張 宏

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100）

我國(guó)多年凍土和季節(jié)性凍土分別占陸地總面積的20%和55%［1］，其中溫度介于0．0～-1．5 ℃的高溫凍土分布廣泛［2］，隨著全球氣候變暖我國(guó)高溫凍土區(qū)的面積將不斷增大［3］。凍土區(qū)大量工程建設(shè)涉及高溫凍土的力學(xué)性質(zhì)，而土的凍脹破壞是渠道等灌溉系統(tǒng)破壞的重要原因，大大降低了我國(guó)的灌溉水利用系數(shù)［4-5］。因此，高溫凍土力學(xué)特性研究是高溫凍土區(qū)水利工程建設(shè)和維護(hù)的重要基礎(chǔ)。

目前，部分學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了高溫凍土相關(guān)特性研究。李蒙蒙等［6］建立了考慮毛細(xì)吸力和附加壓力的低含水量非飽和高溫凍土模型，分析了有效應(yīng)力及抗剪強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)隨溫度和含水量的變化規(guī)律。胡坤等［7］利用巴西圓盤劈裂試驗(yàn)方法測(cè)試了高溫凍土的抗拉強(qiáng)度，分析了抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律。王松鶴等［8］開(kāi)展了高溫凍土松弛特性試驗(yàn)，分析了瞬時(shí)松弛量隨預(yù)應(yīng)變量的變化規(guī)律，建立了偏應(yīng)力與時(shí)間對(duì)數(shù)的雙曲線關(guān)系。焦貴德等［9］開(kāi)展了循環(huán)荷載作用下高溫凍土的力學(xué)特性測(cè)試，提出累積應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線可分為破壞型、穩(wěn)定型和過(guò)渡型。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者現(xiàn)場(chǎng)取樣制備高溫凍土樣品，開(kāi)展其力學(xué)特性測(cè)試，分析高溫凍土的單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和凍脹性隨溫度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1．1 試樣制備

試驗(yàn)材料為黃土，1#～3#土樣均取自陜西省咸陽(yáng)市楊凌區(qū)，黃土的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1，平均粒徑分布規(guī)律見(jiàn)圖1，土樣的平均粒徑主要分布在0．5 mm以下，而以往研究結(jié)果表明［4］，土體的凍脹性與其粒徑相關(guān)性很大，土體粒徑在0．5 mm以下凍脹破壞較為明顯。

表1 黃土的基本物理性質(zhì)

圖1 級(jí)配曲線

取得土樣后，通過(guò)圖2所示的固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)制備重塑土樣品，試樣直徑61．8 mm、高50 mm，試樣制備依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50123—1999）［10］，按照荷載等級(jí)為 12．5、25．0、50．0、100．0、200．0 kPa 進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過(guò)千分表記錄變形量，確定下一級(jí)加載時(shí)間。

圖2 固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)

1．2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備由改造的固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)、直剪系統(tǒng)和凍脹率測(cè)試系統(tǒng)組成。溫度控制系統(tǒng)由冷源、保溫棉、熱敏電阻、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，將重塑土樣品進(jìn)一步制備成高溫凍土樣品，低溫箱的溫度分別設(shè)置為0、-0．1、-0．2、-0．5、-0．8、-1．2、-1．5、-2．0 ℃。 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用GDS非飽和土試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試不同溫度的高溫凍土荷載、位移。直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀開(kāi)展，取豎向壓力分別為 100、200、300、400 kPa，剪應(yīng)力施加速率為0．02 mm／min。高溫凍土的抗剪強(qiáng)度采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，計(jì)算公式為

式中：τf為抗剪強(qiáng)度；σ為豎向應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

凍脹率測(cè)試系統(tǒng)由布置在溫度控制系統(tǒng)內(nèi)的位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，凍脹率的計(jì)算公式為

式中：η為凍脹率；Δh為試驗(yàn)期間總凍脹量；Hf為凍結(jié)深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 高溫凍土的單軸抗壓強(qiáng)度分析

不同溫度下高溫凍土的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 高溫凍土單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

（1）不同溫度下高溫凍土單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出了彈性變形階段和塑性變形階段。當(dāng)軸向應(yīng)變較小時(shí)，高溫凍土原始內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠保持完整，其處于彈性變形階段，軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變基本成線性關(guān)系；當(dāng)軸向應(yīng)變大于一定值以后（應(yīng)力達(dá)到峰值），高溫凍土進(jìn)入塑性階段，其初始結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生影響土體強(qiáng)度的持續(xù)性損傷，軸向應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增大基本保持不變或逐漸較小。為了進(jìn)一步分析峰值應(yīng)力隨溫度的變化規(guī)律，繪制高溫凍土峰值應(yīng)力隨溫度變化的曲線（如圖4所示），可見(jiàn)高溫凍土的峰值應(yīng)力σ與溫度T成指數(shù)關(guān)系，σ＝-1．281eT／0．814+1．357（MPa）。

