南方短时冻土的热物理性质及抗压强度特征.pdf

第4 3卷 第 9期 2 0 l 2 年 5月 人 民 长 江 Ya n g t z e Riv e r Vo 1 43 No 9 Ma y， 201 2 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 2 ) O 9 0 0 5 1 0 4 南方短时冻土的热物理性质及抗压强度特征 郭 麒 麟 ， 孙 云 志 ( 长江 岩土 工程 总公 司( 武汉) ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 为探讨在极端冰雪条件 下南方短时冻土的热物理性质及 强度特征 ， 在湖 北、 湖 南、 广西等地 选取 典型 土 样 ， 对初始含水量不 同的土样在不 同温度下进行热物理参数 和单轴抗压 强度试验。结果表 明 ： 冻土的干 密度 越 大， 导热 系数越 大； 含水量越大， 导热 系数越大 ； 随着温度 的升 高， 冻土 的破 坏应变呈现 出增 大的趋 势， 应 力 一应变 曲线表现为弱应变软 化型或应 变硬化 型， 即冻土的塑性增强 ； 冻土抗压 强度 随温度 的降低而增 大； 相同 温度条件下 ， 饱 水后 冻土 的单轴抗压强度 大于等 于饱水前的强度。 关键词 ： 极 端冰 雪条件 ；南方短 时冻土；热物理性质 ； 抗 压强度 中图法分类号 ： P 6 4 2 1 4 文献标志码 ：A 冻土是由矿物颗粒 、 固态冰、 液态水和气体组成的 四相体系， 是一种具有特殊性质的土体 。冻土在 正负温度交替变化过程中水分产生相变 ， 并伴随产生 体积及强度的变化。冻土含冰量随着温度的降低而增 多， 土颗间胶结性增强 ， 透水性减少 ， 强度增高 ， 压缩性 低 ； 反之当冻土融化时， 含冰量减少， 冰的胶结程度降 低 。所 以 ， 冻 土 的力 学性 质如 抗压 、 抗剪 强度 以及压 缩 性 都是 不稳 定的 ， 与 土 中含 冰 量 、 液 态水 的变 化 有 关 。 因此 ， 弄清楚冻土的热物理性质与强度特性是研究冻 土时的主要任务。本文 旨在讨论极端冰雪条件下南方 短 时冻 土的热 物理 性质及 强度 特征 。 1 样品选择与试验方法 1 1 样 品选择 经 调查分 析 ， 南方 短 时 冻 土可 能 影 响 的深 度 一 般 不 大于 1 0 m， 可 能形 成冻 土 的土 体 主要有 粉质 黏 土 、 黏 土 、 黏粘 土及 砂 土 。土 质对 冻 土 冻 融 的影 响可 表 现 在两个方面 ， 一是土的颗粒组成 ， 二为土中所含矿物成 份。对于粗颗粒砂土， 由于水 的 自重作用及粗颗粒土 易于排水 ， 含水量一般较小 ， 土体在冻结程过 中， 除原 位水冻结产生一定的膨胀力外， 外来水的补给对其影 响不大 ， 因此冻胀量不大。对于致密的黏土， 颗粒粒径 小于 0 0 0 2 n l m， 由于其导水能力很弱 ， 未冻水不易 向 冻结 区迁移， 其冻胀量也不大； 只有颗粒粒径在 0 0 5 0 0 0 2 mm 的土具 有 较 大 的 冻胀 性 。 本次 研 究 选 择 湖北咸宁、 湖南岳阳及广西郴州 的粉质黏土及红黏土 进行 取样 ， 取样 深度 控制 在冻 土可 能影 响的深 度 以内 ， 一 般在 0 5 0 8 m， 试验项 目主要为冻土的热物理性 质 及不 同温度 、 含水 量下 的抗压 强度 指标 。 1 2试验方法 试验测定导热系数和 比热的方法 为， 按照要求制 备所需要 的土样 ， 冻土样 品在恒温箱冻结 2 4 h后 ， 分 别利用 T C一 2 2数字导热系数测定仪和 比热测试装置 进行 测定 。 冻土的单轴 无侧 限抗 压强度试 验 在 C S S一1 1 2 0 电子 万 能材 料试 验 机 ( 本 机 带 有 自动 制 冷控 温 系统 ) 上进 行 。试验 采用 应变 控 制 法 ， 以 1 11 0 s 的 应变率进行加载试验 ， 直至试样的应力值 下降或应变 达到 2 0 以上视为破坏； 试验温度为 一1 o C， 一 3 C， 一 5 ， 一7 。