冻结泥炭质土力学性质试验研究

冯子亮

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

冻土是一种不良地基土，物理力学性质复杂多变，不仅受土质、含水量、围压的影响，还受温度、含冰量的影响。因此，冻土的物理力学性质极不稳定，受温度影响尤为强烈，在四季温度变化过程中，往往伴有冻融循环。在土体冻融状态改变过程中，不仅会产生冻胀、融沉等工程地质灾害，还会降低土体强度，削弱土体抵抗变形的能力，对我国寒区工程造成了极大的损害。对冻土的变形和强度特性进行研究，不仅能为该地区工程病害的防治提供参考依据，还能为同类气候条件下工程的设计、施工和运营提供理论基础。

吴紫汪等人[1]对两淮地区冻结粘性土、粗颗粒的砂土、砂砾石土进行了系统的试验研究，得出温度是控制冻土强度指标的主要因素，冻土的单轴抗压强度值随温度的降低而线性增大，土质是冻土抗压强度的一个重要影响因素，冻土单轴强度随密度和含水率增大而增大。Chamberlain 等人[2]对一种渥太华细砂和一种冰碛物(粉质土)进行了大范围围压下的三轴压缩试验，发现冻土强度随着围压的增大先增大，当围压达到一定值后，冻土强度随围压增大呈减小趋势，若围压继续增大则强度又表现为增大趋势。他们认为，强度随围压增大而减小的过程主要是由冰的压碎、压融所引起的。后来诸多研究都证实了这一现象[3-7]。常晓晓等人[8]对取自华东某地的深部粘土人工冻结后进行了室内单轴和三轴压缩试验，分析了高围压下冻结深部粘土的应力-应变行为与单轴压缩条件下应力-应变行为的异同，并探讨了围压和温度对冻结粘土强度的影响规律。徐湘田等人[9]在-6 ℃的温度下对含盐量为0.5%的冻结粉质砂土在0.3～18 MPa的围压范围内进行了三轴压缩试验，分析了含盐冻结粉砂的变形、强度及弹性模量随围压的变化规律。目前，针对冻结泥炭质土的相关研究还鲜有文献报道，因此有必要针对冻结泥炭质土开展三轴压缩试验。

根河市位于大兴安岭北段西坡，呼伦贝尔市北部，地理坐标东经120°12′～122°55′，北纬50°20′～52°30′，是中国纬度最高的城市之一，也是中国最冷的城市，年平均气温-5.3 ℃，极端低温-58 ℃，年封冻期210 d以上。本文在-6 ℃的温度下对取自根河市的冻结泥炭质土进行了单轴压缩试验和围压范围为1～6 MPa的三轴压缩试验，并根据试验结果分析了冻结泥炭质土的变形特征和强度随围压的变化规律。

1 试验概况

1.1 土样基本性质

本文所用土样为内蒙古自治区根河市的泥炭质土，其中粒径<0.075 mm的粒组占90%以上，属于粉质黏土，液限38.14%，塑限27.76%，颗粒组分分布如表1所示[10]。

表1 泥炭质土粒径分布表

1.2 试样制备

试样的制备按以下步骤进行。

(1)将取自根河地区的泥炭质土烘干、碾碎后，过2 mm筛，配置成含水率为18%左右的散土体，密封静置24 h，使水分分布充分、均匀，后开始制样。

(2)根据试验规范，按照密度1.73 g/cm3称取适量的土体，分5层压入内径50 mm、高100 mm的圆柱形试样模具内，在试样两端各垫一块透水石，进行抽气饱水，待试样饱和后将其两端的透水石更换为环氧树脂垫片，连同模具一同置于-30 ℃的低温环境下快速冻结48 h，防止试样水分迁移。

(3)将冻结后的土样取出脱模，并在试样两端垫上环氧树脂垫片后套入橡胶模内，随后将试样放入恒温箱内，恒温至目标温度后进行试验。

1.3 试验设备与设置

本文采用GDS液压冻土动三轴仪，轴力变化范围为0～200 kN，围压控制范围为0～20 MPa，温度范围为-30 ℃～20 ℃，温度控制精度± 0.1 ℃。试样过程中，轴向加载采用位移控制模式，加载速率1 mm/min。

试验过程如下：

(1)将恒温至目标温度的试样从恒温箱取出，迅速放入GDS压力腔内，控制试验温度为-6 ℃，待压力腔内温度稳定后，缓慢移动轴向加压柱塞，使其与试样顶端完全接触，后开始加载。

(2)在进行单轴压缩试验时，关闭围压控制系统，对试样直接进行加载，直至试样破坏。

(3)在进行三轴压缩试验时，开启围压控制系统，控制围压至目标围压后保持2 min，待围压稳定后进行轴向加载，直至轴向应变达到20 %后结束试验。

试验过程中每隔1 s对试样进行1次数据采集。试验结束后，根据数据采集系统记录的数据，绘制出不同围压下冻结泥炭质土的应力-应变曲线，并确定出其强度进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 围压对冻结炭泥质土变形特性的影响

