不同養(yǎng)護(hù)條件下黏土熱力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

摘要：溫度對(duì)土的物理力學(xué)特性有較大影響，對(duì)黏土開(kāi)展了不同養(yǎng)護(hù)條件下的溫控三軸試驗(yàn)，研究了黏土在不同溫度、不同時(shí)間下的熱力學(xué)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：黏土具有熱固結(jié)性質(zhì)，隨著溫度的增加，黏土的固結(jié)速度加快，試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間呈下降趨勢(shì)；在臨界溫度以下，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)軟化特性，為脆性破壞；在臨界溫度以上，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，為塑性破壞；黏土具有類似于混凝土“養(yǎng)護(hù)溫度”的性質(zhì)，即同一溫度作用下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，主應(yīng)力差越大；黏聚力在臨界溫度范圍以內(nèi)，隨溫度升高而降低，而在臨界溫度以上，隨溫度升高而增大；內(nèi)摩擦角在臨界溫度范圍以內(nèi)，基本不受溫度變化的影響，而在臨界溫度以上，內(nèi)摩擦角隨溫度增加而增大；黏土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)過(guò)程分為快速增長(zhǎng)階段、較快增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段，其最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間為快速增長(zhǎng)階段和較快增長(zhǎng)階段。

關(guān)鍵詞：黏土；熱力學(xué)；溫控三軸試驗(yàn)；養(yǎng)護(hù)；黏聚力；內(nèi)摩擦角

中圖分類號(hào)：TU411 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " "文章編號(hào)：1000-582X（2024）06-068-07

Experimental study on thermomechanical behaviour of clay under different curing conditions

XIAO Yongjie

（School of Architectural Engineering， Fuzhou Polytechnic， Fuzhou 350108， P. R. China）

Abstract： The physical and mechanical properties of soil are greatly influenced by temperature. Triaxial tests under different curing conditions were carried out on clay to investigate its thermomechanical behavior. This paper presents the findings of a laboratory investigation into the thermomechanical behavior of clay. Experimental results show that clay exhibits thermal consolidation properties. As temperature increases， the consolidation speed of clay accelerates， and the consolidation time shows a decreasing trend. Below the critical temperature， the stress-strain curve of the soil presents softening characteristics and brittle failure. Above the critical temperature， the stress-strain curve shows hardening characteristics and plastic failure. Clay exhibits a behavior similar to the “curing temperature” of concrete， where a longer curing time results in a greater principal stress difference. Within the critical temperature range， cohesion decreases with increasing temperature， while above the critical temperature， cohesion increases with temperature. Within the critical temperature range， the internal friction remains unaffected by temperature changes. However， above the critical temperature， the internal friction increases with temperature. The strength development of clay with curing time is divided into rapid growth， followed by a stage of less rapid growth and slow growth. The optimal curing time occurs during these rapid growth stages.

Keywords： clay; thermomechanical behaviour; temperature control triaxial test; curing; cohesion; internal friction

土體熱力學(xué)特性在一些工程應(yīng)用中起到主導(dǎo)地位，如地?zé)峤Y(jié)構(gòu)的熱交換樁、油砂提取烴類物質(zhì)、放射性廢棄物處理、城市“熱島”效應(yīng)等[1]。這些工程中，土體溫度變化可以達(dá)到30 ℃以上。由于熱效應(yīng)引起的工程地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越多，許多學(xué)者開(kāi)展了土體熱力學(xué)特性的研究。Demars等[2]研究發(fā)現(xiàn)在排水條件下黏土溫度的上升會(huì)引起體縮現(xiàn)象。Towhata等[3]研究表明正常固結(jié)黏土表現(xiàn)出熱收縮行為，而超固結(jié)黏土則表現(xiàn)為熱膨脹行為。Hueckel等[4]進(jìn)行了各向異性應(yīng)力狀態(tài)條件下熱誘導(dǎo)體積變化的研究。Burghignoli等[5]研究表明不同溫度下的壓縮曲線相互平行，且土體溫度越高，孔隙比越小。上述研究側(cè)重點(diǎn)是溫度對(duì)土體體變的影響，而未深入探討土體的熱力學(xué)特性。