具体试验过程为 ， 先将 试样放入 恒温箱 中， 在试验温度下恒温 2 4 h以上 ， 然后将其置于试验 机上再恒温 2 h后 ， 在恒变形速率下进行单轴无侧限抗 压强度试验 ， 试验过程中保持温度不变 ， 由数采仪 自动 记录载荷和位移信息， 最后 由计算机计算出相应的应 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 2 O 基金项 目： 国家“ 十一五” 科技 支撑计划项 目( 2 0 0 8 B A C 4 7 B 0 1 ) 作者简介 ： 郭麒 麟 ， 男， 高级 工程 师， 主要从 事水利水电工程地质勘 察与技 术管理 工作 。Em a i l ： g u o q i l in y z s in a c0 m 5 2 人 民 长 江 力 和应变 ， 并绘出应力 一应变曲线。 2 冻土热物理参数试验成果 2 1 导热 系数与 比热 导热系数与 比热试 验结果见表 1 。由表 1可见 ， 冻土导热系数受土质 、 干密度 、 含水 量( 含冰量) 和温 度的影响， 其规律是 干密度越大 ， 导热系数越大； 含水 量越大 ， 导热系数越 大。这是 由于近饱 和状态时的温 度下降比干燥时的温度下降快得 多， 饱和状态下的冰 冻移动面移动 比干燥状态下的冰冻移动面快 的多 ； 温 度越低， 导热系数越大， 尤其是土体从融化状态转变为 冻结 状态 后 ， 导 热系 数显著 增大 j 。 表 1 不 同温度下短时冻土导热 系数与比热试验结果 岳阳 粉质 黏 土3 1 4 6 1 4 1 3 2 2 4 1 4 8 咸宁 粉质 黏 土2 8 4 7 1 4 3 2 8 4 l 4 2 郴 州 红 黏 土 2 2 0 9 1 6 6 2 4 8 l 1 6 2 2 2 相变热 相变热是指单位体积土 中由于水 的相态改变所 放出和吸收的热量， 单位为 k J ( m ) ， 可按下式计 算 Q =o P d ( 一 ) ( 1 ) 式中， Q为相变热 ； o为水的结晶或 冰的融化潜热 ， 一 般热工计算 中， 取 3 3 4 5 6 k J k g ； p 为 土的干密度 ； ( 【 J 为土的天然含水率( 总含水量) ； ， 为冻土中的未冻水 含 量 。 相 变热 随冻 土 中的 未冻 水 含 量变 化 而 变 化 ， 而 对 某 一土 质 的冻土 ， 其 未冻 含 水量 与冻 土 的 含水 量 是 温 度 的函数 ， 可通过 试验 确定 。 未 冻水 含量 与负 温 始终 保 持 动 态平 衡 的 关 系 ， 并 可 用下 式表 达 ： ：a O ( 2) 式 中 ， 。 为 未冻 水含 量 ， ； 0 为 负温 绝对值 ， cC； 0和 b 为与土质因素有关的经验系数。 南方典 型短 时 冻 土不 同负 温 (一0 5 o C 一1 7 o C) 条件 下所测 得 的未冻 水含量 列 于表 2中 。试验 结果 表 明 ， 样 品的未冻水含量是随着温度的降低而减小 ； 在相 同的负温条件下 ， 未冻水含量受其土质 、 初始含水量和 干容 重 等因 素的影 响而 有所不 同。当温度 低 于 一I O C 时， 其未冻水含量随温度的降低速率减缓。 表 2 初始含水量不 同的短时冻土 在不 同负温条件下的未冻水含量 3 冻土单轴抗压强度试验 成果 3 1 应力 一应变关 系曲线类型 本 次试验 条件下 所得 到 的应 力 一应变 关系 曲线有 两种 类 型 ： 即应 变软 化 型 和应 变 硬 化 型 ， 如 图 1所 示 。 对于软化型 ， 取峰值应力作为单轴抗压强度 ( o r ) ， 对 于硬化 型 ， 取 应变 为 2 0 时的 应力作 为单轴 抗压 强 度 ( ) 。 试验获得的原状及饱水状态下的冻土单轴抗压 强度 分别 见表 3和表 4 。 图 1 南 方典 型短 时冻 土 应 力 一应 变 关 系 曲线 类 型 3 2破坏应变与温度、 含水量关 系 单轴 压缩试 验成 果表 明 ， 随 着温度 的 升高 ， 冻 土 的 破坏 应变 呈现 出增大 的 趋 势 ， 应 力 一应 变 啦线 表 现 为 弱应 变软 化型 或应变 硬化 型 ， 即冻土 的塑性 增强 ， 呈现 出塑性破 坏 的形式 。