凍融循環(huán)對路基土時效性影響試驗分析

于慶斌

(中鐵十九局集團 第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎設施建設也隨之快速推進.公路作為基礎設施的重要組成部分，是推動區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的關鍵.隨著國家重新對東北老工業(yè)基地的關注，東北地區(qū)的公路網(wǎng)建設再次迎來新的機遇.然而在建設過程難免會遇到一些技術難題，比如凍融循環(huán)作用.一直以來，路基土的凍融循環(huán)作用備受關注.

近年來，我國學者針對高速公路路基凍融循環(huán)問題進行了大量研究，成果頗豐.何菲等基于低溫動態(tài)三軸試驗機對青藏鐵路路基土進行了低溫凍結試驗研究，分析了動回彈模量、阻尼系數(shù)等力學參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關系[1].普毅等通過共振柱試驗對季凍區(qū)路基土的剪切模量隨凍融循環(huán)和含水率的變化規(guī)律進行了研究[2].張宜洛等對內(nèi)蒙古東部的2種典型路基土進行了三軸試驗研究，分析了動回彈模量在不同荷載及含水率下的變化規(guī)律，并根據(jù)試驗結果給出了動回彈模量的取值區(qū)間[3].張莎莎等對粗粒硫酸鹽漬土中的水分遷移進行了研究，分析了土中水分與凍融循環(huán)之間的關系[4].杜海民等對含冰量較高的凍結粉砂土進行了三軸循環(huán)加卸載試驗研究，分析此種狀態(tài)下粉砂土的能量耗散情況和剪切模量變化情況[5].張向東等通過室內(nèi)凍土動態(tài)三軸試驗儀對二灰改良的風積砂土進行了凍融循環(huán)試驗研究，給出改良風積砂土最佳摻配百分比為30%～40%[6].牛笑笛等使用化學固化方法對受凍融循環(huán)作用后的路基土進行研究，從微觀方面對其強度變形機理進行了研究[7].熊紅強等基于GDS三軸試驗系統(tǒng)對凍融循環(huán)作用后的粉砂土進行了三軸試驗研究，分析了動回彈模量、阻尼比隨凍融次數(shù)和圍壓的分布規(guī)律[8].張玉芝等針對高速鐵路路基受凍融循環(huán)作用的影響，研究了一種能夠追蹤凍融循環(huán)作用下路基內(nèi)水分遷移的裝置[9].

綜上研究可知，前人對于路基土在時效性方面研究較少，研究成果相對單一.因此本文結合東北地區(qū)某在建公路的工程實際對凍融循環(huán)作用下的路基土進行單軸蠕變試驗研究，為寒區(qū)路基土的力學特性作進一步補充.

1 凍融循環(huán)蠕變試驗設計

1.1 試驗設備與試樣制備

本文凍融循環(huán)試驗在中國建科院自行研制的CABR-HDK9A型快速凍融試驗機上完成，溫度變化范圍在-40～40 ℃，溫控精度為±0.2 ℃，滿足本文試驗要求.凍融循環(huán)作用后的路基土三軸蠕變試驗在GDS多功能三軸試驗機上完成，試驗材料取自東北地區(qū)某在建高速公路路基.地質勘查資料顯示，該路基為粉質黏土.依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》對該路基土進行了基本物理性質分析，結果見表1.將取回的土體按巖土三軸試驗標準制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱試樣，以備后續(xù)試驗使用.

表1 材料的物理性質

1.2 凍融循環(huán)蠕變試驗方案

將制備好的路基土試件放入冷凍箱內(nèi)冷凍48 h，冷凍箱溫度設置為-20 ℃，然后將試件取出在恒室內(nèi)環(huán)境中存放48 h，此為1個完整的凍融循環(huán)過程.本文將凍融循環(huán)試驗分為4組，設置凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、5、10、15次，每組包含2個試件.本文蠕變試驗在恒溫室內(nèi)進行，以天然含水狀態(tài)下試樣的單軸抗壓強度作為分級加載的依據(jù)，初級荷載為峰值抗壓強度的40%，每級荷載增量為10 kPa，每級荷載施加時間為24 h，采樣間隔為0.2 s.荷載分級水平如表2所示.

表2 荷載分級水平

2 試驗結果分析

2.1 路基土變形分析

通過Boltzmann疊加原理對不同凍融循環(huán)次數(shù)下路基土試樣的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到的最終軸向蠕變曲線如圖1所示.

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下路基土蠕變曲線

路基土試件在軸向荷載施加瞬間會產(chǎn)生瞬時變形，且試樣在荷載的長期作用下會產(chǎn)生蠕變變形.在第1級荷載水平作用下，試樣的蠕變變形量較大，隨著荷載水平的逐漸增大，曲線斜率逐漸遞增，試樣的蠕變特性越來越顯著；在破壞荷載前，試樣的蠕變曲線主要分為2個階段，即衰減蠕變和等速蠕變，蠕變速率逐漸由0增大至某一恒定值，并保持不變；當荷載水平施加至最后一級時，試樣的變形量快速增大，曲線斜率開始加速增大，試樣表現(xiàn)出顯著的蠕變?nèi)A段特征，即衰減、等速和加速蠕變階段，并最終在加速階段失穩(wěn)破壞.同一荷載水平下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的瞬時變形量、蠕變變形量和曲線斜率均呈逐漸遞增趨勢.

