不排水升溫條件下黏性土孔壓試驗研究

張震雨，付長鄆，吳 越

(揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225100)

隨著能源地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、地?zé)崮艿拈_發(fā)、核廢料處理的開展，歷經(jīng)四季變化，地下結(jié)構(gòu)周圍土體必將承受著冷-熱循環(huán)的溫度作用。為保證工程安全，對黏性土的熱力學(xué)響應(yīng)的研究十分必要。

在實驗研究方面，洪偉等[1]基于數(shù)值模擬的方法, 得到不同條件下能量樁的換熱量。黃勇等[2]對寧波地區(qū)的軟黏土進(jìn)行研究，開展了不同溫度下土的應(yīng)力路徑試驗，發(fā)現(xiàn)不同溫度下飽和軟黏土的有效應(yīng)力路徑形態(tài)大致相同，隨著溫度的升高，有效應(yīng)力路徑有一定的擴(kuò)張現(xiàn)象。閆澍旺等[3]對采用修正劍橋模型實現(xiàn)了對微單元體的超靜孔壓預(yù)測，并通過等壓固結(jié)狀態(tài)下減壓三軸伸長試驗得到固結(jié)圍壓越大，超靜負(fù)孔壓峰值越大，超靜孔壓由負(fù)轉(zhuǎn)正時對應(yīng)的軸向應(yīng)變越大的實驗規(guī)律。劉干斌等[4]通過開展飽和軟黏土溫控動三軸試驗，發(fā)現(xiàn)土體的累積塑性應(yīng)變、孔壓、阻尼比均隨著溫度升高而減小，動彈性模量則隨著溫度升高而增大，土體表現(xiàn)出熱硬化特征。Houston等[5]通過對未受擾動和徹底重塑的太平洋海底伊利土進(jìn)行升溫固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)在不排水狀態(tài)下，溫度升高引起土體孔隙水壓力增大，且通過土樣在不同初始溫度的狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)土樣初始溫度越高，相同溫度增量引起的孔壓增量越大，因此認(rèn)為孔壓的溫度效應(yīng)為非線性變化，孔壓隨溫度升高的增量前期較快，后期較慢。王寬君等[6]對不同超固結(jié)比(OCR=1～30) 的超固結(jié)土的不排水升溫條件下的孔壓響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不排水升溫條件下，溫度對于超固結(jié)土的影響隨著超固結(jié)比的增加而降低。卞夏等[7]開展了不同初始含水率重塑土孔隙水壓力特性的試驗研究，得到了不同初始含水率重塑土三軸不排水剪切試驗過程中孔隙水壓力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線。齊炎林等[8]研究了寧波地區(qū)典型軟黏土，利用新型溫控三軸試驗系統(tǒng)對采集土樣在不同的溫度和圍壓作用下進(jìn)行了固結(jié)試驗和三軸剪切試驗.通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究了溫度對軟黏土固結(jié)特性、變形特性和強(qiáng)度特性的影響。白冰等[9]采用室內(nèi)試驗的方法研究一種飽和紅黏土不同升溫幅值溫度荷載作用下的固結(jié)效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)溫度載荷引起的孔隙水壓力最大值隨加熱幅度的增大而增大，孔隙水壓力與圍壓之比隨圍壓的增大而減小，而孔隙水壓力值增大。

在理論研究方面，陳衛(wèi)忠等[10]認(rèn)為溫度對黏土力學(xué)特性具有重要影響，于是建立了考慮溫度影響的下的加載面模型，采用該模型模擬Pontida clay和MC clay在不同壓力下的排水加熱試驗和在不同溫度下的三軸排水或不排水試驗，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，模型能合理地說明不同超固結(jié)比的粘土在溫度變化時產(chǎn)生的體積變形以及溫度對黏土強(qiáng)度的影響等。楊光昌等[11]研究了超固結(jié)比對不同溫度路徑下中空圓柱飽和粉質(zhì)黏土熱固結(jié)特性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度幅度越大，孔壓也越大；升溫或降溫過程產(chǎn)生的體應(yīng)變隨著OCR的增大而減小，呈指數(shù)函數(shù)形式變化。Bai等[12]分析了半無限體溫度響應(yīng)由瞬態(tài)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的演化過程以及準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下溫度、孔壓和位移等的波動特征，發(fā)現(xiàn)隨著溫度荷載作用時間的增長，熱力學(xué)響應(yīng)以波的形式向深處傳導(dǎo)和擴(kuò)散并趨于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程；隨著介質(zhì)深度的增加，熱力學(xué)響應(yīng)的波動幅值不斷減小，其相位相應(yīng)滯后。Samarakoon等[13]對孔隙水壓力進(jìn)行研究，提出熱致孔隙水壓力預(yù)測模型，并運用此模型預(yù)測出高嶺石粘土孔隙水壓力值，基本吻合獨立不排水加熱試驗測得的孔隙水壓力值。

