宁波海相软弱土层人工冻土强度特性试验

江汪洋，杨平*，陈斌，何文龙

(1.南京林业大学土木工程学院，南京 210037； 2.宁波市轨道交通工程建设指挥部，浙江 宁波 315010)

宁波海相软弱土层人工冻土强度特性试验

江汪洋1，杨平1*，陈斌2，何文龙1

(1.南京林业大学土木工程学院，南京 210037； 2.宁波市轨道交通工程建设指挥部，浙江 宁波 315010)

人工冻土强度特性具有区域性，以宁波轨道交通2号线3种海相典型土质(淤泥质黏土、粉质黏土和粉土)开展冻土单轴抗压和三轴剪切试验研究。结果表明：3种土质在不同温度下试样均为腰鼓形塑性破坏，应力-应变曲线基本呈应变硬化型，但随温度降低有向应变软化转变的趋势；单轴抗压强度和弹性模量均随温度降低而近似线性增大；重塑粉质黏土抗压强度和弹性模量均与应变速率呈幂函数关系增长；各土质最大轴向偏应力随围压的增大而增大，且具有线性关系，-10℃抗剪强度指标(c、φ)均得到大幅提高，黏聚力提高1.23～1.76 MPa；宁波地区典型粉质黏土与其他地区类似地层相比，单轴抗压和抗剪强度均较低，而弹性模量偏中等，与上海地区同类土质接近。

宁波海相软弱地层；人工冻土；单轴抗压强度；三轴剪切强度；应变速率

近年来，人工冻结法已成为地铁建设中必不可少的地层加固手段之一，特别是像宁波地区这种海相软土地层中的隧道盾构进出洞、联络通道以及地铁泵房等加固效果尤为突出。在冻结工程中，冻土强度是对冻结质量最直接的反映，也是保证安全施工的核心。

冻土强度特性研究开始于20世纪30年代，经过近90年的努力，现已取得一系列成熟成果。如Zhu等[1]对冻结砂土进行了单轴抗压试验研究，得到温度、应变速率以及破坏时间对抗压强度的影响，并给出它们之间的定量关系；李洪升等[2]和陈有亮等[3]以粉质土为对象，研究得到冻土抗压强度和弹性模量与温度呈线性关系，而分别与应变速率、应变速率的对数成幂函数关系；肖海斌[4]通过单轴抗压试验分析了温度和含水率对粉质黏土抗压强度的影响规律；蔡正银等[5]和Hass等[6]分别对黏土、砂土进行含盐量影响研究，得出易溶盐可以降低冻结温度使冻土强度随含盐量的增加而逐渐减小；杨平[7]选取润扬大桥锚锭处土层进行原状土与冻融土系列对比试验，获得两种状态下压缩模量、抗剪强度指标及单轴抗压强度的差异；贺俊等[8]以苏州地区冻土进行单轴抗压强度试验研究，分析了不同因素(温度、干密度和含水率)对该地区冻土抗压强度的影响以及破坏形态，并探究了温度对弹性模量和泊松比的影响；孙谷雨等[9]以南京粉质黏土为对象进行三轴剪切试验研究，得到温度、围压两因素对剪切强度的影响规律并建立了邓肯-张本构模型；孙星亮等[10]、牛亚强等[11]和马巍等[12]分别对冻结粉质黏土、砂土进行了三轴剪切试验，得到围压在一定范围内增长与强度呈正比关系，但随围压的进一步增长，强度会出现下降趋势。

通过以上研究可知，冻土强度特性受温度、含水率、围压、区域水文地质等诸多因素的影响，但其区域性特征明显，随着宁波地铁大批连通道及进出洞冻结法加固的应用，急需研究宁波海相典型土层冻土强度特性。本研究结合宁波市轨道交通2号线冻结工程，选取工程范围内的典型土层进行强度试验研究，以期为冻结法设计提供参考依据。

1 试验规划与试验方法

1.1 试验土样

试验选取宁波轨道交通2号线对冻结工程影响范围较大的3种典型土质，分别为淤泥质黏土、粉质黏土、粉土。土样基本物理性质见表1。

表1 土样基本物理性质Table 1 The basic physical properties of the soil samples

1.2 试验规划

对3种典型土质开展试验，主要研究该地区冻土的破坏形态、应力-应变关系、温度对抗压强度和弹性模量的影响，以及围压对抗剪强度的影响等。为了研究应变速率对单轴抗压的影响，以单独粉质黏土重塑土进行试验分析，3种试验的试验规划见表2。

