东北人工冻结黏土在不同温度下抗压抗拉强度试验研究

束玲玲 黄雅洁 陈云龙 杨润宇 张茂林

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

0 引言

随着国民经济和科学技术的发展，人类的活动区域逐渐扩大，开始涉及冻土区域，冻土地区的开发与建设已经日益频繁。同时，冻土地区的地下蕴含着大量矿产资源，开发价值大。随着冻土地区工程建设和冻结法施工技术在地下空间建设中的发展，了解冻结岩土材料的静态强度特性是保障建设工程安全施工的基础。汪恩良等人使用WDT-100低温电子万能试验机对不同温度和不同含水率的冻土试件进行单轴压缩试验，发现随着温度的降低，冻土的强度呈线性增加，弹性模量也逐渐增大，并且随着含水率的上升，抗压强度呈上升趋势[1]。栗晓林等人研究不同温度下冻土的单轴抗拉强度，利用MTS万能试验机对冻土进行单轴压缩试验，得到了冻土的抗压强度和屈服应力随着冻结温度的降低和加载速率的增大而增大[2]。张勇敢、陈有亮都对冻土的劈裂拉伸强度做出了研究，发现冻土的抗拉强度与冻结温度和加载速率都可以用线性关系来进行表征，冻结温度的降低和加载速率的增大都引起抗拉强度增加，同时也发现土体的含水率越低，单位温度降低所以引起的抗拉强度的增量越大，并发现随着温度的降低，冻土中的未冻水的含量逐渐降低，抗压、抗拉强度逐渐增加[3]。

1 试件制备和试验仪器介绍

1.1 试验前准备

1.1.1 土样密度测定

在试验中通过封蜡法来测定土样的密度。1）为了使土样在封蜡时，不至于过于松散，将取得的土样，放入模具中，进行简单按压，使土样的形状规则，再脱模，得到了直径为65mm，厚度为35mm的试样。2）用细绳将试样系紧浸入融化的蜡油中，待试样整体没入蜡油后，迅速将试样提起，观察试样表面是否均匀地包裹上蜡油，若局部未包裹蜡油，则重新浸没再提起，直至均匀包裹。3）用烧杯量取一定量的纯净水，记录水的刻度数，将封好蜡的试样浸入水中，迅速记录烧杯上的刻度数，并将试样提出烧杯，记录下示数。4）计算试样的密度，如公式（1）所示。

式中：m为试样的体积，v2为试样放入烧杯后读取的示数，v1为未放入试样时烧杯水的示数。

通过封蜡法测试样密度的试验总共进行三次，取三次的平均值得到该文试验所用土样的密度，算的平均值为1.96g/cm3。

1.1.2 含水率的测定

含水率的测定包括以下步骤：1）将原状土的大颗粒用橡胶锤进行锤碎，去除大颗粒及石子。2）称取一定量的土样，记录质量，放入烧杯中，烧杯中的量不宜装的过满，将土样放入烘箱中烘24h以上，在烘干的过程中，可以使用搅拌棒对土样进行搅拌，使其烘干的更加均匀。3）烘干后，将土样从烧杯中倒出，称取烘干后的质量。4）计算含水率，如公式（2）所示。

式中：m1—为烘干后土样的质量，g；m2—为湿土土样的质量，g。

经过测定得到该文试验所用的土样的含水率为23%。

1.2 试件制备

由于我国大部分冻土地区的冻土都属于黏性土质，所以有必要对寒区地基工程下的黏性土质进行研究，根据这些情况，该文所研究的冻土取自辽宁丹东的黏土。由于原状冻土离散性较大，也不够均质，所以该文对原状冻土进行重塑来进行试验。

