性強(qiáng)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于深厚表土層中的礦井建設(shè)中，迄今我國(guó)采用凍結(jié)法鑿井穿越的表土層厚度已達(dá)754 m。隨著表土層厚度增大，凍結(jié)壁厚度的急劇增加，凍結(jié)壁解凍引起地層沉降，對(duì)井壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。尤其是新近系黏土層分布廣泛，厚度大，而深部黏土具顯著的結(jié)構(gòu)性，水理性質(zhì)復(fù)雜，高地壓下的凍融作用導(dǎo)致深部黏土工程特性變化，對(duì)井筒的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。因此認(rèn)識(shí)深部黏土的凍融效應(yīng)對(duì)于凍融病害評(píng)價(jià)和防治有一定意義。

在寒區(qū)工程和人工地層凍結(jié)工程中，土體的凍融病害誘發(fā)建（構(gòu)）筑物、地下管線失穩(wěn)和破壞，因此凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)特性影響引起普遍關(guān)注。王大雁等［1］以青藏黏土為研究對(duì)象，通過(guò)不同圍壓下三軸壓縮試驗(yàn)，研究經(jīng)多次凍融作用后試樣應(yīng)力-應(yīng)變行為、破壞強(qiáng)度、彈性模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等物理力學(xué)性質(zhì)的變化。張世民［2］對(duì)青藏公路沿線常遇到的青藏粉質(zhì)黏土分別進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析了凍融前后試樣的溫度分布特征、水分分布特征、凍融位移變化特征。方麗莉等［3］對(duì)凍融前后的土樣進(jìn)行不固結(jié)、不排水三軸剪切試驗(yàn)，試圖建立凍融作用引起的結(jié)構(gòu)變化與強(qiáng)度參數(shù)變化之間的聯(lián)系。蘇永奇等［4］在室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)、動(dòng)荷載頻率和含水率等因素對(duì)青藏粉質(zhì)黏土動(dòng)力非線性參數(shù)的影響。此外，還有一部分學(xué)者以我國(guó)西北地區(qū)廣泛分布的黃土為研究對(duì)象，探討了凍融作用對(duì)黃土物理力學(xué)性質(zhì)影響，也取得了一些有價(jià)值的成果［5-11］。而在人工凍結(jié)工程中，隨著天然巖土變?yōu)閮鰩r土，其物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生顯著變化。為此，國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者在該領(lǐng)域也進(jìn)行了大量的研究。鄭波等［12］結(jié)合廣州地鐵水平隧道凍結(jié)工程，對(duì)其凍結(jié)壁設(shè)計(jì)范圍內(nèi)具有代表性的土質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)凍土試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在相同的土質(zhì)條件下，溫度越低，凍土的單軸抗壓強(qiáng)度越高。賀俊等［13］對(duì)蘇州地鐵典型土層凍土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，更進(jìn)一步得出抗壓強(qiáng)度隨凍結(jié)溫度的降低而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的結(jié)論。劉華吉［14］則在不同溫度和不同含水率條件下進(jìn)行試驗(yàn)，探究海底隧道工程穿越的土層在人工凍結(jié)過(guò)程中所存在的最優(yōu)含水率。

綜上所述，盡管當(dāng)前對(duì)于凍融作用下天然凍土、淺部人工凍土的工程特性研究得較為充分。然而深部黏土的物理性質(zhì)與淺土存在明顯的差異；同時(shí)在凍結(jié)壁形成和解凍過(guò)程，深部黏土凍脹作用發(fā)生在高地應(yīng)力賦存環(huán)境中［15-17］。鑒于深土有載凍融條件下力學(xué)特性方面研究工作開(kāi)展較少，本文以深部重塑黏土為研究對(duì)象，考慮高地應(yīng)力下的凍融作用，采用真空凍融制樣裝置獲取高密度深土重塑土試樣，而后進(jìn)行有載凍融試驗(yàn)。通過(guò)高壓三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探討不同凍融條件下深部重塑黏土的抗剪強(qiáng)度特征與割線模量，分析各試驗(yàn)因素對(duì)其影響顯著性大小與變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 土樣性質(zhì)及制備

本試驗(yàn)所用土樣均按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)取自河南某礦深部地層，共有L9、L20、L26 三個(gè)層位，制備不同層位重塑土樣時(shí)選用相同層位原狀土制備。各層位土樣基本物理性質(zhì)如下表1所示。