Cekerevac等[6]開(kāi)展了常溫以上（22～90 ℃）飽和黏土的熱力學(xué)特性，對(duì)于低溫環(huán)境下黏土的熱力學(xué)特性有待進(jìn)一步研究。歐孝奪等[7]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究膨脹土與紅黏土的熱力學(xué)特性，探討了紅黏土與膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與溫度之間的相關(guān)關(guān)系。該研究通過(guò)將試樣靜置在恒定溫度的密閉容器中模擬溫度因素，達(dá)到靜置時(shí)間后再將試樣安裝到三軸儀器上進(jìn)行不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)。采用這種方法易對(duì)試樣造成損害，產(chǎn)生試驗(yàn)誤差，且只能進(jìn)行不固結(jié)不排水（UU）試驗(yàn)。范高飛等[8]和陸嘉楠等[9]對(duì)黏土進(jìn)行了溫控三軸剪切試驗(yàn)。

上述研究成果從不同角度反映了黏土服役溫度下的熱力學(xué)特性。但實(shí)際工程中，黏土需在一定條件下靜置一段時(shí)間（定義該過(guò)程為“養(yǎng)護(hù)”）才承受外部荷載，對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)條件下黏土的熱力學(xué)特性的研究甚少。筆者通過(guò)開(kāi)展黏土在不同養(yǎng)護(hù)條件（不同溫度、不同時(shí)間）下的溫控三軸試驗(yàn)，探討?zhàn)ね恋臒崃W(xué)特性，嘗試從熱力學(xué)試驗(yàn)角度進(jìn)行黏土力學(xué)特性的研究。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用全自動(dòng)巖土溫度-滲透-應(yīng)力-化學(xué)耦合多功能三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行固結(jié)排水（CD）試驗(yàn)，如圖1所示，其主要由主機(jī)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力體積控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。該試驗(yàn)設(shè)備能夠模擬環(huán)境溫度（-20～80 ℃）變化、保持土壤化學(xué)成分和化學(xué)元素含量不變的前提條件下，對(duì)土壤的物理力學(xué)性能和滲透特性進(jìn)行研究；實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度變化和土壤化學(xué)元素遷移條件下，土壤的物理力學(xué)特性和滲透特性的研究；完成化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)任意組合條件下，土壤相關(guān)特性的試驗(yàn)。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所采用土樣為福建地區(qū)的黏土，土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，試樣直徑39.1 mm、高80 mm。

1.3 試驗(yàn)方案

1）飽和：試樣裝好后，進(jìn)行溫度控制，將壓力室水溫分別設(shè)置為1、5、10、20、40、60、80 ℃，對(duì)試樣進(jìn)行反壓飽和，當(dāng)孔壓系數(shù)B值達(dá)到0.98以上，認(rèn)為試樣飽和。

2）固結(jié)：將試樣分別在圍壓100、200、300 kPa的條件下進(jìn)行排水固結(jié)，待試樣的固結(jié)度達(dá)到95%以上時(shí)，認(rèn)為固結(jié)完成。

3）養(yǎng)護(hù)：固結(jié)完成后，試樣在目標(biāo)溫度下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為0、30、60、90 h。

4）剪切：在目標(biāo)溫度下，對(duì)試樣進(jìn)行連續(xù)加載，剪切速率為0.5%/min，直至試樣破壞或應(yīng)變量進(jìn)行到20%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固結(jié)時(shí)間

圖2為試樣反壓飽和后，試樣固結(jié)時(shí)間與溫度的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）黏土存在“熱固結(jié)”現(xiàn)象，即隨著溫度的增加，黏土的固結(jié)速度加快，試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間呈下降趨勢(shì)。分析其原因，溫度的升高會(huì)降低水的動(dòng)力黏滯系數(shù)[10]，及引起礦物顆粒的熱膨脹[11]，從而誘使土體的滲透系數(shù)增大。2）顯然圍壓的增大能夠縮短試樣的固結(jié)時(shí)間，與現(xiàn)有研究結(jié)論一致[12?14]。

