高温冻土力学特性试验研究

张 宏

（杨凌职业技术学院，陕西 杨凌712100）

我国多年冻土和季节性冻土分别占陆地总面积的20%和55%［1］，其中温度介于0．0～-1．5 ℃的高温冻土分布广泛［2］，随着全球气候变暖我国高温冻土区的面积将不断增大［3］。冻土区大量工程建设涉及高温冻土的力学性质，而土的冻胀破坏是渠道等灌溉系统破坏的重要原因，大大降低了我国的灌溉水利用系数［4-5］。因此，高温冻土力学特性研究是高温冻土区水利工程建设和维护的重要基础。

目前，部分学者已经开展了高温冻土相关特性研究。李蒙蒙等［6］建立了考虑毛细吸力和附加压力的低含水量非饱和高温冻土模型，分析了有效应力及抗剪强度等力学参数随温度和含水量的变化规律。胡坤等［7］利用巴西圆盘劈裂试验方法测试了高温冻土的抗拉强度，分析了抗拉强度随温度的变化规律。王松鹤等［8］开展了高温冻土松弛特性试验，分析了瞬时松弛量随预应变量的变化规律，建立了偏应力与时间对数的双曲线关系。焦贵德等［9］开展了循环荷载作用下高温冻土的力学特性测试，提出累积应变与循环次数的关系曲线可分为破坏型、稳定型和过渡型。在前人研究的基础上，笔者现场取样制备高温冻土样品，开展其力学特性测试，分析高温冻土的单轴抗压强度、抗剪强度和冻胀性随温度的变化规律。

1 试验材料及设备

1．1 试样制备

试验材料为黄土，1#～3#土样均取自陕西省咸阳市杨凌区，黄土的基本物理性质见表1，平均粒径分布规律见图1，土样的平均粒径主要分布在0．5 mm以下，而以往研究结果表明［4］，土体的冻胀性与其粒径相关性很大，土体粒径在0．5 mm以下冻胀破坏较为明显。

表1 黄土的基本物理性质

图1 级配曲线

取得土样后，通过图2所示的固结试验系统制备重塑土样品，试样直径61．8 mm、高50 mm，试样制备依据《土工试验方法标准》（GB／T 50123—1999）［10］，按照荷载等级为 12．5、25．0、50．0、100．0、200．0 kPa 进行压缩试验，通过千分表记录变形量，确定下一级加载时间。

图2 固结试验系统

1．2 试验方法

试验设备由改造的固结试验系统、温度控制系统、单轴抗压强度测试系统、直剪系统和冻胀率测试系统组成。温度控制系统由冷源、保温棉、热敏电阻、数据采集系统等组成，将重塑土样品进一步制备成高温冻土样品，低温箱的温度分别设置为0、-0．1、-0．2、-0．5、-0．8、-1．2、-1．5、-2．0 ℃。 单轴抗压强度测试采用GDS非饱和土试验系统，测试不同温度的高温冻土荷载、位移。直剪试验采用应变控制式直剪仪开展，取竖向压力分别为 100、200、300、400 kPa，剪应力施加速率为0．02 mm／min。高温冻土的抗剪强度采用摩尔库仑准则，计算公式为

式中：τf为抗剪强度；σ为竖向应力；φ为内摩擦角。

冻胀率测试系统由布置在温度控制系统内的位移传感器和数据采集系统组成，冻胀率的计算公式为

式中：η为冻胀率；Δh为试验期间总冻胀量；Hf为冻结深度。

2 试验结果分析

2．1 高温冻土的单轴抗压强度分析

不同温度下高温冻土的单轴压缩应力应变曲线如图3所示。

图3 高温冻土单轴压缩应力应变曲线

（1）不同温度下高温冻土单轴压缩应力应变曲线均呈现出了弹性变形阶段和塑性变形阶段。当轴向应变较小时，高温冻土原始内部结构能够保持完整，其处于弹性变形阶段，轴向应力与轴向应变基本成线性关系；当轴向应变大于一定值以后（应力达到峰值），高温冻土进入塑性阶段，其初始结构被破坏，产生影响土体强度的持续性损伤，轴向应力随轴向应变的增大基本保持不变或逐渐较小。为了进一步分析峰值应力随温度的变化规律，绘制高温冻土峰值应力随温度变化的曲线（如图4所示），可见高温冻土的峰值应力σ与温度T成指数关系，σ＝-1．281eT／0．814+1．357（MPa）。

