張震雨，付長鄆，吳 越

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)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(shí)驗(yàn)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(yàn)，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(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)規(guī)律。劉干斌等[4]通過開展飽和軟黏土溫控動三軸試驗(yàn)，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(yàn)，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(yàn)研究，得到了不同初始含水率重塑土三軸不排水剪切試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)和三軸剪切試驗(yàn).通過對試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)和在不同溫度下的三軸排水或不排水試驗(yàn)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(yùn)用此模型預(yù)測出高嶺石粘土孔隙水壓力值，基本吻合獨(dú)立不排水加熱試驗(yàn)測得的孔隙水壓力值。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，基于溫控三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)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(yàn)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(yàn)，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(yàn)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(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用南京泰克奧公司研發(fā)的溫控三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)土樣

試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(yàn)方案

試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正常固結(jié)土不排水升溫試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)更加直觀，文中所取的孔壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)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?yàn)樗屯馏w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(jì)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(yàn)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(yàn)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(jì)算，計(jì)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?yàn)樵谒捎玫墓街?，?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(jì)算出的結(jié)果會偏小。

圖2 不同有效圍壓下模型計(jì)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(yàn)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(shí)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(yàn)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。