冻土旁压试验与单轴试验对比

张 虎，张建明，苏 凯，刘世伟

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州 730000



冻土旁压试验与单轴试验对比

张 虎，张建明，苏 凯，刘世伟

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州 730000

为了认识冻土旁压试验结果与常规试验结果之间的关系，在室内分别开展了冻结重塑黏土的旁压试验和单轴压缩试验，并对试验结果进行了对比分析。结果表明，在各级荷载作用下旁压曲线一般都呈现应变速率衰减的趋势，而单轴曲线在冻土破坏时会出现渐进流动阶段。旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型，而且出现初始拟弹性阶段；而单轴试验的应力-应变曲线则属于应变软化型，并在轴向应变大约为10%时达到剪应力峰值。温度相同时，旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验，且温度越低差值越大。

旁压试验；单轴压缩试验；剪切强度；初始弹性模量

0 引言

旁压仪作为一种操作方便的原位试验仪器,能够最大程度地减小对土体的扰动，获得原位土体的力学性质。在岩土工程领域，旁压仪已经得到了广泛的应用，并从20世纪70年代以来成功地引入冻土力学研究中[1-4]。

截止目前，学者们利用旁压试验已经得出了大量的研究成果，这些成果主要针对如何确定土体的应力-应变关系[5-9]以及计算土体强度和模量参数[10-12]。无论是旁压试验还是室内常规试验，其最终目的都是为工程建设提供参考，然而针对相同土体，试验方式的不同就会得到不同的试验结果，试验结果的多样性就对工程活动的参考造成了很大困难，所以将旁压试验与室内试验结果之间进行对比分析就成为了必要。这样不仅可以了解不同试验方法所得到结果之间的差异，还能大大提高其结果的工程利用价值。为了研究旁压试验结果与室内单轴试验结果的关系，笔者开展了重塑冻土的旁压试验，并选用相同的土样进行了单轴压缩试验，最后对比分析了这两种试验的应力-应变曲线、剪切强度和弹性模量之间的关系。

1 旁压试验与单轴压缩试验介绍

1.1 旁压试验

旁压试验是在位于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的低温实验室内开展的，室内采用风冷降温，温度控制精度为±0.1℃。所采用的仪器为Menard旁压仪，试验在置于低温实验室内的方形铁箱中进行，铁箱尺寸为194 cm×194 cm×100 cm，如图1所示。试验前将接近饱和含水量的青藏黏土拌匀后填充到铁箱内(密度约为2 142 kg/m3)，填土之前需将适宜尺寸的圆形塑料管均布在土体中以便形成预留的旁压试验孔。模型中采用了方形布孔的方式，共预留了4个旁压试验孔。根据试验规范[13]，为了避免旁压试验的相互干扰对试验结果的影响，相邻两孔位之间的距离设置为1 m，孔洞离两侧铁箱侧壁的距离都为0.47 m。在每个试验孔旁边沿深度安放3个温度探头(可将温度探头绑在竹竿上以固定其位置)，土体表面覆盖塑料布以免土中水分的蒸发。准备工作完成后，将整个低温室冷却到试验所需温度并保持一段时间，当土体温度均匀后将圆形塑料管拔出，并将旁压探头放进孔洞内开始试验。试验完成后将试验深度处的土体取样、烘干，测量含水量。

笔者共开展了4个不同温度条件下的旁压试验，试验均采用等压力增量加载，加载等级根据试验温度来调整(表1)。每次加载后持续大约30.0 min，期间每隔0.5～5.0 min记录一次压力和体积读数。当旁压仪体积读数达到750 cm3时停止试验。

图1 低温室内旁压试验Fig.1 Pressuremeter test in cold room

Table 1 Frozen soil conditions for pressuremeter tests and uniaxial tests

试验号加载等级/MPa温度/℃含水量/%旁压试验P10．3-4．9018．6P20．3-2．9517．8P30．2-1．9518．3P40．2-1．1818．9单轴试验U10．3-4．9017．7U20．3-2．9517．6U30．2-1．9517．0U40．2-1．1817．7U50．1-0．8016．3U60．1-0．5016．4U70．1-0．3016．8U80．1-0．1016．3