表1 深部黏土基本物性參數(shù)表Table 1 Basic physical property parameters of deep clay

試驗(yàn)重塑土試樣制備過(guò)程包括：制土、裝土、抽真空、壓樣幾個(gè)部分。然而，由于深部土獨(dú)特的沉積歷史、環(huán)境及受力狀態(tài)，傳統(tǒng)的制樣方法無(wú)法壓制出試驗(yàn)所需的高密度深部黏土。鑒于此，本研究利用專門研制的真空凍融制樣裝置（圖1），通過(guò)真空預(yù)壓制備方法制樣：即將碾壓后的深土、水混合物放入真空腔，后利用真空泵開(kāi)始抽吸制樣，抽吸完成后調(diào)節(jié)液壓千斤頂對(duì)試樣施加軸壓，軸壓大小根據(jù)試樣所處層位深度確定，并最終使土樣達(dá)到目標(biāo)高度（h=125 mm）。

圖1 真空凍融制樣裝置Fig. 1 Vacuum freezing-thawing sample preparation device

土樣制備完成后，利用承壓筒外壁均勻纏繞的循環(huán)銅管與恒溫冷浴箱連接實(shí)現(xiàn)對(duì)承壓筒內(nèi)土樣的凍結(jié)和融化，試驗(yàn)時(shí)不同試驗(yàn)溫度的恒溫液體在銅管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，溫度在該過(guò)程中得以傳遞。同時(shí)，為防止溫度流失，確保凍融效果，用保溫棉、保溫管等將凍結(jié)管、承壓筒緊緊包裹。凍結(jié)完成后，調(diào)節(jié)恒溫箱使其在有載情況下升溫融化。凍結(jié)與融化時(shí)溫度由熱電偶測(cè)量并通過(guò)DataTaker 顯示在監(jiān)控系統(tǒng)上，兩階段時(shí)長(zhǎng)均需保持在12 h 以上。凍融試驗(yàn)結(jié)束后，取出土樣，再次測(cè)量土樣直徑D、高度h和質(zhì)量m，用保鮮膜套住土樣并貼標(biāo)簽記錄，等待下一步試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所采用的三軸剪切試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)（圍壓、軸壓）、高壓壓力室、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，如圖2 所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)試樣進(jìn)行三軸固結(jié)試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)（固結(jié)排水CD、固結(jié)不排水CU）、剪切蠕變?cè)囼?yàn)（固結(jié)排水CD、固結(jié)不排水CU）等，其設(shè)計(jì)最大圍壓為30 MPa、最大軸壓30 MPa，可實(shí)現(xiàn)對(duì)凍融作用下深部黏土的強(qiáng)度特性的進(jìn)一步研究。凍融試驗(yàn)所采用的試樣根據(jù)壓力室的規(guī)格定為φ61.8 mm×125 mm。

圖2 三軸剪切試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of triaxial shear test device

本文通過(guò)三軸剪切試驗(yàn)，獲得不同孔隙比e、圍壓σ、凍融作用下深部重塑黏土的三軸抗剪強(qiáng)度qf。鑒于深部黏土的高致密性和低滲透性，本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水剪（CU），試驗(yàn)時(shí)首先配置干密度為1.69 g·cm-3、1.84 g·cm-3、1.98 g·cm-3三種標(biāo)準(zhǔn)深土重塑土試樣。對(duì)于未凍融土，設(shè)計(jì)三組不同圍壓、不同干密度條件下三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)；而對(duì)于凍融土，則采用正交試驗(yàn)方法，分別選取圍壓、干密度、融化溫度和凍結(jié)溫度四個(gè)影響因素，每個(gè)因素選取3 個(gè)水平，即采用四因素三水平的正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體試驗(yàn)方案如下表2所示。

表2 三軸剪切試驗(yàn)表Table 2 Triaxial shear test table

三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)具體步驟可以分為裝樣、安裝壓力艙、排氣與加載。為確保黏土試樣的密封性，采用乳膠膜密封，后在壓力室基座上依次放入透水石、濾紙、乳膠膜包裝好的黏土試樣和上方的濾紙、透水石以及加壓帽，并確保以上試驗(yàn)物品同軸居中對(duì)齊。壓力艙安裝過(guò)程中需注意避免磕碰試樣，安裝完成后打開(kāi)上端出水孔，通過(guò)加載泵向艙內(nèi)注水，待出水孔有水溢出后，關(guān)閉加載泵和出水孔，排空艙內(nèi)氣體。同時(shí)根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123—1999［18］規(guī)定，固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)剪切應(yīng)變率應(yīng)保持在（0.05%～0.1%）min-1之間，三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)采用等壓固結(jié)的試驗(yàn)方法，固結(jié)完成時(shí)間≥24 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3為不同條件下深部重塑黏土試樣在高壓三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)所得的偏應(yīng)力q（σ1-σ3）與應(yīng)變?chǔ)抨P(guān)系曲線，可以看出重塑土在未凍融時(shí)，其偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線多為軟化型，且不同土樣的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)相似，大致分為三個(gè)階段：線彈性變形階段、損傷演化階段、峰后軟化階段。當(dāng)應(yīng)變?cè)跒?%～3%的范圍內(nèi)，偏應(yīng)力差值隨著應(yīng)變的增加而呈快速增長(zhǎng)，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，該階段即為土體的彈性變形階段。隨后，當(dāng)應(yīng)變?chǔ)胚_(dá)到5%左右時(shí)出現(xiàn)峰值，其后隨著應(yīng)變的增加偏應(yīng)力差值的變化趨于平緩，并最終保持略微下降的趨勢(shì)。對(duì)比分析未凍融狀態(tài)及凍融狀態(tài)下深部黏土重塑土的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線，我們發(fā)現(xiàn)，在相同圍壓以及相同含水率的條件下，凍融作用使得土樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度略有下降，并且偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線也由軟化型變?yōu)橛不?，曲線分為兩個(gè)階段：線彈性變形階段、硬化階段。取軸向應(yīng)變?yōu)?0%所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力為極限強(qiáng)度，在偏應(yīng)力小于極限強(qiáng)度時(shí)，其變形發(fā)展相對(duì)較小，在偏應(yīng)力大于極限度后，變形發(fā)展較快。

