冻结盐渍土强度特性试验研究

禹冠男

(黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150090)

冻结盐渍土强度特性试验研究

禹冠男

(黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150090)

通过对冻结盐渍土进行三轴试验，研究不同冻结温度、冻融循环次数和围压的冻结盐渍土强度特性与本构关系。研究表明：冻结盐渍土的应力-应变关系曲线为应变硬化型，满足邓肯-张双曲线本构模型，并确定本构模型参数。冻结盐渍土随着应变增加，应力不断增加，曲线分为弹性变形阶段和塑性变形阶段两个变形阶段。随着围压的增加，冻结盐渍土的应力-应变关系曲线越高，早期强度、弹性模量和破坏强度增加，工程性能和抵抗变形能力增强，而冻结温度和冻融循环次数却与之相反。

冻结盐渍土; 三轴试验; 应力-应变关系; 本构模型

我国盐渍土分布广泛，占全国面积的2%[1]，其中大面积分布于季节冻土和多年冻土区。冻土是一种复杂架构的多相体，包括矿物、冰、水和气，由于温度的降低，水不断冻结形成冰胶结物，产生冰胶结作用，使得冻土的力学性能相对比较复杂[3]，其中，冻土强度的研究是冻土力学的一个重要课题[4]，但对于特殊性冻结盐渍土就更为复杂，因此，研究冻结盐渍土问题是寒区工程建设中的难点。

对于冻结盐渍土力学特性的研究，学者们已取得一些成果。邴慧等[5-7]对兰州黄土进行单轴抗压试验，研究不同冻融循环次数、含盐量和含水量的黄土状盐渍土应力应变关系曲线、破坏及强度特性。陈锦等[8]冻结含盐土单轴抗压强度试验研究表明，含水量对含盐土强度的影响与盐分类型及含量有关，且随着含水量的增加呈先增后减的变化趋势。杨成松等[9]对饱和含盐冻结粉质黏土进行单轴抗压试验，研究温度、含盐量与含盐冻结粉质黏土的屈服应力和抗压强度间的关系；并引入相对温度的概念，建立非盐渍土和盐渍土之间力学性质上的联系。陈炜韬等[10-11]通过室内试验研究冻融循环次数对不同含盐量和不同含盐类型盐渍土黏聚力和内摩擦角的影响，从晶体位置变化、微观结构、盐类性质及未冻水含量等方面分析冻融循环次数对盐渍土黏聚力的作用机理，结果发现盐渍土的黏聚力随冻融循环次数的增加而减小，最后趋于稳定。

在我国东北寒冷地区分布着大量冻结盐渍土，由于其力学性质的复杂性，为了工程建设需要对盐渍土的强度性质进行研究是必要的。对冻结盐渍土进行三轴试验，研究不同冻结温度、冻融循环次数和围压的冻结盐渍土应力-应变关系变化规律及力学特性，探索适合的本构关系，为进一步评价冻结盐渍土的工程性质积累宝贵经验。

1 试验简介

1.1 试验土样及其制备

土样取自大庆地区盐渍土，属粉质粘土。盐渍土试样制备：首先将盐渍土风干碾压过2 mm筛，由击实试验得最大干密度1.78 g/cm3和最佳含水量15.8%，以此配置土样，然后将其放入塑料袋中闷料12 h，待水分均匀分布后制备试样；分三层击实，制成高度为125 mm、直径为61.8 mm的圆柱形试样，为保证冻结完全放入-30 ℃的冷冻箱内快速冻结24 h，再将其放入所需达到冻结温度恒温24 h，为使其充分融化,放入0 ℃的恒温箱内24 h，再将其放入所需达到冻结温度的冷冻箱快速冻结24 h，完成一个冻融过程。根据试验方案，将试样完成所需冻融循环次数后，放入所需冻结温度的恒温箱内24 h，使试样完全恒温备用。

1.2 试验方法

试验仪器为应变式低温三轴剪切仪，该仪器由周围压力、反压力、孔隙水压力系统和主机组成。对盐渍土进行不同冻结温度、冻融循环次数和围压三轴试验，剪切速率为1.25 mm/min。破坏标准为应力峰值点或应变达到20%为止，具体工况见表1。

表1 冻结盐渍土试验工况

2 试验结果分析

2.1 冻结盐渍土应力-应变关系分析

2.1.1 冻结温度的影响

由图1可知，随着冻结温度降低，冻结盐渍土应力-应变关系曲线越高，强度越强，工程性能越好。

冻结盐渍土应力应变关系变化初期，曲线处于弹性阶段，线性程度较好，早期强度和弹性模量增加；应变增加曲线进入弹塑性阶段，屈服强度和破坏强度增加。原因在于冻结温度越低，土体中水转化成冰越快，冰晶越结实胶结力越强。因此，随着冻结温度降低，冻结盐渍土的强度越好，抵抗变形的能力越强，属于典型弹塑性破坏特征。

图1 不同冻结温度冻结盐渍土应力-应变关系

2.1.2 冻融循环次数的影响

由图2可知，随着应变增加，冻结盐渍土应力不断增加最后趋于稳定，应力-应变关系曲线表现为应变硬化型特征。

加载初期直线段，随着冻融循环次数增加冻结盐渍土早期强度和弹性模量降低；随着应变增加进入曲线阶段，随着冻融循环次数增加冻结盐渍土屈服强度和破坏强度降低。实质上是盐渍土所受冻融循环次数越多时，土体中水与冰相互转化次数越多，土体内部结构损伤越大，土体结构越脆弱，导致冻结盐渍土工程性能和抵抗变形的能力越差。