（2）不同溫度的高溫凍土進(jìn)入塑性階段的軸向應(yīng)變不同，且隨著溫度的降低，高溫凍土進(jìn)入塑性階段的應(yīng)變?cè)龃?。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋S著軸向應(yīng)變的增大，溫度高的高溫凍土由于冰土結(jié)晶體數(shù)量較少，承載能力相對(duì)較低，因此會(huì)在單向加載力作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)，同時(shí)受脆性冰晶體的強(qiáng)烈作用，高溫凍土?xí)S溫度的降低表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的脆性特征，即溫度越低，高溫凍土的應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯。

圖4 高溫凍土峰值應(yīng)力—溫度曲線

（3）不同溫度高溫凍土的塑性階段變化規(guī)律不同，當(dāng)高溫凍土溫度高于-0．5℃時(shí)，高溫凍土軸向應(yīng)變?cè)谶_(dá)到峰值點(diǎn)應(yīng)變后，其軸向應(yīng)力基本不變；而當(dāng)高溫凍土溫度低于-0．5℃時(shí)，高溫凍土的軸向應(yīng)力則會(huì)在軸向應(yīng)變達(dá)到峰值點(diǎn)應(yīng)變后出現(xiàn)緩慢下降現(xiàn)象，溫度越低，這種下降趨勢(shì)就越明顯。

2．2 高溫凍土的抗剪強(qiáng)度分析

不同溫度下高溫凍土的剪應(yīng)力與豎向應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示。

圖5 高溫凍土剪應(yīng)力和豎向應(yīng)力的關(guān)系

（1）不同溫度下高溫凍土的抗剪強(qiáng)度均與豎向應(yīng)力成線性關(guān)系，即高溫凍土的抗剪強(qiáng)度隨著豎向應(yīng)力的增大而增大；當(dāng)豎向應(yīng)力相同時(shí)，高溫凍土的抗剪強(qiáng)度則隨溫度的降低而逐漸增大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是高溫凍土的溫度越低，其內(nèi)部冰土結(jié)晶比例越高，而冰土結(jié)晶一方面可以直接提高凍土的強(qiáng)度，另一方面孔隙水結(jié)冰膨脹使試樣內(nèi)部孔隙度減小，從而提高了凍土的強(qiáng)度。

（2）根據(jù)式（1）可以計(jì)算凍土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，高溫凍土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化的曲線如圖6所示。高溫凍土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均與其溫度成“指數(shù)遞增式”減小關(guān)系，即隨著溫度的增高，高溫凍土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角不斷減小，而且減小速率越來(lái)越大。

2．3 高溫凍土的凍脹性分析

圖7給出了不同含水率條件下高溫凍土凍脹率隨溫度變化的曲線。

圖6 高溫凍土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨溫度變化的曲線

圖7 高溫凍土凍脹率隨含水率和溫度的變化曲線

（1）當(dāng)含水率ω較小時(shí)（如ω＝10%），孔隙水含量有限，即使所有孔隙水與土顆粒結(jié)成冰晶體也難以完全填充土內(nèi)的孔隙，此時(shí)高溫凍土基本不會(huì)在低溫下發(fā)生凍脹。當(dāng)含水率較高時(shí)（如ω＝20%），高溫凍土在低溫作用下產(chǎn)生的冰土結(jié)晶體積膨脹量大于土體內(nèi)部孔隙體積，導(dǎo)致土體試樣總體積增大，產(chǎn)生凍脹，含水率越高，則冰土結(jié)晶體數(shù)量越多，凍脹現(xiàn)象就越明顯。

（2）隨著溫度的降低，由于孔隙水結(jié)冰的比例變高，相應(yīng)地冰土結(jié)晶體數(shù)量增多，因此凍脹率不斷增大。由圖7可知，高溫凍土的凍脹率f與含水率ω成“指數(shù)遞增式”增長(zhǎng)關(guān)系（當(dāng)T＝-2．0℃ 時(shí)f＝0．33eω／9．1-0．8），與溫度T成“指數(shù)遞增式”減小關(guān)系（當(dāng)ω＝30%時(shí)f＝-13．98eT／2．16+13．90）。

3 結(jié) 論

通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、體積測(cè)試等試驗(yàn)方法測(cè)試了不同溫度下高溫凍土的力學(xué)特性，得到以下結(jié)論：

（1）高溫凍土的溫度越低，其進(jìn)入塑性狀態(tài)后的峰值應(yīng)力和峰值點(diǎn)應(yīng)變?cè)酱?，且峰值后的?yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯；同時(shí)，高溫凍土的峰值應(yīng)力與溫度成指數(shù)遞減關(guān)系。

（2）當(dāng)溫度為0℃時(shí)高溫凍土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為 21．1 kPa 和 25．6°，當(dāng)溫度為-2．0 ℃時(shí)高溫凍土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角比溫度為0℃時(shí)增大較多。

（3）當(dāng)含水率小于10%時(shí)，高溫凍土基本不發(fā)生凍脹；而當(dāng)含水率大于10%時(shí)，相同溫度下，高溫凍土凍脹率與含水率成“指數(shù)遞增式”增長(zhǎng)關(guān)系，相同含水率下，高溫凍土凍脹率與溫度成“指數(shù)遞增式”減小關(guān)系。