相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下的路基土試樣的蠕應變平均增幅Δε可表示為

(1)

式中：εi、εj分別為凍融循環(huán)次數(shù)是i、j次時的蠕應變值，當i取5、10、15時，j取0、5、10.

圖2為不同荷載水平下路基土試件的蠕應變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，不同荷載水平下試樣的蠕應變與凍融循環(huán)次數(shù)之間的變化規(guī)律基本一致.在第1級荷載水平作用下，試樣的蠕應變效應顯著，原因是路基土制樣過程中內(nèi)部存在大量孔隙，當試樣受到外部荷載作用時，這些孔隙會逐漸閉合，進而表現(xiàn)出較大的蠕應變.

圖2 不同荷載水平下試樣蠕應變與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

表3為相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下蠕應變的平均增幅，由表3可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長，路基土試樣的蠕應變逐漸增大，相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的平均蠕應變增幅大小依次為0～5次、5～10次、10～15次；其中0～5次的蠕應變平均增幅為51.27%，5～10次的平均增幅為10.32%，10～15次的平均增幅為6.18%，表明凍融循環(huán)初期對路基土的影響較大。說明5次凍融循環(huán)后路基土的蠕應變增幅較大.

表3 相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下路基土蠕應變平均增幅

由表3和圖2還可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同荷載水平下路基土試樣的最大蠕應變與最小蠕應變的差值逐漸增大；當凍融循環(huán)次數(shù)為0時，試樣的最大蠕應變與最小蠕應變的差值為1.63×10-4；當凍融循環(huán)次數(shù)分別為5、10、15次時，試樣的蠕應變差值較凍融循環(huán)0次時分別增長了11.11%、24.31%、43.65%.原因是凍融循環(huán)使試樣內(nèi)部的水分反復凍結融化，致使土顆粒間的骨架結構承載能力減弱，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這種劣化作用越強，進而使試樣的變形量逐漸增大.

圖3為不同荷載水平下路基土試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，可以看出:不同荷載水平下試樣穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的分布規(guī)律基本一致，即穩(wěn)態(tài)蠕變應變率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大.相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率增幅見表4，由表4可知穩(wěn)態(tài)蠕變速率的平均增幅大小依次為：0～5次、5～10次、10～15次.

圖3 路基土軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

表4 相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下路基土試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率平均增幅

2.2 路基土加速蠕變階段分析

加速蠕變階段的應變和應變率隨時間的變化曲線如圖4所示，可以看出：在最后一級荷載水平的作用下，試樣經(jīng)歷衰減蠕變、等速蠕變后，進入加速蠕變，且衰減蠕變階段和加速蠕變階段持續(xù)時間較短，等速蠕變階段持續(xù)時間較長，不同凍融循環(huán)次數(shù)下均出現(xiàn)加速蠕變，即試樣均發(fā)生破壞.對比不同凍融循環(huán)次數(shù)下的破壞荷載和蠕變曲線發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的破壞荷載和蠕變歷時均呈逐漸減小趨勢，當凍融循環(huán)0次時，試樣的破壞荷載為106.06 kPa，蠕變歷時為7.42 h；當凍融循環(huán)次數(shù)為15次時，試樣破壞荷載為95.96 kPa，蠕變歷時為4.47 h；可見凍融循環(huán)次數(shù)增加導致試樣的損傷劣化加重，承載能力和承載時間顯著下滑.由圖4還可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的蠕變速率均為下降—穩(wěn)定—上升的變化趨勢，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，穩(wěn)定階段逐漸縮短.

(a) 凍融循環(huán)0次

(b) 凍融循環(huán)5次

(c) 凍融循環(huán)10次

(d) 凍融循環(huán)15次圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下路基土加速蠕變階段應變及應變速率與時間的關系曲線

3 結論

1) 受凍融循環(huán)作用影響，路基土的瞬時應變和蠕應變均出現(xiàn)明顯增大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣內(nèi)部骨架結構劣化程度更為嚴重，試樣的變形能力逐漸增強，承載能力逐漸減弱.

2) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同荷載水平下路基的蠕變變形量的最大值與最小值之差逐漸增大，原因是凍融循環(huán)使試樣內(nèi)部水分反復凍結融化，致使土顆粒間的骨架承載能力降低，最終導致蠕變變形量增大.

3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的平均蠕應變增幅逐漸減小，其中凍融循環(huán)0～5次內(nèi)應變增幅最大，10～15次內(nèi)應變增幅最?。幌噜弮鋈谘h(huán)次數(shù)下試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率同樣逐漸減小.

4) 加速蠕變階段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，試樣的破壞荷載和蠕變歷時均呈逐漸減小趨勢.