多年冻土区不同深度原状土的力学试验研究_毕贵权.pdf

书书书文章编号：-（）-多年冻土区不同深度原状土的力学试验研究毕贵权*，熊猛，柴明堂，胡阳，虞洪，（兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 ；中国科学院西北生态环境资源研究院 冻土国家重点试验室，甘肃 兰州 ）摘要：为探讨多年冻土原状样承受竖向外荷载时的强度和变形特性，对不同深度的原状冻土样进行单轴试验和固结试验，并分析了冻土抗压强度、弹性模量、破坏形态、融沉特性试验表明：在单轴试验中，浅层土的应力-应变曲线为不规则的非线性曲线，深土层的应力-应变曲线为抛物线形式曲线，随着含冰量的增加以及含砂量的减少，荷载由土颗粒骨架发展为冰晶体承担，抗压强度和弹性模量随深度的增加先减小后增大冻土的破坏分为三种：延性破坏时外部无明显裂痕，仅产生挤压变形；弱面剪切破坏引起侧向裂缝以及侧向挤压变形；轴向分裂破坏的裂痕从中间至轴向展开在固结试验中，主固结一般发生在前 ，深层土的固结应变及融沉系数比浅土层大，且深土层融沉系数受荷载影响较大关键词：抗压强度；破坏形态；弹性模量；融沉系数；压缩系数中图分类号：文献标志码：E x p e r i m e n t a l s t u d yo nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f u n d i s t u r b e d f r o z e ns o i l o nd i f f e r e n t d e p t h s i np e r m a f r o s t r e g i o n -q ，-，（，；，-，）A b s t r a c t：，-，-，-：，-；-；，；-K e yw o r d s：；-收稿日期：-基金项目：国家自然科学基金（），冻土工程国家重点实验室年开放基金项目（）通讯作者：毕贵权（-），男，吉林九台人，博士，副教授 ：冻土对人类的生产生活起着重要作用我国是世界上冻土面积最广的国家之一冻土区别于常规融土的本质特征是冰的存在，通常由四组分体系组成：矿物颗粒、未冻水、冰和气体-，在自重和外部荷载作用下，土体内部孔隙水逐渐排出消散，孔隙第 卷第期 年月兰州理工大学学报 结构及土骨架移动重组，从而导致地表沉降、塌陷-，这将不可避免地改变下伏多年冻土的赋存环境，威胁一系列的工程建设-受野外复杂地质条件及取样设备的影响，多年冻土区的原状土试样获取难度大，贮藏条件复杂，因此对多年冻土原状样压缩试验并不常见冻土的抗压强度是寒区工程建筑设计的一个重要力学性能指标，现阶段国内外学者已开展了大量的室内试验研究，针对冻土的抗压特性，霍海峰等、苏文德等 通过对冻土的单轴试验进行研究，发现砂性土的抗压强度高于黏性土的抗压强度；陈锦等 通过对上海地区的冻结黏土进行单轴试验，提出了相应的本构关系，并分析了抗压强度；黄星等 通过对冻结粉质黏土、砂土、黄土单轴试验进行研究，发现试样破坏后呈鼓状，且呈现为应变软化型塑性破坏特征；黄坤等 通过对预制裂隙冻结黏土的单轴冲击压缩试验，发现强度劣化系数和弹性模量降低时，冻土抵抗变形能力也降低；姜龙等 -通过对不同冻土（黏性土，粉土等）融沉试验进行研究，分别得出融沉系数a的回归分析方程；陈义民 通过对各类冻土进行融沉系数的测定，并对各类土的融沉性进行了分类研究；郑宪 以哈尔滨地区典型土质冻结粘土进行固结试验，利用 软件中的多元线性回归拟合模型建立了压缩系的预报模型；杨凤学等 根据 