圖3 不同條件下深部黏土偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Deviant stress-strain curves of deep clay under different conditions

對(duì)于土體在凍融前后偏應(yīng)力-應(yīng)變所表現(xiàn)出的非線性關(guān)系，以及在破壞階段出現(xiàn)的應(yīng)變軟化、應(yīng)變硬化兩種情況，在研究中一般采用非線性數(shù)學(xué)模型來(lái)描述此過(guò)程中偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。其中，描述應(yīng)變硬化現(xiàn)象最具代表性的非線彈性本構(gòu)模型為鄧肯-張雙曲線模型，該模型認(rèn)為硬化型曲線偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間符合公式（1）的變化規(guī)律，因而滿足線性變化關(guān)系。圖4中給出了凍融狀態(tài)下9 組試驗(yàn)應(yīng)變硬化的變化規(guī)律，可見(jiàn)，深部重塑黏土經(jīng)凍融作用后，整體呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出各組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)a、b數(shù)值，擬合結(jié)果見(jiàn)表3 所示，并且數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)R2平均數(shù)達(dá)0.9816，擬合效果較好。

圖4 鄧肯-張模型ε1 (σ 1 - σ3 )與ε1變化規(guī)律曲線Fig. 4 Variation curves of ε1 (σ 1 - σ3 )and ε1 in Duncan-Zhang model

表3 鄧肯-張模型參數(shù)表Table 3 Parameters of Duncan-Zhang model

雖然鄧肯-張模型參數(shù)簡(jiǎn)單且物理意明確，但卻無(wú)法描述土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。為了描述凍土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，賴遠(yuǎn)明等［19］提出一種修正的鄧肯-張模型。在該模型下，應(yīng)變軟化型曲線偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間符合公式（2）的變化規(guī)律與ε1也不再是線性變化關(guān)系。圖5給出了深部重塑黏土未凍融狀態(tài)下與ε1之間的關(guān)系，從數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中我們可以發(fā)現(xiàn)，修正后的鄧肯-張模型參數(shù)m、l隨著重塑土干密度與圍壓的增大而增大，而參數(shù)n的變化則恰恰相反。具體的擬合結(jié)果如表4 所示，各組數(shù)據(jù)的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.98 以上，擬合效果好。

圖5 修正的鄧肯-張模型ε1 (σ 1 - σ3 )與ε1變化規(guī)律曲線Fig. 5 Variation curves of ε1 (σ 1 - σ3 )and ε1 in modified Duncan-Zhang model

表4 修正的鄧肯-張模型系數(shù)Table 4 Modified Duncan-Zhang model coefficients

2.2 抗剪強(qiáng)度

深部重塑黏土的抗剪強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得偏應(yīng)力指標(biāo)來(lái)表征，對(duì)于應(yīng)變軟化型偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線取峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為極限強(qiáng)度。而對(duì)于應(yīng)變硬化型曲線，取軸向應(yīng)變?yōu)?0%所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為極限強(qiáng)度(σ1-σ3)f，由此得出不同條件下的極限強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 不同條件下深部黏土極限強(qiáng)度柱狀圖Fig. 6 Histogram of ultimate strength of deep clay under different conditions

