陳 旭, 林 鍵2,,*,楊 溢, 樊 華, 殷健超, 馬茂艷

(1安徽建筑大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,安徽 合肥2306011.2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥230601)

0 引 言

人工凍結(jié)法是地下工程領(lǐng)域應(yīng)對(duì)富水軟弱地層常用的特殊工法,凍結(jié)溫度和凍土強(qiáng)度是凍結(jié)法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。

巖土體的變形破壞過程伴隨著其內(nèi)部能量的演化,其內(nèi)部能量耗散與能量釋放是產(chǎn)生其損傷和破壞的內(nèi)在動(dòng)力。近年來諸多學(xué)者通過能量耗散理論對(duì)巖土體的損傷演化過程進(jìn)行了深入研究,并取得大量的優(yōu)秀成果。謝和平[1]等從能量的角度出發(fā),分析研究了巖石的變形破壞過程,并揭示了這一過程的能量耗散及能量釋放特性,表明了在巖石變形破壞過程中,能量演化起著根本的作用,開創(chuàng)了能量分析巖土體破壞過程的先河;陳子全[2]等研究發(fā)現(xiàn)了不同應(yīng)力路徑下砂巖能耗變化規(guī)律的差異性;蒲超[3]等通過三軸壓縮試驗(yàn),研究了圍壓對(duì)千枚巖破壞特征和能量演化特征的影響,并引入能量分界點(diǎn)解釋了高應(yīng)力條件下巖爆的原因;黎立云[4]等通過巖石加卸載試驗(yàn),研究巖石的可釋放應(yīng)變能和耗散能的變化規(guī)律;楊圣奇[5]等通過不同機(jī)械損傷程度的大理巖的單軸壓縮試驗(yàn),研究了巖樣在損傷后的變形強(qiáng)度和能量特征,揭示了損傷對(duì)能量演化特性的影響;肖桃李[6]等通過預(yù)制單裂隙試樣的常規(guī)三軸壓縮試,研究了單裂隙特征對(duì)能量演化特性的影響。張志鎮(zhèn)[7]等通過對(duì)紅砂巖試件進(jìn)行4種加載速率下單軸不斷增加荷載循環(huán)加、卸載試驗(yàn),得到彈性能和耗散能隨應(yīng)力的演化及分配規(guī)律;彭瑞[8]等通過巖石三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn),研究了不同圍壓作用下煤巖的損傷演化行為;金豐年[9]等從能量耗散角度定義了材料的損傷變量,并提出了損傷變量的理論計(jì)算公式及損傷閾值的確定方法;尤明慶[10]等通過對(duì)粉砂巖常規(guī)三軸試驗(yàn),研究了試樣在屈服破壞過程中的能量演化規(guī)律。

綜上所述,在巖石能量特征的研究方向取得很多優(yōu)秀的成果,但對(duì)于不同凍結(jié)溫度下土體的能量演化特征的研究鮮有報(bào)道。因此,以合肥粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,開展不同凍結(jié)溫度下單軸壓縮試驗(yàn),從能量角度來分析凍結(jié)溫度對(duì)粉質(zhì)黏土變形破壞特征和能量特征的影響,以期從能量演化的角度探究?jī)鼋Y(jié)溫度對(duì)粉質(zhì)黏土力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法及步驟

以合肥市軌道交通5號(hào)線工程取樣深度為12～17.5m的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,按照《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)規(guī)程(MT/T593-1996)》的有關(guān)要求進(jìn)行物理指標(biāo)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 土樣參數(shù)

采用ZTCT-2000低溫巖石試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍結(jié)狀態(tài)下單軸試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。凍結(jié)溫度分別在溫度為-5℃,-10℃和-15℃下進(jìn)行試驗(yàn),試樣在規(guī)定低溫條件下凍結(jié)48h。試驗(yàn)過程中采用應(yīng)變速率控制的方式進(jìn)行加載,以1.0%/min的加載速率直至試樣破壞。相同凍結(jié)溫度條件下進(jìn)行3次試驗(yàn),并以3次試驗(yàn)的平均值作為相應(yīng)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 ZTCT-2000低溫巖石三軸試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試樣破壞如圖2所示,試驗(yàn)過程中系統(tǒng)自動(dòng)記錄全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 破壞前后試樣

