循環(huán)變溫條件下濱海軟土熱固結(jié)特性測試研究

曹光形， 鄧岳保， 李紅軍， 毛偉赟

(1. 寧波大學(xué)巖土工程研究所，浙江 寧波 315211; 2. 綠地浙江事業(yè)部，浙江 杭州 310015)

0 引 言

近年來，能源樁、能源隧道、核廢料處置、熱油回收、高溫海底管道、供熱管道、熱法地基處理等工程，受到越來越多的關(guān)注[1]。上述涉熱巖土工程在濱海軟土地區(qū)應(yīng)用時(shí)，將對(duì)軟土場地有明顯的升溫效應(yīng)。由于溫度是土體工程性質(zhì)的重要影響因素[2]，因此有必要評(píng)估溫度變化對(duì)濱海軟土力學(xué)特性的影響。

土工試驗(yàn)是土力學(xué)的重要組成部分，也是巖土工程問題研究與分析中不可或缺的環(huán)節(jié)。通過土工試驗(yàn)可以確定土體材料的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而為各種理論和工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)取值。其中，溫控固結(jié)試驗(yàn)是研究土體變形特性溫度效應(yīng)的一種重要手段。自20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列溫控固結(jié)試驗(yàn)研究。Paaswell[3]測試了恒定荷載下土體的熱變形，發(fā)現(xiàn)加熱時(shí)土體體積隨時(shí)間變化的曲線與常溫標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)實(shí)驗(yàn)所得曲線類似，由此提出熱固結(jié)概念。郭楨[4]對(duì)寧波飽和軟黏土進(jìn)行不同溫度荷載路徑的熱固結(jié)試驗(yàn)，驗(yàn)證了溫度越高固結(jié)排水速率越快的結(jié)論。郭蘭杰[5]對(duì)飽和粉質(zhì)粘土進(jìn)行了不同圍壓作用下的熱固結(jié)特性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不排水升溫到設(shè)定溫度時(shí)，孔隙水壓力也增長到最大值；當(dāng)溫度降至設(shè)定溫度時(shí)，孔隙水壓力也降至最低。楊光昌等[6]通過熱固結(jié)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)飽和粉質(zhì)黏土不排水時(shí)溫度幅度越大，產(chǎn)生的孔壓也越大。雷華陽等[7]通過自主研發(fā)的溫控三軸儀測試發(fā)現(xiàn)，排水條件下飽和軟黏土不同恒溫孔壓消散速率隨時(shí)間先迅速降低，然后逐漸趨于穩(wěn)定。循環(huán)變溫研究方面，Abuel-Naga等[8]基于改進(jìn)溫控固結(jié)儀，研究了曼谷軟黏土在22 ℃→90 ℃→22 ℃循環(huán)變溫條件下的排水固結(jié)變形，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正常固結(jié)飽和軟土在加熱-冷卻循環(huán)后表現(xiàn)出明顯的超固結(jié)屬性。白冰等[9-10]通過對(duì)正常固結(jié)飽和粉質(zhì)黏土進(jìn)行升溫-降溫過程的熱固結(jié)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不排水條件下循環(huán)升溫過程使孔隙水壓力不斷增大并趨于穩(wěn)定值，土體經(jīng)過循環(huán)溫度荷載作用后發(fā)生收縮。張震雨等[11]采用溫控三軸試驗(yàn)研究飽和粉質(zhì)黏土不排水升降溫過程中的孔壓響應(yīng)，結(jié)果表明飽和粉質(zhì)黏土多次溫度循環(huán)后存在殘余超孔壓，殘余孔壓隨溫度循環(huán)次數(shù)增加而逐漸累積，但幅值隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

從已有研究來看，循環(huán)變溫引起的軟土孔壓和變形發(fā)展規(guī)律尚不明確，其力學(xué)特性有必要開展進(jìn)一步研究。另外還要指出的是，由于軟土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及地質(zhì)成因和環(huán)境不同，使得各地區(qū)軟土力學(xué)性質(zhì)溫度效應(yīng)有所不同[12]。對(duì)此，為了更好地了解軟土在循環(huán)變溫情況下的工程特性，以寧波濱海軟土為試驗(yàn)對(duì)象，基于溫控固結(jié)儀開展排水恒溫試驗(yàn)、循環(huán)加溫-降溫試驗(yàn)，測試土體在變溫過程中的孔壓響應(yīng)及熱體積應(yīng)變演化規(guī)律，評(píng)估溫度循環(huán)次數(shù)、荷載對(duì)試樣孔隙水壓力發(fā)展以及沉降變化的影響。

