人工冻结砾石土三轴剪切强度试验研究

王海航,王 鸥,吴 泽,王天亮,程博远

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,石家庄 050043； 3.石家庄铁道大学交通运输学院,石家庄 050043；4.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸 056038)

引言

人工地层冻结技术是利用人工冻结方法，降低土体温度使含水土层形成冻结体，以抵抗地压并隔绝与地下水联系的一种土工工程特殊施工技术[1]。在地下及矿井等工程中，传统的隧道支护方式与地基处理办法在部分特殊地层环境中均未取得满意的效果，而人工冻结法的应用弥补了传统方法如高压注浆、化学注浆等的不足[2-4]。由于冻土强度较非冻结状态下会有较大的提高，所以人工冻土在增加工程土体强度和稳定性方面有着显而易见的优势。因此，人工冻结技术在许多国家的煤矿、隧道、地铁、建筑基础、工程抢险和环境保护等领域得到不断应用和发展，并且成为许多工程唯一可选的方法。但是，针对砾石土地层，由于砾石土属于粗颗粒土质不存在或很少存在结合水，其冻结后的力学性能明显区别于粉土、黏性土、砂性土等土质，且富水砾石土具有冻结速度快、冻结强度和刚度高、不易开挖的特点。因此，为保障人工冻结法在地铁联络通道应用的安全性与可靠性，有必要对人工冻结砾石土的相关力学性能进行研究。

目前，人工冻结细粒土如黏土、粉质黏土及粉土等单轴或三轴剪切强度研究较为广泛。通过研究发现，人工冻结粉土、黏土以及粉黏土等的抗剪强度均随冻结温度的降低而增大，表现出较强的温度效应[5-7]，温度对于粉质黏土的变形特性以及应力-应变关系曲线形式影响较大[7]。张俊兵等[8]通过试验方法对饱和冻结兰州粉土(黄土)进行了单轴抗压强度试验，得出抗压强度对温度十分敏感，它随着温度降低，以幂函数的形式增加的规律结论。较大粒径砂土的冻结剪切强度随冷冻温度的变化也表现出一定的规律性，马玲等[9]通过对冻结砂土在不同温度和围压下的三轴剪切试验，得出三轴剪切过程中会产生较为可观的颗粒破碎且在-5 ℃条件下在不同的围压范围颗粒破碎对抗剪强度具有不同的影响。对于大粒径(卵)砾石土的抗剪强度参数研究不同学者也做了大量的试验分析，研究结果表明：试样的相对密度大小会对应力应变曲线形式产生较大的影响，并且试验结果均表现出一定的剪胀性[10]；砾石土级配的优劣对其峰值抗剪强度影响较大，级配良好砾石土制备的试样会出现稳定的残余强度[11]。砾石土中细粒含量、含水量的差异性对于其抗剪强度均有着显著的影响[12-20]，刘建坤等[15]通过试验研究还发现细粒土的分布不均匀性会对粗粒土的最大剪胀高度产生影响。

综上所述，相比冻结状态下的黏性土、粉土、砂性土等细粒土以及非冻结状态下砾石土抗剪强度特性研究而言，较大粒径砾石土的三轴剪切强度规律在人工冻结状态下研究略显不足，对于砾石土随冷冻温度、含水量变化的三轴剪切强度研究较少，本试验在前人研究的基础上，在等应变速率和不同冷冻温度、含水量等条件下对其进行系统性分析，以期得到冷冻温度及含水量对人工冻结砾石土三轴剪切强度影响规律。

1 试样制备及方案

1.1 试验材料

试验用土选取南宁地铁1号线中涉及到的砾石土层，按照实际地勘资料制备重塑土，砾石土级配曲线如图1所示。计算得砾石土不均匀系数和曲率系数分别为Cu=50、Cc=0.5，属级配不良土质。

图1 砾石土级配曲线

1.2 方案设计

试验用仪器为石家庄铁道大学冻土三轴试验系统，该三轴仪为英国GDS公司生产的DYNTTS电机控制式三轴测试系统，仪器轴力传感器0～40 kN，精度4 N，轴向位移冲程±50 mm，围压0～5 MPa完全满足试验需求。通过试验设计，选定在-2、-5、-7、-10 ℃四个特征温度以及100、200、300、400、500 kPa五个特征围压下，分别进行冻结砾石土的等应变速率三轴剪切强度试验。试验用试样大小选定为尺寸φ61.9 mm×125.0 mm的圆柱体，土样处理和试样制作依据MT/T593《人工冻土物理力学性能试验》要求严格执行。将试验用土配置成特征含水量(ω=6%、9%、11%)，静置12 h使土样含水均匀。制样前将配置好土样搅拌均匀分3层装入试模中，分层击实控制好压实度后顶面做刮毛处理，防止试样出现人为薄弱面，再放入第2层土样击实。以此类推。

1.3 过程控制

试样制备完毕后进行脱模处理，并将橡胶膜通过承膜筒套入试样，准备放入GDS三轴仪中进行试样冷冻及后续三轴剪切试验，冻结砾石土试样的三轴剪切强度试验按照轴向应变速率1 mm/min进行控制加载。在砾石土三轴剪切强度试验中，加载方式采用等应变加载控制方式，试验最大应变控制为15%。对装入GDS三轴仪升降台的试样进行固结及冻结处理，试样冻结时，首先通过气泵将石家庄铁道大学冻土实验室自行研制的低温三轴围压室液体预降温装置中预先降温冷浴液注入三轴仪围压室，然后设定目标温度，通过低温恒温冷浴机对围压室进行继续降温，待三轴围压室内冷浴液温度达到试验设计温度后恒温6 h，再进行三轴剪切试验。

