冻结硫酸钠粉质黏土强度与本构模型研究_万旭升.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY冻结硫酸钠粉质黏土强度与本构模型研究万旭升，颜梦宇，路建国，晏忠瑞，刘凤云（西南石油大学 土木工程与测绘学院，四川 成都 610500）摘要：为了研究冻结硫酸钠粉质黏土的变形规律和强度特征，在1 MPa围压下，对-2、-6、-10 三组温度下不同硫酸钠含量的粉质黏土进行负温三轴剪切试验研究。基于实验数据，计算了冻结硫酸钠粉质黏土的切线模量，研究了轴向应变与偏应力的非线性关系，推导了试样的p-q平面强度准则，提出了冻结硫酸钠盐粉质黏土强度公式，建立了含参数的冻结含盐粉质黏土的修正Duncan-Chang本构模型，并拟合了相关参数，验证了模型精度及适用性。结果表明：试样的偏应力在应变后期趋于稳定，处于向应变硬化过渡的阶段，切线模量E随含盐量的增加呈现先减小再增大再减小的变化规律，切线模量E变化幅度较小，p、q呈明显的线性关系，在0 至-15 温度范围内，修正Duncan-Chang本构模型对含盐量小于2.5%的冻结硫酸钠粉质黏土强度具有良好的预测效果。关键词：冻结粉质黏土；三轴剪切试验；变形规律；强度准则；修正Duncan-Chang本构模型中图分类号：P642.14；TU411.7 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0201-110 引言 我国冻土分布广泛，多年冻土面积约占国土面积的22.4%，主要分布在陕西、甘肃、新疆和青海等内陆地区1。冻土是一种由固体矿物颗粒，冰晶体（胶结冰和夹层）、未冻水（薄膜结合水和液态水）及气体组成的特殊岩土材料2-3。含盐冻土按土体中含盐成分可分为氯盐渍土、硫酸盐渍土和碳酸盐渍土等，其中最常见的是硫酸钠盐渍土，具有松胀、膨胀性、水稳性差、腐蚀性等特性，其物理力学特性受含盐量、含水量、温度及外部压力等多种因素影响，具有复杂性和不稳定性。随着经济社会的不展发展，硫酸钠盐渍土区域的工程建设日渐增多，例如青藏公路的修建、维护及中俄石油管道的铺设等重要工程。近年来，随着我国“西部大开发”和“一带一路”倡议的实施，该区域的拟建工程项目显著增加。此外，在寒区硫酸钠盐渍土区域内进行工程设计和建设时，基础的安全性和稳定性主要由抗变形和抗破坏能力决定；冻土的抗变形能力可以由应力-应变关系来描述，抗破坏能力可以由强度准则来表征4。因此，在多梯度负温范围内对冻结硫酸盐渍土的变形规律和强度特征及本构模型的试验研究亟待深入开展。众多学者以粉质黏土为研究对象，在硫酸盐渍土物理力学特性、变形规律、本构模型研究方面进行了一系列卓有成效的研究工作。研究表明，冻结硫酸盐渍土的强度主要受温度、围压、含盐量等因素的影响，这些因素的作用往往相互存在耦合影响。李栋伟5、郑波等6通过常规三轴剪切试验对冻结粉质黏土进行了试验研究，用摩尔-库仑准则对试验结果进行分析，描述了较低围压下温度和剪切强度间的线性关系。冻结黏土的内摩擦角随温度的降低而增大，黏聚力随温度的降低略有增大，三轴剪切强度随温度降低而增大。杨玉贵7通过对冻结粉土在不同温度条件下的三轴试验发现，当围压一定时，温度越低，其强度越高，p-q平面上的强DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0015WAN Xusheng，YAN Mengyu，LU Jianguo，et al.Strength and constitutive model of frozen sodium sulfate silty clay J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：201-211.万旭升，颜梦宇，路建国，等.冻结硫酸钠粉质黏土强度与本构模型研究 J.冰川冻土，2023，45（1）：201-211.