冻结时间对冻土抗压强度影响的试验分析

王儒默，马芹永

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

随着我国城镇化的发展，地铁逐步成为城市地下交通的重要枢纽，极大缓解城市路面的交通压力，成为开发地下空间的标志性成果之一。人工冻结法以隔水性好，无污染等优点被广泛应用于地铁联络通道、盾构隧道端头加固、地铁事故修复等工程中[1-3]。其中，人工冻土瞬时无侧限抗压强度是冻结法设计的重要参数，对于确保冻结法施工过程中冻结壁的安全与稳定具有重要的意义，其值受到冻结温度、含水率、土质类型等[4-5]因素的共同影响，又因人工冻结法施工是一个随时间变化的动态复杂过程[6]，故时间效应也是冻结法所需考虑的又一重要因素。

目前对冻土无侧限抗压强度的影响因素已经进行了大量的研究，文献[7]研究了应变率对冻结粉质砂土单轴压缩特性的影响。文献[8-9]以含水率为变量，研究其对冻土强度的影响规律，结果表明存在一个界限含水率，使冻土的强度随含水率的变化规律在界限含水率两侧呈现出相反的趋势。文献[10-12]研究了温度对不同土质类型的人工冻土抗压强度、抗拉强度和抗折强度影响规律，得出了随着温度降低，冻土强度均增大，二者之间呈线性相关的结论。文献[13-14]以温度、含水率、含盐量、干密度为变量探究冻土单轴抗压强度影响因素，结果表明单轴抗压强度随温度的降低线性增大；随干密度的增加呈幂函数增大；随含水率和含盐量含量的升高，呈现出先增加后减小的趋势。

以上的研究揭示了对冻土单轴抗压强度的影响有较多因素，但主要集中在温度、含水率、应变率、含盐量等因素，且在试验中对试样冻结时间的处理上具有较大差异，对不同含水率条件下冻结时间的影响研究鲜有报道，为此本文以地铁冻结法施工中较为常见的粉质黏土为研究对象，在冻结温度为定值的条件下，研究含水率和冻结时间对人工冻土无侧限抗压强度的影响，为地铁冻结法施工中冻结参数的选取提供一定的参考。

1 试验方案

1.1 试样制备

试验土样取自合肥地铁某段，为粉质黏土，塑限为23.00%，液限为39.94%，塑性指数为16.94，颗粒级配如表1所示。

将土烘干粉碎后过2mm粒径的筛网，分别配制试验所需含水率的土样，密封静置 24h，待水分均匀后，分多层击实制作尺寸为φ50mm×100mm的试样，脱模后用保鲜膜包裹，贴上标签置于设定好温度的冰箱中冻结至试验时间。

表1 粉质黏土颗粒级配

1.2 试验方案

试验选取的冻结温度为-15℃，选取的含水率分别为17%、20%、23%、26%和29%，冻结时间分别为6h、12h、24h和48h，具体试验方案如表2所示。压力机型号为WDT-100，采用应变加载方式，加载速率为1%/min，首先将压力机工作室设定至所需温度，待温度稳定后开始试验，当力值下降超过20%或应变超过20%时试验结束。

表2 试验方案

2 冻结时间对抗压强度影响

2.1 冻结时间对试块高度的影响

为探究不同含水率试样经历不同冻结时间后试样高度的变化情况，作试样高度增量随冻结时间变化曲线如图1所示。

图1 不同含水率试样高度随冻结时间增量曲线

由图1可知，不同含水率试样高度随冻结时间变化趋势较为一致，开始冻结时试样高度随冻结时间的增加迅速增大，曲线上升趋势陡峭，当增大到一定值后，曲线出现拐点，上升趋势变缓，高度缓慢增加，近似呈水平波动。在-15℃时不同含水率土样均在约1.5h左右曲线即出现拐点，冻结12h后趋于稳定。

2.2 冻结时间对应力应变曲线的影响

不同冻结时间下冻结粉质黏土应力-应变曲线如图2所示。

(a) 含水率为20%

(b) 含水率为23%

(c) 含水率为29%图2 -15℃不同冻结时间应力-应变曲线

由图2可知， 在试验冻结温度下， 经历不同冻结时间后的不同含水率试样， 其应力-应变曲线变化趋势较为一致， 均随着应变的增加， 应力增加至峰值后开始下降直至试验结束。同一含水率条件下，冻结时间由6h增加至48h，曲线的弹性段得到延长，峰值应力增大且增加趋势逐渐放缓，文献[15]提出了将破坏应变能密度作为衡量冻土承载能力大小的一个标准，由图2可知，在同一含水率条件下，随着冻结时间的增加，应力-应变曲线起点与破坏点所围成的面积逐渐增大，即应变能密度逐渐增大，耗能能力逐渐增强。随着含水率增大，应力-应变曲线达到峰值后，下降段由上凸向下凹转变，由陡峭变为平缓，脆性降低，塑性增大；除了23%含水率冻结24h应力-应变曲线表现的不明显外，所有曲线下降段的斜率均随着冻结时间的增加而增大，即随冻结时间增加脆性增加，表现出一定的冻脆性。文献[16]发现以温度、应变率为变量下人工冻土动态力学性能具有冻脆性和动脆性，而本文发现在人工冻土静态力学试验中也具有依赖于冻结时间的冻脆性特征。