表2 试验规划Table 2 Test plan

1.3 试验方法

试验使用原状土和重塑土两种试样。原状土试样为使用切土器和削土刀将现场取回的土样修整成的Φ50 mm×100 mm圆柱形试样，重塑土试样为根据天然含水率和干密度分层击实制成的Φ50 mm×100 mm圆柱形试样。试样制作过程应符合MT/T 593.1—1996《人工冻土物理力学性能试验》要求。

冻土单轴抗压强度试验采用WDT-100B微机控制多功能冻土压力试验机，试验前先把制作好的试样放入试验指定负温环境箱中恒温养护24 h以上，并将试验机设置到指定负温预冷2 h，然后迅速放入冻结好的试样，按照规划的应变速率进行加载。当荷载达到峰值后继续增加3%～6%的应变值，即可停止试验；如果荷载持续增长，则试验进行到应变为20%为止。

冻土三轴抗剪强度试验采用美国进口的FSTX-100型人工冻土三轴压缩试验机。试验前先将常温试样装入冷冻腔体中，设置试验要求围压，并调节温度至试验指定负温，恒温24 h以上，然后进行试验剪切加载。当轴向应力不再增长时，继续加载轴向应变增加3%～5%；若压力传感器读数无明显变化，试验直至轴向应变达到20%为止。

每种情况需进行4个试样的平行试验。

2 结果与分析

2.1 冻土单轴抗压强度

2.1.1 破坏形态

3种土质试样的破坏形态见图1。在不同温度下均呈现腰鼓型破坏，且表面一周出现一些细小的竖向裂纹，其中粉土的腰鼓部位还存在表皮剥落，引起这些现象是由于试样中的未冻水相对含量较高，抵抗荷载变形能力较弱，受相对较高应力状态的土体容易沿着径向滑移，使表面的土体受到挤压超过了冰土胶结力产生裂缝(可塑性差的土质还伴随着起剥)，加上试样的两端受到摩擦的变形限制，最终产生腰鼓形塑性破坏[13]。另外，试样的腰鼓位置并不固定在试样高度中部，出现这情况可能是原状土土质不均匀所致。

图1 单轴抗压强度试验后试样破坏形态Fig.1 Specimen failure pattern after the uniaxial compressive strength test

2.1.2 应力-应变关系

3种土质在不同温度水平下轴向应力-应变关系曲线见图2。由图可知，3种土质大部分应力-应变关系曲线形状基本相似，在应变初期，应力的增速较快且与应变近似为线性关系，表现出一定的弹性特征；随着应变不断增加，应力增速开始逐渐减缓，出现明显的塑性变形，当应变达到一定程度时，应力趋于稳定，属于应变硬化型，只有-15℃粉质黏土的应力-应变关系曲线存在峰值；当应变继续增长呈下降衰减趋势，属于应变软化型，说明随着温度的降低冻土应力-应变关系将从硬化型逐渐转为软化型，且应力初始增速均随着温度降低而增大，其中-10℃与-15℃应力初始增速较接近，与-5℃应力初始增速相差较大，表明温度低于-10℃对应力初始增速影响较小。

图2 3种土质在不同温度下的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curves of three kinds of soil at different temperatures

2.1.3 温度对单轴抗压强度的影响

3种土质在不同温度下的单轴抗压强度及关系曲线见图3。由图可知，在不同温度水平下，抗压强度均随温度的下降呈近似线性增长。这是因为冻土强度主要取决于土颗粒与冰之间的胶结力，而试样温度决定着土中冰占含水总量的比例，当温度降低，冰占含水总量的比例增大，冰的强度增加，提高了土颗粒与冰之间的胶结力，从而冻土单轴抗压强度明显增大。在同一温度水平下，3种土质冻土单轴抗压强度表现为：粉土>粉质黏土>淤泥质黏土，源于粉土的土颗粒相对于其他两种土质来说比较大，且土的液性指数最大(1.13)，因此土中自由水的比例高，在试验温度范围内土中水分大部分容易被冻结，获得较大的胶结力，增大了粉土的抗压强度，其抗压强度最大。

对图3试验点进行线性拟合得其关系式，拟合公式表明，温度每降低1℃，3种土质单轴抗压强度分别提高0.17，0.30和0.24 MPa，其中粉质黏土的增长变化最大，表明粉质黏土的单轴抗压强度受温度影响最大，而粉土在-5℃较高温度下即可获得较大强度，进一步说明粉土中自由水比例较高，易于冻结。

