凍結鹽漬土強度特性試驗研究

禹冠男

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150090)

凍結鹽漬土強度特性試驗研究

禹冠男

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150090)

通過對凍結鹽漬土進行三軸試驗，研究不同凍結溫度、凍融循環(huán)次數和圍壓的凍結鹽漬土強度特性與本構關系。研究表明：凍結鹽漬土的應力-應變關系曲線為應變硬化型，滿足鄧肯-張雙曲線本構模型，并確定本構模型參數。凍結鹽漬土隨著應變增加，應力不斷增加，曲線分為彈性變形階段和塑性變形階段兩個變形階段。隨著圍壓的增加，凍結鹽漬土的應力-應變關系曲線越高，早期強度、彈性模量和破壞強度增加，工程性能和抵抗變形能力增強，而凍結溫度和凍融循環(huán)次數卻與之相反。

凍結鹽漬土; 三軸試驗; 應力-應變關系; 本構模型

我國鹽漬土分布廣泛，占全國面積的2%[1]，其中大面積分布于季節(jié)凍土和多年凍土區(qū)。凍土是一種復雜架構的多相體，包括礦物、冰、水和氣，由于溫度的降低，水不斷凍結形成冰膠結物，產生冰膠結作用，使得凍土的力學性能相對比較復雜[3]，其中，凍土強度的研究是凍土力學的一個重要課題[4]，但對于特殊性凍結鹽漬土就更為復雜，因此，研究凍結鹽漬土問題是寒區(qū)工程建設中的難點。

對于凍結鹽漬土力學特性的研究，學者們已取得一些成果。邴慧等[5-7]對蘭州黃土進行單軸抗壓試驗，研究不同凍融循環(huán)次數、含鹽量和含水量的黃土狀鹽漬土應力應變關系曲線、破壞及強度特性。陳錦等[8]凍結含鹽土單軸抗壓強度試驗研究表明，含水量對含鹽土強度的影響與鹽分類型及含量有關，且隨著含水量的增加呈先增后減的變化趨勢。楊成松等[9]對飽和含鹽凍結粉質黏土進行單軸抗壓試驗，研究溫度、含鹽量與含鹽凍結粉質黏土的屈服應力和抗壓強度間的關系；并引入相對溫度的概念，建立非鹽漬土和鹽漬土之間力學性質上的聯系。陳煒韜等[10-11]通過室內試驗研究凍融循環(huán)次數對不同含鹽量和不同含鹽類型鹽漬土黏聚力和內摩擦角的影響，從晶體位置變化、微觀結構、鹽類性質及未凍水含量等方面分析凍融循環(huán)次數對鹽漬土黏聚力的作用機理，結果發(fā)現鹽漬土的黏聚力隨凍融循環(huán)次數的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定。

在我國東北寒冷地區(qū)分布著大量凍結鹽漬土，由于其力學性質的復雜性，為了工程建設需要對鹽漬土的強度性質進行研究是必要的。對凍結鹽漬土進行三軸試驗，研究不同凍結溫度、凍融循環(huán)次數和圍壓的凍結鹽漬土應力-應變關系變化規(guī)律及力學特性，探索適合的本構關系，為進一步評價凍結鹽漬土的工程性質積累寶貴經驗。

1 試驗簡介

1.1 試驗土樣及其制備

土樣取自大慶地區(qū)鹽漬土，屬粉質粘土。鹽漬土試樣制備：首先將鹽漬土風干碾壓過2 mm篩，由擊實試驗得最大干密度1.78 g/cm3和最佳含水量15.8%，以此配置土樣，然后將其放入塑料袋中悶料12 h，待水分均勻分布后制備試樣；分三層擊實，制成高度為125 mm、直徑為61.8 mm的圓柱形試樣，為保證凍結完全放入-30 ℃的冷凍箱內快速凍結24 h，再將其放入所需達到凍結溫度恒溫24 h，為使其充分融化,放入0 ℃的恒溫箱內24 h，再將其放入所需達到凍結溫度的冷凍箱快速凍結24 h，完成一個凍融過程。根據試驗方案，將試樣完成所需凍融循環(huán)次數后，放入所需凍結溫度的恒溫箱內24 h，使試樣完全恒溫備用。