1 試驗(yàn)裝置與測試方法

1.1 溫控固結(jié)儀

試驗(yàn)采用康拓力儀器設(shè)備有限公司研制的KTL溫控固結(jié)儀，如圖1所示。

圖1 KTL溫控固結(jié)儀示意圖

儀器硬件主要包括標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)加載架、固結(jié)容器、體積壓力控制器、位移傳感器、孔壓傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)，見圖2。儀器軟件為GeoSmartLab。

圖2 KTL固結(jié)儀主要硬件

標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)加載架如圖2(a)所示。加載架內(nèi)置力傳感器，最大行程100 mm，速度0.01～100 mm/min；力傳感器量程10 kN，精度為量程的±0.1%。固結(jié)容器包括試驗(yàn)底座和外保溫罩，如圖2(b)所示。試驗(yàn)底座包含4個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，通道2控制試驗(yàn)容器中的水壓；通道3測量試樣底部孔隙水壓力，并把試樣底部的孔壓實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)；孔壓傳感器為AML STALC3，具有溫度補(bǔ)償和較好的長期穩(wěn)定性[13]；通道4起補(bǔ)水排水作用。固結(jié)容器通過內(nèi)置PT100溫度傳感器控制試樣溫度；溫控范圍為室溫至70 ℃[14]。體積壓力控制器如圖2(c)所示，由壓力缸、步進(jìn)馬達(dá)、數(shù)字控制環(huán)路以及壓力傳感器構(gòu)成，能測量體積變化、孔壓、流量，及施加垂直和徑向循環(huán)荷載。數(shù)據(jù)采集儀提供8個(gè)16位數(shù)據(jù)采集通道；通過RS232串行通信、傳感器和計(jì)算機(jī)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；每個(gè)傳感器使用±5 V電壓，每個(gè)接口可以自定義設(shè)置增益和量程。

軟件GeoSmartLab操控整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程并實(shí)時(shí)獲得孔隙水壓力、位移量、溫度等數(shù)據(jù)。通過選擇模塊來操作不同類型的固結(jié)滲透試驗(yàn)；也可以建立多個(gè)工作站，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的全程進(jìn)行自動(dòng)化控制。軟件操作界面的對(duì)話框主要分為3部分：1）Device表格顯示此工程的硬件表，具體內(nèi)容包含硬件的縮略圖，當(dāng)前配置硬件設(shè)備序號(hào)，以及相應(yīng)的描述、連接狀態(tài)和設(shè)置；2）Channel表格顯示硬件的一些數(shù)據(jù)通道的具體內(nèi)容；3）Control表格為硬件的一些控制通道。其次在試驗(yàn)顯示窗口界面包含圖畫實(shí)時(shí)顯示區(qū)域、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)顯示設(shè)置和試驗(yàn)控制4個(gè)區(qū)域。

1.2 測試方法

1）制備并安裝試樣：通過環(huán)刀法切取直徑為63.5 mm、高度為20 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，裝入溫控固結(jié)容器。

2）排氣：分別對(duì)體積壓力控制器、固結(jié)容器和軸向壓力室沖水排氣。

3）土樣飽和：先對(duì)土樣抽真空飽和，再進(jìn)行反壓飽和（壓力差建議值5 kPa），飽和度達(dá)到95%以上即可進(jìn)入下一步測試。

4）開展不同應(yīng)力-溫度路徑試驗(yàn)：通過GeoSmartLab軟件建立新的工作站，連接硬件系統(tǒng)，設(shè)置初始位移為0；設(shè)置軸壓、反壓、固結(jié)試驗(yàn)終止時(shí)間以及目標(biāo)溫度等，開始試驗(yàn)。

1.3 測試注意事項(xiàng)

裝載土樣之前先用體積壓力控制器設(shè)置壓強(qiáng)給各通道充水，排盡管內(nèi)空氣，再連接固結(jié)容器，設(shè)置壓力以提供反壓。土樣上下均放置濾紙，盡量讓濾紙空氣排出，不要有氣泡。透水石放置前需浸濕；環(huán)刀外圍放置橡膠圈，并用凡士林填滿孔隙。固定容器裝置時(shí)，螺絲按對(duì)角順序擰緊；開始試驗(yàn)前，需設(shè)置位移為0。在可能的情況下，開展重復(fù)性試驗(yàn)，檢測測試的可靠性。