2 应力应变关系曲线特征

通过一系列三轴剪切试验得到人工冻结砾石土的偏应力-应变关系曲线，试验结果如图2、图3所示。

注：围压400 kPa、ω=6%图2 不同温度下偏应力-应变曲线

图3 不同围压下偏应力-应变曲线

由图2、图3可以得出以下结论。

(1)不同影响因素下的人工冻结砾石土偏应力-应变曲线走势呈现出一定的差异性和相似性。差异性表现在：当试验冷冻温度较高时(-2 ℃)，砾石土偏应力-应变曲线的发展大致可以分为三个阶段，线性快速增长阶段、非线性缓慢增长阶段以及数值平稳阶段。以图3(a)为例，各组试验的线性快速增长阶段的应变范围在0<ε<2%区间，说明该阶段的砾石土表现出一定的线弹性，可视为一弹性体；非线性缓慢增长阶段的轴向应变范围大致在2%<ε<5%区间，说明该阶段的砾石土表现出一定的非线弹性；数值平稳阶段的应变范围在5%<ε<15%区间，该阶段的砾石土表现为偏应力值不变而应变随着时间的推移继续增加。图3(a)也说明当试验冷冻温度较高时，试验围压的改变只对最大偏应力值有所影响，对偏应力-应变曲线形状走势基本无影响，即冷冻温度较高时偏应力应变关系呈硬化型，无峰值强度。相似性表现在：当试验冷冻温度较低时，随着试验围压的增加砾石土试样偏应力应变关系中峰值现象逐渐明显。

(2)从图2可以看出，试样残余抗剪强度值随着冷冻温度的降低有所提升，试验冷冻温度越低试样偏应力-应变曲线峰值点越高且越明显；反之，试验冷冻温度较高时试样偏应力-应变曲线单峰值点消失。说明试验冷冻温度对于试样的变形破坏形式有着较大的影响。在同一含水量试样中，由于冷冻温度的变化直接导致试样内冰晶体含量变化，因此，试样的变形破坏形式与试样含冰量紧密相关。同时可以看出，随着温度的降低最大偏应力逐渐上升，说明试验冷冻温度对于试样的强度有着较大的影响，温度越低强度越大；从图3可以看出，不同温度下的最大偏应力峰值随着围压的增大而增大，围压越大软化型趋势越明显，围压越小硬化型趋势越明显。

3 冻土三轴剪切强度

由试验控制条件得σ2=σ3，所以平均主应力p=(σ1+2σ3)/3、广义剪应力q=σ1-σ3，它们之间的关系如图4所示，通过图4可知，人工冻结砾石土的三轴剪切强度特征可以用Mohr-Column强度准则来描述，即

τf=σ·tanφ(T)+C(T)

(1)

式中，σ为剪切面上的正应力，kPa；C(T)、φ(T)分别为冻结砾石土的黏聚力和内摩擦角，是温度的函数。

图4 p-q关系曲线

通过一系列三轴试验，得到冻结砾石土在不同条件下的部分剪切强度参数值，如表1所示。

表1 冻结砾石土不同条件下的抗剪强度参数

由表1可得以下结论。

(1)人工冻结砾石土的黏聚力c、内摩擦角φ随着冷冻温度的降低而增大，分析原因是由于随着温度的降低，试样中未冻水含量减少，冰含量增多，其胶结力增大，且由试验编号前6组的数据对比分析可知，试样含水量的增加对于黏聚力和内摩擦角增幅影响较大。

(2)人工冻结砾石土的含水量对黏聚力c、内摩擦角φ影响较大，c、φ值随着含水量的增加表现出明显的增大现象。冻土中由于水分的加入，冻结冰晶体在试样中所占比例增加，进而使其抗剪切强度增加。

(3)当砾石土含水量6%，温度从-2 ℃降低至-7 ℃时，黏聚力和内摩擦角的平均变化率分别为42.2 kPa/℃、2.84°/℃，明显大于含水量9%，温度从-2 ℃降低至-10 ℃时，黏聚力和内摩擦角的平均变化率7.625 kPa/℃、1.025°/℃。因此，可以推断当含水量达到一定程度后，温度的变化对于砾石土抗剪强度参数影响降低。

4 结论

(1)在试验设计变量范围内，人工冻结砾石土三轴剪切试验后的冻土呈明显的塑性剪胀破坏，说明在砾石土剪切破坏过程中颗粒出现破碎或者重排列现象，峰值强度随着试验温度的降低而增大，随着围压的增大而增大。残余强度受冷冻温度影响较大，随着温度的降低而提高；

(2)在试验设计变量范围内，人工冻结砾石土三轴剪切强度基本符合Mohr-Column定律，黏聚力、内摩擦角随着温度的降低而增大，随着含水量的增大而增大，温度效应较为显著，且冷冻温度对于砾石土抗剪强度参数的影响受土体含水量变化影响较为显著；

(3)人工冻结砾石土三轴剪切强度受试验冷冻温度及试样含水量影响明显，冷冻温度与含水量共同决定土体中未冻水含量或含冰量，而含冰量从侧面反应了砾石土试样中各散粒体间的胶结程度。因此，从试验温度及含水量上，可定性判别出人工冻结砾石土冻后强度情况，且试样内含冰量影响试样变形破坏形式，而本试验所得数据可定量计算出相应条件下砾石土冻后强度，进而为工程实际提供数据参考。