李蓬勃，李棟偉，王澤成，張潮潮，楊 杰，丁國勝，蔣盛鋼

(1.中交海峽建設投資發(fā)展有限公司，福建 福州 350001；2.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；3.福州地鐵集團有限公司，福建 福州 350004；4.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引 言

當土體溫度為負值時，土層中含有冰層的各類土統(tǒng)稱為凍土[1-2]。土在凍結過程中內部水會形成冰，發(fā)生物態(tài)變化，因此凍土的工程性質比常規(guī)土更加復雜。水變成冰會導致土體內部的水分重新分布，其結構也會發(fā)生相應改變，從而使凍土的力學性質變得極其不穩(wěn)定。確定凍土的力學參數(shù)在人工凍結法理論與實踐中具有重要意義[3- 4]。

凍結法是通過在地層中打入凍結孔，利用人工制冷方式將土體中的水凍結成冰，形成具有較高強度的凍結帷幕，起到提高地層穩(wěn)定性、防止地下水滲流的地層臨時加固方法[5- 6]。隨著我國大中城市軌道交通的建設，凍結法廣泛應用于復雜環(huán)境下富水軟弱地層的隧道及聯(lián)絡通道的建設中[7]，深基坑、深豎井及煤巷道等地下工程也廣泛應用凍結法[8-10]。國內外對凍融條件下人工凍土力學性質影響的研究眾多，并取得大量成果[11-12]。張君岳等[13]對飽水紅砂巖試樣進行凍融循環(huán)試驗及不同凍融次數(shù)下的單軸壓縮試驗，得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長，巖石的飽水質量、孔隙率持續(xù)增加，巖石的縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量持續(xù)降低，巖石由脆性破壞向延性破壞轉變等結論。黃海軍[14]對隧道圍巖(巖性為砂巖)進行了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的單軸壓縮及蠕變試驗得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，巖石瞬時變形量、蠕變變形量、蠕變總時長、破壞時的荷載水平及長期強度均逐漸減小；最后一級荷載作用下的蠕變時長則隨著凍融循環(huán)次數(shù)無明顯變化，且?guī)r石蠕變曲線呈典型的衰減、穩(wěn)定、加速3個階段蠕變特性。李棟偉等[15]認為在溫度-5 ℃條件下，不同含水率的凍土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瞬時強度先減小后增大；當試驗溫度為-10 ℃時，隨著凍融作用次數(shù)的增加，瞬時強度先增加后減小，但變化幅度不大；當試驗溫度為-15 ℃時，凍融作用對人工凍土的強度影響不顯著。

福州地鐵穿越江底時經過的土層是富水軟土地層，土質為淤泥質土，相比較普通土質，淤泥土的凍結力學特性更具有研究意義。為此，本文對淤泥土凍結力學特性進行研究，可為福州地鐵項目施工提供參考。

1 土樣制備及試驗方案

1.1 土樣制備

試驗用土取自福州市地鐵隧道施工時經過的富水淤泥質黏土，取樣深度為地表以下19.9～38.1 m。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中相關要求，對土樣進行烘干并碾碎，將其用直徑0.075 mm篩子篩分，再進行常規(guī)土工試驗，得到其物理參數(shù)，見表1。

表1 試驗土樣物理參數(shù)

1.2 試驗簡介

采用MTS疲勞試驗機以及試樣恒溫專用溫度箱、壓力試驗專用溫度箱進行相關凍土性能試驗，見圖1、2。根據(jù)設定好的程序控制試驗加載和卸載過程，儀器可自動采集時間、位移、軸向力等數(shù)據(jù)。后期通過對數(shù)據(jù)進行簡單計算處理，得出應力及應變等物理量。計算公式如下

圖1 MTS疲勞試驗機、壓力試驗專用溫度箱

ε=Δh/H

(1)

A0=A/(1-ε)

(2)

σ=F/A0

(3)

式中，ε為軸向應變；Δh為軸向變形；H為試驗前試樣高度；A0為校正后試樣截面積；A為試驗前試樣截面積；σ為單軸抗壓強度；F為軸向荷載。

圖2 試樣恒溫專用溫度箱

首先，對淤泥土進行初步處理并制樣，試樣為直徑50 mm、高100 mm的圓柱形，將其放于試樣恒溫專用溫度箱內養(yǎng)護24 h，循環(huán)1次周期為48 h。設置凍結溫度T為-5、-10、-15 ℃ 3個凍結溫度組。其中，-5 ℃設置0、1次凍融循環(huán)；-10 ℃設置0、1、3、5次凍融循環(huán)；-15 ℃設置0、1次凍融循環(huán)。在MTS主機上設定好程序，通過程序控制MTS試驗機加載和卸載過程，抗壓試驗采用位移速率加載方式，位移變化速率為1 mm/min。試驗時，軸向應變達到20%或應力峰值下降20%終止試驗。試驗依照MT/T 593.6—2011《人工凍土物理力學性能》執(zhí)行。蠕變試驗中，蠕變加載系數(shù)采取0.3、0.5、0.7這3級加載系數(shù)，試驗時長為6 h。試驗方案見表2。