图3 3种土质单轴抗压强度与温度关系曲线Fig.3 The relationship curves between uniaxial compressive strength and temperature of three kinds of soil

2.1.4 温度对弹性模量的影响

冻土的弹性模量一般采用割线模量来表示，即试样冻土单轴抗压强度σs的1/2与其对应的应变εr1/2的比值[14]。3种土质在不同温度下的弹性模量及关系曲线如图4所示。由图可知，3种土质的弹性模量均随温度降低近似呈线性增长关系，这和单轴抗压强度与温度的变化关系相同，是由于土体中冰水比例受温度影响所致。对其关系进行线性回归分析得到拟合公式，发现温度每降低1℃，土质的弹性模量增加11～15 MPa。粉土弹性模量对温度的敏感性最大，粉质黏土最小，但冻土温度较高时(-5℃)3种土质弹性模量区别不大。

图4 3种土质的弹性模量与温度关系曲线Fig.4 The relationship curves between elastic modulus and temperature relation curve of three kinds of soil

2.1.5 应变速率对重塑粉质黏土强度和弹性模量的影响

应变速率10%/min的重塑与原状粉质黏土强度比较及重塑粉质黏土的应力-应变关系曲线如表3和图5所示。

由表3中应变速率10%/min的重塑粉质黏土单轴抗压强度、弹性模量与原状粉质黏土进行对比可知，重塑粉质黏土的单轴抗压强度比原状粉质黏土约大8%，而弹性模量则比原状粉质黏土约小7%，这可能是由于重塑土试样土质均匀性比较好，对冻土强度提高起到一定的作用，而重塑土质破坏了土体间的结构性，导致冻土弹性模量有所减小。

表3 应变速率10%/min的重塑与原状粉质黏土强度比较Table 3 Comparison of strength of remolded silty clay and undisturbed silty clay at a strain rate of 10%/min /MPa

图5 -10℃粉质黏土在不同应变速率下的应力-应变关系曲线Fig.5 Stress-strain curves of silty clay under different strain rates at -10℃

图6 -10℃粉质黏土单轴抗压强度与应变速率关系曲线Fig.6 The relationship curves between uniaxial compressive strength and strain rate of silty clay at -10℃

图7 -10℃粉质黏土弹性模量与应变速率关系曲线Fig.7 The relationship curves between elastic modulus and strain rate of silty clay at -10℃

由图5可知，重塑粉质黏土应力-应变曲线基本相似，均为应变硬化形态。其单轴抗压强度和弹性模量均随着应变速率的提高而增大，单轴抗压强度在20%/min下较1%/min增加30%左右，弹性模量则增加超过60%，表明应变速率对冻土的强度及弹性模量影响显著，在单轴抗压试验中须严格控制。从图6、7的关系曲线可以看出，重塑粉质黏土单轴抗压强度和弹性模量与应变速率之间均呈幂函数关系，可用如下公式对其关系进行表示：

由回归分析结果可见，单轴抗压强度和弹性模量与应变速率的拟合公式相关性均较好。

2.2 冻土三轴抗剪强度

3种土质冻土试样经过三轴剪切试验后，不同围压下的破坏形态与单轴抗压强度试验后试验破坏形态相同，均呈现塑性剪胀破坏。

3种土质的最大轴向偏应力与围压关系曲线如图8所示，由图可知，在试验围压范围内，冻土的最大轴向偏应力均随围压提高而呈现近似线性增长。在同一等级围压下，最大轴向偏应力大小表现为：粉土>粉质黏土>淤泥质黏土，其中粉土和粉质黏土的最大轴向偏应力较接近，而淤泥质黏土的最大轴向偏应力则远小于粉土和粉质黏土。

冻土抗剪强度指标(c，φ)值见表4。3种土质的冻土抗剪强度指标参数与常温土相比，均有较大提高，特别是黏聚力提高很大，增幅为1.23～1.76 MPa，这是由于在-10℃下土中大部分水转变成冰，土颗粒与冰之间产生胶结作用，使冻土的黏聚力比常温土增加了冰结胶结力，并且冰与土颗粒间增加的咬合力，也适当提高了内摩擦角。粉土的黏聚力增幅最大，粉质黏土的内摩擦角增幅最大。

图8 -10℃条件下3种土质最大轴向偏应力与围压关系Fig.8 The relationship curves between maximum axial stress and confining pressure of three kinds of soil at -10℃