1.2 試驗方法

試驗儀器為應變式低溫三軸剪切儀，該儀器由周圍壓力、反壓力、孔隙水壓力系統(tǒng)和主機組成。對鹽漬土進行不同凍結溫度、凍融循環(huán)次數和圍壓三軸試驗，剪切速率為1.25 mm/min。破壞標準為應力峰值點或應變達到20%為止，具體工況見表1。

表1 凍結鹽漬土試驗工況

2 試驗結果分析

2.1 凍結鹽漬土應力-應變關系分析

2.1.1 凍結溫度的影響

由圖1可知，隨著凍結溫度降低，凍結鹽漬土應力-應變關系曲線越高，強度越強，工程性能越好。

凍結鹽漬土應力應變關系變化初期，曲線處于彈性階段，線性程度較好，早期強度和彈性模量增加；應變增加曲線進入彈塑性階段，屈服強度和破壞強度增加。原因在于凍結溫度越低，土體中水轉化成冰越快，冰晶越結實膠結力越強。因此，隨著凍結溫度降低，凍結鹽漬土的強度越好，抵抗變形的能力越強，屬于典型彈塑性破壞特征。

圖1 不同凍結溫度凍結鹽漬土應力-應變關系

2.1.2 凍融循環(huán)次數的影響

由圖2可知，隨著應變增加，凍結鹽漬土應力不斷增加最后趨于穩(wěn)定，應力-應變關系曲線表現為應變硬化型特征。

加載初期直線段，隨著凍融循環(huán)次數增加凍結鹽漬土早期強度和彈性模量降低；隨著應變增加進入曲線階段，隨著凍融循環(huán)次數增加凍結鹽漬土屈服強度和破壞強度降低。實質上是鹽漬土所受凍融循環(huán)次數越多時，土體中水與冰相互轉化次數越多，土體內部結構損傷越大，土體結構越脆弱，導致凍結鹽漬土工程性能和抵抗變形的能力越差。

圖2 不同凍融循環(huán)次數凍結鹽漬土應力-應變關系

2.1.3 圍壓的影響

由圖3可知，凍結鹽漬土隨著應變增加應力不斷增加，曲線分兩個變形階段，即彈性變形階段和塑性變形階段。初始彈性階段，隨著圍壓增加，早期強度和彈性模量增加；接著，應變增加進入彈塑性階段，隨著圍壓增加，屈服強度和破壞強度不斷增加，且有較高的后期強度。分析其原因在于圍壓越高，對土體側向約束越強，產生側向變形越小，土顆粒間更加緊密，土體更為密實。因此，圍壓越大，凍結鹽漬土強度提升越明顯，抵抗變形的能力越強，土體性能得到有效改善。

圖3 不同圍壓凍結鹽漬土應力-應變關系

2.2凍結鹽漬土本構模型分析

凍結鹽漬土隨著應變的增加應力不斷增加，達到一定應變后曲線不斷平穩(wěn)，無應力峰值點，表現為應變硬化型特征。將凍結鹽漬土(σ1-σ3)～εa關系整理，得εa/(σ1-σ3)～εa關系近似為線性關系：

=a+bε1.