從圖中我們可以看出，深部重塑黏土經(jīng)凍融作用后其極限強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的下降，在同圍壓、同干密度的情況下，極限強(qiáng)度平均降低了36.9%，最高達(dá)48.8%（圍壓8 MPa，干密度1.98 g·cm-3），土體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生了較為明顯的劣化。此外，由于三軸剪切試驗(yàn)采用的是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為了得到各影響因素對(duì)其偏應(yīng)力的影響顯著性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了正交試驗(yàn)直觀分析，結(jié)果如表5 所示。由表5 我們可知，對(duì)于偏應(yīng)力q的變化，影響顯著性依次是：干密度（極差1.423）、融化溫度（極差1.030）、凍結(jié)溫度（極差0.947）、圍壓（極差0.883）；經(jīng)凍融作用后深部重塑黏土的極限強(qiáng)度隨融化溫度的升高而降低，而對(duì)于圍壓、干密度和凍結(jié)溫度而言，尚未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性；同時(shí)，結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)凍融作用后深部重塑黏土抗剪強(qiáng)度隨干密度的增加其劣化現(xiàn)象愈發(fā)明顯，均值較之同一干密度條件下未凍融土分別下降了10.6%（干密度1.69 g·cm-3）、18.6%（干密度1.84 g·cm-3）、41.0%（干密度1.98 g·cm-3）。

表5 極限強(qiáng)度正交試驗(yàn)直觀分析表Table 5 Direct analysis table of orthogonal test of ultimate strength

2.3 割線模量

目前，對(duì)于凍融土彈性模量還尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同行業(yè)對(duì)土的彈性模量的計(jì)算方法也有其各自規(guī)定?！吨腥A人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（MT/T 593.5—2011）［20］取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上破壞應(yīng)力50%處所對(duì)應(yīng)的割線模量作為凍土的彈性模量，由此獲得的不同條件下深部重塑黏土割線模量柱狀圖，如圖7所示。

圖7 不同條件下深部黏土割線模量柱狀圖Fig. 7 Histogram of secant modulus of deep clay under different conditions

深部重塑黏土在經(jīng)歷凍融作用后，其應(yīng)力應(yīng)變曲線上0.5 倍強(qiáng)度處的割線模量E0.5總體呈下降趨勢(shì)，在同圍壓、同干密度的情況下，E0.5最大減少了72.0%（圍壓4 MPa，干密度1.69 g·cm-3）。結(jié)合表6 可知，干密度是影響凍融作用后深部重塑黏土割線模量E0.5的主要因素，凍結(jié)溫度、融化溫度、圍壓相比于干密度對(duì)割線模量的影響較弱。凍融作用下，各因素對(duì)深部重塑黏土割線模量的影響變化從大到小依次是：干密度（極差249.636）、凍結(jié)溫度（極差147.300）、融化溫度（極差145.430）、圍壓（極差120.600），同時(shí)各因素也呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，割線模量E0.5隨圍壓的增大、融化溫度的升高而逐漸減小，但對(duì)于干密度與凍結(jié)溫度而言，卻未能表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。對(duì)于同一干密度條件下，凍融作用使割線模量的均值大小分別下降了47.3%（干 密 度1.69 g·cm-3）、16.3%（干 密 度1.84 g·cm-3）、1.6%（干密度1.98 g·cm-3），變化規(guī)律與抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律呈相反趨勢(shì)。

表6 割線模量正交試驗(yàn)直觀分析表Table 6 Direct analysis table of secant modulus orthogonal test

3 結(jié)論

本文通過(guò)固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)探討了凍融作用對(duì)深部重塑黏土強(qiáng)度特性的影響作用，通過(guò)分析主要得到以下結(jié)論：

（1）深部重塑黏土在未凍融時(shí)，其偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線多為軟化型，曲線大致分為三個(gè)階段：線彈性變形階段、損傷演化階段、峰后軟化階段，凍融狀態(tài)下的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線多為硬化型，曲線主要分為兩個(gè)階段：線彈性變形階段、硬化階段，凍融作用下深土重塑土的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線由軟化型轉(zhuǎn)變成硬化型。

（2）分別采用鄧肯-張模型以及修正后的鄧肯-張模型對(duì)應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化兩種偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，其中對(duì)于應(yīng)變硬化型曲線，滿足線性變化關(guān)系，而應(yīng)變軟化型曲線呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式變化規(guī)律，兩者的數(shù)據(jù)擬合效果較好。

（3）深部重塑黏土經(jīng)凍融作用后，抗剪強(qiáng)度最大降低了48.8%，割線模量E0.5最大減少了72.0%。由此可見(jiàn)深部高密度黏土經(jīng)有載凍融后，其力學(xué)性能出現(xiàn)明顯劣化。

（4）各試驗(yàn)因素對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響顯著性依次是：干密度、融化溫度、凍結(jié)溫度、圍壓；對(duì)于割線模量E0.5的影響顯著性依次是：干密度、凍結(jié)溫度、融化溫度、圍壓?？梢?jiàn)初始干密度對(duì)深部?jī)鋈陴ね恋膹?qiáng)度和割線模量有重要影響，而圍壓影響較小。