另外，由于試驗(yàn)是在溫度變化的情況下進(jìn)行，故試驗(yàn)前需要對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行溫度效應(yīng)校核。本試驗(yàn)儀器通過水介質(zhì)加熱來進(jìn)行固結(jié)壓力室土樣加熱，傳力軸桿也處于變溫環(huán)境，由此溫度變化對(duì)傳力軸桿的影響有必要進(jìn)行測試。另外，孔壓傳感器在變溫環(huán)境下測試的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確也有必要校核。校訂試驗(yàn)主要過程如下：試驗(yàn)中不裝載試驗(yàn)土樣（或者裝載力學(xué)特性已知的材料），通過預(yù)設(shè)10 kPa軸力使傳力軸桿直接作用在底座上，兩者之間接觸，軸向變形計(jì)反映的是傳力軸桿在變溫過程中的伸縮量。對(duì)固結(jié)儀進(jìn)行兩次升降溫循環(huán)20℃→30℃→40℃→50℃→20 ℃，監(jiān)測試驗(yàn)溫度、變形、孔壓和反壓過程；結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)給出了溫控固結(jié)儀在試驗(yàn)過程中壓力室溫度隨時(shí)間的變化情況。圖3(b)為傳力軸桿在變溫過程中的伸縮量，通過計(jì)算可得傳力軸桿線性熱膨脹系數(shù)為2.0×10-5/℃。圖3(c)為溫控固結(jié)儀和反壓傳感器的讀數(shù)隨時(shí)間的變化情況；由于本溫控固結(jié)儀的反壓傳感器通過體積壓力控制器讀數(shù)，且該裝置全程在室溫環(huán)境下，故反壓傳感器讀數(shù)受溫度影響較小，可忽略不計(jì)；而孔壓傳感器置于試樣位置下端，受到壓力室溫度變化影響明顯；測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值基本一致，表明本設(shè)備孔壓傳感器（溫度補(bǔ)償型傳感器）的工作性能良好。

圖3 傳力軸桿溫度變形校核試驗(yàn)

2 測試土樣和測試方案

2.1 測試土樣

試驗(yàn)土樣取自寧波鎮(zhèn)海區(qū)某基坑工程，為本地區(qū)典型海相沉積淤泥質(zhì)軟土，埋設(shè)約2 m。試驗(yàn)土體呈灰褐色，可塑～軟塑狀。首先依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，測定土樣的含水率、密度、相對(duì)體積質(zhì)量等基本物理性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

表1 寧波軟土的基本物理特性指標(biāo)

然后利用切土器切削土體制作標(biāo)準(zhǔn)試樣；試樣規(guī)格為直徑63.5 mm，高度20 mm。在土樣制備過程盡量避免對(duì)土樣擾動(dòng)及水分蒸發(fā)，盡量保證試樣的微觀結(jié)構(gòu)不受破壞。待試樣制備完成后，對(duì)其進(jìn)行抽真空飽和處理。裝載至試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行反壓飽和；待飽和度值大于95%，則認(rèn)為土體已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，之后進(jìn)行不同應(yīng)力-溫度路徑試驗(yàn)。

2.2 測試方案

為研究濱海軟土在變溫條件下的力學(xué)特性，開展排水條件下循環(huán)加溫-降溫過程的熱固結(jié)試驗(yàn)；試驗(yàn)方案如表2所示。一方面，荷載等級(jí)設(shè)定為25，50，100 kPa，以研究應(yīng)力水平對(duì)濱海軟土溫度效應(yīng)的影響；另一方面，溫度設(shè)置為室溫（15 ℃）到35 ℃，以模擬寧波地區(qū)能源樁熱交換對(duì)場地土層影響[15]。試驗(yàn)過程：土體飽和完成后，對(duì)試樣分別施加25，50，100 kPa荷載進(jìn)行常溫固結(jié)，待超靜孔隙水壓力完全消散及變形基本穩(wěn)定時(shí)開始變溫試驗(yàn)；試驗(yàn)如表2所示。試樣在排水條件下從室溫（15 ℃）開始，升至20 ℃并保持溫度不變，記為15 ℃→20 ℃。該階段共用時(shí)180 min，其中加熱階段時(shí)長為25 min。然后重復(fù)升恒溫步驟，即20 ℃→25 ℃、25 ℃→30 ℃、30 ℃→35 ℃。升恒溫階段完成后自然降溫，記為35 ℃→15 ℃，時(shí)間為720 min。整個(gè)試驗(yàn)總計(jì)5 d。待每次試驗(yàn)結(jié)束后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)成果。

