人工冻结粉质黏土力学性能演化规律研究

王天亮，王海航，宋宏芳，王 鸥，刘建勇

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 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，河北 石家庄 050043；3.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；4.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

人工地层冻结法的应用主要集中在煤炭矿井等深层岩土体工程[1]，以及联络通道、盾构进出洞、基坑开挖和垃圾处理等浅层岩土体工程[2-3]。人工冻结深层岩土体的力学性能研究以大埋深、高围压(≥5 MPa)、软弱地层变形控制[4-5]为主；而浅层岩土体的力学性能研究则偏重于冻胀变形控制[3]、相似模型试验[6]、渗透性能[7]、剪切强度[8]等方面。冻结壁强度和由土体冻胀引起的地面隆起变形是浅层岩土体人工冻结技术的重要控制参数[3,9]，且冷冻温度、地层埋深和地下水是确定人工冻结地层强度与变形性能的3个关键指标。

因试验条件的限制，强度性能的研究多以单轴抗压、单轴抗拉作为评估指标，影响因素以温度、含水量和含盐量为主[8,10-11]。考虑冷冻温度和地层埋深的影响，张向东、孙谷雨[12]和王大雁[13]等人均研究了温度、围压影响下冻结粉质黏土的三轴剪切性能，并建议了人工冻结粉土的力学响应本构模型；而Yamamoto Yuko等人[14]发现冻结温度附近冻结的土体，其剪切强度降低且最小应变率增加。因冻土地区工程建设需要，冻胀性能研究多集中在路基土体冻胀防控方面[15-16]，而涉及人工冻结浅层岩土体冻胀变形控制研究较少。唐益群、胡向东[17]等人探讨了人工冻结土体冻胀率与温度、渗透系数之间的关系；基于物理模型试验，程桦等人[18]研究了人工水平冻结法施工隧道的冻胀、融沉变形分布规律。

综上所述，本文旨在评价冷冻温度、围压和含水量影响下人工冻结粉质黏土的剪切强度和冻胀性能演化规律，通过室内试验的方法测试人工冻结粉质黏土的三轴剪切强度、模量和冻胀变形，为地铁工程联络通道的人工地层冻结法设计和施工变形控制提供必要的技术支持。

1 试 验

1.1 试验材料

试验所采用的土体取自粉质黏土地层，埋深介于12.0～16.5 m之间。其天然含水量范围14%～22%，密度范围1.90～2.04 g·cm-3，液限28.9%，塑限17.6%，塑性指数11.3，渗透系数3.34×10-6cm·s-1，冻结点温度-0.35 ℃，颗粒粒径级配曲线如图1所示。

图1 粉质黏土的颗粒粒径级配曲线

用上述粉质黏土制备三轴剪切强度测试试样和冻胀性能测试试样。

1.2 三轴剪切试验

采用石家庄铁道大学冻土室的GDS冻土动静态三轴实验仪研究冻结状态下粉质黏土的三轴剪切强度。

三轴剪切强度测试试样高度为80 mm，直径为39.1 mm。制样时，分别按照15%和饱和状态含水量焖料24 h以确保土体中水分均匀分布。在试模内分层击实，层与层之间刮毛。试样制备完毕后，称重并测量外围尺寸，同时用保鲜膜包裹以防水分流失。

饱和状态下试样的试验温度为-2，-6，-8和-10 ℃，在此基础上，增加20和-4 ℃作为15%含水量试样的试验温度，对全部试样施加100，300， 600，1 000，2 000和3 000 kPa围压进行三轴剪切试验。每个试样装配完毕并在围压室内充满冷冻液后，开启温控装置并调至恒定负温冻结24 h，以确保试样充分冻结。加载过程采用应变速率控制，加载速率为0.4 mm·min-1，控制应变为15%。

1.3 冻胀变形试验

采用图2所示冻土冻胀融沉测试系统进行粉质黏土冻胀变形性能的测试。

按照三轴剪切试验试样的制备方法配制高度和直径均为100 mm，初始含水量为15%的冻胀变形测试试样。

冻胀性能测试过程中，试样筒侧向约束、外裹保温棉，上、下冷浴盘(上冷浴盘为暖端，下冷浴盘为冷端)单向降温模拟土体的一维冻胀过程，如图2所示。冻胀开始前，先将整个试样温度恒温至+1 ℃，然后调节温控装置至冷冻温度(-4，-6，-8和-10 ℃)，冻结时间持续48 h。测试时，开启或关闭补水装置以模拟开敞补水、封闭不补水的试验条件。

图2 冻胀融沉试验装置示意图(单位：cm)

2 三轴剪切试验结果及分析

2.1 应力—应变关系曲线特征

图3和图4给出了不同冷冻温度条件下粉质黏土的偏应力—应变关系曲线。应力应变曲线发展趋势受冷冻温度的影响显著，尤其在低围压状态下，冷冻温度降低，破坏模式由应变硬化转变为应变软化(见图3(a)和图4(a))；高围压状态下，试样多呈现应变硬化的破坏模式；当达到饱和含水量且冷冻温度较低时，不同冷冻温度的应力应变关系曲线非常接近(见图4)。

图3 不同冷冻温度条件下粉质黏土的应力应变关系(含水量为15%)

图4 不同冷冻温度条件下粉质黏土的应力应变关系(饱和含水量)

2.2 三轴剪切强度

对于无峰值点的应变硬化模式应力应变曲线，取应变为15%所对应的偏应力为剪切强度；对于出现峰值点的应变软化模式应力应变曲线，取峰值点所对应的偏应力为剪切强度。不同围压条件下试样的剪切强度随冷冻温度的变化情况如图5所示。不同冷冻温度下试样剪切强度随围压的变化情况如图6所示。

