凍融循環(huán)對(duì)不同含水率粗粒土回彈模量的影響

陳忠達(dá)，陳冬根，，陳建兵，董元宏，張 苛

(1．長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064;2．中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710065)

0 引言

多年凍土地區(qū)道路工程的穩(wěn)定性主要是路基的穩(wěn)定性，除路基下伏多年凍土融化造成的融沉變形之外，路基填料經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度損傷也是道路產(chǎn)生病害的主要原因［1-3］．我國(guó)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，多年凍土區(qū)優(yōu)先采用卵石土或碎石土(以下簡(jiǎn)稱(chēng)粗粒土)作為填料［4］，但在具體的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)采用粗粒土作為路基填料時(shí)仍然存在吸濕凍脹問(wèn)題［5-6］，不免會(huì)引起路基體強(qiáng)度的損傷，從而影響多年凍土區(qū)道路的安全舒適運(yùn)營(yíng)．因此，研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)粗粒土的影響對(duì)多年凍土地區(qū)道路穩(wěn)定性具有重要的理論指導(dǎo)作用．

關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)路基填料工程、力學(xué)性質(zhì)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相應(yīng)的研究工作，取得了一定的研究成果． Chamberlain［7］針對(duì)4 種不同塑性指數(shù)的黏性土，進(jìn)行了不同圍壓下的3 次凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到了土體孔隙比和滲透性均變大的規(guī)律;楊成松［8］通過(guò)補(bǔ)水的凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)青藏砂質(zhì)黏土和輕亞黏土的干密度經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后趨于某一定值，且含水率比初始含水率大;王大雁［9］通過(guò)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反復(fù)的凍融循環(huán)作用改變了青藏黏土的性狀，力學(xué)參數(shù)逐漸減小，直至穩(wěn)定，土體最終走向新的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài);宋春霞［10］通過(guò)對(duì)蘭州黃土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對(duì)不同干容重的土體具有強(qiáng)化和弱化的雙重作用，相同凍結(jié)溫度梯度下，隨著土樣干容重的增大，凍融后前期固結(jié)壓力和黏聚力具有先增大后減小的規(guī)律;李國(guó)玉［11］開(kāi)展了補(bǔ)水條件下壓實(shí)黃土的凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)壓實(shí)黃土的水分分布、變形、干密度等工程地質(zhì)特性的影響;毛雪松［12］憑借回彈模量試驗(yàn)，認(rèn)為相比凍融循環(huán)次數(shù)，含水率是影響西安地區(qū)黃土回彈模量的主要因素．

綜上所述，凍融循環(huán)作用對(duì)路基土體工程性質(zhì)的削弱是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，但對(duì)于多年凍土地區(qū)粗粒土填料的影響鮮有研究．因此，筆者通過(guò)對(duì)青海省共和至結(jié)古高等級(jí)公路施工工地典型粗粒土路基填料展開(kāi)研究，以期為后期青藏高速公路路基填料選擇提供指導(dǎo)．

1 試驗(yàn)方案

1．1 土樣物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自青海省共和至結(jié)古高等級(jí)公路路基施工填料料場(chǎng)，通過(guò)對(duì)上述路基填料進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，確定凍土區(qū)路基填料顆粒級(jí)配，級(jí)配如圖1 所示，土樣顆粒直徑5 mm 以上粗粒土部分天然密度為2．65 g/cm3，5 mm 以下粗粒土部分天然密度為2．58 g/cm3;細(xì)料部分液限為29．3%，塑限為21%，塑性指數(shù)為8．3%，屬于凍脹性強(qiáng)的粉土土質(zhì)．

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig．1 Soil particle size distribution curve

1．2 試驗(yàn)方法及方案

路基填料回彈模量采用強(qiáng)度儀法測(cè)定，考慮粗粒土最大粒經(jīng)的影響，試件采用圓柱體試件，直徑為15．2 cm，高度為12 cm，在成型方式上采用靜壓一次性成型．回彈模量按照下式進(jìn)行計(jì)算．

式中:E 為回彈模量，MPa;D 為承載板直徑，取50 mm;Pi為i 級(jí)荷載下承載板的單位壓力，MPa ;li為i 級(jí)荷載對(duì)應(yīng)單位壓力下的回彈變形，mm;μ 為土的泊松比，取0．25．