表2 溫度-荷載試驗(yàn)方案

3 測試結(jié)果及分析

3.1 溫度

圖4是試樣在排水條件及25，50，100 kPa荷載作用下，土體溫度實(shí)時(shí)變化情況。第1天為預(yù)壓階段，記為I階段，可見此時(shí)溫度波動(dòng)都為室溫波動(dòng)溫度。第2天開始，按照白天能源樁熱交換土體的時(shí)間，總計(jì)720 min，將其劃分為4個(gè)升恒溫階段，記為II階段。每個(gè)升恒溫階段持續(xù)時(shí)間為180 min，即 15 ℃→20 ℃、20 ℃→25 ℃、25 ℃→30 ℃、30 ℃→35 ℃，其中每個(gè)升溫階段時(shí)長為25 min，升溫速率為0.2 ℃/min，恒溫時(shí)長為155 min。在II階段，溫度有明顯的升恒溫階段梯度，而且3種不同荷載情況下溫度波動(dòng)范圍和趨勢(shì)大體一致。隨后模擬夜里土體降溫階段，即35 ℃→15 ℃，此時(shí)土體試樣溫度自然降到室溫，時(shí)間為720 min，記為III階段。在III階段可以看出，3種不同荷載下土體降溫的趨勢(shì)和速率也大體一致。直到第5天結(jié)束，按照II、III階段依次循環(huán)，循環(huán)4次后停止試驗(yàn)?？傮w看來，在3種不同荷載條件下，5 d溫度變化幅度以及變化趨勢(shì)大致相同，可以看出其溫度的變化規(guī)律一致。

圖4 不同荷載試驗(yàn)組循環(huán)溫度波動(dòng)圖

3.2 孔壓

圖5分別給出當(dāng)荷載為25，50，100 kPa時(shí)土樣的歸一化循環(huán)溫度孔壓(u/p0，p0分別對(duì)應(yīng)于25，50，100 kPa)隨著時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的變化過程。

從圖5（a）中可以看出，在各個(gè)循環(huán)中，u/p0隨著溫度的升高（15℃→35 ℃）總體趨勢(shì)不斷增大。u/p0隨循環(huán)次數(shù)（N≤4）的增加而不斷增大，表明溫度引起的孔壓逐漸積累；在該荷載條件下孔壓溫度效應(yīng)大于荷載效應(yīng)，即溫度引起的熱孔壓占主導(dǎo)地位；并且不同循環(huán)次數(shù)下孔壓的變化規(guī)律都類似。在II階段中，升溫階段的孔壓隨溫度的上升而上升，這是由水的熱膨脹引起的；恒溫階段的孔壓波動(dòng)包括了超靜孔壓的消散以及溫度的影響，隨著溫度不斷升高，溫度引起的熱孔壓越來越明顯，熱孔壓的上升速率可能比荷載孔壓消散速率還大，故曲線呈先下降后逐漸上升的趨勢(shì)（具體來說，前兩級(jí)變溫孔壓下降，后兩次變溫孔壓略有上升）。在III階段中，u/p0隨著溫度降低而不斷降低并趨于穩(wěn)定，但存在明顯的殘余孔壓。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，u/p0下降的速率減慢（循環(huán)次數(shù)N=3或4時(shí)更明顯），且溫度下降到室溫時(shí)的殘余孔壓力也在增大。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下孔壓隨時(shí)間變化圖

從圖 5（b）、圖 5（c）可以看出，在各個(gè)循環(huán)中，u/p0隨著溫度的升高，總體趨勢(shì)在不斷地增大。但u/p0隨著循環(huán)次數(shù)（N≤4）的增加而不斷減小，這是因?yàn)殡m然有熱孔壓的積累，但消散的更多且N=1～3更明顯。另外，溫度效應(yīng)小于荷載效應(yīng)，即荷載引起的孔壓消散（占主導(dǎo)地位）較溫度引起的熱孔壓，消散得更明顯。而在各個(gè)循環(huán)的II階段中，升溫階段的孔壓隨溫度的上升而迅速提高，這是由于升溫產(chǎn)生孔壓的速率大于此時(shí)超靜孔壓的消散速率，但恒溫階段的孔壓呈下降趨勢(shì)，此時(shí)雖然也是熱孔壓和超靜孔壓的消散疊加，但是熱孔壓的產(chǎn)生小于荷載孔壓的消散，所以曲線呈下降趨勢(shì)。在III階段，u/p0也是隨著溫度降低而不斷降低并趨于穩(wěn)定，幾乎不存在殘余孔壓。隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加，u/p0下降速率加快，當(dāng)溫度降到室溫時(shí)的殘余孔壓力也減小。

