冻结粉质黏土强度特征及影响因素敏感性分析_丁雪涛.pdf

4/2 51 6-2 0长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2年 第2 3卷 第4期J.C h a n g c h u n I n s t.T e c h.(N a t.S c i.E d i.),2 0 2 2,V o l.2 3,N o.4I S S N 1 0 0 9-8 9 8 4C N 2 2-1 3 2 3/Nd o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 9-8 9 8 4.2 0 2 2.0 4.0 0 4冻结粉质黏土强度特征及影响因素敏感性分析收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 9基金项目:吉林省科技厅项目(2 0 1 9 0 3 0 3 0 7 9 S F)作者简介:丁雪涛(1 9 8 8-),男(汉),河南鄢陵人,硕士主要研究岩土工程。丁雪涛,潘殿琦,黄 非,王明威,邓振鹏,崔宏业(长春工程学院,长春 1 3 0 0 1 2)摘 要:为研究分析人工冻结粉质黏土强度的影响因素的敏感性,基于粉质黏土物理特性,选取温度、含水率、干密度和加载速率作为冻土强度的影响因素,对长春市某工地的粉质黏土进行冻土单轴抗压强度试验,得到不同影响因素条件下抗压强度随温度变化的特征曲线。基于此,通过正交实验和灰色关联分析法,得出4种影响因素在不同温度区间的敏感度排序。试验结果表明:在-2 1-1 4,抗压强度随温度降低而逐渐减小的温度变化拐点为-1 6;在-2 0-1 6,干密度的敏感性逐渐增大,并超过温度和含水率的敏感性;当温度介于-3 0-1 6 时,在人工冻结法施工中可将温度作为重点考虑的研究对象。关键词:粉质黏土;强度特征;影响因素;灰色关联;敏感性中图分类号:TU 4 1 1.6文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-8 9 8 4(2 0 2 2)0 4-0 0 1 6-0 50 引言目前,随着人工冻结施工法在地下空间工程领域受到越来越多的关注,在地下工程施工的过程中人工冻结土体强度的被关注度也得到进一步提升,但是关于冻结土体强度特征及影响因素的敏感性的控制主要依赖于个人经验,缺乏相应的理论依据,容易造成冻土强度不足或过剩,从而导致工程结构不稳定或过度浪费资源1。国内外学者主要是通过冻土强度试验对人工冻土强度特征进行研究,得到相应结论的,如彭第2在强度试验过程中发现,冻土强度和温度、含水率之间等存在线性变化规律,并且发现冻土强度在温度为-2 0 附近出现强度变化拐点。在冻土峰值强度的研究中,陈雨漫等3在对黏土的单轴抗压强度峰值试验中,发现当温度在-1 5-5 时,冻土峰值强度随温度的 降低呈线性 增加的趋势。L i B,e t a l4在冻土峰值应力实验中,发现冻土峰值应力随冻结温度的降低而减小。P e r h a m R,e t a l5开展了大量冻土试验,指出冻土在较低应力时的剪切强度较为稳定,当应力超过某一值时其强度随应力的增加而降低。造成这种现象的内在因素是因在稳定冻结阶段内,冻土因为孔隙中水冰相变发生体积膨胀,从而对土颗粒骨架产生作用力导致摩擦角降低引起的6-7。冻土孔隙中冰水相变的强度与孔隙水中未冻水的含量紧密联系,在一定条件下冻土中未冻水的含量随着温度降低逐渐减小,并且冻土中未冻水的含量和含水率存在一定的线性关系8。蔡正银等9和孙立强等1 0在研究冻土强度和含水率关系时,发现冻土强度会随含水率的增加呈现先增大后减小的趋势,并且在冻土强度随含水率变化的过程中,冻土含水率存在最佳含水率,即:在-2 00 冻土含水率等于冻土最佳含水率时冻土强度达到最大值。T a k e d a K,e t a l1 1在冻胀实验中发现降温过程中冻结缘的微结构没有明显的变化,而冰、土颗粒和未冻水则在冰分凝面上比较活跃。