2.3 冻结时间与抗压强度关系

为探究冻结时间对抗压强度的影响，分别作抗压强度与含水率、冻结时间的关系曲线，如图3和图4所示。出现峰值的应力-应变曲线抗压强度取峰值应力，无峰值的应力-应变曲线取20%应变所对应的应力为无侧限抗压强度。由图3可知，在相同的冻结时间条件下，在试验含水率范围内，冻结粉质黏土无侧限抗压强度随着含水率的增加而减小，且不同冻结时间下变化规律基本一致。

图3 无侧限抗压强度与含水率关系

图4 无侧限抗压强度与冻结时间关系

对图4中的数据进行拟合，得到如下方程

σ=aT2+bT+c

(1)

式中：σ为抗压强度；T为冻结时间；a、b和c为与含水率有关试验参数；R2为相关系统，如表3所示。

表3 不同含水率下a、b、c的值

由图4可知，随着冻结时间的增加，冻结粉质黏土无侧限抗压强度逐渐增大，承载能力提高，增加趋势逐渐减小。如20%含水率无侧限抗压强度在冻结48h后强度为4.17MPa，较冻结6h后强度3.59MPa提高了16.16%，较冻结12h后强度3.79MPa提高了10.03%，较冻结24h后强度4.0MPa提高了4.25%。其破坏形态如图5所示，从图5中可以看出，20%含水率试样经历不同冻结时间后其破坏特征均表现为试样表面出现斜向破坏裂缝，呈现出明显的脆性特征。冻结6h试样在外力作用下不断向下压缩，表面出现多条垂直于高度方向的压缩痕迹，从图2中的应力-应变曲线中可以看出，与较长冻结时间的试样相比，整个过程具有较大的变形，12h试样表面压缩痕迹略有减少，最终在下部被挤压变形，出现裂缝并发展至试样破坏，冻结6h和12h的试样均在底部出现斜向破坏裂缝。随着冻结时间的延长，冻结24h和48h试样脆性增加，强度提高，表面则较为光滑无明显压痕，最终在试样的中部出现45°破坏裂缝，呈现出典型的剪切破坏特征。

图5 无侧限抗压强度试验破坏形态(含水率为20%)

3 含水率对抗压强度影响

3.1 含水率对应力-应变曲线的影响

由图6可知，冻结时间为24h，不同含水率的试样应力-应变曲线呈现出不同的变化特征。在-15℃下，含水率为17%和20%的应力-应变曲线均呈现脆性破坏特征，而随着含水率的增加，23%、26%、29%则均呈现塑性破坏特征。表明试样的破坏随含水率的提高呈现出由脆性破坏向塑性破坏转变。

图6 不同含水率下冻结粉质黏土应力-应变曲线

3.2 含水率与抗压强度关系

为探究含水率对抗压强度的影响，作抗压强度与含水率关系曲线如图7所示，17%、20%、23%、26%、29%的无侧限抗压强度分别为4.11MPa、4.0MPa、3.78MPa、3.3MPa、3.27MPa，由图7可知，在17%～29%含水率范围内随着含水率的增加，冻结粉质黏土无侧限抗压强度逐渐降低，说明试样内水分含量增加，通过对冻结时间的研究可知，水分冻结成冰可增加冻土强度，但同时增加的水分冻结成冰破坏土体内部胶结，从而导致强度降低。

图7 无侧限抗压强度与含水率关系

4 机理分析

在试样开始冻结时，其内部的自由水首先发生冻结，试样表面会在冷空气的作用下使试样内外产生温度梯度，水分由中心向四周迁移[17]。土中水的主要冻结方式分为原位冻结和分凝冻结[18-19]。试验温度为-15℃，开始冻结时，自由水快速原位冻结成冰，反映在图1中即表现为曲线在约1.5h即出现拐点，加强了土颗粒间的胶结，随着冻结时间的增加，冻土强度快速增大，但由于自由水不断被冻结成冰，故强度增长速率逐渐放缓，冻结时间继续增大，自由水基本冻结完成，结合水开始冻结，而结合水受电分子吸引力作用而不同于自由水不受吸附力作用可以自由移动，故结合水的冻结速率较慢，高度曲线表现为高度增长缓慢，强度增长的趋势逐渐放缓。

5 结论

(1)不同含水率试样随着冻结时间的增加，高度变化趋势较为一致，开始冻结时高度快速增加，均在约1.5h出现拐点，之后增加缓慢，12h后趋于稳定。

(2)冻结粉质黏土无侧限抗压强度随着冻结时间的增大而增加且增加趋势逐渐减小；随着含水率增大，应力-应变曲线达到峰值后，下降段由陡峭变为平缓，脆性降低，塑性增大；不同含水率应力-应变曲线下降段斜率均随着冻结时间的增加而增大，即随冻结时间延长脆性增加，表现出在静态试验中存在依赖于冻结时间的冻脆性特征。

(3)在17%～29%试验含水率范围内随着含水率的增加，无侧限抗压强度逐渐降低，脆性降低，塑性增大，破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变。