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干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究.docx
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干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究.docx
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我国水资源丰富,但在地理位置上呈南多北少、东多西少的分布特征,为
保障缺水地区的水资源供给,相继修建了一系列的长距离调水工程
[ 1]
。然而,
考虑到地理条件、工期和经费预算等不可抗拒因素,输水渠道的建设经常不可
避免地会穿过工程界“较为棘手”的膨胀土地段
[ 2]
。例如,南水北调中线工程、
新疆北部供水工程和黑龙江北部引嫩工程沿线均发现了大量的膨胀土发育区
[ 3-
5]
。此外,这些膨胀土区域多数处于季节性冻土区、甚至部分处于多年冻土区,
受当地气候环境的影响,输水渠道的安全运行面临着极大的挑战,例如:低温
作用易引起渠基土冻结,从而引起输水渠道渠顶的结构性破坏
[ 6]
。为解决这
一系列工程问题,有必要全面的了解冻结作用下膨胀土的物理力学特性。
抗压强度,作为冻土强度特性的重要指标,国内外研究人员对其开展了大
量试验研究,其中早在 19 世纪 30 年代 Tsytovich
[ 7]
就开展了冻结砂土的单轴
压缩试验,探究了温度和加载速率与抗压强度之间的关系。Bragg 等
[ 8]
、Lee
等
[ 9]
、Girgis
[ 10]
等研究了试样尺寸、温度和加载速率对抗压强度的影响。国
内学者张俊兵等
[ 11]
、杜海民等
[ 12]
、栗晓林等
[ 13]
、杨成松等
[ 14]
对冻结粉土、
冻结砂土、冻结黏土、冻结盐渍土开展了系列研究,得出了温度、干密度、应
变率、含水率和含盐量等因素对其抗压强度的影响规律。操子明等
[ 15]
对冻结
膨胀土开展了单轴压缩试验,得出了冻结膨胀土的强度随含水率的增大呈现先
增后减的规律。从已有研究中可知,目前在冻土单轴压缩特性研究方面,研究
对象主要聚焦于冻结砂土、冻结粉土以及冻结的常规黏土等,而对冻结膨胀土
的研究尚有待深入。膨胀土作为较为特别的黏土,在工程实际中极易产生各种
危害,近年来也逐渐受到学界的关注。
基于此,本文以河南省平顶山市叶县膨胀土为研究对象,开展不同干密度、
温度条件下冻结膨胀土的单轴压缩试验,探讨干密度和温度对冻结膨胀土应力
应变关系、破坏模式、抗压强度和弹性模量的影响规律,研究成果有望为寒区
膨胀土地段渠道工程的冻害机理与渠基土的治理提供参考。
1 试样制备及试验方法
1.1 试 样 制 备
试验土料取自南水北调中线工程叶县段输水渠道工程现场,密封包装后运
回实验 室。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)
[ 16 ]
的要求 ,
进行膨胀土基本物理性质的试验,详细结果如表 1 所示。该膨胀土最优含水率
为 21.7%,最大干密度为 1.60 g·cm
-3
,自由膨胀率为 59%,根据《膨胀土地
区建筑技术规范》(GB 50112—2013)
[ 17]
,该土料属于弱膨胀土。
表 1 膨胀土的基本物理性质
Table 1 Basic physical properties of expansive soil
粒度成分/%
2~0.
5
mm
0.25~0.
5 mm
0.1~0.2
5 mm
0.074~0.
1 mm
<0.07
4 mm
塑
限
ω
P
/
%
液
限
ω
L
/
%
塑
性
指
数 I
P
7.1
9
4.27
5.82
5.54
77.1
8
26.
3
70.
8
44.