不同围压下的冻结炭泥质土的应力-应变曲线如图1所示。

图1 不同围压下冻结泥炭质土应力-应变曲线图

由图1可以看出，围压对炭泥质土变应力-应变曲线及破坏形式均有明显影响。在单轴压缩条件下，冻结炭泥质土的应力-应变曲线表现出应变软化型特性，有明显的应力峰值，其破坏形式为脆性破坏。该曲线可大致分为三个阶段，即初始准弹性阶段、塑性变形阶段和软化阶段。在初始准弹性阶段，偏应力较小，应力-应变曲线基本呈线性变化；当所承受偏应力达到屈服极限后，试样进入塑性变形阶段，应力-应变曲线的斜率逐渐减小，表明试样抵抗变形的能力逐渐下降，当其达到峰值应力后，试样脆性劈坏；此后应力-应变曲线进入软化阶段，由于试样已破坏，该阶段应力随应变增大逐渐减小。

在三轴压缩条件下，冻结泥炭质土的变形特性及破坏形式与围压有关，当围压小于1 MPa时，应力-应变曲线末端会出现略微的应变软化特性，破坏形式为脆性破坏；当围压大于1 MPa后，各围压下冻结泥炭质土应力-应变软化特征基本消失，表现出轻微的硬化特性，其破坏形式由脆性破坏转化为塑性破坏。

围压超过1 MPa后，各围压下冻土体的变形行为分为两个阶段，即初始准弹性阶段和塑性硬化阶段。初始准弹性阶段的变形行为受围压影响明显，直线段斜率随着围压的增大而增加，这是由于围压的增加使得土体的压密作用增强，偏应力较小，因此土体抵抗初始压缩变形的能力随围压的增大而增大；塑性硬化阶段的应力随应变的增大继续增大，但其增长速率明显减小，值得注意的是各围压下冻结泥炭质土的应力-应变曲线开始趋近，受围压的影响逐渐减弱，这是因为试样是含冰量较高的饱冰冻结黄土，在偏应力较大时，冰作为一种晶体材料，其变形主要受剪切控制，受静水压力的影响很小，加之在冻土三轴试验中无法实现排水、排气，从而使得饱冰冻土在后期变形过程中受围压的影响较小；当围压进一步增大时，冻结泥炭质土应力-应变曲线又开始受到围压的影响，这是因为高围压下，试样内的冰出现了压碎、压融现象，且围压越大，该现象越明显。

2.2 强度特性分析

本文根据GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》)[11]确定炭泥质土强度值。当应力-应变曲线有峰值时，取曲线上峰值应力为强度值，无峰值时，取15%轴向应变时的偏应力值为强度值。冻结炭泥质土在各围压下的强度值如图2所示。

图2 不同围压冻结泥炭质土强度图

由图2可以看出，冻结泥炭质土强度随围压的变化可以分为三个阶段，即快速增大阶段、缓慢增大阶段和降低阶段。

(1)第一阶段：快速增大阶段

当围压0 MPa≤σ3<1 MPa，强度由3.56 MPa增至5.88 MPa。在此阶段围压的增大使冻结泥炭质土颗粒间的排列更加紧密，增大了颗粒间的咬合摩擦和破坏面上的正应力，从而使冻结泥炭质土的强度增加。

(2)第二阶段：缓慢增大阶段

当围压1 MPa≤σ3≤5 MPa，强度由5.88 MPa增至6.43 MPa，围压为5 MPa时，强度值最大，为6.43 MPa，围压为1 MPa时，强度值最小，为5.88 MPa，二者相差0.55 MPa。在第二阶段的围压范围内，围压增大将继续增强颗粒之间的咬合和摩擦，增加土体的强度，但围压的增大和加载过程中轴向应力的增加使土体内的胶结冰破碎，甚至可能发生胶结冰融化，使得土体的强度降低，强度的增长速率较第一阶段较为缓慢。

(3)第三阶段：降低阶段

当围压5 MPa<σ3≤6 MPa，强度由6.43 MPa下降至5.83 MPa，这是因为该阶段土体内冰的压融现象明显，一方面使得强度随围压的增加而整体降低，另一方面压融所产生的孔隙水可承担围压的增量，使固体颗粒上作用的静水压力随围压的变化较小，使得强度受围压的影响不再如前两阶段明显。这也反映在该围压范围内的应力-应变曲线呈现出相互重叠的趋势上。各围压下，冻结泥炭质土的强度与各围压阶段的强度变化速率如表2所示。

表2 各围压下的强度值与各阶段的变化速率表

3 结论

本文在-6 ℃温度条件下，对冻结泥炭质土进行了单轴压缩试验和围压范围为1～6 MPa的三轴压缩试验，根据试验结果，分析了冻结泥炭质土的变形特征和强度随围压的变化规律，为相似地质条件下工程设计提供依据。主要结论如下：

(1) 单轴压缩条件下，冻结泥炭质土应力-应变曲线表现为应变软化型，破坏形式为脆性破坏，其变形过程可以分为初始准弹性阶段、塑性变形阶段和软化阶段三个阶段；三轴压缩条件下，当围压较低时，冻结泥炭质土的应力-应变曲线末端会出现略微的应变软化，当围压较高时，其应力-应变曲线表型为应变硬化型，破坏形式为脆性破坏。

(2) 冻结泥炭质土强度随围压的变化规律大体可以分为三个阶段，即快速增大阶段、缓慢增大阶段和降低阶段。快速增大阶段，由于围压较小，围压对强度仅有强化作用；缓慢增大阶段由于试样内部分冰被压碎、压融，围压对强度有强化和弱化双重作用，但强化作用占据主导；降低阶段，由于围压较大，试样内冰被大量压碎、压融，使得围压对冻结泥炭质土强度的弱化作用占据主导，强度随围压增大而降低。