2.2 主應(yīng)力差

在圍壓200 kPa、養(yǎng)護(hù)時(shí)間0 h的情況下，開(kāi)展不同溫度條件的三軸試驗(yàn)，繪制主應(yīng)力差與應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖中得到如下規(guī)律：1）存在某一“臨界溫度”（10 ℃左右），在臨界溫度以下（1～10 ℃），土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)軟化特性，為脆性破壞；在臨界溫度以上（10～80 ℃），土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，為塑性破壞。這和霍明等[15]研究土的破壞形式（土溫低，多成脆性破壞；土溫高，成塑性破壞）的描述是一致的。需要說(shuō)明的是，由于溫度對(duì)土性的影響非常復(fù)雜，臨界溫度也因土體的差異而不同。2）在臨界溫度以下，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本相同。在1 ℃時(shí)，破壞時(shí)應(yīng)力峰值為520 kPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)?1.7%；在5 ℃時(shí)，破壞時(shí)應(yīng)力峰值為489 kPa，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?3.1%。說(shuō)明在臨界溫度以下，隨著溫度的降低，黏土的脆性增加。這種現(xiàn)象主要是由于低溫情況下黏土的黏聚力增大，從而增強(qiáng)土體的強(qiáng)度。3）在臨界溫度以上，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)基本相同。溫度lt;60 ℃時(shí)，主應(yīng)力差隨溫度升高增長(zhǎng)幅度較??；溫度gt;60 ℃時(shí)，主應(yīng)力差隨溫度升高而明顯增大。說(shuō)明高溫條件下，黏土的塑性較大，其強(qiáng)度也會(huì)增大。

進(jìn)一步開(kāi)展不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。研究表明：黏土具有類似于混凝土“養(yǎng)護(hù)溫度”的性質(zhì)，即同一溫度作用下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，主應(yīng)力差越大。這是由于溫度效應(yīng)的累積造成的[16]。

在養(yǎng)護(hù)時(shí)間30 h內(nèi)，主應(yīng)力差受溫度影響較顯著，養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)30 h后，主應(yīng)力差增勢(shì)減弱。說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)黏土強(qiáng)度影響主要集中在養(yǎng)護(hù)前期。

2.3 黏聚力

通過(guò)三軸試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出黏聚力，并繪出黏聚力與溫度的關(guān)系曲線，如圖5所示。結(jié)果表明：1）黏聚力與溫度之間的關(guān)系呈拋物線的關(guān)系。2）在臨界溫度范圍以內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而降低。這是因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下，黏土顆粒附近的黏滯水膜會(huì)增厚，誘使黏土可塑性增強(qiáng)，從而提高土體黏聚力[17]。3）在臨界溫度以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而增大。原因是黏土中的黏土礦物、鹽類和水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成難溶的結(jié)晶或沉淀物，且某些離子、元素從水溶液滲入到土體孔隙中或晶格體上，從而提高黏土的膠結(jié)作用[18]。

從圖5還可發(fā)現(xiàn)，在相同溫度情況下，黏聚力隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大。進(jìn)一步將溫度20 ℃、圍壓200 kPa條件下，計(jì)算出養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為0、30、60、90、120、150、180 h的黏聚力，如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）黏聚力與養(yǎng)護(hù)時(shí)間密切相關(guān)。根據(jù)黏聚力的增長(zhǎng)速度，將黏聚力隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)過(guò)程分為快速增長(zhǎng)階段、較快增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段。在養(yǎng)護(hù)前期（養(yǎng)護(hù)時(shí)間0～30 h范圍內(nèi)），黏聚力隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間基本呈線性增長(zhǎng)，處于快速增長(zhǎng)階段；在養(yǎng)護(hù)中期（養(yǎng)護(hù)時(shí)間30～90 h范圍內(nèi)），黏聚力隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)速度減慢，由快速增長(zhǎng)階段過(guò)渡到較快增長(zhǎng)階段；在養(yǎng)護(hù)后期（養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)90 h），黏聚力隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于水平，由較快增長(zhǎng)階段過(guò)渡到緩慢增長(zhǎng)階段。2）黏聚力對(duì)應(yīng)于快速增長(zhǎng)階段、較快增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段的增長(zhǎng)率分別為55%、34%、11%。由此可知，存在適合黏土的黏聚力增長(zhǎng)的最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間（快速增長(zhǎng)階段和較快增長(zhǎng)階段）。