收稿日期：2022-01-18；修订日期：2022-03-01基金项目：国家自然科学基金项目（42071087；42271146；42101136；42101131）；四川省科技计划项目（2021YFQ0021；2022NSFSC0438；2022NSFSC0140）资助作者简介：万旭升，副教授，主要从事盐胀机理及寒区工程研究.E-mail：通信作者：路建国，讲师，主要从事寒区工程冻害机理与防治技术研究.E-mail：45 卷冰川冻土度包络线随温度的降低而向外扩张。Baker等8和Jones9发现冻土材料在围压增加的过程中，冻土的强度会逐渐增加，进而出现峰值，随着围压的进一步增大，冻土的强度逐渐降低。Fish10、马巍等11、张淑娟等12根据大量的试验结果，先后得到了同样的结论，并分别建立了抛物线形的冻结粉土的强度准则。孙星亮等13对冻结粉质黏土进行了温度、围压和应变速率对三轴强度的敏感性分析，发现抗剪强度与围压及温度具有明显线性关系，与应变速率成指数关系。Chamberlain14、Miller等15分别对冻结盐渍土进行了强度试验研究，结果表明含盐冻土的试验强度随含盐量的增加而降低。杨成松等16对饱和含盐冻结粉质黏土进行了不同含盐量情况下的强度试验研究，发现含盐量直接影响冻土极限抗压强度，抗压强度随含盐量的减小呈现线性增加。Liao等17对不同硫酸钠含量的粉质黏土进行常规三轴压缩试验，试验结果发现冻结盐渍土含盐量对冻结盐渍土的力学特性有显著影响，随着含盐量的增加冻土强度呈现非线性的变化趋势，且在硫酸钠含量为0.5%时冻结盐渍土的强度出现最小值。综上所述，已有研究揭示了温度、含盐量或围压单因素变化下粉质黏土变形规律和强度特点，并基于试验结果拟合参数推导出了相应的强度准则。然而，不同硫酸钠含量的粉质黏土的强度与本构模型研究较少。本文在前人的研究基础上，对不同硫酸钠含量的冻结粉质黏土进行三轴剪切试验，研究其偏应力-应变变化规律，建立p-q平面强度准则，并进行参数拟合，提出了对应的本构模型并验证了模型的准确性及适用性。该研究可对冻结硫酸钠盐渍土本构模型的理论基础、参数拟合方法等提供参考，也对西北硫酸钠盐渍土地区工程建筑物有一定实践指导意义。1 试验研究 1.1试验材料试验土样采用甘肃省兰州市树屏镇地区粉质黏土，取土深度为地表以下10 cm至50 cm，试样制备前，取原状土100 g，进行土样的物理性质测定，测定其含水率、密度、干密度及液塑限范围，测定结果如表1所示。取50 g原状土，放入200 mL蒸馏水中，充分搅拌并浸泡，然后取出土壤水溶取原样土进行离子分析，离子分析结果如表2所示，结果显示该区域盐渍土主要盐分为硫酸钠。1.2试验条件本次试验所用仪器为MTS-810材料试验机，仪器最大轴向位移为100 mm，频率范围 050 Hz；最大轴向压力为250 kN，围压范围为020 MPa，轴向位移精确到 0.001 mm。其控温范围为-3025，控温精度为0.01。低温材料试验机的围压和轴压可同步控制，试验过程通过计算机程序全自动控制。为了得到硫酸钠盐分对冻结粉质黏土的应力-应变影响规律，试验前采用蒸馏水对土体进行多次脱盐处理，以防止土样中盐分对试验结果产生影响，将脱盐后的土分别配置含盐量为 0%、0.5%、1%、2%、3%，含水率为 18.5%的硫酸钠盐渍土样。将土样密封常温保存，以保证盐分分布更加均匀，然后装至特制容器内。本次三轴试验剪切试样直径d=61.8 mm、高度h=125 mm，干密度d=1.7 g cm-3。计算土样质量并精确称取，放入圆柱形三瓣模具中制样。制样完成后，对试样进行3 h的真空饱和处理，然后再进行12 h的水压饱和，以确保试样饱和度高于95%。试样饱和处理完成后，先使试样在-30 环境下急冻8 h，然后再在不同温度下恒温12 h后进行试验4，7。试样工况如表3所示。试验围压3为1 MPa。试验时以1.25 mm min-1应变速率施加轴向荷载，为了便于后期试验数据的计算处理，当试样产生16%应变时终止试验18-19。