根据《人工冻土物理力学性能试验》（MT/T593.1-2011）重塑土要求，在试验室揭开密封袋，记录土样的颜色、气味和土的类别[4]。初步击碎处理，选取一定量的土，用橡胶锤将土中的大块进行破碎，去除大颗粒与杂物，选取小块或较细的土样进行试验。烘干，将土样装入烧杯中，不超过烧杯的2/3，放入烘箱中烘24h以上，在烘干的过程中，可以利用搅拌棒对土样进行搅拌，使土样烘的更均匀、充分，直到水分完全蒸发，土的质量不再变化。配水，根据测定的含水率，用量杯量取相应体积的纯水，对烘干后的土进行配水，用喷壶将纯净水均匀分层喷入土样中，并搅拌均匀，并放置20min后再进行搅拌，使水分与土样充分混合吸收。养护，将盛土样的器皿进行密封，防止水分流失，将密封好的土样放入恒温恒湿的养护箱中养护24h以上，并且养护期间温度和湿度保持恒定不变。注模，将养护好的土样取出，揭开密封袋，在模具内部均匀涂抹一层机油。用电子天平称取同等质量的土样，将土样分次放入模具中，进行分层击实，表面用刮刀抹平，使端面尽量平整。单轴抗压试验试件尺寸为Φ50mm×100mm，单轴抗拉试验试件的尺寸为Φ65mm×35mm。冻结，将制好的试件和模具放入冷藏箱，速冻3h～6h，再脱模，将脱模后的试件放入冷藏箱中，在试验所需的温度下冻结24h以上，冻结期间，如果试件的端面不够平整，可以用细砂纸对其进行打磨，再放入冷藏箱中进行冻结养护，并将试件进行标号，再用于试验。

1.3 试验仪器简介

该试验利用WDT-100电液伺服试验机进行冻土单轴压缩试验。WDT-100电液伺服试验机主要用于岩石和冻土等非金属材料的力学性能试验。WDT-100是对岩石及冻土力学性能测试最先进的仪器，可自动进行数据的采集及处理，伺服阀反应灵敏、精度高。最大试验载荷为10 kN，试验精度为 1%，试验所需要的数据结果全由计算机程序和数据采集系统自行控制和采集[5]。试验中可根据试验目的需求选择合适的加载速率，对试件进行加载，当试件发生破坏时，仪器自动停止加载，来测得相应的物理参数。

2 单轴抗压强度试验

2.1 试验方法

冻土的单轴抗压强度是衡量冻土力学性能的重要指标，对冻土地区工程建设地基的承载力研究具有重要意义。文中对取自东北地区的冻结黏土进行人工重塑，对-10℃、-20℃、-30℃的人工冻结黏土进行单轴压缩试验。试件分别在相应温度下冷藏箱中冻结养护24h以上，再进行试验，试验过程中采用恒定速率加载，试件达到破坏状态，仪器自动停止，数据由试验仪器自动进行采集。每个温度下准备三个试件，结果取平均值。

2.2 试验结果与分析

通过试验得到的相关参数，再结合公式，可得出冻土的单轴抗压强度、轴向变形、弹性模量等相关参数，如公式（3）和公式（4）所示。式中：σ—单轴抗压强度；P—试件破坏时轴向应力；A—试件断面面积；E—弹性模量；ε——峰值应变。

通过WDT-100电液伺服试验机对-10℃、-20℃、-30℃三个温度下的人工冻土试件进行了单轴压缩试验，分别得到了三个温度等级下的单轴抗压强度，汇总如表1所示。

表1 人工冻土单轴压缩试验相关参数

对土体力学性能的研究，应力-应变关系是主要研究的关键问题，在工程领域的大部分问题都与土体的应力-应变有关系，例如土体强度问题、动静荷载下土体的稳定性问题等，因此想探究冻土的力学行为规律，就必须掌握土体的应力-应变关系[6-7]。图1为单轴压缩状态下，-10℃、-20℃、-30℃三个温度下的人工冻土下的应力-应变关系。土样破坏呈弹性-应变软化的特征，应力达到峰值应力后缓慢降低。由图1可以看出，不同试验条件下的应力-应变曲线均经历了压密、线弹性、塑性和应变软化四个阶段。1）压密阶段，试件原来内部存在的孔隙和裂缝在前期进行压实闭合，宏观上呈现出早期非线性变形，曲线呈缓慢上升的趋势，此阶段试件横向膨胀较小，主要是纵向密实阶段，试件体积在动荷载的作用下，体积逐渐呈减少状态。2）弹性阶段，随着荷载的增加，曲线呈线性递增，在线性阶段曲线递增得非常快，人工冻土试件内部孔隙被进一步压实，体积率开始减少。从应力-应变曲线中发现，在此阶段横坐标变化量较小，纵坐标逐步增大。3）塑性阶段，从线弹性阶段结束点开始，结束点即为屈服点，从屈服点开始进入塑性变形阶段，此阶段试件内部的裂隙开始扩展，整体结构发生破坏，塑性变形量达到最大。4）应变软化阶段，到达应力峰值，此阶段人工冻土试件结构完全破坏，裂隙量达到最大，试件发生较大块的断裂与滑移。