表2 人工凍土單軸試驗方案

2 結果及分析

2.1 單軸抗壓試驗

通過-5、-10、-15 ℃凍結溫度條件下、不同凍融循環(huán)次數(shù)的強度試驗，獲得不同循環(huán)次數(shù)應力-應變曲線，見圖3。從圖3可以看出，開始時，單軸抗壓強度呈線性快速發(fā)展，后期趨于緩慢，變化速率逐漸降低。相同溫度下，經過循環(huán)后，應力-應變曲線變化規(guī)律一致，但單軸抗壓強度逐漸減小。彈性階段，應力-應變曲線為直線變化，達到塑性屈服后應力達到峰值，隨后應變持續(xù)增大，應力降低，應力-應變曲線呈軟化型。

圖3 不同溫度和凍融循環(huán)下單軸抗壓強度

人工凍土在靜荷載作用下典型破壞特征為塑性破壞，見圖4。圖4中，a為未凍試樣，b為低蠕變系數(shù)下破壞試樣，c為高蠕變系數(shù)下破壞試驗。從圖4可以看出，破壞試樣中破壞面呈45°，c試樣中的破壞面比b試樣更大、更長，說明高蠕變系數(shù)對試樣破壞更嚴重。

圖4 試樣破壞形態(tài)

通過試驗獲得人工凍土單軸瞬時強度。不同溫度下抗壓強度與凍融循環(huán)的關系見圖5所示。從圖5可知，-5～-15 ℃溫度范圍內，隨著溫度降低，其抗壓強度顯著增加，且增加幅度越來越大，最大達6.56 MPa。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其強度逐漸減小，且減小幅度越來越小，最小達1.30 MPa，且趨于穩(wěn)定。

圖5 不同溫度下抗壓強度與凍融循環(huán)的關系

不同凍結溫度下的試樣經過不同凍融循環(huán)后，其變化規(guī)律基本相似。不同凍融循環(huán)下抗壓強度與溫度的關系見圖6。從圖6可以看出，相同凍融循環(huán)下的試樣，其抗壓強度隨著凍結溫度降低而增大，且增幅越來越大。凍結溫度較低時，土樣中的未凍水含量變小，含冰量增加，故土樣強度不斷增大。但土樣中的水分產生遷移，從而使試樣中間部分含水率減小，土顆粒間的黏聚力變小。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的接觸方式發(fā)生改變，減小了顆粒間的摩擦力，因此人工凍土瞬時強度不斷減小。

圖6 不同凍融循環(huán)下抗壓強度與溫度的關系

2.2 單軸蠕變試驗

通過-5、-10、-15 ℃ 3組凍結溫度條件下、不同凍融循環(huán)次數(shù)的應變試驗，獲得不同循環(huán)次數(shù)時間-應變曲線，見圖7～9。從圖7～9可以看出：

圖7 -5 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)時間-應變關系

(1)-5 ℃下0次循環(huán)0.3σs(σs為最大單軸抗壓強度)蠕變曲線從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。0.5σs從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段，并出現(xiàn)蠕變第三階段。0.7σs從蠕變第一階段直接過渡到蠕變第三階段。-5 ℃下1次循環(huán)全部為從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。

(2)-10 ℃下0次循環(huán)0.7σs從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段，并出現(xiàn)蠕變第三階段。其他全部為從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。

(3)-15 ℃下0次循環(huán)0.3σs和0.5σs蠕變曲線

圖8 -10 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)時間-應變關系

從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。0.7σs從蠕變第一階段直接過渡到蠕變第三階段。-15 ℃下1次循環(huán)0.3σs和0.5σs蠕變曲線從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段。0.7σs從蠕變第一階段過渡到蠕變第二階段，接著過渡到蠕變第三階段。

從試驗條件范圍內的數(shù)據(jù)分析，凍土在某凍結溫度以及某凍融循環(huán)下存在屈服抗壓強度。在下階段的研究中，要充分開展某種條件下的深入研究，從而得出其界限凍結溫度及界限凍融循環(huán)。

圖9 -15 ℃下不同凍融循環(huán)次數(shù)時間-應變關系

3 結 語

本文對福州淤泥質黏土進行單軸壓縮及單軸蠕變試驗研究，在試驗條件范圍內可以得出以下結論：

(1)隨著凍結溫度的降低，單軸抗壓強度逐漸增大，且增加幅度逐漸增大，最大達6.56 MPa。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單軸抗壓強度逐漸減小，且減小幅度逐漸減小，最小達1.30 MPa。

(2)低荷載時，蠕變以衰減階段和穩(wěn)定階段為主；高荷載時，主要為衰減階段和加速階段。

(3)當加載應力水平較低時，凍土的蠕變速率較小，且快速降至0。當加載應力水平較高時，凍土的蠕變速率較大，且其速率降低緩慢，甚至出現(xiàn)加速蠕變階段。

(4)多次凍融循環(huán)后，循環(huán)對單軸抗壓強度以及蠕變曲線形狀影響逐漸減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣更快地從衰減蠕變階段過渡到穩(wěn)定蠕變階段，且蠕變變形量逐漸減小。