凍融循環(huán)對(duì)陽(yáng)曲隧道黃土細(xì)觀損傷演化規(guī)律影響研究*

楊更社，田俊峰，葉萬(wàn)軍

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054)

0 引 言

黃土是中國(guó)廣泛分布的特殊土，是一種第四紀(jì)的沉積物，多分布于干旱、半干旱地區(qū)，常態(tài)為非飽和狀態(tài)，含水率和溫度對(duì)其強(qiáng)度特性有著重要的作用，寒冷地區(qū)黃土工程近些年得到了較大的發(fā)展，黃土的凍融強(qiáng)度劣化是凍土力學(xué)與工程重要研究課題之一。

隨著CT(Computed tomography)掃描技術(shù)在巖土工程中的廣泛應(yīng)用，因其可對(duì)材料在受力過(guò)程中的動(dòng)態(tài)、定量和無(wú)損量測(cè)，可根據(jù)物體不同薄層的圖像資料三維成像、超大檢測(cè)面積和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，近些年在土的微觀研究中得到了較為廣泛的 使 用 和 發(fā) 展。吳 紫 汪(1996)［1］、馬 巍(1997)［2］等對(duì)凍土單軸蠕變過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了CT 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);賴(lài)遠(yuǎn)明(2000)［3］等對(duì)大版山隧道圍巖的凍融損傷進(jìn)行了CT 分析;雷勝友(2004)［4］等對(duì)黃土進(jìn)行了三軸剪切、浸水濕陷過(guò)程的CT 掃描，根據(jù)數(shù)據(jù)和損傷理論，對(duì)原狀黃土進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)的分析;劉增利(2005)［5］等基于CT對(duì)凍土單軸壓縮所造成的損傷進(jìn)行了本構(gòu)分析;王朝陽(yáng)(2006，2010)［6-7］等采用三軸CT 實(shí)時(shí)試驗(yàn)對(duì)原狀黃土在三軸剪切試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行了研究，提出了用CT 數(shù)所定義的損傷變量關(guān)系，擬合得出損傷變量與軸向應(yīng)變及偏應(yīng)力的關(guān)系式。趙淑萍(2010，2012)［8-9］等基于CT 單向壓縮試驗(yàn)對(duì)凍結(jié)重塑蘭州黃土進(jìn)行了損傷耗散勢(shì)研究;方詳位(2011)［10］利用CT 多功能土工三軸儀對(duì)非飽和原狀Q2黃土進(jìn)行三軸浸水變形特性的研究。葉萬(wàn)軍(2007)［11］根據(jù)影響黃土路鏨邊坡斷面設(shè)計(jì)的5 個(gè)指標(biāo)，建立邊坡斷面設(shè)計(jì)的模糊判斷矩陣，將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模糊值。郭利平(2010)［12］結(jié)合黃土的抗拉特性，探討并建立了基于開(kāi)挖擾動(dòng)引起黃土邊坡剝落破壞的分析模型。馮曉光(2012)［13］通過(guò)peck 公式的兩個(gè)重要參數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正，使其適用于黃土地區(qū)，并為今后黃土地區(qū)地鐵的盾構(gòu)施工提供參考依據(jù)。任建喜(2009)［14］完成了單一預(yù)制裂紋的裂隙砂巖三軸壓縮條件下的細(xì)觀破壞特征CT 實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)。盧全中(2006)［15］總結(jié)了黃土高原地區(qū)第四紀(jì)斷層與構(gòu)造地裂縫等結(jié)構(gòu)面的特征及災(zāi)害效應(yīng)，得出了其特性影響因素。謝星(2006，2009)［16-17］建立了Q2黃土的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。鄭志勇(2008)［18］深入探討了銅川黃土滑坡的地質(zhì)和非地質(zhì)因素、形成機(jī)理及發(fā)育過(guò)程，提出了具有一定操作性的防治對(duì)策。李加貴利用定義的非飽和Q3黃土的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了側(cè)向卸荷過(guò)程的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化方程。鄭劍鋒通過(guò)在1 MPa 圍壓下不同溫度條件下凍結(jié)蘭州黃土三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程的CT動(dòng)態(tài)掃描，獲得了由CT 數(shù)表示的土體損傷量表達(dá)式。朱元青進(jìn)行了一系列控制吸力的CT-三軸濕陷試驗(yàn)，得到了加載過(guò)程和濕陷過(guò)程中的宏觀反應(yīng)曲線和相適應(yīng)的CT 掃描圖像。

山西陽(yáng)曲1 號(hào)黃土公路隧道位于山西省中部陽(yáng)曲縣與盂縣交界處。隧道圍巖含水率為23%左右，由于含水率高及凍融作用的影響，導(dǎo)致隧道病害的發(fā)生。陽(yáng)曲1 號(hào)隧道在2010 年4 月1 日掌子面未進(jìn)行施工情況下左線發(fā)生冒頂。分析原因認(rèn)為陽(yáng)曲地區(qū)12 月至來(lái)年3 月為冬季，早晚溫差大而產(chǎn)生日凍融循環(huán)。該線路在穩(wěn)定高含水率黃土隧道圍巖的費(fèi)用共計(jì)達(dá)到數(shù)億元。僅從保證該條公路建設(shè)質(zhì)量和效益來(lái)講，文中就都具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

可以看出，對(duì)于溫度對(duì)黃土的細(xì)觀損傷研究方面，許多人做了大量的工作。本文主要針對(duì)山西陽(yáng)曲特殊的黃土特征，對(duì)其進(jìn)行凍融循環(huán)后的細(xì)觀損傷的CT 掃描特征分析，從而得到山西陽(yáng)曲黃土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的劣化特性，為同類(lèi)型的隧道施工提供參考。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣選取