5
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试验采用圆柱形重塑试样
,
试样的尺寸为(Φ×h)39.1 mm×80 mm。具
体制备流程如下:①将土料风干、过筛(2 mm)、掺匀,充分掺拌后分袋密
封包装,每袋分层取土测得初始含水率。②将风干土分层加水配至目标含水率
(21.7%),接着将配好的土料装入保鲜袋中闷料 2 天。③依据试验方案,分
别称取不同质量的具有目标含水率的土料,采用改进的分层击实装置将土料分
3 层击实到目标干密度
[ 18]
:先将第一层土料击实到对应位置并对上表面进行
刨毛,刨毛后继续第二层土料的击实与刨毛,最后击实第三层土料,使试样达
到预定制样高度。④将完成击实的试样进行脱模并在其表面包裹保鲜膜。
1.2 试 验 方 法
为研究干密度、温度对冻结膨胀土单轴压缩特性的影响,设计了表 2 所示
试验方案,共计 60 个试样(每组试验设置 3 个平行试样)。根据气象资料,
该地区在 1999—2020 年最低气温为-15~-3 ℃
[ 19]
, -2 ℃接近试样的冻结温
度,故选取-15 ℃、-10 ℃、 -5 ℃和-2 ℃这 4 种温度工况,试图探究不同
温度下冻结膨胀土的力学特性。选用 1.60 g·cm
-3
、1.52 g·cm
-3
、1.44 g·cm
-3
、
1.36 g·cm
-3
、1.28 g·cm
-3
的干密度分别对应 100%、95%、90%、85%和 80%
的压实度,选取这 5 种干密度,可对比不同压实度下冻结膨胀土试样的力学特
性。试验土料的含水率都为最优含水率(21.7%),详细方案如表 2 所示。
表 2 冻结膨胀土单轴压缩试验方案(ω=21.7%)
Table 2 Uniaxial compression test scheme of frozen expansive soil
(ω=21.7%)
组别
温度 T/℃
干密度 ρ
d
/(g·cm
-3
)
1
2
3
4
-15
-10
-5
-2
1.60,1.52,1.44,1.36,1.28
1.60,1.52,1.44,1.36,1.28
1.60,1.52,1.44,1.36,1.28
1.60,1.52,1.44,1.36,1.28
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冻结膨胀土试样的单轴压缩试验在微机控制低温动态试验机上进行,试验
机位于河海大学冻土实验室的恒温房中。恒温房由风冷式制冷机完成控温,控
温精度为±0.1 ℃。试验采用应变控制式加载方式,加载速率为 0.8 mm·min
-1
。
具体试验过程如下:首先将所有试样置于-30 ℃的恒温养护箱内快速冻结 12 h,
随后把试样移到对应试验目标温度的恒温箱里恒温养护 12 h
[ 20-21]
。试验开始
前,提前开启制冷机,使恒温房的室温达到试验目标温度。恒温 3 h 后开始试
验,将试样从恒温箱取出并立即移到试验机上,在恒定速率下开展压缩试验,
直至轴向应变达到 30%时停止试验(脆性破坏的试样除外)。值得注意的是,
试样的单轴抗压强度取应力-应变曲线的峰值应力,无峰值时则取 15%应变对
应的应力值
[ 22]
。
2 试验结果分析
2.1 应 力 -应 变 关 系
2.1.1 干 密 度 的 影 响
各温度工况不同干密度冻结膨胀土试样的单轴压缩应力-应变关系曲线如
图 1 所示。可以看出,在-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃温度工况下,不同干密度试
样破坏形式皆为塑性破坏,应力-应变关系曲线也保持一致的规律:随着干密
度的增大,各温度工况下应力-应变关系曲线由弱应变软化型转为应变硬化型。
以-10 ℃温度工况为例:对于干密度为 1.28 g·cm
-3
的试样,当轴向应力到达
峰值后,应力随着应变的增加而缓慢减小,呈现软化型塑性破坏特征
[ 15]
。当
干密度为 1.36~1.60 g·cm
-3
时,随着应变的增加,轴向应力先近似线性增大后
缓慢增加直至趋于平缓。本文压缩试验是在轴向应变达到 30%时才停止的,以
往很多文章在应变达到 20%
[ 23]
时就停止了试验。如果只做到 20%,该温度工
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