2.1 溫度對(duì)粉質(zhì)黏土單軸抗壓強(qiáng)度影響

按照上述的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行不同負(fù)溫條件下單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),所獲得的軸向加載過程中的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 不同負(fù)溫下軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看出,隨著溫度的降低,凍土的單軸抗壓強(qiáng)度有明顯提升。這是由于凍土內(nèi)所含的未凍水隨溫度的降逐漸低形成冰晶,溫度越低未凍水含量越少,冰的凍結(jié)程度變強(qiáng),黏土內(nèi)部冰與土之間的膠結(jié)粘聚作用使凍土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。

在彈性階段,粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈線性增長(zhǎng),黏土內(nèi)部孔隙逐漸壓縮變小;經(jīng)過塑形屈服階段,黏土產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形曲線斜率逐漸變小并趨于平滑;在試樣破壞達(dá)到約0.006mm處達(dá)到峰值強(qiáng)度;進(jìn)入峰后跌落階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始跌落,試樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展并貫穿整個(gè)試樣直至試樣破壞。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到不同負(fù)溫條件下粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量如圖4所示,隨著溫度降低,粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度也隨之增大,主要是由于低溫導(dǎo)致黏土內(nèi)部未凍水含量減少并轉(zhuǎn)換為冰晶,內(nèi)部結(jié)構(gòu)由土體之間的粘合力轉(zhuǎn)變成冰晶與黏土顆粒之間的膠結(jié)作用,導(dǎo)致粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)。

由圖4可知隨著溫度的降低,粉質(zhì)黏土的彈性模量大致呈線型上升,從-5℃到-15℃,粉質(zhì)黏土的彈性模量增長(zhǎng)30.53MPa,由于凍土特性其強(qiáng)度受溫度降低較為敏感,從-5℃降低到-10℃彈性模量增長(zhǎng)較為平滑,平均每降低一個(gè)溫度點(diǎn)凍土的彈性模量增漲2.362MPa,當(dāng)溫度再降低5℃至-15℃時(shí)彈性模量突增,平均每個(gè)溫度點(diǎn)增長(zhǎng)3.77MPa。

圖4 彈性模量及單軸抗壓強(qiáng)度與負(fù)溫度絕對(duì)值關(guān)系

2.2 單軸能量分析原理

假設(shè)土體在外力作用下僅僅發(fā)生物理變形,并未發(fā)生熱力與外界交換,視為封閉系統(tǒng)。若輸入能量為U,由熱力學(xué)第一定律[1]可知:

其中,U e為可釋放的彈性應(yīng)變能,彈性應(yīng)變能在加載后期的釋放是土體破壞的源動(dòng)力。U d為耗散能,用于形成土體單元內(nèi)部損傷和塑性變形,耗散能用于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

在單軸壓縮條件下,有:

其中,σ1i、ε1i為應(yīng)力應(yīng)變曲線上的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值與應(yīng)變,且初始值均為0;E為彈性模量。

2.3 單軸壓縮全過程能量分析

圖5 為不同負(fù)溫條件下粉質(zhì)黏土的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及應(yīng)變-應(yīng)變能曲線。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可以看出,粉質(zhì)黏土變形破壞過程經(jīng)過閉合壓密階段(OA);彈性變形階段(AB);彈塑性變形階段(BC)以及峰后破壞階段(CD)。

圖5 不同負(fù)溫下單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變-應(yīng)變能變化曲線

其中在閉合壓密階段(OA)和彈性變形階段(AB)粉質(zhì)黏土的總應(yīng)變能曲線與彈性應(yīng)變能能曲線幾乎重合,說明初期粉質(zhì)黏土從外界吸收的能量幾乎都以彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在黏土內(nèi)部。

進(jìn)入彈塑性變形段(BC)后彈性應(yīng)變能增長(zhǎng)趨勢(shì)變?nèi)?彈性應(yīng)變能與峰值應(yīng)變幾乎同時(shí)達(dá)到最大值,耗散能初期較小,進(jìn)入彈塑性變形階段(BC)穩(wěn)定增長(zhǎng)且增長(zhǎng)速度逐漸加快,表明在此階段粉質(zhì)黏土內(nèi)部塑性變形及損傷逐漸形成且不斷擴(kuò)展。當(dāng)進(jìn)入峰后破壞階段(CD)時(shí),彈性應(yīng)變能曲線快速下降,耗散能曲線急劇上升,粉質(zhì)黏土內(nèi)部損傷劇烈,彈性應(yīng)變能快速釋放但并未一直下降至零,從宏觀上表明粉質(zhì)黏土承載力降低并保持一定的殘余強(qiáng)度,耗散能急速增漲直至試樣破壞。