1.2 单轴压缩试验

旁压试验完成后，直接取试验点深度处的土体制成Φ61.8 mm×125 mm的单轴试验样以保证2种试验的土样相同。然后将土样放进恒温箱内在相同的温度下保持恒温；最后在单轴试验机上进行单轴试验。本次单轴试验共开展8个，除了与旁压试验对应的4个温度外，还增加了4个温度稍高的单轴试验。试验方式同样为等压力增量加载，加载等级根据温度来调整(表1)，每次加载后持续大约30 min。

2 旁压试验与单轴试验结果描述

图2表示的是在等压力增量加载下旁压应变随时间的变化趋势。文中是将环向应变作为旁压应变[14-15]，即孔洞半径变化量与孔洞初始半径之比 。当压力较小时，旁压应变随压力的增大成比例增加，此时主要表现为冻土的弹性变形；随着压力的增大，旁压应变开始加速增加，此时孔洞周围的冻土开始发生结构改变而表现为塑性变形。从变形过程的整体趋势来看，旁压应变随压力的逐渐增加而加速发展；然而，在每级压力下冻土变形随时间的发展均呈现衰减的趋势。

T为温度。图2 旁压试验应变随时间变化曲线Fig.2 Strain-time curve of pressuremeter test

图3 单轴试验应变随时间变化曲线Fig.3 Strain-time curve of uniaxial compression test

图3表示在等压力增量加载下冻土单轴试验轴向应变εa随时间的变化趋势。从图3可以看出，单轴试验的应力加载曲线与旁压试验稍有不同。这是由于该试验机为滚轴丝杠加载，其达到每级目标压力都需要一定的时间，土样的变形速率越大需要的时间越长；并且当变形速率过大即土样发生破坏时，施加于土样的应力开始减小。单轴试验中，轴向应变随时间的发展趋势与旁压试验曲线相似，但是当土样破坏时会出现轴向应变加速增加的渐进流阶段，如图3中最后一级压力下应变的发展过程。

3 对比分析

3.1 应力-应变对比分析

对于旁压试验，可利用Ladanyi[6]提出的方法计算土体的剪应力τ，从而确定冻土的应力-应变关系曲线τ-εp。对于单轴试验，如果将其当作围压为0的三轴试验，那么也可得到应力-应变关系τ-εa，其中剪应力为轴向压力的1/2。如图4所示，旁压试验的应力-应变曲线与单轴试验的应力-应变曲线有着较大的差别。旁压曲线主要表现为应变硬化型，当应变较小时冻土变形近似弹性，应变增加到约1.3%时冻土出现初始屈服；而后随着应变的增加剪应力增加的速率逐渐减小，但始终保持增长的趋势。与旁压曲线不同，单轴试验的应力-应变曲线没有出现明显的初始屈服点；随着轴向应变增加剪应力不断增大，达到峰值后又逐渐下降；其曲线类型属于应变软化型，产生峰值应力时应变约为10%。

图4 两种试验的应力-应变曲线对比Fig.4 Comparison of stress-strain curves of the two kinds of tests

3.2 强度与模量对比

由表1可知，各试验土样的含水量是非常相近的，所以在数据分析时可不考虑含水量的影响。由于旁压试验的应力-应变曲线没有出现峰值，那么将旁压应变εp=15%时对应的剪应力作为冻土旁压剪切强度[13]，见表2。图5表示旁压试验的剪切强度τp与单轴试验剪切强度τu随温度的变化趋势。从图5可以看出，无论是旁压试验还是单轴试验，其剪切强度都随负温呈线性关系，并随负温的降低而增大。线性回归式如下：

(1)

(2)

从上述公式可知：当负温相同时旁压试验剪切强度τp大于单轴试验剪切强度τu，且两者的差值随温度的变化而变化，温度越低差值越大，温度越高差值越小。由图5可知,当温度高于-1.0℃时，这种差值几乎可以忽略。

在不排水平面应变的条件下，旁压探头周围土体认为体应变εv=0，从而剪切应变γ=2εp[16]，那么从图4中旁压试验应力-应变曲线中得到的初始曲线斜率便是冻土初始剪切模量Gi的2倍。那么通过弹性模量E与剪切模量G的关系公式E=2(1+μ)G，可得到旁压试验冻土的初始弹性模量Ep，见表2(其中通过Ladanyi[17]的实验结果，将泊松比μ选取为0.5)。而对于单轴试验，剪应力为轴向压力的1/2，那么从应力-应变曲线上得到的初始曲线斜率便是冻土弹性模量Eu的1/2。图6表示旁压试验 初始弹性模量Ep与单轴试验初始弹性模量Eu随