凍融循環(huán)試驗(yàn)凍結(jié)溫度采用-20 ℃，融化溫度采用30 ℃．為保證試件完全凍結(jié)、融化，試驗(yàn)時(shí)內(nèi)設(shè)一個(gè)測(cè)溫探頭的平行試件，以判斷試件是否凍結(jié)、融化完全，最終確定凍結(jié)時(shí)間為12 h，融化時(shí)間同樣為12 h．

通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定的該土樣最大干密度和最佳含水率分別為2．290 g/cm3，5．96%．試件按98% 壓實(shí)度成型試件，同時(shí)，將制作好的試件用塑料薄膜包好，在封閉裝置中靜置7 d，最后進(jìn)行試驗(yàn)．進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，為防治水分蒸發(fā)散失，試件采用雙層塑料薄膜包裹．為了研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)不同含水率粗粒土路基填料回彈模量的影響，按照5．96%，7%，8% 3 種不同含水率制樣，測(cè)試不同含水率粗粒土試件經(jīng)歷0，1，2，4，6，8，10 次凍融循環(huán)次數(shù)后的回彈模量，每組試驗(yàn)包含3 個(gè)試件．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 凍融循環(huán)作用對(duì)粗粒土回彈模量的影響

凍融循環(huán)作用使冰水產(chǎn)生多次相變，改變了土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，從而影響土體的工程、力學(xué)性質(zhì)．筆者通過(guò)對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的粗粒土試件進(jìn)行回彈模量試驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)荷載下的單位壓力-回彈變形曲線(以下稱(chēng)p - l 曲線)，圖2為不同含水率試件經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的p - l 曲線，由圖2 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，p -l 曲線斜率呈減小的趨勢(shì)，隨著含水率的增加，0，1，2 次凍融循環(huán)次數(shù)后的p-l 曲線斜率衰減較為強(qiáng)烈，以后各次凍融循環(huán)次數(shù)后的p-l 曲線斜率衰減相對(duì)較為緩慢．

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后的p－l 曲線Fig．2 p-l curves with different freeze thaw cycles

利用式(1)計(jì)算試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的回彈模量，得到不同含水率試件回彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖3 所示． 由圖3 可知，經(jīng)歷第1 次凍融循環(huán)，5．96%，7%，8%含水率試件回彈模量分別衰減8． 49%，11． 42%，14．37%，第1 次凍融循環(huán)作用對(duì)回彈模量衰減的影響隨著含水率增加顯得更為強(qiáng)烈，低含水率試件回彈模量衰減的較為均勻，到8 次凍融循環(huán)作用后趨于穩(wěn)定，而高含水率試件頭次衰減較為強(qiáng)烈，后面幾次也是基本按照較小的幅度均勻衰減，直到10 次凍融循環(huán)次數(shù)后趨于穩(wěn)定．

對(duì)于上述現(xiàn)象分析原因可能是:試件在成型過(guò)程中存在一定量孔隙，當(dāng)含水率較低時(shí)，自由水沒(méi)有充滿試件土體中的孔隙，凍結(jié)作用下水變成冰體積膨脹對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞不是很明顯，故回彈模量值表現(xiàn)為衰減不大，且呈均勻衰減直到穩(wěn)定;試件含水率大時(shí)自由水含量較多，自由水幾乎充滿整個(gè)孔隙，凍結(jié)過(guò)程中水變成冰體積膨脹破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，增加了土體的孔隙，且融化后空隙無(wú)法恢復(fù)，結(jié)構(gòu)遭到破壞，黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，從而回彈模量衰減較大，由于第一次凍脹就造成了試件土體結(jié)構(gòu)的永久破壞，所以高含水率試件第一次凍融衰減最大，而后，回彈模量按照較小幅度的衰減直至穩(wěn)定．

圖3 回彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig．3 Variation curves of elastic modulus with freeze thaw cycles

2．2 含水率對(duì)粗粒土回彈模量的影響

水對(duì)任何工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)都有一定的弱化作用，對(duì)于路基體而言則是造成土顆粒間黏結(jié)力的下降，進(jìn)而造成破壞．通過(guò)回彈模量試驗(yàn)測(cè)定不同含水率試件在0，1，6 次凍融循環(huán)作用后的回彈模量，畫(huà)出與之對(duì)應(yīng)的p-l 曲線，如圖4 所示，均發(fā)現(xiàn)同等凍融循環(huán)次數(shù)后試件的p-l 曲線斜率隨含水率的增大而減小，由圖4(c)還可以知道經(jīng)歷6 次凍融循環(huán)作用后，含水率從5．96%增大到7%的過(guò)程中回彈模量幾乎不衰減，從7%增大到8%的過(guò)程中回彈模量損失的較為嚴(yán)重． 在含水率增大過(guò)程中，粗粒土回彈模量的衰減趨勢(shì)與毛雪松［12］所研究的西安地區(qū)黃土差異較大，是因?yàn)榇诸w粒在粗粒土中形成了骨架．