圖6分別給出了25 kPa和100 kPa荷載條件下第1次、第4次溫度循環(huán)過程中比值u/p0的時(shí)間變化情況。從圖中可以看出：在相同循環(huán)次數(shù)情況下，隨荷載增大，u/p0值降低，殘余孔壓逐漸趨于0。II階段恒溫階段的趨勢(shì)不同，荷載越大，荷載引起超靜孔壓的消散速率快，孔壓下降速率逐漸接近。

圖6 不同荷載對(duì)孔壓的影響

3.3 沉降

圖7（a）表示土樣在荷載 25，50，100 kPa時(shí)的沉降隨時(shí)間的變化曲線。其沉降總體變化趨勢(shì)是：在I階段，加載后沉降快速加大，然后隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，這是由于荷載引起的主固結(jié)。在隨后的4 d內(nèi)，II階段和III階段沉降隨著循環(huán)溫度的變化而循環(huán)變化。當(dāng)溫度上升時(shí)，沉降回彈，溫度下降時(shí)沉降增大，可以理解為土體的熱脹冷縮。從圖7（b）可以看出，3種不同荷載循環(huán)次數(shù)引起的最終的沉降量都是在增大的，且隨著荷載的增大而增大。

圖7 不同荷載循環(huán)變溫沉降變化圖

圖8為變溫引起的土體沉降（熱沉降）。由圖可知：熱沉降隨著循環(huán)次數(shù)增大而增大；每一級(jí)升溫，土體體積迅速膨脹，土體回彈，當(dāng)升溫到最大溫度時(shí)，土體回彈達(dá)到峰值；恒溫階段，土體沉降隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，這是由于荷載持續(xù)作用且降溫引起不同沉降而導(dǎo)致的。溫度上升較小時(shí)（15 ℃→20 ℃），溫度引起的沉降反彈小于荷載引起沉降增量；溫度上升較大時(shí)，溫度引起的熱回彈和荷載引起的沉降抵消（N≠1時(shí)）。在III階段，由于土體體積收縮，沉降大幅增大，循環(huán)次數(shù)對(duì)降溫引起的沉降速率影響較小。另外，土體的塑性體積應(yīng)變經(jīng)過循環(huán)變溫持續(xù)累積，但增加的速度逐漸減?。粶囟然謴?fù)后土體產(chǎn)生不可恢復(fù)的熱沉降[16]。

圖8 不同循環(huán)次數(shù)變溫引起的沉降隨時(shí)間變化圖

荷載為50 kPa、100 kPa時(shí)，曲線變化規(guī)律與25 kPa略有不同。恒溫階段N=1時(shí)沉降曲線下降，表明此荷載引起的沉降下降速率比溫度引起的反彈沉降速率大；隨循環(huán)次數(shù)的增加，曲線逐漸變緩?？赡艿脑蚴牵河捎跍囟茸兓饔迷骄?，土體固結(jié)度越大，荷載引起的沉降速率逐漸變緩。

4 結(jié)束語

本文介紹了溫控固結(jié)儀系統(tǒng)及其測試方法和注意事項(xiàng)，針對(duì)濱海軟土開展了循環(huán)變溫情況下的土樣測試，得到如下主要結(jié)論：

1）在荷載相同時(shí)，孔壓隨溫度升高而不斷增大，隨溫度的降低而不斷減小，且隨循環(huán)次數(shù)增大，累積熱孔壓也在增大。

2）荷載較?。?5 kPa）時(shí)，孔壓隨循環(huán)次數(shù)增加而不斷增大，降溫階段孔壓消散速率隨循環(huán)次數(shù)增加而減小；荷載較大時(shí)（50 kPa、100 kPa），孔壓隨循環(huán)次數(shù)增加不斷減小，降溫階段孔壓消散速率隨循環(huán)次數(shù)增加而增大。

3）土體沉降變形是土體排水固結(jié)和熱脹冷縮耦合的結(jié)果。荷載水平較小時(shí)，沉降的溫度效應(yīng)相對(duì)顯著，土體沉降變化規(guī)律與溫度變化趨勢(shì)一致，即土體的熱脹冷縮起主導(dǎo)作用。

4）土體沉降隨溫度變化循環(huán)次數(shù)的增加而增加，但增加趨勢(shì)隨循環(huán)次數(shù)增加而變緩。

5）土體沉降在循環(huán)升溫階段的回彈隨溫度升高而不斷增大。荷載較小時(shí)，恒溫階段沉降變化不大；在荷載較大時(shí)，沉降變化與循環(huán)次數(shù)有關(guān)；降溫階段沉降下降速率與循環(huán)次數(shù)無關(guān)。