份表层原状土冻土固结试验数据，给出了六类土的经验体积压缩系数表针对以上冻土压缩特性试验的研究，大部分是分析人工冻土的力学特性，且大部分是在地表表层取样进行的原状冻土试验研究受限于取样难度、保存环境、运输等原因，对多年原状冻土深层土的压缩力学性质研究较少本文以青藏高原可可西里地区获取的原状样为研究对象，通过开展单轴试验、固结试验，对不同深处的原状土进行力学分析、破坏形态分析以及融沉性研究 试验研究方法 试样采集本次试验所选试样取自可可西里盐湖一侧（，）之间处 采集，通过野外现场钻孔得到直径为 、高度为 的原状试样其中 为钻孔的孔号经现场测定，土层深度在范围内含砂量较高，土体特性主要表现为砂土性质；深度以下黏土含量较高，土体特性主要表现为黏土性质由于该地区土体含水率高且常年处于冻土状态，因此含冰量较高为减少原装试样的初始状态，试样采集完毕后，立即放入 冰箱中冷冻保藏，之后，运送至中国科学院西北生态环境资源研究院的冻土国家重点试验室进行试验本次单轴试验所采用的试验仪器为-微机控制多功能冻土压力试验机试验机如图所示，该仪器具有调速精度较高、性能较稳定的数字式交流伺服调速系统与电机作为驱动系统，尽管其结构复杂，但操作简单试验过程调制好机器以及参数后，通过加载进行制动采集应力-位移数据图 WDW-D 微机控制多功能冻土压力试验机F i g WDW-D m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e dm u l t i f u n c-t i o n a l f r o z e n s o i l p r e s s u r e t e s t i n gm a c h i n e采用 -型全自动气压固结仪进行固结试验，如图所示，仪器可对面积为、两种试件进行固结，固结形式分为正常慢固结和快速固结，固结压力可控制，具有稳定性高，可控性良好得出的试验结果较准确，且仪器较简单，易拆卸和安装，试验数据通过计算机采集图 G Z Q-型全自动气压固结仪F i g M o d e l G Z Q-f u l l y a u t o m a t i c p n e u m a t i c c o n s o l i d a-t i o n i n s t r u m e n t 单轴试验方案根据 土工试样方法标准，其试样高度不应小于，试样在运送至试验室后，在 环境条件下切取原状冻土样，保证试样的直径和高度比约为 ，将成型后的土样放入恒温箱（）兰州理工大学学报 第 卷进行养护 试验在无侧限压力条件下进行，仪器配有可控温低温环境箱，控温范围：室温到，控温精度为 试验控制温度为 ，轴向加载速率为 试验前，测定各试样相关参数，其值如表所列将试样进行拍照，以便与压缩试验后的试样进行比较表 土样参数T a b S o i l s a m p l ep a r a m e t e r s试样取样深度 表观性质高度 直径 密度（）含水率 干密度（）砂砾 灰白 浅绿 深灰 深灰 固结试验方案本试验采用常规固结方法，试样为原状土样，试验前将土样从恒温箱取出，根据 土工试样方法标准，用削土刀将土样削成高 ，内径为 的圆柱形标准样，为了测试冻土在融化后的压缩系数，试样在常温（）条件下进行标准的固结试验固结采用三级荷载加载，第一级根据土的软硬程度宜采用 ，最后一级压力应大于或等于土的自重与所加应力总和，采用 且每一级加载时间为 试验结果 单轴应力-应变曲线对上述组试样分别进行单轴试验，得到的试验结果如图所示由于冻土具有非均质性，其应力路径为非线性，不同深度土质的应力-应变曲线变化率差异较大，如 曲线和 