圖4 不同含水率對(duì)應(yīng)的p-l 曲線Fig．4 p-l curves with different moisture content

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以得到不同凍融循環(huán)次數(shù)后回彈模量隨含水率的變化曲線，如圖5 所示．由圖5 可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)后，回彈模量隨含水率的變化規(guī)律基本相同，都是回彈模量隨含水率的增大而減?。蕪?．96%到7%增大的過(guò)程中，回彈模量的減小隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減弱的趨勢(shì)，這點(diǎn)可能是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，低含水率試件土體結(jié)構(gòu)漸漸的趨于穩(wěn)定的結(jié)果，相比低含水率試件，高含水率試件穩(wěn)定需要更多的凍融循環(huán)次數(shù)．

分析其原因，成型得到的土體結(jié)構(gòu)隨著初始含水率的不同而變化，當(dāng)含水率增加時(shí)，土體結(jié)構(gòu)孔隙中自由水增加，這部分自由水起到了潤(rùn)滑作用，減小了細(xì)顆粒間的黏聚力，甚至減小了粗顆粒骨料間的內(nèi)摩擦角，從而減小了阻力，故在宏觀上表現(xiàn)為回彈模量的減少．同時(shí)，土體中的水分為自由水和結(jié)合水，自由水又分為毛細(xì)水和重力水，自由水雖然基本上不受土顆粒間的吸附作用影響，但是表面張力和重力依然決定了毛細(xì)水的存在，由于在制件的過(guò)程中粉黏粒含量和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，故土顆粒對(duì)水的基質(zhì)吸力基本上也是相同的，含水率增加的過(guò)程也是不被土顆?；|(zhì)吸力控制自由水增加的過(guò)程，部分不被控制的自由水會(huì)增大土顆粒間自由水膜厚度，弱化土體的強(qiáng)度，從而也在宏觀上表現(xiàn)為回彈模量的減?。?/p>

2．3 含水率、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)回彈模量影響的綜合評(píng)價(jià)

由上述可知，含水率、凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)粗粒土強(qiáng)度的弱化均有一定的貢獻(xiàn)． 為進(jìn)一步定量研究含水率、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粗粒土填料回彈模量的影響，引入回彈模量折減系數(shù)A．

式中:A 為回彈模量折減系數(shù);Ei為某一凍融循環(huán)次數(shù)下不同含水率土樣的回彈模量、或某一含水率下不同凍融循環(huán)次數(shù)后土樣的回彈模量;E0為未凍融土樣在最佳含水率狀態(tài)下的回彈模量．

由表1 可知，含水率和凍融循環(huán)作用兩種因素對(duì)粗粒土回彈模量的影響均不可忽視． 未經(jīng)凍融作用試件，含水率自5．96%增加到8%過(guò)程中，回彈模量衰減13．25%;5．96%含水率試件經(jīng)歷10 次凍融循環(huán)次數(shù)后衰減30．74%，8%含水率試件經(jīng)歷10 次凍融循環(huán)次數(shù)后衰減41．34%．

表1 回彈模量折減系數(shù)Tab．1 Resilient modulus reduction coefficient

3 結(jié)論

筆者通過(guò)試驗(yàn)研究了不同含水率試件在多次凍融循環(huán)作用后回彈模量變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論，并根據(jù)結(jié)論提出了建議．

(1)3 種含水率試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后回彈模量減小，低含水率試件在8 次凍融作用以后其值基本保持不變，高含水率試件則是10 次．

(2)土樣經(jīng)歷第1 次凍融循環(huán)作用回彈模量的衰減隨著含水率的增加而增大，可見(jiàn)含水率對(duì)粗粒土的影響也不可輕視．

(3)隨著含水率的增大，土樣回彈模量衰減相比西安地區(qū)黃土表現(xiàn)的較為均勻，這可能與粗粒料形成的骨架結(jié)構(gòu)有關(guān)．

(4)通過(guò)綜合分析凍融循環(huán)作用、含水率對(duì)回彈模量的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)、含水率兩個(gè)因素的影響都不可忽視，故建議多年凍土區(qū)公路路基設(shè)計(jì)時(shí)，保證優(yōu)質(zhì)路基填料的同時(shí)也要做好路基排水工作．

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