2.4 能量特征分析與溫度的關(guān)系

圖6 為不同負(fù)溫條件下粉質(zhì)黏土吸收的總能量與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。在同一負(fù)溫條件下隨著軸向應(yīng)變的增加粉質(zhì)黏土吸收的總能量也逐漸增大。當(dāng)軸應(yīng)變相同時(shí),溫度越低粉質(zhì)黏土吸收的總能量越高。如圖所示,當(dāng)溫度為-5℃時(shí),粉質(zhì)黏土達(dá)到峰值應(yīng)變吸收的總能量為8.13×10-3MJ/m3,當(dāng)溫度為-10℃時(shí),粉質(zhì)黏土達(dá)到峰值應(yīng)變吸收的總能量為1.27×10-2MJ/m3,在溫度為-15℃時(shí),粉質(zhì)黏土從開始接觸到破壞整個(gè)過程從外界吸收的總能量為1.68×10-2MJ/m3。由于隨著溫度的降低粉質(zhì)黏土抗壓強(qiáng)度逐漸升高,內(nèi)部萌發(fā)微裂紋所需要的能量也就越多,進(jìn)而從外部吸收的總能量也就越大。

圖6 不同負(fù)溫下總能量-軸向應(yīng)變曲線

圖7 為吸收總能量最大值與負(fù)溫度絕對(duì)值關(guān)系圖。如圖7所示,溫度越低粉質(zhì)黏土單軸壓縮過程中從外界吸收的峰值總能量越大,溫度-15℃時(shí)粉質(zhì)黏土從外界吸收的總能量最大為1.68×10-2MJ/m3。這是由于隨著溫度的降低黏土內(nèi)部的未凍水含量減少,凍土強(qiáng)度增大,內(nèi)部微裂縫的發(fā)育擴(kuò)展需要從外界吸收更多能量。溫度與最大總能量呈近似線性關(guān)系,平均每降低1℃凍結(jié)黏土從外界吸收約8.7×10-4MJ的能量。

圖7 吸收總能量最大值與負(fù)溫度絕對(duì)值關(guān)系

圖8 為不同負(fù)溫梯度下吸收總能量增長(zhǎng)值與軸向應(yīng)變的關(guān)系,當(dāng)進(jìn)入彈塑性變形(BC)階段應(yīng)變達(dá)到B1點(diǎn)時(shí),粉質(zhì)黏土在-10℃的條件下要比-5℃多吸收7.5×10-4MJ的能量。平均每降低1℃吸收總能量增長(zhǎng)1.5×10-4MJ。從-10℃降低到-15℃在彈塑性階段B2點(diǎn)時(shí),粉質(zhì)黏土在-15℃下比-10℃多吸收1.8×10-3MJ的能量,平均每降低1℃吸收總能量增長(zhǎng)3.6×10-4MJ,比前者每個(gè)溫度點(diǎn)吸收總能量增長(zhǎng)值多2.1×10-4MJ,且在不同軸向應(yīng)變條件下吸收總能量增長(zhǎng)值的差值基本相同。在同一負(fù)溫梯度內(nèi)粉質(zhì)黏土從彈塑性階段的B點(diǎn)到達(dá)到峰值應(yīng)力C點(diǎn),單位溫度下吸收總能量的增長(zhǎng)值與軸向應(yīng)變呈線性增長(zhǎng),在峰值應(yīng)力C點(diǎn)處達(dá)到最大吸收總能量差值。在同一軸向應(yīng)變下,單位溫度吸收總能量增長(zhǎng)值隨最終凍結(jié)溫度的絕對(duì)值成正比關(guān)系。主要是由于隨著溫度降低,粉質(zhì)黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受溫度影響的程度不同,從-5℃降至-10℃時(shí),粉質(zhì)黏土內(nèi)部主要以黏土顆粒間的粘聚力為主,而溫度從-10℃降至-15℃時(shí)大量未凍水凍結(jié)成冰晶,內(nèi)部以冰晶與黏土顆粒間的膠結(jié)作用為主,導(dǎo)致粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度增大。