郭浩天1 2在观察未冻水含量对非饱和冻土冻结变形的影响时,发现随温度降低,土中的未冻水含量越少,轴向变形总体呈增大趋势,土体逐渐由弱冻胀向强冻胀、由强冻缩向弱冻胀转变。在冻土强度影响因素敏感性的研究中,主要根据试验数据线性分析、灰色关联分析法分析及判断敏感性排序,其中黄道良等1 3和李顺群等1 4根据既有试验资料和统计学原理,证明温度在-1 5-5 时,其对冻土力学性质的影响最为显著。白瑞强等1 5应用多元线性回归模型对冻土强度影响因素进行了显著性分析,表明温度和土性是影响冻土强度的主要因素。目前,已经有很多学者对人工冻土强度特征和影响因素敏感性进行了大量的试验,并得出了相应的拟合方程和规律,但是在进行冻土强度规律试验过程中选择冻结温度时,冻结温度取值的跨度偏大,这也就容易忽略冻土强度影响因素之间的细小变化。对冻土强度影响因素敏感度进行分析,当冻土强度出现变化时,要分阶段研究其强度影响因素的敏感性。本文以长春市某基坑粉质黏土为研究对象,在不同条件下进行冻土单轴抗压强度试验,通过试验结果重点分析温度在-2 1-1 4 内的强度变化规律,并进一步分阶段对温度在-3 0-6 时的强度影响因素敏感性进行分析,为地下空间工程冻结法施工和冻土力学规范修订提供经验参考。1 试验概况1.1 试样制备及物理性质试验用土选自长春市某基坑13 m段粉质黏土扰动土。本次试验按照MT/T 5 9 3.12 0 1 1 人工冻土物理力学性能试验1 6中人工冻土单轴抗压强度试验及试样制备方法,将扰动土烘干、破碎、筛分,称取相应参数质量的土,根据试验方案中的含水率(1 0%、1 5%、2 0%)和干密度(1.6 g/c m3、1.7 g/c m3、1.8 g/c m3)配制试验用土,平均分5次将黏土压入 钢 制 模 具 中,制 成 直 径 为5 0 mm,高 度 为1 0 0 mm的圆柱形试样,完成后将试样和模具密封处理,一起放入低温箱中速冻6 h,如图1所示。然后在相应的目标温度下恒温冻结2 44 8 h后,快速脱模,放入试验仪器中进行相应设计参数的试验,试样轴向应变达到2 0%时试验结束。图1 装有试样的钢制模具1.2 试验方案试验采用Y X-A B型人工冻土全自动回弹模量试验系统,如图2所示,最大试验荷载为1 0 0 k N,试验过程由计算机自动控制并采集试验数据。根据人工冻结粉质黏土强度特征结合试验条件,选取温度、含水率、干密度和加载速率4个主要影响因素,严格按照 人工冻土物理力学性能试验进行1 1。冻土强度特征试验采用全面试验法,影响因素和水平设置见表1,共分2 1 6组,每组设置3个平行试验。冻土强度影响因素敏感性分析试验,根据正交表试验安排,在冻土强度特征的试验数据支持下,补充冻土强度影响因素试验,补充试验安排见表2,共分1 2组,每组设置3个平行试验。图2 Y X-A B型人工冻土全自动回弹模量试验系统表1 抗压强度特征试验分配设置影响因素温度/含水率/%干密度/(gc m-3)加载速率/(%m i n-1)变量-1 4、-1 5、-1 6、-1 7、-1 8、-1 9、-2 0、-2 11 0、1 5、2 01.6、1.7、1.82、4、6表2 冻土强度影响因素敏感性试验分配序号温度/含水率/%干密度/(gc m-3)加载速率/(%m i n-1)抗压强度/MP a1-61 01.621.9 92-61 51.742.3 63-62 01.862.6 34-1 11 01.763.0 65-1 11 51.823.1 96-1 12 01.643.2 87-2 51 01.763.7 18-2 51 51.823.9 29-2 52 01.644.3 11 0-3 01 01.844.6 21 1-3 01 51.664.7 71 2-3 02 01.724.8 42 冻土强度试验结果及分析根据试验得到:在相同含水率条件下,不同干密度和加载速率时的抗压强度与温度的关系曲线如图35所示。通过对比图3 5可以发现,在温度区间(-2 1,-1 4)内含有2个0点:第1个0点在-1 6-1 5,主 要 集 中 在-1 6 处;第2个0点 在-2 1-1 9,主要集中在-2 0 处。