本文通過室內(nèi)試驗，基于溫控三軸試驗系統(tǒng)，重點討論了不排水升溫條件下正常固結(jié)土和超固結(jié)土的孔壓響應(yīng)，并施加一定次數(shù)的溫度循環(huán)。試驗共考慮了兩種不同應(yīng)力下的正常固結(jié)土E1系列及三種不同超固結(jié)比E2系列下的三周溫度循環(huán)不排水固結(jié)試驗，每周溫度循環(huán)包括升溫、回溫兩個階段，溫度幅值為40℃，共進(jìn)行3周。并通過前人所推導(dǎo)出的公式進(jìn)行驗算。最后對于正常固結(jié)土和超固結(jié)土在單周溫度循環(huán)和三周溫度循環(huán)下進(jìn)行了不排水升溫過程的孔壓響應(yīng)分析。由于現(xiàn)階段針對不排水升溫過程中多次溫度循環(huán)的孔壓響應(yīng)研究很少，本文也只做了初步的探索。

1 試驗介紹

1.1 試驗儀器

試驗采用南京泰克奧公司研發(fā)的溫控三軸試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)主要由四個部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、常規(guī)加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)壓力/體積控制系統(tǒng)。其溫度控制系統(tǒng)通過在常規(guī)三軸壓力室外側(cè)增設(shè)水浴腔和真空腔，并在壓力室外部包裹隔熱泡沫材料，水浴腔通過包裹了隔熱保溫材料的PVC軟管與恒溫水浴箱連接，試驗中通過水浴箱的循環(huán)水來調(diào)節(jié)土樣的溫度，利用真空腔來減少試樣與外部環(huán)境的熱交換，維持內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，溫度變化范圍為5℃～80℃。

1.2 試驗土樣

試驗用土采用蘇州粉質(zhì)黏土，使用X射線衍射儀對土樣進(jìn)行礦物成份分析，試驗的結(jié)果顯示土樣礦物成分大致為：高嶺石占43%，伊利石占35%，綠泥石占10%，石英占12%。其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。采用壓樣法分6層擊實制作，控制制樣干密度為1.50 g/cm3。重塑試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體。為確保試樣處于飽和狀態(tài)，制樣后首先將試樣放入真空桶中進(jìn)行抽氣飽和，并在加入水后繼續(xù)將試樣放置12 h，之后在三軸儀上進(jìn)行反壓飽和，直至孔隙水壓力系數(shù)B達(dá)到0.95以上，此過程中圍壓與反壓始終保持20 kPa的差值。

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗方案

試驗在空調(diào)房內(nèi)進(jìn)行，室溫維持在22℃～24℃左右。試樣飽和完成后，將試樣在排水狀態(tài)固結(jié)至預(yù)定的有效圍壓，之后關(guān)閉排水閥，使試樣處于不排水狀態(tài)，通過水浴箱調(diào)節(jié)溫度變化，每周溫度循環(huán)包括升溫、回溫兩個階段，溫度幅值為40℃，共進(jìn)行3周。為使試樣在溫度變化后孔壓處于穩(wěn)定的狀態(tài)，經(jīng)試驗確定每級溫度增量5℃，共進(jìn)行8級。當(dāng)孔壓讀數(shù)穩(wěn)定且溫度施加時間超過1 h后，再繼續(xù)施加下一級溫度增量，直至最后一級溫度加載完成。所有數(shù)據(jù)均通過電腦進(jìn)行自動采集。

試驗共考慮了兩種不同應(yīng)力下的正常固結(jié)土E1系列及三種不同超固結(jié)比E2系列下的三周溫度循環(huán)不排水固結(jié)試驗。具體試驗方案見表2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 正常固結(jié)土不排水升溫試驗結(jié)果分析

2.1.1 升溫階段分析

圖1為正常固結(jié)土在不同有效圍壓σ3(100 kPa和400 kPa)作用在不排水條件下升溫40℃超孔壓Δu與溫度增量ΔT之間的變化關(guān)系曲線。因試驗通過分級升降溫來施加溫度荷載(每級5℃，時間持續(xù)1 h，共8級)，為了使試驗數(shù)據(jù)更加直觀，文中所取的孔壓試驗數(shù)據(jù)點為每級溫度加載，孔壓穩(wěn)定時的最終數(shù)值。從曲線趨勢上可以看出，溫度升高后，超孔壓有增加的趨勢，溫度增加到40℃時，超孔壓增量分別為100.57 kPa和281.50 kPa。

