高温_高含冰量冻结黏土强度试验研究_马小杰

合物中搅拌均匀，将土体分 3 次装入预先冷却的模
具中压密。在箱内环境温度为-20 ℃左右的冰箱里
冻结 48 h，拆模得到内部晶体冰分布比较均匀、结
构致密、无明显空隙存在的土样。试样的直径为 61.8
mm，高度为 125 mm。
（3）在试验外表套一层塑料膜以预防试验过程 中水分丧失，并在两端各加一块环氧树脂帽，至此 样品制备就绪。对于低含冰量冻土采用常规制样方 法制样。不同含水率下冻结黏土试样的干密度如表 1 所示，由表可知，随着含水率的增加，干密度急 剧减小。
3 试验结果
本试验条件下所得到的应力-应变曲线有两种 类型：应变软化型和应变硬化型。对于软化型，取 峰值应力σs,m 作为抗压强度；对于硬化型，取应变 为 20 %时的应力σ0.2 作为抗压强度，如图 1 所示。 所有的试验条件和结果列于表 2 中。从表中可以看 出，对于温度范围为-1.5～-0.3 ℃、含水率范围为 60 %～120 %的高温-高含冰量冻结黏土，其应力应变曲线类型为硬化型；对于温度为-5.0 ℃低温冻 土或含水率 20 %和 40 %的冻土，其应力-应变曲线 类型为软化型。
mm/min ， 试 验 温 度 为 -0.3 ， -0.6 ， -0.9 ， -1.5 ， -5.0 ℃。具体试验过程如下：先将试样放入中国科 学院冻土工程国家重点实验室自行研制的恒温箱 中，在试验温度下恒温 24 h 以上，然后将其置于 MTS 单轴仪上，再恒温 2 h 后，在恒变形速率下进 行单轴无侧限抗压强度试验，试验过程中温度保持 不变。由数采仪自动记录荷载和位移信息，最后由 计算机计算出相应的应力和应变，并绘出应力-应变 曲线。
等。国内吴紫汪等[4,5]最早进行了冻结砂土单轴抗压 强度试验研究，发现冻结砂土的强度与土温、含水 率和加荷速度有关。朱元林[6－9]、张俊兵等[10] 对冻 结砂土及粉土的单轴抗压强度进行了详细的研究， 认为抗压强度与应变率(或破坏时间) 及温度等因 素关系密切，并给出了它们之间的定量关系。李海 鹏等[11]对饱和冻结黏土在常应变率下的单轴抗压 强度进行了研究，分别建立了以温度、应变率(或破 坏时间) 及干密度为变量的强度预报方程。李洪升
马小杰 1,2，张建明 1，常小晓 1，郑波 1，张明义 1
（1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州 730000；2. 浙江建设职业技术学院，杭州 311231)
摘 要：为研究高温-高含冰量冻土的强度特性，分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。
究，确定用下述方法制样。 （1）根据试样质量计算出一个试样所需干土的
质量、冰的质量和水的质量。假设试样的含水率为
w，试样质量为
m，则所需干土的质量 ms
=
m 1+ w
，
水的质量
mw
=
m 1+ w
ww
，冰的质量
mi
=m 1+ w
(w − ww ) 。其中： ww 为在制样时的含水
率，其值随总含水率 w 的变化而改变，当 w = 60 %
收稿日期：2006-12-12 基金项目：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新工程项目（No. 2004104）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（No. KZCX3-SW-351）； 中国科学院国际合作重点项目（No. GJHZ0529）；中国科学院知识创新工程重大项目（No. KZCX1-SW-04）资助。 作者简介：马小杰，男，1980 年生，博士研究生，助教，主要从事岩土工程研究方面的研究。E-mail: mxjllf@163.com
-0.3 0.64 软化型 40 -0.3 0.667 软化型 40 -0.6 0.738 软化型 40 -0.6 0.994 软化型 40 -0.9 1.11 软化型 40 -0.9 1.146 软化型 40 -1.5 1.459 软化型 40 -1.5 1.433 软化型 40 -5.0 3.191 软化型 40
DOI:10.16285/j.rsm.2008.09.041
第 29 卷第 9 期 2008 年 9 月
文章编号：1000－7598－(2008) 09－2498－05
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.29 No. 9 S来自百度文库p. 2008
高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究
表 1 冻结黏土试样的基本物理参数 Table 1 The basic physical properties of
the frozen clay specimen
含水率/ %
20
40
60
90
120
干密度/ g·cm-3
1.73
1.27
0.97
0.74
0.60
2.2 试验方法 试 验 采 用 应 变 控 制 法 ， 变 形 速 率 为 1.25
分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系；单轴抗压强度与温度、含水率之间的关
系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时，高温-高含冰量冻结
黏土存在最不利含水率，在相同的温度条件下，该含水率状态下冻土抗压强度最小；当温度高于-0.6 ℃时，高含冰量冻土随
含水率的增加，单轴抗压强度增大。
关 键 词：高温-高含冰量冻土；应力-应变关系；破坏类型；抗压强度
中图分类号：TU 445
文献标识码：A
Experimental research on strength of warm and ice-rich frozen clays
MA Xiao-jie1,2, ZHANG Jian-ming1, CHANG Xiao-xiao1, ZHENG Bo1, ZHANG Ming-yi1
(1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 2. Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311231, China)