（2）不同温度的高温冻土进入塑性阶段的轴向应变不同，且随着温度的降低，高温冻土进入塑性阶段的应变增大。出现这种现象的原因为，随着轴向应变的增大，温度高的高温冻土由于冰土结晶体数量较少，承载能力相对较低，因此会在单向加载力作用下进入塑性状态，同时受脆性冰晶体的强烈作用，高温冻土会随温度的降低表现出越来越明显的脆性特征，即温度越低，高温冻土的应变软化现象越明显。

图4 高温冻土峰值应力—温度曲线

（3）不同温度高温冻土的塑性阶段变化规律不同，当高温冻土温度高于-0．5℃时，高温冻土轴向应变在达到峰值点应变后，其轴向应力基本不变；而当高温冻土温度低于-0．5℃时，高温冻土的轴向应力则会在轴向应变达到峰值点应变后出现缓慢下降现象，温度越低，这种下降趋势就越明显。

2．2 高温冻土的抗剪强度分析

不同温度下高温冻土的剪应力与竖向应力的关系如图5所示。

图5 高温冻土剪应力和竖向应力的关系

（1）不同温度下高温冻土的抗剪强度均与竖向应力成线性关系，即高温冻土的抗剪强度随着竖向应力的增大而增大；当竖向应力相同时，高温冻土的抗剪强度则随温度的降低而逐渐增大。造成这种现象的原因可能是高温冻土的温度越低，其内部冰土结晶比例越高，而冰土结晶一方面可以直接提高冻土的强度，另一方面孔隙水结冰膨胀使试样内部孔隙度减小，从而提高了冻土的强度。

（2）根据式（1）可以计算冻土的内聚力和内摩擦角，高温冻土内聚力和内摩擦角随温度变化的曲线如图6所示。高温冻土的内聚力和内摩擦角均与其温度成“指数递增式”减小关系，即随着温度的增高，高温冻土的内聚力和内摩擦角不断减小，而且减小速率越来越大。

2．3 高温冻土的冻胀性分析

图7给出了不同含水率条件下高温冻土冻胀率随温度变化的曲线。

图6 高温冻土内聚力和内摩擦角随温度变化的曲线

图7 高温冻土冻胀率随含水率和温度的变化曲线

（1）当含水率ω较小时（如ω＝10%），孔隙水含量有限，即使所有孔隙水与土颗粒结成冰晶体也难以完全填充土内的孔隙，此时高温冻土基本不会在低温下发生冻胀。当含水率较高时（如ω＝20%），高温冻土在低温作用下产生的冰土结晶体积膨胀量大于土体内部孔隙体积，导致土体试样总体积增大，产生冻胀，含水率越高，则冰土结晶体数量越多，冻胀现象就越明显。

（2）随着温度的降低，由于孔隙水结冰的比例变高，相应地冰土结晶体数量增多，因此冻胀率不断增大。由图7可知，高温冻土的冻胀率f与含水率ω成“指数递增式”增长关系（当T＝-2．0℃ 时f＝0．33eω／9．1-0．8），与温度T成“指数递增式”减小关系（当ω＝30%时f＝-13．98eT／2．16+13．90）。

3 结 论

通过单轴压缩试验、直接剪切试验、体积测试等试验方法测试了不同温度下高温冻土的力学特性，得到以下结论：

（1）高温冻土的温度越低，其进入塑性状态后的峰值应力和峰值点应变越大，且峰值后的应变软化现象越明显；同时，高温冻土的峰值应力与温度成指数递减关系。

（2）当温度为0℃时高温冻土内聚力和内摩擦角分别为 21．1 kPa 和 25．6°，当温度为-2．0 ℃时高温冻土的内聚力和内摩擦角比温度为0℃时增大较多。

（3）当含水率小于10%时，高温冻土基本不发生冻胀；而当含水率大于10%时，相同温度下，高温冻土冻胀率与含水率成“指数递增式”增长关系，相同含水率下，高温冻土冻胀率与温度成“指数递增式”减小关系。