圖1 正常固結(jié)土不排水升溫超孔壓變化曲線

一般認(rèn)為升溫過程中土體超孔壓的增加是因為水和土體的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的，水的熱膨脹系數(shù)αw=1.7×10-4/℃，而土顆粒的熱膨脹系數(shù)為αs=10-5/℃，水的熱膨脹系數(shù)約為土顆粒的15倍。但通過圖1分析可以發(fā)現(xiàn)，試樣在不同有效圍壓下，其超孔壓對溫度的響應(yīng)有所不同，將圖1中的數(shù)據(jù)歸一化為Δu/p′，其中p′為初始有效圍壓，經(jīng)過計算，得到升溫結(jié)束后不同有效圍壓作用下的Δu/p′分別為1.00和0.70。

Samarakoon等[13]對飽和土不排水加熱過程中產(chǎn)生的超孔壓建立了預(yù)測模型，如式(1)所示:

(1)

同時Samarakoon等[13]利用多組試驗數(shù)據(jù)得出了αst與塑性指數(shù)Ip之間的擬合效果最好。用式(2)表示:

αst=1.0×10-4e-0.014Ip

(2)

對于以上參數(shù)本文的取值，列于表3。

表3 參數(shù)取值

其中αs和αw也是大多數(shù)人在建立模型中選用的，如Campanella等[14]、Burghignoli等[15]分別取了0.00035/℃和0.00017/℃，并且在文獻(xiàn)中指出不同礦物試驗中的αs值對模型的預(yù)測效果沒有顯著的影響，本文中隨機(jī)選用Campanella等[14]使用的數(shù)值來進(jìn)行計算，計算效果如圖2所示，可以看到，在較低有效圍壓下(100 kPa)的擬合效果并不是很理想，而在較高圍壓(400 kPa)下擬合效果較好。因為在所采用的公式中，當(dāng)處于較低的有效圍壓時，體積模量接近于零，故按此公式計算出的結(jié)果會偏小。

圖2 不同有效圍壓下模型計算超孔壓與溫度增量關(guān)系曲線

2.1.2 多周溫度循環(huán)

本文試驗中共設(shè)置了三周溫度循環(huán)，降溫階段同升溫階段每級5℃，時間持續(xù)1 h，共8級一致，降到最后一級孔壓穩(wěn)定為一個循環(huán)，之后開始另一周的溫度循環(huán)。圖3為正常固結(jié)土多周溫度循環(huán)下土體超孔壓變化曲線，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，殘余孔壓都存在著增加的趨勢，且超孔壓的增量隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而減小。在有效圍壓100 kPa下三周溫度循環(huán)的殘余孔壓分別為33.5 kPa、53.1 kPa和61.5 kPa，在有效圍壓400 kPa下，三周溫度循環(huán)后的殘余孔壓分別為114.0 kPa、226.6 kPa和268.2 kPa，經(jīng)過溫度循環(huán)后，超孔壓并沒有回到初始的狀態(tài)，即溫度循環(huán)作用下，超孔壓的增長是不可逆的。而單從升溫階段產(chǎn)生的孔壓來看，同樣具有隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，超孔壓的增量有減小的趨勢，且可以看到超孔壓的增量隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而接近有效圍壓值，在第三次溫度循環(huán)之后，超孔壓分別為100.1 kPa和400.9 kPa，有效圍壓越小，其超孔壓增加的速率越快，100 kPa下第一次升溫時超孔壓就已經(jīng)達(dá)到了有效圍壓的數(shù)值，按有效應(yīng)力原理來看，有效應(yīng)力接近為零，土體成為“爛泥”狀沒有承載力，但實際情況并非如此，可能有效應(yīng)力原理在此處并不適用，需要尋找新的理論來解釋。

圖3 正常固結(jié)土超孔壓增量與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

同樣將數(shù)值進(jìn)行Δu/p′歸一化處理，在不同有效圍壓三次升溫后的Δu/p′分別為1.01、0.99和1.01；0.70、0.93和1.00。多次升溫之后，不同有效圍壓下溫度產(chǎn)生的超孔壓逐漸接近，最終維持與有效圍壓相同。而三次降溫之后的Δu/p′分別為0.37、0.58和0.68；0.29、0.57和0.67。也可以看出，多次溫度循環(huán)之后，有效圍壓對超孔壓的影響逐漸減小，各有效圍壓下超孔壓的增加幅度基本相同。結(jié)合溫度循環(huán)次數(shù)的增加，超孔壓的變化量有所減小，從微觀上可以解釋為第一次升降溫的過程已經(jīng)使土顆粒間作用力、土顆粒的排列與組合發(fā)生了相應(yīng)的變化，而到之后再次施加溫度荷載，對其影響相應(yīng)的有所減弱。基本可以認(rèn)為溫度對超孔壓的影響隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而有所減弱。