曲线，前者有急升阶段有平缓阶段，没有斜率等于时刻，后者呈抛物线状态，达到峰值时斜率为，且前期应力随应变为增长趋势对于 、的浅层土，由于土体内部含冰量较少，且靠近地表的砂土层，因此土颗粒之间的咬合力小，前期承载力由冰晶体与胶结的骨架颗粒承担，达到一定破坏程度后由作用在土体上的土颗粒骨架承担，应力随应变为不规律的非线性曲线对于 的深层土，冰将骨架颗粒胶结在一起，提高了承载能力，应力随应变呈抛物线曲线 弹性模量试验中应力-应变曲线接近于双曲线关系，取一定应变值（）来确定土的强度，但对于有峰值且不超过应变的 ，取 峰通过试验得出单轴抗压强度和弹性模量，其值如表所列图表明，浅层土 与 的应力-应变曲线相似，由于浅层土含水率较低，影响应力-应变曲线图 不同深度下的应力-应变函数关系F i g S t r e s s-s t r a i n f u n c t i o nr e l a t i o n s o f v a r i o u s s o i l s a m p l e s表 不同深度土样的抗压强度值和弹性模量值T a b C o m p r e s s i v es t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u so fv a r i o u ss o i l s a m p l e s样品抗压强度 弹性模量 主要为干密度干密度越大，土体内部孔隙率越小，土体越密实，此时应力强度由土颗粒骨架承担应力随应变增加越快，且应力强度越大故试样 比试第期毕贵权等：多年冻土区不同深度原状土的力学试验研究 样 应力-应变曲线陡且强度大随着深度的增加，含水量也随之增加，当含水率高于 时，影响应力-应变曲线主要为含水率应力由冰胶结的骨架颗粒承担，应力-应变逐渐趋近于抛物线曲线型，且应力逐渐趋于稳定值，如 处的 曲线，这与前人研究含水量对冻土破坏形式影响具有相似的结论 试验前后，土体由于轴向压力作用产生轴向应变，应力较小时，产生弹性应变，此时应力-应变关系为E，由于土体内微裂隙在外力作用下发生闭合，其孔隙比降低，应力逐渐增加，咬合更密实，表面摩擦力也随着增加，如 曲线冻土与金属材料不同，弹性阶段，金属属于均质材料，不会破坏，而冻土具有非均质性，弹性阶段性也有少部分发生开裂，随着应力增加，应力达到屈服点，继续加载，将进入塑性阶段，切线模量逐渐降低，冻土内部裂痕增加，且产生富余应力和富余应变当加载至峰值即抗压强度后，本文所获得的原状冻土呈现应变软化现象，应变增加，应力减少此时试样外表裂痕明显，仍然具有承载力随着应变的增加，冻土内部产生宏观断裂面，其摩擦具有抵抗外力的能力图、图为部分试样破坏前后的原状冻土图 破坏前形态F i g P r e-d e s t r u c t i o np a t t e r n图 破坏后形态F i g P o s t-d e s t r u c t i o np a t t e r n不同深处的原状土密度、含水率不同，单轴压缩时的应力-应变函数曲线不同，其抗压强度与弹性模量不同在 深处的试样，抗压强度为 ，弹性模量为 ；深处的试样，抗压强度 ，弹性模量为 ；深处的试样，抗压强度 ，弹性模量为 ，且是所有试样中最大的随着土层的深度增加，含砂量逐渐减小含冰量逐渐增大，土的承载力逐渐由土颗粒骨架承载发展到冰晶体承载，故冻土的抗压强度和弹性模量随深度的增加先减小后增大而弹性模量是检验岩石力学性能指标之一，其反应岩石抵抗弹性变形能力，因此深土层的抗压效果更好浅层土加载过程中前期处于压密状态，孔隙体积减少，应力增加缓慢，单轴压缩中后期，由于砂土显塑性，应力快速增加，但砂土粘聚力差，内摩擦角小，继续加载易使颗粒破碎，导致土质破坏从试验中可以看出不同深处原状冻土结构不同，有紧密，有松散，但由于内含冰，导致颗粒之间暂时间接或直接咬合在一起，因此其抗压强度不同 