2.4 內(nèi)摩擦角

圖7為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下黏土內(nèi)摩擦角隨溫度的變化規(guī)律。從圖7中可看出：1）在臨界溫度范圍以內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，內(nèi)摩擦角基本不受溫度變化的影響。這是因?yàn)橥恋膬?nèi)摩擦角與土顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實(shí)度密切相關(guān)[19]。而臨界溫度以下，只誘發(fā)黏土顆粒附近的黏滯水膜增厚，未改變土體顆粒結(jié)構(gòu)等物理性狀，內(nèi)摩擦角不受溫度影響。2）在臨界溫度以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，內(nèi)摩擦角隨溫度增加而增大。說(shuō)明在臨界溫度以上，黏土礦物、鹽類和水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，引起一些礦物溶解和另一些礦物沉淀，這些礦物形成大的凝聚體顆粒，導(dǎo)致黏土內(nèi)摩擦角增大。

從圖7還可發(fā)現(xiàn)，在相同溫度情況下，內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大。進(jìn)一步在溫度20 ℃、圍壓200 kPa條件下，計(jì)算出養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為0、30、60、90、120、150、180 h的內(nèi)摩擦角，如圖8所示。研究表明，內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律與黏聚力的變化規(guī)律一致；內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)過(guò)程分為快速增長(zhǎng)階段、較快增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段；黏土的內(nèi)摩擦角的最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間段為快速增長(zhǎng)階段和較快增長(zhǎng)階段。

3 結(jié) "論

1）黏土具有熱固結(jié)性質(zhì)，隨著溫度的增加，黏土的固結(jié)速度加快，試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間呈下降趨勢(shì)。

2）存在某一“臨界溫度”（10 ℃左右）。在臨界溫度以下（1～10 ℃），土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)軟化特性，為脆性破壞；隨著溫度的降低，黏土的脆性增加。在臨界溫度以上（10～80 ℃），土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，為塑性破壞；主應(yīng)力差隨溫度升高而增大。

3）黏土具有類似于混凝土“養(yǎng)護(hù)溫度”的性質(zhì)，即同一溫度作用下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，主應(yīng)力差越大。

4）在臨界溫度范圍以內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而降低。在臨界溫度以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，黏聚力隨溫度升高而增大。

5）在臨界溫度范圍以內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，內(nèi)摩擦角基本不受溫度變化的影響。在臨界溫度以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，內(nèi)摩擦角隨溫度增加而增大。

6）黏土強(qiáng)度（黏聚力和內(nèi)摩擦角）隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)過(guò)程分為快速增長(zhǎng)階段、較快增長(zhǎng)階段、緩慢增長(zhǎng)階段，其最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間為快速增長(zhǎng)階段和較快增長(zhǎng)階段。

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（編輯 "鄭潔）

doi：10.11835/j.issn.1000.582X.2024.06.007

收稿日期：2023-12-20

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2019J05128）；福建省中青年教師教育科研資助項(xiàng)目（JZ230082）。

Foundation：Supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province（2019J05128）and Young and Middle-aged Teachers Education Scientific Research Project of Fujian Province（JZ230082）.

作者簡(jiǎn)介：肖勇杰（1988—），男，博士，副教授，主要從事土力學(xué)與基礎(chǔ)工程方向研究，（E-mail）xiao_yongjie@126.com。