表1 粉质黏土物理性质Table 1 Physical properties of silty clay土类粉质黏土液限/%28.9塑限/%18.3天然含水率/%18.5干密度/（g cm-3）1.7相对密度2.7表2 试验土样离子含量Table 2 Test soil sample ion content离子成分含量/（mgL-1）阳离子Na+1 062.1K+2.8Mg2+194.7Ca2+204.9阴离子F-1.0Cl-626.4NO3-78.7SO42-2 614.52021 期万旭升等：冻结硫酸钠粉质黏土强度与本构模型研究按上述试验方法，对各组试样进行负温三轴剪切试验后，可以由试验控制部分测定得到试样的偏应力-轴向位移变化关系，由于试验全过程由电脑程序控制，剪切试验前后，试样的高度、横截面积、体积变化等都可用电脑程序进行自动修正，因此实验数据导出即可进行计算使用。1.3试验结果与分析各组试样的偏应力-应变曲线如图1所示。在荷载作用下，冻结硫酸钠粉质黏土的偏应力-应变曲线呈现出12%后，应力逐渐稳定的现象。考虑到超固结土本质上的不均一性，若将试验土样看作由结构块和结构带组成的二元介质20-21，胶结元代表颗粒之间胶结良好的部分；摩擦元代表土体内部存在裂缝或其他缺陷的薄弱带。从三组试验结果整体分析，曲线可分为三个阶段。第一个阶段（弹性阶段）：轴向应变较小，1%时，偏应力-应变曲线呈线性变化，应力增幅明显。其原因是低温冻结后的土样整体构造紧致，黏土中的部分水分结冰形成土体骨架使得土体变形模量较大，在加载初期荷载较小，土中胶结冰和孔隙冰未被压碎、压融，未产生塑性变形，所以偏应力-应变曲线呈线弹性特征。表3 负温三轴剪切试样工况Table 3 Negative temperature triaxial shear specimen working condition试样编号A1A2A3A4A5含盐量w/%0.00.51.02.03.0冻结温度/-2-2-2-2-2试样编号B1B2B3B4B5含盐量w/%0.00.51.02.03.0冻结温度/-6-6-6-6-6试样编号C1C2C3C4C5含盐量w/%0.00.51.02.03.0冻结温度/-10-10-10-10-10图1负温三轴试验偏应力-应变曲线Fig.1Deviatoric stress-strain curve of negative temperature triaxial test20345 卷冰川冻土第二个阶段（弹塑性阶段）：当轴向应变1%12%时，土体进入应变阶段，曲线斜率逐渐降低或出现负值，应力达到峰值后基本趋于平稳，直到试样破坏。原因是由于随着变形增大，胶结元的减少数量大于摩擦元的增加数量，摩擦元的变形模量小于胶结元的变形模量，二者产生的应力差值越来越大，应变发展最终导致试样被破坏。同时，随着含盐量的增加，试样有趋于硬化的趋势。结合图1（a）1（c）可以看出，冻结试样在三组冻结温度下的应力-应变曲线都呈现出12%后，应力逐渐稳定的现象，试样处于向应变硬化的过渡阶段。当冻结温度逐渐降低，试样的整体强度变大，峰值强度逐渐增大。相同冻结温度下，含盐量增加，试样的强度呈现逐渐减弱的变化趋势。相同含盐量下不同冻结温度试样的偏应力-应变曲线变化趋势大致相同，低温对试样的整体强度有加强作用，温度越低，加强效果越明显。峰值强度对应的轴向位移也逐渐增大。2 物理参数与强度准则研究 2.1含盐量对切线模量影响参考已有文献 4，可由式（1）计算得出各组试样在线弹性阶段临界点1=1%时对应的切线模量E的值。E=1-31（1）切线模量计算结果如表4所示。由表4中数据分析可知，负温试样切线模量E与含盐量的增加呈现先减小再增大再减小的变化规律，切线模量E变化幅度较小。温度越低，试样的冻结程度越高，内部结构越紧密，切线模量的数值越大。参考已有试验研究22-24，不同含盐量硫酸盐渍土的冻结温度如表5所示。试样中硫酸钠的含量会改变土样中未冻水溶液的活度，