破坏形态分析冻土的破坏形态分为三种，第一种破坏由于含冰量低，含砂量高，如图的试样，其抗压强度为 ，弹性模量为 ，其破坏形式表现为外部无明显裂痕，仅产生挤压变形，称延性破坏，该破坏表现为显著的塑性形变，具有较大的塑性应变变化，试样应变在 时达到破坏强度，其应力-应变曲线为硬化曲线；冻土也可能产生弱面剪切破坏，如图的试样，抗压强度为 ，弹性模量 ，该破坏形式下抗压强度小，试样结构整体性破坏严重在应力作用下，产生剪切破坏，该破坏引起侧向裂缝及侧向挤压变形的发生其单轴试验初期，应力随应变缓慢增加，达到弹性极限后，应力随应变剧增，直至达到峰值，属于工程中常见的破坏；工程中还有一种常见的轴向分裂破坏，如图的试样，其抗压强度为 ，弹性模量为 ，该破坏抗压强度高、弹性模量高，破坏时，裂痕贯穿两端，应力-应变曲线呈较完整的抛物线形式，且中期应力随应变增加迅速，裂痕从中间至轴向展开 固结试验曲线分析从图中的轴向应变-时间函数可以看出前轴向应变在恒荷载过程中是逐渐增加的，并趋于稳定，引起该现象的产生可以理解为固结初期，土质疏松、孔隙较大，此时冻土之间的作用力主要由黏聚力产生，土质易压实，因此在短时间内可以进行初兰州理工大学学报 第 卷图 轴向应变-时间函数F i g A x i a l s t r a i n-t i m e f u n c t i o n步的压实，后继续加载，轴向应变继续增大，且比前一次加载达到稳定所需时间更少但压缩的应变更小因此，在多次加载后，孔隙比将逐渐减小，当加载的荷载最终使土体紧密度达到最大化，其结果为伴随轴向应力增加，轴向应变保持不变，此时孔隙比接近于e ，相对密度D 浅层土的含冰量较少，故融化后的固结应变小，如 的试样，在 稳定后的应变为 ，稳定后的应变为 ，稳定后的应变为 对于深层土的融化固结，由于含冰量较高，融化后的固结应变比浅层土应变大，如 的试样，在 稳定后的应变为 ，稳定后的应变为 ，稳定后的应变为 由于深层土的含冰量较高，不易融化，故前期比 的试样 的固结应变量小，随着荷载的增加以及时间的增长，试样内部的冰晶体逐渐融化，固结应变逐渐增加 讨论于分析 固结试验理论固结过程目前有两种说法：一种认为主固结结束后次固结才开始；另一种认为主固结阶段有次固结，主固结结束后次固结仍然在继续通过试验曲线粗略可以看出，在前五小时，主固结已经结束，且和土质的性质无关，因此工程中土体大部分处于蠕变状态为了进一步探究在 、时e-t函数曲线，以 函数曲线为例，图为该试样e-t函数曲线延长图中轴向荷载为 时的e-t函数曲线中部的直线段和尾部的水平线，交点即为主固结完成的时间t，e为完成主固结的孔隙比通过图 试样Z De-t函数F i g e-tf u n c t i o no fZ Ds a m p l e图分析，可以把固结分为三段：第一段为固结前期，该阶段曲线呈抛物线形式，孔隙比变化大；第二阶段为直线，固结后期，黏土表观黏聚力作用逐渐发展成颗粒间的胶结作用，更为密实；第三阶段为近乎水平直线阶段，隙比仍在减小，且减小的缓慢，该阶段存在范德华力图也表明主固结完成时间不超过 ，二级荷载加载和三级荷载加载的e-t函数曲线特征与一级荷载加载的e-t函数曲线特征相似，但孔隙比会随着荷载级数增加而减小 