对 比饱 水前 后 的测试 结果 可 以看 出， 不同温度下饱水后冻土的破坏应变也表现 出增大 的趋势 ， 这也从 另 一个 方 面 揭示 出饱 水 后 冻土 的 塑 性 是增强的。这是 由于当温度较高 (一1 ) 时 ， 饱 水冻 土 中的未冻水 含量很 高 ， 未冻水 体积 含量 越高 ， 冻土 的 黏性就越强 ， 有利于冻土产生塑性变形。同时 ， 高含冰 量冻 土在高 温状 态下 ， 冰胶结 物本 身 的强 度很 小 ， 有 利 于发生 塑性 变形 。对 于 低 含水 量 冻 土 发 生脆 性 破 坏 ， 主要是 由于在该 含水 量 状 态 下冻 土 处 于 非饱 和状 态 ， i i m 叭 ；i ! i i !i i i i ；钙 m !i ；i l i !i ， 1 5 7 i i i； i l i m 们 黜 ； i! ； i； i i !i 第 9期 郭麒麟， 等 ： 南方短时冻 土的热物理 性质及抗压 强度特征 5 3 冰对土颗粒的胶结因内部空隙的存在而存在缺陷。当 变形达 到 一定 量 级 时 ， 冰 胶 结 物 遭 到 破 坏 ， 形 成微 裂 隙 ， 最终 形成 连续 剪切 面 。 表 3 南方典型短时原状冻土单轴 抗压强度试验 成果 注： Y Y F N代表湖南岳 阳粉质黏土样品 ， X N F N代表湖北成宁粉质黏 土 B Z HN T代表湖南郴州红黏 土。 表 4 南方典型 短时饱水冻土 单轴抗压强度试验成果 注： Y YF N代表湖 南岳 阳粉质黏 土样品 ， X N F N代表湖 北成 宁粉质黏 土 B Z HN T代表 湖南郴 州红黏土。 3 3抗压强度与温度关 系 冻土饱水前后抗压强度与温度的变化曲线分别见 图 2 、 图 3及 图 4 。 由试 验 成 果 可 以看 出 ， 抗 压 强 度 随 温度的降低而增大 ； 相同温度下， 饱水后的强度大于等 于饱水前的强度。冻土的力学性质很大程度上取决于 温度 ， 随着温度的降低 ， 冰胶结物的联结增强 ， 未冻水 含量减小 ， 水薄膜厚度变薄， 冰胶结物本身 的强度增 。 图 2 岳 阳粉质黏土饱水前后抗压强度 一温度的关系 图 3咸 宁粉质黏土饱水前后抗压强度 一温度的关系 图 4郴州红黏土饱水前后抗压强度 一温度的关系 3 4 抗压强度与土质关 系的分析 3种不同土质饱水前后抗压强度与温度 的关系分 别见 图 5和 图 6 ( 样 品 编号 的 意义 同表 3 ) 。从 图中 可 以明显看出， 郴州红黏土饱水前后的抗压强度最大， 岳 阳粉质黏 土次 之 ， 咸 宁粉 质黏 土最小 。此外 ， 随 着温度 的降低 ， 3种不同土质抗压强度之间的差别有增大的 5 4 人 民 长 江 2 0 1 2生 趋势 。 图 5不同土质 饱水前抗压 强度 一温度 的关 系 温度 图 6不同土质饱水后抗压强度 一温度的关系 4 结 论 ( 1 )南方短时冻土导热系数受土质、 于密度 、 含水 量( 含冰量 ) 和温度 的影响 ， 干密度越大 ， 导热 系数越 大 ； 含 水量 越大 ， 导热 系数越 大 。 ( 2 )随着温度 的升高， 冻土的破坏应变呈现 出增 大 的趋 势 ， 应 力 一应变 曲线 表 现为 弱 应 变 软 化 型或 应 变硬化 型 ， 即 冻 土 的 塑 性增 强 ， 呈 现 出塑 性 破 坏 的 形 式 。 ( 3 )对 比饱水 前后 的测 试 结果 ， 不 同 温度 下 饱水 后 冻土 的破坏应 变也 表现 出增 大的趋 势 。冻土抗 压强 度随温度的降低而增大； 相 同温度条件下 ， 饱水后冻土 的单轴抗压强度大于等于饱水前的强度。 