当含水率在1 0%2 0%,干密度在1.61.8 g/c m3,加载速率在26%/m i n时,温度在-1 6-1 4 时,抗71 丁雪涛,等:冻结粉质黏土强度特征及影响因素敏感性分析压强度随温度的降低逐渐增大,但强度增大的速率在逐渐变小,温度接近-1 6 时,抗压强度的变化速率趋近于0。图3 含水率1 0%时,各冻土强度与温度变化关系图4 含水率1 5%时,各冻土强度与温度变化关系图5 含水率2 0%时,各冻土强度与温度变化关系原因分析:在温度、含水率、干密度和加载速率4种因素综合影响下,土体颗粒和冰逐渐胶结,导致冻土强度不断增强。但是,这4种因素的改变也会影响未冻水的水分迁移,形成局部饱和状态,在未冻水发生迁移的过程中逐渐冻结成冰,形成侵入冰,体积不断增大,最终导致土体内部产生挤压,使土体颗粒之间以及冰晶体之间均发生相对位移,从而减小了冻土的整体强度,因冻结产生的强度增大值和因侵入冰产生的强度减小值达到基本相等状态,就使得强度的变化速率趋近于0;温度在-2 0-1 6 时,抗压强度随温度的降低逐渐减小,变化速率先变大后减小,温度在-2 0 附近时变化速率趋近于0,土体内部表现为侵入成冰产生的强度减小值大于冻结产生的强度增大值;温度在-2 1-2 0 时,抗压强度随温度的降低逐渐增大,增大的速率也逐渐变大,因为能够冻结成冰的未冻水含量在逐渐减少,因侵入冰产生的强度减小值极小,冻土强度随着温度的降低逐渐增大。3 基于灰色关联法的冻土强度敏感性分析根据抗压强度特征,以强度随温度变化的2个温度拐点为界线,将温度分为3个温区间,即-1 6-6、-2 0-1 6 和-3 0-2 0,含水率有1 0%、1 5%、2 0%,干密度为1.6 g/c m3、1.7 g/c m3、1.8 g/c m3,加载速度为2%/m i n、4%/m i n、6%/m i n,最后采用灰色理论关联法进行数据分析和影响因素敏感性排序。灰色关联分析法是一种分析系统中各因素关联程度的方法,可以简单地对一个具有交互影响的多因素系统进行分析,通过具有代表性的少量样本,选定参考序列和若干比较序列的几何图形相似程度,判断其关系是否紧密,从而反映出曲线之间的关联程度,各因素的关联程度通过关联度来衡量。3.1 确定各个数列及数列无量纲化本次试验以冻土抗压强度序列为参考数列X0,即X0=x0(k),k=1,2,n。(1)取表3中各个温度段内给出的影响因素构成比较数列Xi,即Xi=xi(k),k=1,2,n,i=1,2,m,(2)式中:k为水平数;i为因素序列数;n=9,m=4。对数列进行无量纲化处理得到数列Xi,即Xi=Xixi(1)=(xi(1),xi(2),xi(n),i=1,2,m。(3)3.2 灰色关联度计算及敏感性分析计算二维最大绝对差M和最小绝对差m,即i(k)=|x0(k)-xi(k)|,k=1,2,n;i=1,2,m;(4)M=m a xim a xkik(),m=m i nim i nkik()。(5)确定灰色关联系数i(k),即i(k)=m+Mi(k)+M,(0,1),k=1,2,n;i=1,2,m,(6)式中为分辨系数,可取=0.5。最后计算关联度i,即i=1nnk=11k(),i=1,2,m,(7)81长春工程学院学报(自然科学版)2 0 2 2,2 3(4)式中i越接近1,说明对应的影响因素关联度越好。试验结果见表3,计算结果见表46。表3 强度影响因素正交试验结果序号温度1/含水率2/%干密度3/(gc m-3)加载速率4/(%m i n-1)抗压强度/MP a1-61 01.621.9 92-61 51.742.3 63-62 01.862.6 34-1 11 01.763.0 65-1 11 51.823.1 96-1 12 01.643.2 87-1 61 01.844.5 48-1 61 51.665.5 79-1 62 01.724.6 91 0-1 61 01.624.5 31 1-1 61 51.744.6 71 2-1