(1)

式中：a，b為與土性有關的試驗常數；a為截距，b為斜率，參數a，b見表2。

表2 凍結鹽漬土參數a，b值

凍結鹽漬土(σ1-σ3)～εa關系近似為雙曲線關系，滿足鄧肯-張雙曲線模型。三軸試驗中，切線模量為

(2)

式中：a為初始變形模量Ei的倒數，b為極限主應力差(σ1-σ3)ult漸進線的倒數。繪制lg(Ei/pa)與lg(σ3/pa)的關系可知，兩者近似為線性關系(見圖4)。

(3)

式中：pa為大氣壓，量綱與σ3相同。

圖4 凍結鹽漬土lg(Ei/pa)與lg(σ3/pa)關系

3 結束語

1)凍結鹽漬土的應力-應變關系曲線為應變硬化型，滿足鄧肯-張雙曲線模型。

2)凍結鹽漬土隨著應變增加，應力不斷增加，曲線分兩個變形階段，即彈性變形階段和塑性變形階段。

3)隨著圍壓增加，凍結鹽漬土應力-應變關系曲線越高，強度越強，工程性能越好，屬于典型彈塑性破壞特征，而凍結溫度和凍融循環(huán)次數與之相反。

4)加載初期彈性階段，隨著圍壓增加凍結鹽漬土早期強度和彈性模量增加；隨著應變增加進入彈塑性階段，隨著圍壓增加凍結鹽漬土屈服強度和破壞強度增加，且有較高的后期強度。因此，圍壓越大，凍結鹽漬土強度明顯提升，增強抵抗變形的能力，改善土體性能。而凍結溫度和凍融循環(huán)次數與之相反。

[1] 徐斅祖,王家澄,張立新.凍土物理學[M].2版.北京:科學出版社,2010:1-378.

[2] 吳紫汪,馬巍.凍土強度與蠕變[M].蘭州:蘭州大學出版社,1994.

[3] 崔托維奇H A.凍土力學[M].張長慶, 朱元林，譯.北京:科學出版社,25-43.

[4] 邴慧,何平.凍融循環(huán)對含鹽土物理力學性質影響的試驗研究[J].巖土程學報,2009,31(12): 1968-1962.

[5] 邴慧.反復凍融作用下含鹽土路基破壞機理研究[D].蘭州:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,2008.

[6] 邴慧,武俊杰,鄧津.黃土狀鹽漬土洗鹽前后物理力學性質的變化[J].冰川凍土,2011,33(4):796-800.

[7] 陳錦,李東慶,邴慧,等.含水量對凍結含鹽粉土單軸抗壓強度影響的試驗研究[J].冰川凍土,2012,34(2): 441-446.

[8] 楊成松,何平,程國棟,等.含鹽凍結粉質黏土單軸抗壓強度試驗研究[J].工程力學,2006,23(1):144-148.

[9] 陳煒韜,王鷹,王明年,等.凍融循環(huán)對鹽漬土粘聚力影響的試驗研究[J].巖土力學,2007, 28(11): 2343-2348.

[10] 陳煒韜.環(huán)境因素變化對格爾木地區(qū)鹽漬土剪強度參數的影響研究[D].成都:西南交通大學,2005.

[責任編輯：郝麗英]

Experimental study on the frozen saline soil strength characteristics

YU Guannan

(Longjian No.4 Road and Bridge Engineering Co., Ltd., of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China)

Through the frozen saline soil in triaxial test, this paper studies the different freezing temperature, freezing and thawing cycles and confining pressure freeze saline soil strength characteristics and constitutive relation.Studies have shown that frozen saline soil stress-strain relationship curves of strain hardening model, can meet the Duncan-double curve, and determine the constitutive model and constitutive model parameters.The frozen saline soil with strain increases with the stress. The curve consists of two deformation stages for elastic deformation and plastic deformation phase.With the increase of confining pressure frozen saline soil stress-strain curve, the early strength, elastic modulus and fracture strength are on the increase, and the engineering properties and resistance to deformation ability are enhanced, while the freezing temperature and freezing and thawing cycles are in decrease.

frozen saline soil;triaxial test;stress-strain relationship;constitutive model

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.03.006

2017-03-20

禹冠男(1981-)，男，工程師，研究方向：凍土區(qū)路基工程技術.

TU448

A

1671-4679(2017)03-0019-03