2.2 超固結(jié)土不排水升溫試驗結(jié)果分析

為獲得不同超固結(jié)比的土體，本文中的土體首先固結(jié)到200 kPa，待固結(jié)結(jié)束后，將有效圍壓設(shè)置為100 kPa，從而獲得超固結(jié)比為2的土體，OCR=4、8的土體分別是先固結(jié)到400 kPa和800 kPa，而后降低至100 kPa來獲得。從而能夠得到初始有效圍壓一致的超固結(jié)土樣，排除了不同的初始有效圍壓對不排水升溫過程中的影響。

圖4為不同超固結(jié)比(OCR=2、4、8)在多次溫度循環(huán)過程中超孔壓Δu與溫度增量ΔT的變化關(guān)系。從圖4可以看出不同固結(jié)比的土體超孔壓發(fā)展趨勢基本一致，隨著溫度的升高超孔壓逐漸增大，隨著溫度的降低逐漸減小，并且出現(xiàn)了負(fù)的超孔壓。同樣可以看出在升溫階段超孔壓的增量隨著超固結(jié)比的增加有減小的趨勢。在降溫階段，出現(xiàn)了負(fù)的超孔壓，第一次溫度循環(huán)后不同超固結(jié)土的超孔壓分別為-40.3 kPa、-44.1 kPa和-55.6 kPa，較第一次升溫結(jié)束后減小量分別為136.5 kPa、140.8 kPa和148.8 kPa，可以看出在降溫過程中，超孔壓的增量隨著超固結(jié)比的增加而增大，與升溫過程中超孔壓增量的變化趨勢剛好相反。

圖4 超固結(jié)土不排水溫度循環(huán)超孔壓變化曲線

為更加清楚的分析在溫度循環(huán)后不同超固結(jié)土超孔壓的量值關(guān)系，圖5給出的是不同超固結(jié)比(OCR=2、4、8)在多次溫度循環(huán)過程中超孔壓u與循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。現(xiàn)階段針對不排水升溫過程中多次溫度循環(huán)的孔壓響應(yīng)研究很少，本文也只做了初步的探索，分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在升溫階段，較輕超固結(jié)土(OCR=2)，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，其超孔壓的增加幅度并沒有多大的改變，具體數(shù)值分別為96.2 kPa、97.4 kPa和96.4 kPa，而對OCR=4、8的超固結(jié)土而言，其升溫階段的超孔壓值隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加有減小的趨勢，且OCR值越大，該趨勢越明顯，從具體數(shù)值上體現(xiàn)為，OCR=4三周溫度循環(huán)超孔壓分別為96.7 kPa、96.8 kPa和96.1 kPa，OCR=8的土體分別為93.2 kPa、89.7 kPa和85.6 kPa。對降溫階段，和正常固結(jié)土有著同樣的規(guī)律，超固結(jié)土隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加超孔壓不斷減小，且隨著超固結(jié)比的增大，超孔壓的降低幅度越大。針對這一現(xiàn)象，Pusch等[16]認(rèn)為對于超固結(jié)土體，升溫引起的超孔壓會產(chǎn)生不穩(wěn)定的應(yīng)力條件，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的變形。在多次溫度循環(huán)作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種不可逆的變形就會逐漸趨于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，從而導(dǎo)致了隨著循環(huán)次數(shù)增加，超孔壓在升溫階段的幅值有減小的趨勢。

圖5 超固結(jié)土超孔壓隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

3 結(jié) 論

本文通過溫控三軸儀，研究了飽和粉質(zhì)黏土不排水升溫過程中的孔壓響應(yīng)，得到了以下結(jié)論:

(1)粉質(zhì)黏土在不排水升溫過程中，超孔壓隨著溫度的升高而增大。

(2)正常固結(jié)土多次溫度循環(huán)之后，存在殘余超孔壓，是不可逆的過程，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，殘余超孔壓逐漸累積，但幅值隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

(3)超固結(jié)土多次溫度循環(huán)之后，出現(xiàn)負(fù)的超孔壓，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，超孔壓逐漸減小，且幅值隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而減小，隨著超固結(jié)比的增大而增加。