图5 不同围压条件下剪切强度随冷冻温度变化情况

由图5可以看出，冷冻温度对粉质黏土试样剪切强度的影响显著。伴随冷冻温度的降低，当粉质黏土试样含水量低于塑限时，其剪切强度呈现线性增长的趋势；而当含水量接近饱和时，其剪切强度亦呈现近似线性增长的趋势，但以冷冻温度-6 ℃为分界点，增长速率减缓。同时，当冷冻温度接近冻结点温度(-0.35 ℃)时，粉质黏土的剪切强度远远低于其他冷冻温度所对应的剪切强度，这主要是由于冷冻温度越高，土体中的未冻水则越多，未冻水的“润滑”作用导致强度增长缓慢。

图6 不同冷冻温度条件下围压与剪切强度的关系

从图6可以看出，相同冷冻温度条件下，因粉质黏土的初始含水量不同，围压的作用效果可归结为“围箍”和“压融”效应。伴随试验围压的升高，当粉质黏土试样含水量低于塑限时，其剪切强度基本上呈现线性增长的趋势，围压的“围箍”效应占据主导地位；而当含水量接近饱和时，以围压值1 000 kPa为分界点，其剪切强度呈现先增大而后减小的趋势，围压的“压融”效应占据主导地位，尤其是冷冻温度较高时(-2 ℃)此现象更加显著。因此，人工冻结地层冻结壁的强度设计需根据地层埋深、含水量和冷冻温度等因素综合确定。

2.3 弹性模量

基于上述人工冻结粉质黏土三轴剪切试验数据，结合邓肯—张本构模型，即

(1)

式中：a和b为试验常数；σ1为轴向应力，MPa；σ3为围压，MPa；ε为轴向应变，%。

式(1)改写为

(2)

依据图3和图4中的偏应力—应变关系曲线，通过式(2)拟合试验数据。当应变σ很小时，试样变形处于弹性阶段，得到初始弹性模量E0为

(3)

式中：σ为偏应力。

图7和图8分别给出了初始弹性模量与冷冻温度、围压的关系曲线。由图7和图8可知，冻结状态下粉质黏土的弹性模量与冷冻温度、围压的关系呈现和剪切强度类似的演化趋势。也就是说，随着冷冻温度的降低，冰晶的胶结作用使得弹性模量增大；围压的“围箍”和“压融”效应使得弹性模量因试样含水量的不同而呈现不同的演化趋势。

图7 不同围压条件下冷冻温度与弹性模量的关系

图8 不同冷冻温度条件下围压与弹性模量的关系

3 冻胀试验结果及分析

3.1 冻胀变形演化过程

自上而下的单向冻结过程中，相同时刻土体内部温度随试样高度的增加而呈现梯度式递减，且冻结初期冻结速率发展迅速，随着时间的增长，冻结速率逐渐趋于稳定并达到最大冻结深度，如图9所示。这与现场的实测土体内部温度演化规律一致[18]。

图9 冻胀过程中土体内部温度场时程变化曲线

在温度场与水分场的耦合作用下，水分不断迁移并形成冰晶体，导致土颗粒重新排列、土体积发生变化，宏观现象表现为土体表面的隆起变形，冻胀变形演化过程如图10所示。由图10可知：冻结初期，粉质黏土的冻胀变形迅速增长，当试样冻结深度达到最大值时，冻胀变形增长速率减缓并基本趋于稳定状态；同一含水量条件下，同一时刻试样的冻胀变形随冷冻温度的降低而呈现增大的趋势(见图10(a))；在有外界水源补给的情况下，试样的冻胀变形远大于无水源补给的情况(见图10(b))。

图10 不同冷冻温度条件下冻胀变形演化曲线

3.2 冻胀率

冻胀率为一定时间内土样冻胀量总量与冻结深度的比值[3,15]，即

(4)

式中：η为冻胀率，%；Δh为试样总冻胀量，mm；Hf为冻结深度，mm。

通过分析土体温度场和冻胀变形时程曲线，可以得到试样的最大冻结深度、最大冻胀变形，从而获得试样的冻胀率η，结果见表1。

表1 粉质黏土试样的冻胀率

粉质黏土试样冻胀率与冷冻温度的关系曲线如图11所示。由图11可见：单向冻结模式且有外界水源补给的情况下，粉质黏土试样冻胀率是无水源补给试样的3～15倍，说明在地下水丰富的地层实施人工冻结时，应严格控制因冻胀引起的地面隆起问题。

粉质黏土试样的冻胀率随冷冻温度的降低均呈现增长的趋势，封闭不补水条件和开敞补水条件下试样冻胀率线性回归关系式分别为

η=-0.178 2T+0.196 2

(5)

η=-0.215 0T+2.605 0

(6)

式中：T为试样冷却温度。

式(5)和式(6)的相关系数分别为0.82和0.99。

图11 粉质黏土冻胀率与冷冻温度的关系

4 结 论

(1)冷冻温度、围压和含水量显著影响冻结粉质黏土偏应力应变关系的破坏模式、强度增长趋势等曲线特征。

(2)冻结粉质黏土的剪切强度和弹性模量随冷冻温度的降低而呈现线性增长的趋势；同一冷冻温度条件下，围压的作用效果因试样含水量不同可归结为“围箍”和“压融”效应。

(3)单向冻结模式下，有外界水源补给的试样冻胀率是无水源补给试样的3～15倍；粉质黏土试样冻胀率与冷冻温度之间存在较好的线性回归关系。

(4)人工地层冻结过程中，应综合考虑冷冻温度、地层埋深和地下水等因素，保证冻结壁达到设计强度、有效控制冻胀变形，不至于引起结构物破裂、渗水或漏泥等问题。