1引言
抗压强度是冻土力学性能的重要指标，在国内 外关于这方面的研究很多。早在 1930 年苏联冻土 学的开创者崔托维奇[1]就在不同加载速率及不同温 度条件下对冻结砂土进行了单轴压缩试验，得出了 冻结砂土的强度随着加载速率的增加和温度的降低 而增加的规律。随后，国外冻土学方面的许多著名 学者也进行了这方面的研究，如 Vialov[2] 、Ladanyi[3]
第9期
马小杰等：高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究
2499
等[12]进行了冻结轻粉质土抗压强度对应变速率敏 感性的试验研究，认为应变率、温度是抗压强度的 主要影响因素，抗压强度对应变率变化的敏感程度 可分 3 个区段，并且得出了以应变率、温度为变量 的强度模型。
青藏铁路穿越连续多年冻土区 550 km，不连续 多年冻土区 82 km。其中有 275 km 处于高温冻土区 内，有 221 km 通过高含冰量冻土区，高温-高含冰 量重叠路段 134 km，这对铁路路基的稳定性构成了 极大的威胁[13,14]。因此，研究高温-高含冰量冻土的 力学特性对青藏铁路的维护具有重大的现实意义， 由于受到试验条件的限制，对高温-高含冰量冻土的 抗压性能的研究鲜见报导。鉴于此，笔者对不同含 水率冻结黏土进行了各种温度条件下的单轴抗压强 度试验，并讨论了抗压强度与温度及含水率之间的 关系。
2 试验条件与方法
2.1 试样制备
本试验所选用黏土取自青藏铁路北麓河试验
段，铁路里程约为 DK1138 + 100，取样深度为天然
地表以下 2~3 m，其塑性指数为 17.7。
制备密度、含水率分布均匀、结构致密的含水
率大于液限的高含冰量土样是高温-高含冰量冻结
黏土研究的一个技术难题。笔者通过大量的试验研
0.8
σs,m应变软化型
0.6
σ0.2
0.4
应变硬化型
应力/ MPa
0.2
0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 应变
图 1 冻土破坏类型及其破坏标准 Fig.1 The destroy type and criterion of frozen soil
2500
岩土力学
时，取 ww = 25 %；当 w = 90 %时，取 ww = 33 %； 当 ww = 120 %时，取 ww = 40 %。
（2）在温度为-6 ℃左右的低温实验室里将冰击
碎，过直径为 0.5 cm 土样筛，称取冰，将冰和预先
在负温下冷却的干土在塑料袋里混合并搅拌均匀
后，再将预先冷却温度接近于 0 ℃的水倒入冰土混
Abstract: In order to study the strength character of warm and ice-rich frozen soil, a series of uniaxial compressive strength tests of frozen clays with water contents of 20 %, 40 %, 60 %, 90 %, 120 % at temperatures of –0.3 ℃, –0.6 ℃, –0.9 ℃, –1.5 ℃, –5.0 ℃ were conducted respectively. The test results indicate that: 1) the type of stress-strain curves for the warm and ice-rich frozen clays(temperature: –0.3 ℃ to -1.5 ℃, water content: 60 %-120 % ) is strain-hardening, and the form of sample failure is plastic; 2) The compressive strength of warm frozen clay with water contents of 40 % to 90 % increases linearly with the decrease of temperature, the sensitivity of the strength of lower water content saturation frozen clay to temperature is higher than that of higher water content saturation frozen clay; at the water content of 120 %, the amplitude of the increase in compressive strength decreases with decreasing temperature; 3) when the temperature of the warm frozen clay is lower than -0.9 ℃, there is a most disadvantageous water content (at the same temperature, the compressive strength of the frozen soil at this water content is the lowest); when the temperature of the warm frozen clay is higher than -0.6 ℃, the strength increases with water content increasing. Key words: warm and ice-rich frozen soil; stress-strain relation; failure type; compressive strength
2008 年
表 2 冻结黏土单轴抗压强度试验结果 Table 2 The results of uniaxial compressive
tests of frozen clays
含水 率/ %
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
温度 破坏强度 应力-应变 含水率 /℃ /MPa 曲线类型 /%