参 考文献 ： 1 王璐 ， 孙 云志 ， 郭麒 麟， 等 南方 极端 冰 雪气候 条件 下 冻土特 征 J 人 民长江， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 7 )： 5 86 2 2 张a S - 清 ， 孙云志， 郫麒麟 ， 等 三峡库 区万州楠木垭 滑坡治理 与规 划利用 J 人 民长江 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 8 ) ： 2 1 2 3 3 周幼吾 中国冻土 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 0 4 陈 肖柏 中国冻土灾害 M 北京 ： 学术书刊 出版社 ， 1 9 9 0 【 5 程 国栋 气候 变化对 中国积雪 、 冰J 11 和 冻土的影 响评 估【 M 兰 州： 甘肃文化 出版社 1 9 9 7 ( 编辑 ： 赵凤超 ) Th e r m a l p hy s ic a l pe r f o r m a nce a nd co m p r e s s iv e s t r e n g t h ch a r a c t e r is t ics o f s ho r t t e r m f r o z e n s o il in S O U t he r n a r e a o f Ch ina G U O Q il in ， S U N Y u n z h i ( Y a n g tz e G e o t e ch n i ca l En g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ( Wu h a n )， Wu h a n 4 3 0 0 1 0， C h in a) Abs t r a ct： I n o r de r t o r e s e a r ch t h e t h e r ma l p hy s ica l pe r f o r ma n ce a n d co mp r e s s iv e s t r e ng t h cha r a ct e r is t ics o f s h o r tt e r m fro z e n e a r t h in t h e s o u t he r n a r e a o f Chin a，t y pica l s o il s a mp l e s a r e co l l e ct e d in s e v e r a l pr o v in ce s s u ch a s Hu be i，Hu n an a n d Gu a n g x i， a n d t e s t s o n t h e r ma l ph y s ica l p a r a me t e r s a nd u n ia x ia l co mpr e s s iv e s t r e n g t h f o r t h e s o il s a mpl e s wit h d if f e r e n t in it ia l mo is t u r e co n t e nt s a r e co n d uct e d un d e r d if f e r e nt t e mpe r a t u r e co nd it io ns Th e t e s t r e s ul t s h o ws t h a t t h e l a r g e r t h e d r y d e n s it y o f fro z e n s o il ，t he l a r g e r t he t h e r ma l co n du ct iv it y；t h e l a r g e r t h e wa t e r co nt e n t ，t h e l a r g e r t he t h e r ma l co n d uct iv it y W it h in cr e a s e o f t e mp e r a t u r e， t he f a il u r e s t r a in o f fro z e n s oil ha s a n in cr e a s in