表4 3种土质冻土与常温土抗剪强度指标Table 4 The shear strength index of frozen soil and normal temperature soil of three kinds of soil

2.3 宁波地区典型粉质黏土与其他地区土层强度特性比较

宁波地区最为典型土质(粉质黏土)强度特性与上海、南京地区[15]的比较结果见表5。由表可知，3个地区单轴抗压强度南京地区>上海地区>宁波地区；而弹性模量上海地区与宁波地区较接近，均小于南京地区，且均随温度降低而增长；南京地区单轴抗压强度和弹性模量受温度的影响相对较大，其他两个地区相近。对于抗剪强度而言，从抗剪强度指标(c，φ)值可以看出，宁波和上海地区粉质黏土抗剪强度较接近，均小于南京地区粉质黏土的抗剪强度。由于受篇幅限制，对其他两种土质比较分析从略。

表5 3个地区冻结粉质黏土强度特性比较Table 5 Comparison of strength characteristics of frozen silty clay in three area

3 结 论

1)3种土质试样在不同温度下的单轴抗压破坏形态均为腰鼓状塑性破坏，应力-应变曲线基本呈应变硬化型，但随温度降低有向应变软化转变的趋势；3种土质试样在不同围压下的三轴剪切破坏形态均为塑性剪胀破坏。

2)3种土质的单轴抗压强度和弹性模量均随温度的下降而近似呈线性增长，且粉质黏土强度受温度影响最大；重塑粉质黏土的单轴抗压强度和弹性模量均随应变速率的提高近似呈幂函数式增长。

3)3种典型土质冻土的最大轴向偏应力均与围压呈线性增长关系，其中不同土质的最大轴向偏应力大小为：粉土>粉质黏土>淤泥质黏土；冻土抗剪强度指标比常温下土质抗剪指标有较大提高，特别是黏聚力各种土质提高了1.23～1.76 MPa。

4)宁波地区与南京、上海地区土层强度特性对比发现，南京地区粉质黏土单轴抗压强度、弹性模量及抗剪强度均最大，宁波地区抗压强度最小，弹性模量和抗剪强度与上海地区粉质黏土的相近。

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Experimental study on strength properties of artificial frozen soil inmarine soft soil area of Ningbo City,China

JIANG Wangyang1，YANG Ping1*，CHEN Bin2，HE Wenlong1

(1.School of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China； 2.Ningbo Urban Rail Transit Project Construction Headquarter,Ningbo 315010,Zhejiang,China)

The strength of artificial frozen soil has regional characteristics.In this study,the uniaxial compressive strength test and triaxial shear strength test of frozen soils were carried out on three types of typical marine soils (muddy clay,silty clay and silt) in No.2 Line of Ningbo Rail Transit.The results showed that three types of soil samples at different temperatures were all drum-shaped plastic failure,and the stress-strain curves substantially assumed the strain hardening form,but the strain tended to soften with the decrease of the temperature.The uniaxial compressive strength and elastic modulus of each soil were increased linearly with the decreasing temperature,and the uniaxial compressive strength of silty clay was most affected by temperature (the temperature reduced by 1℃,and the strength increased by 0.3 MPa).At the strain rate of 10%/min,the uniaxial compressive strength of remolded silty clay was about 8% higher than that of the undisturbed silty clay,and the elastic modulus was about 7% lower than that of the undisturbed silty clay.The compressive strength and elastic modulus of the remolded silty clay all increased with the power function of the strain rate.The maximal axial deviator stresses of the three soils increased linearly with the increase of confining pressure,and the order of maximum axial deviator stresses of different soils was silt >silty clay >muddy clay.The shear strength index (c,φ) at -10℃ was significantly improved compared with the normal temperature in particular,and the cohesion increased by nearly 1.23-1.76 MPa.The typical silty clay in Ningbo was compared with those of similar stratum in other areas (Nanjing City and Shanghai City).The uniaxial compressive strength and shear strength were relatively low,while the elastic modulus was moderate,which was close to those of Shanghai.

Ningbo marine soft stratum；artificial frozen soil；uniaxial compressive strength；triaxial shear strength；strain rate

TU445

A

2096-1359(2017)05-0126-06

2016-10-12

2017-02-21

国家自然科学基金(51478226)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；宁波轨道交通有限公司科研资助项目。

江汪洋，男，研究方向为环境岩土与地下工程。

杨平，男，教授。E-mail:yangping@njfu.edu.cn