从图1单轴抗压下的应力-应变曲线中可以发现人工冻土的峰值应力随着冻结温度的降低，逐渐增加，可见冻土材料具有明显的温度效应。主要原因：随着冻结温度的降低，人工冻土内部的未冻水逐渐转化为冰，使冰与冻土内部的固体颗粒的胶结作用增强，从而冻土的抗压强度有所增加。人工冻土单轴抗压强度的应力-应变曲线在应力达到应力峰值后，随着应变的增加，试件逐渐破坏，但应力并没有迅速下降，表现出了冻土材料明显的塑性特征。

图1 不同冻结温度下人工冻土单轴压缩应力－应变曲线

3 单轴抗拉强度试验

3.1 试验方法

冻土属于严重的拉压不对称性材料，其拉伸强度远小于压缩强度，对冻土的抗拉试验方式有直接法和间接法两种[8]。直接法主要是通过对试件两端施加力来使试件破坏，抗拉强度的计算方式为试件达到破坏的力除以破坏试件的端面面积。间接法就是通过弯折，劈裂等方式，通过间接测试和对应的公式计算，来获得的材料的抗拉强度，例如巴西圆盘劈裂、弯曲试验等。该文对冻土材料采用巴西圆盘劈裂的方式来间接获得冻土试件的抗拉强度。对人工冻土试件在-10℃、-20℃、-30℃三个冻结温度下分别进行巴西圆盘劈裂抗拉强度实的验，各组试件分别在相应温度下冷藏箱中冻结24h以上，每个温度下设定三组平行试验，试验结果取三组的平均值。随后采用恒定速率对试件进行加载，直至试件被破坏，仪器自动停止加载，清理破坏的试件。

3.2 试验结果与分析

通过试验得到的相关参数，再结合公式，可得出冻土的抗拉强度。

式中：σt—抗拉强度，MPa，P—试件破坏时荷载，D—试件直径，mm，L—试件厚度，mm。

通过巴西圆盘劈裂法对-10℃、-20℃、-30℃三个温度下的人工冻土试件进行了单轴拉伸试验，取平均值分别得到了三个温度等级下的单轴拉伸相关参数，汇总如表2所示。

表2 不同温度下冻土试件的抗拉强度

冻结温度为-10℃、-20℃、-30℃下人工冻土的抗拉强度分别为1.57MPa、2.23MPa、3.56MPa，温度是影响土体力学特性的重要影响因素，图2给出了不同温度下人工冻土在单轴拉伸下冻土的应力-应变关系，应力-应变关系只研究线弹性阶段到达应力峰值的部分，对试件破坏后的应力-应变关系不做研究。在单轴抗拉下，应力-应变曲线在线弹性阶段，曲线上升得非常快，随后便进入塑性变形阶段，曲线缓慢上升，随后到达应力峰值，接着试件发生不可逆的破坏。从图2单轴拉伸下应力-应变曲线可以发现随着冻结温度的降低，人工冻土在单轴拉伸下的应力峰值随着冻结温度的降低而增大。由于在不同的温度等级下冻土内部固体颗粒与冰的胶结作用有所不同，所以强度有所不同[9]。冻土材料在单轴拉伸下也具有明显的温度效应。且单轴拉伸下所得到的抗拉强度远小于单轴压缩下的抗压强度。

图2 不同冻结温度下人工冻土单轴拉伸应力－应变曲线

4 结论

对单轴抗压和抗拉强度试验冻土试件的制备方式进行了介绍，单轴抗压试验所需人工冻土的尺寸为Φ50mm×100mm，单轴抗拉人工冻土的尺寸为Φ65mm×35mm。同时对人工冻土单轴抗压和抗拉的试验仪器WDT电液伺服试验机进行了说明。在进行抗拉强度测试时，通过巴西圆盘劈裂的方式间接得到不同温度下人工冻土的抗拉强度。

对人工冻土试件在-10℃、-20℃、-30℃三个冻结温度下分别进行单轴压缩试验，得到了三个温度下的单轴抗压强度分别为4.05 MPa、7.89 MPa、9.71 MPa。从应力-应变曲线中可以看出人工冻土材料在单轴压缩下具有明显的塑性特征，并且随着温度的降低，应力峰值呈增大的趋势，冻土材料在单轴压缩下具有明显的温度效应。

对人工冻土试件在-10℃、-20℃、-30℃三个冻结温度下分别进行单轴拉伸试验，得到冻土试件的抗拉强度分别为1.57 MPa、2.23 MPa、3.56 MPa。发现随着冻结温度的降低，人工冻土的抗拉强度逐渐增大。并且在相同温度等级下，抗拉强度均小于抗压强度。