冻土融沉相关系数确定土样在分级荷载作用下得到不同的融沉系数，其融沉系数与分级荷载函数关系如图所示由图可知，随着荷载的增加，融沉系数呈增大的趋势含水率较小时，土体内部孔隙小，较密实，因此在施加三级荷载后，其融沉系数变化较小，如试样；含水率较大时，土体内部孔隙较大，土质疏松，三级荷载作用后，其融沉系数变化较大，如试样 对比于个试样还可以发现：不同含水率条件下的融沉系数不同，同级轴向荷载条件下，浅层土融沉系数小于深层土的融化系数第期毕贵权等：多年冻土区不同深度原状土的力学试验研究 图 融沉系数-应力函数F i g M e l t i n g s e t t l e m e n t c o e f f i c i e n t-s t r e s s f u n c t i o n 结论）原状冻土具有非均质性，不同深处冻土应力路径差异较大，浅土层由于含冰量较低且含砂量高，承载力前期由冰晶体承担，后期由土颗粒骨架承担，故应力-应变曲线为不规则的非线性曲线；深层冻土承载力由冰晶体体承担，故应力-应变曲线为抛物线形式曲线）单轴压缩试验中，原状冻土前期发生弹性变形，且发生细微裂痕，随着荷载及时间的增加，冻土发生宏观裂痕且产生富余应力和富余应变由于承载力从土颗粒骨架承担发展到冰晶体承担，冻土的抗压强度与弹性模量随深度的增加先减小后增大）冻土破坏机理分为三种，延性破坏外部无明显裂痕；弱面剪切破坏引起侧向裂缝以及侧向挤压变形的发生；轴向分裂破坏裂痕从中间至轴向展开）常规固结试验中，主固结发生时间在前 中，浅土层的固结应变比深层土的应变小，对于含冰量较高的原状冻土，前期加载应变慢，后期随着融化应变变化快固结试验中颗粒之间由冻土表观粘聚力作用逐渐发展成颗粒间的胶结作用，土质更为密实）冻土的融沉系数受含水率和荷载影响荷载不变条件下，含水率越大，融沉系数越大；融沉系数随荷载增加而增加，含水率较低的土样融沉系数受荷载影响较小参考文献：刘小慧青藏铁路多年冻土路基可靠度研究 兰州：兰州交通大学，周幼吾开发西部要重视冻土研究 兰州学刊，（）：侯曙光多年冻土路基融沉机理及路面结构对策研究 南京：东南大学，徐学祖，邓友生冻土中水分迁移的实验研究 北京：科学出版社，马巍，赵淑萍冻土区的地下水基础研究 寒区冻结层上水简介（英文）冰川冻土，（）：-，：-，（）：-马巍，吴青柏，程国栋青藏铁路块石气冷结构路堤下冻土温度场变化分析 冰川冻土，（）：-马巍，穆彦虎，谢胜波，等青藏高速公路修筑对冻土工程走廊的热力影响及环境效应 地球科学进展，（）：-霍海峰，陈瑞青，雷华阳，等不同配比砂-粉黏混合料冻后抗压强度试验研究 岩石力学与工程学报，（）：-苏文德，周建军厦门地区含盐地层冻土力学性能试验研究隧道建设，（）：-陈锦，李东庆，邴慧，等含盐量对冻结粉土单轴抗压强度影响的试验研究 工程力学，（）：-黄星，李东庆，明锋，等冻土的单轴抗压、抗拉强度特性试验研究 冰川冻土，（）：-黄坤，马芹永，马冬冬预制裂隙冻结黏土单轴冲击压缩试验与分析 科学技术与工程，（）：-姜龙，冷毅飞，张喜发，等冻土融沉系数的经验确定方法工程勘察，（）：-吕玉兰，冷毅飞，姜龙，等多年冻土融沉性分类研究 冰川冻土，（）：-陈义民多年冻土融沉特性统计分析与分类研究 长春：吉林大学，郑宪季冻区非饱和粉质粘土融沉特性试验研究 哈尔滨：东北林业大学，杨凤学，张喜发，冷毅飞，等冻土融化体积压缩系数的经验确定方法 岩土力学，（）：-姚晓军，刘时银，李龙，等近 年可可西里地区湖泊时空变化特征 地理学报，（）：-中华人民共和国水利部土工试验方法标准：北京：中国计划出版社，吴紫汪，马巍，张长庆，等冻结砂土的强度特性 冰川冻土，（）：-陈丽吹填软土固结一蠕变特性试验研究 天津：天津大学，兰州理工大学学报 第 卷