图2 不同冻融循环次数冻结盐渍土应力-应变关系

2.1.3 围压的影响

由图3可知，冻结盐渍土随着应变增加应力不断增加，曲线分两个变形阶段，即弹性变形阶段和塑性变形阶段。初始弹性阶段，随着围压增加，早期强度和弹性模量增加；接着，应变增加进入弹塑性阶段，随着围压增加，屈服强度和破坏强度不断增加，且有较高的后期强度。分析其原因在于围压越高，对土体侧向约束越强，产生侧向变形越小，土颗粒间更加紧密，土体更为密实。因此，围压越大，冻结盐渍土强度提升越明显，抵抗变形的能力越强，土体性能得到有效改善。

图3 不同围压冻结盐渍土应力-应变关系

2.2冻结盐渍土本构模型分析

冻结盐渍土随着应变的增加应力不断增加，达到一定应变后曲线不断平稳，无应力峰值点，表现为应变硬化型特征。将冻结盐渍土(σ1-σ3)～εa关系整理，得εa/(σ1-σ3)～εa关系近似为线性关系：

=a+bε1.

(1)

式中：a，b为与土性有关的试验常数；a为截距，b为斜率，参数a，b见表2。

表2 冻结盐渍土参数a，b值

冻结盐渍土(σ1-σ3)～εa关系近似为双曲线关系，满足邓肯-张双曲线模型。三轴试验中，切线模量为

(2)

式中：a为初始变形模量Ei的倒数，b为极限主应力差(σ1-σ3)ult渐进线的倒数。绘制lg(Ei/pa)与lg(σ3/pa)的关系可知，两者近似为线性关系(见图4)。

(3)

式中：pa为大气压，量纲与σ3相同。

图4 冻结盐渍土lg(Ei/pa)与lg(σ3/pa)关系

3 结束语

1)冻结盐渍土的应力-应变关系曲线为应变硬化型，满足邓肯-张双曲线模型。

2)冻结盐渍土随着应变增加，应力不断增加，曲线分两个变形阶段，即弹性变形阶段和塑性变形阶段。

3)随着围压增加，冻结盐渍土应力-应变关系曲线越高，强度越强，工程性能越好，属于典型弹塑性破坏特征，而冻结温度和冻融循环次数与之相反。

4)加载初期弹性阶段，随着围压增加冻结盐渍土早期强度和弹性模量增加；随着应变增加进入弹塑性阶段，随着围压增加冻结盐渍土屈服强度和破坏强度增加，且有较高的后期强度。因此，围压越大，冻结盐渍土强度明显提升，增强抵抗变形的能力，改善土体性能。而冻结温度和冻融循环次数与之相反。

[1] 徐斅祖,王家澄,张立新.冻土物理学[M].2版.北京:科学出版社,2010:1-378.

[2] 吴紫汪,马巍.冻土强度与蠕变[M].兰州:兰州大学出版社,1994.

[3] 崔托维奇H A.冻土力学[M].张长庆, 朱元林，译.北京:科学出版社,25-43.

[4] 邴慧,何平.冻融循环对含盐土物理力学性质影响的试验研究[J].岩土程学报,2009,31(12): 1968-1962.

[5] 邴慧.反复冻融作用下含盐土路基破坏机理研究[D].兰州:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,2008.

[6] 邴慧,武俊杰,邓津.黄土状盐渍土洗盐前后物理力学性质的变化[J].冰川冻土,2011,33(4):796-800.

[7] 陈锦,李东庆,邴慧,等.含水量对冻结含盐粉土单轴抗压强度影响的试验研究[J].冰川冻土,2012,34(2): 441-446.

[8] 杨成松,何平,程国栋,等.含盐冻结粉质黏土单轴抗压强度试验研究[J].工程力学,2006,23(1):144-148.

[9] 陈炜韬,王鹰,王明年,等.冻融循环对盐渍土粘聚力影响的试验研究[J].岩土力学,2007, 28(11): 2343-2348.

[10] 陈炜韬.环境因素变化对格尔木地区盐渍土剪强度参数的影响研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[责任编辑：郝丽英]

Experimental study on the frozen saline soil strength characteristics

YU Guannan

(Longjian No.4 Road and Bridge Engineering Co., Ltd., of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China)

Through the frozen saline soil in triaxial test, this paper studies the different freezing temperature, freezing and thawing cycles and confining pressure freeze saline soil strength characteristics and constitutive relation.Studies have shown that frozen saline soil stress-strain relationship curves of strain hardening model, can meet the Duncan-double curve, and determine the constitutive model and constitutive model parameters.The frozen saline soil with strain increases with the stress. The curve consists of two deformation stages for elastic deformation and plastic deformation phase.With the increase of confining pressure frozen saline soil stress-strain curve, the early strength, elastic modulus and fracture strength are on the increase, and the engineering properties and resistance to deformation ability are enhanced, while the freezing temperature and freezing and thawing cycles are in decrease.

frozen saline soil;triaxial test;stress-strain relationship;constitutive model

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.006

2017-03-20

禹冠男(1981-)，男，工程师，研究方向：冻土区路基工程技术.

TU448

A

1671-4679(2017)03-0019-03