表2 旁压试验与单轴试验的试验结果

Table 2 Test results of pressuremeter tests and uniaxial tests

试验号剪切强度/MPa初始弹性模量/MPa旁压试验P12．10153．86P21．4796．48P30．8870．94P40．6837．53单轴试验U11．3363．96U20．9238．32U30．7127．80U40．5417．70U50．3414．21U60．2611．38U70．215．27U80．111．96

图5 两种试验的剪切强度随温度的变化关系Fig.5 Variation of shear strength with temperature for the two kinds of tests

温度的变化趋势。与剪切强度类似，Ep和Eu与负温之间也呈现出一种线性关系：

(3)

(4)

从式(3)、(4)可知，在相同温度条件下Ep比Eu要大得多。

从上述分析可以看出，旁压试验得出的剪切强度和弹性模量与单轴试验有较大的差别，这主要是由于旁压试验的受力状态与单轴试验不同造成的。单轴试验中没有侧限约束，使得土样能够沿侧向自由变形而导致内部容易产生竖向裂缝，其结果是强度和弹性模量都较小。对于旁压试验，探头周围土体的受力状态要复杂得多，竖向应力和环向应力能够起到一定的围压作用而使得冻土强度和弹性模量较大。

图6 两种试验的初始弹性模量随温度的变化关系Fig.6 Variation of initial deformation modulus with temperature for the two kinds of tests

4 结论

1)在每级压力下，旁压试验曲线都呈现衰减变形特征，而单轴试验曲线在冻土破坏时会产生渐进流动阶段。

2)旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型，而且出现了较明显的近似弹性阶段；而单轴试验的应力-应变曲线呈现应变软化型，在轴向应变约为10%时达到剪应力峰值。

3)无论是旁压试验还是单轴试验，其剪切强度和初始弹性模量都随温度的降低而线性增加。温度相同时，旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验，且其差值随着温度的变化而变化，温度越低差值越大，温度越高差值越小,但当温度高于-1.0℃时,差值几乎可以忽略。

4)原位旁压试验在不破坏土体结构的前提下能够得到更加可信的力学参数，而单轴试验中土样的力学状态受到了很大的改变，所得到的力学参数会在一定程度上失真，这种差别在工程实践参数选择时应详加考虑。单轴试验受力状态较为简单，而旁压试验却较为复杂，理论上与三轴试验的受力状态更为接近，所以在后续工作中将旁压试验与三轴试验进行对比也是非常必要的。

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Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compression Test of Frozen Soil

Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai, Liu Shiwei

StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China

In order to identify the relationship between pressuremeter tests and indoor tests, the pressuremeter tests and uniaxial tests were performed and the comparisons between the test results were analyzed. The results indicate that the pressuremeter creep curve presents a decaying form; while a progressive flow stage appears in the uniaxial test once the frozen soil is broken. The stress-strain curves of pressuremeter test manifest a strain-hardening character with an initial quasi-elastic stage; while the uniaxial test shows a strain-softening stress-strain curve with peak strength at the axial strain of 10%. At the same temperature, the shear strength as well as the initial deformation modulus of pressuremeter test are greater than those of uniaxial tests; and the difference increases with the decreasing of temperature.

pressuremeter test; uniaxial compression test; shear strength; initial deformation modulus

10.13278/j.cnki.jjuese.201505202.

2014-12-01

国家自然科学基金项目(40971045);冻土工程国家重点实验室自主研究课题(SKLFSE-ZY-02-6)

张虎(1986--)，男，助理研究员，博士，主要从事寒区岩土工程等方面的研究，E-mail:zhanghu@lzb.ac.cn

张建明(1963--)，男，研究员，主要从事寒区岩土工程等方面的研究，E-mail:zhangjm@lzb.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201505202

TU413.3

A

张虎，张建明，苏凯，等. 冻土旁压试验与单轴试验对比.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(5):1479-1484.

Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai,et al. Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compression Test of Frozen Soil.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(5):1479-1484.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201505202.