圖8 不同負(fù)溫梯度下吸收總能量增長(zhǎng)值-軸向應(yīng)變關(guān)系

圖9 為不同負(fù)溫條件下粉質(zhì)黏土可釋放的彈性應(yīng)變能與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出同一溫度條件下,彈性應(yīng)變能與軸向應(yīng)變大致呈上凸曲線并在峰值應(yīng)力處達(dá)到最大,在峰后破壞階段急速降低但并未下降至零,這是由于粉質(zhì)黏土內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能在跌落階段快速釋放后仍保持一定的殘余強(qiáng)度。當(dāng)軸向應(yīng)變相同時(shí),溫度越低彈性應(yīng)變能越大,粉質(zhì)黏土內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性能越多。

圖9 不同負(fù)溫下彈性應(yīng)變能-軸向應(yīng)變曲線

圖10 為不同負(fù)溫下粉質(zhì)黏土耗散能與軸向應(yīng)變能曲線。從圖中可以看出在同一溫度條件下,隨著軸向應(yīng)變的增大,耗散能大致呈凹曲線增長(zhǎng),增長(zhǎng)速率緩慢變大。在初始加載壓密階段以及彈性階段耗散能增漲較為緩慢,耗散能主要用于粉質(zhì)黏土內(nèi)部小孔隙的壓密閉合以及可恢復(fù)的彈性變形。進(jìn)入彈塑性變形階段后粉質(zhì)黏土內(nèi)部裂紋加速擴(kuò)展耗散能曲線增漲趨勢(shì)緩慢變大,達(dá)到峰后破壞階段,粉質(zhì)黏土內(nèi)部的彈性應(yīng)變能迅速釋放,耗散能急劇增加直至試樣破壞。

圖10 不同負(fù)溫下耗散能-軸向應(yīng)變曲線

當(dāng)達(dá)到相同的軸向應(yīng)變時(shí),溫度越低耗散能越大。在軸向應(yīng)變達(dá)到0.006mm時(shí),粉質(zhì)黏土在-5℃時(shí)耗散能為3.61×10-3MJ/m3,-10℃時(shí)耗散能為4.59×10-3MJ/m3,在-15℃時(shí)耗散能為7.13×10-3MJ/m3。溫度越低凍粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度越大,當(dāng)達(dá)到相同應(yīng)變時(shí)需要釋放的能量也就越多。

3 結(jié) 論

對(duì)合肥市軌道交通5號(hào)線工程取樣深度為12～17.5m的粉質(zhì)黏土試樣進(jìn)行了不同負(fù)溫條件下的單軸壓縮試驗(yàn),基于凍土試驗(yàn)原理分析了不同負(fù)溫條件下粉質(zhì)黏土的力學(xué)特特征和能量特征,得到以下結(jié)論:

(1)在不同負(fù)溫條件下,粉質(zhì)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及外界吸收的總能量均與負(fù)溫絕對(duì)值大致呈線性關(guān)系?？偰芰?、彈性應(yīng)變能及耗散能在同一應(yīng)變下均隨負(fù)溫絕對(duì)值增大而增大,平均每降低1℃粉質(zhì)黏土約從外界吸收8.7×10-4MJ的總能量。

(2)在同一凍結(jié)溫度下,隨著軸向應(yīng)變的增大,粉質(zhì)黏土的彈性應(yīng)變能呈上凸曲線并與軸向應(yīng)力同時(shí)達(dá)到最大,在峰后破壞階段彈性應(yīng)變能曲線急速下降但并未降至到零,宏觀上表現(xiàn)為試樣破壞后仍保留一定殘余強(qiáng)度。耗散能隨軸向應(yīng)變呈下凹曲線,且在峰后破壞階段曲線急劇上升。

(3)由于不同負(fù)溫條件下粉質(zhì)黏土內(nèi)部未凍水含量不同,在不同軸向應(yīng)變條件下粉質(zhì)黏土從外界吸收的總能量增長(zhǎng)值的差值基本不變約為2.1×10-4MJ/℃。且在單位溫差下同一軸向應(yīng)變值時(shí),吸收的總能量增長(zhǎng)值隨最終凍結(jié)溫度的絕對(duì)值呈正比。