陽(yáng)曲1 號(hào)隧道隧址區(qū)地表表層為第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪坡積層Q4al+pl+dl，為了盡可能保持試樣的原始狀態(tài)，嚴(yán)格原狀土樣的制備按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)土工試驗(yàn)的規(guī)定要求制作試樣，減少人為擾動(dòng)影響，制備好的土樣保證重量誤差在1%之內(nèi)。

試樣天然含水率為22.65%，計(jì)算可得天然狀態(tài)下的塑性指數(shù)IP為0.30，具有中塑性，其天然狀態(tài)處于可塑狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用天津市港源試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的DWX-150 -30 型低溫試驗(yàn)箱。由進(jìn)口壓縮機(jī)、冷凝器、過(guò)濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器、恒溫槽、數(shù)顯儀器、數(shù)碼控溫系統(tǒng)等組成。各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為:儀器容積150 L，控溫范圍0 ～-30 ℃，控溫精度±1℃，電源AC220 V，50 Hz，如圖1 所示。

表1 顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Particle size analysis test results

表2 含水率試驗(yàn)結(jié)果描述統(tǒng)計(jì)分析表Tab.2 Moisture content test results of descriptive statistics analysis table

表3 試驗(yàn)樣品初始條件Tab.3 Initial conditions of test samples

圖1 DWX-150 -30 型低溫試驗(yàn)箱Fig.1 DWX-150 -30 type low temperature test box

本次CT 試驗(yàn)使用的是中科院寒旱所的SIEMENS SOMATOM plus 型X 射線螺旋CT 機(jī)，空間分辨率為0.35 mm×0.35 mm.

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)山西陽(yáng)曲隧道取樣開(kāi)展凍融循環(huán)條件下黃土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀損傷規(guī)律試驗(yàn)。樣品共進(jìn)行了25 次凍融循環(huán)。試樣樣品初始條件見(jiàn)表3，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4 ～6.

表4 試樣初始掃描值Tab.4 Initial specimen scanning value

圖5 ～7 為試驗(yàn)結(jié)果分析曲線。圖2 ～4 為每次掃描時(shí)上部、中間層面和下部的圖像，其中(a ～f)分別表示樣品初始狀態(tài)、凍融循環(huán)5，10，15，20，25 次狀態(tài)下掃描的照片。由圖可以看出，未烘干前天然土樣是有微孔洞和微裂紋的初始損傷介質(zhì)，且初始損傷有不均勻性。在凍融循環(huán)作用下，烘干后土樣中的微裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，微裂紋出現(xiàn)伸長(zhǎng)、分叉、貫通、損傷擴(kuò)展過(guò)程。試件凍融后破壞多發(fā)生在其初始空隙分布較密集處，可見(jiàn)初始空隙多、水容易進(jìn)入的部位是易發(fā)生破壞的薄弱部位，凍融作用對(duì)黃土試件的破壞作用與其空隙分布結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

表5 凍融循環(huán)對(duì)不同區(qū)ME 值影響表Tab.5 Effect of freeze thaw cycles on different ME value

圖2 黃土樣品上部層面各狀態(tài)CT 掃描圖像Fig.2 Each state CT scanning image of upper level loess samples

圖3 黃土樣品中間層面各狀態(tài)CT 掃描圖像Fig.3 Each state CT scanning image of middle level loess samples

表6 凍融循環(huán)對(duì)不同區(qū)SD 值影響表Tab.6 Effect of freeze thaw cycles on different SD value

圖4 黃土樣品下部層面各狀態(tài)CT 掃描圖像Fig.4 Each state CT scanning image of lower level loess samples

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與密度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between freezing and thawing cycles and density

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)與ME 值的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between freezing and thawing cycles and ME value

圖7 凍融循環(huán)次數(shù)與SD 值的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between freezing and thawing cycles and SD value

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，樣品在0 ℃，-10 ℃凍16 h，-20 ℃凍8 h 的凍結(jié)溫度下掃描，體積稍增，密度稍減，變化不大;10 ℃經(jīng)歷16 h 保溫掃描，CT 數(shù)中心減小，邊緣增大，標(biāo)差增大，說(shuō)明凍結(jié)過(guò)程發(fā)生水分向低溫端(由內(nèi)向外)遷移。凍結(jié)過(guò)程體積-密度發(fā)生變化，土樣發(fā)生明顯的凍脹密減現(xiàn)象;凍融循環(huán)后在整數(shù)周期(20 ℃)時(shí)掃描，樣品內(nèi)外殘存含水率差異(外大內(nèi)小)，土體保持而水分有所喪失，各區(qū)域含水率幾乎同步減小。

從CT 數(shù)與凍融循環(huán)關(guān)系曲線上來(lái)看，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土CT 數(shù)均值減少，方差增大，這是由于土樣外表面在凍結(jié)時(shí)被封閉，土樣內(nèi)部孔隙水很難遷移到土樣外表面，只能在外表面凝結(jié)成冰，水冰相變體積膨脹，對(duì)孔壁產(chǎn)生凍脹力，凍脹力的產(chǎn)生使得土樣原來(lái)的損傷微裂隙、微孔洞以及微裂紋產(chǎn)生新的損傷，土樣密度減少，從而CT 數(shù)均值也減少。當(dāng)15 次凍融循環(huán)后，CT 數(shù)均值趨于平緩，這是由于經(jīng)過(guò)前面凍融循環(huán)后，產(chǎn)生了大量的微裂隙、空洞;同時(shí)，水分在不斷的流失，空隙內(nèi)很難飽水，凍結(jié)時(shí)候，產(chǎn)生了水分遷移，凍脹時(shí)產(chǎn)生的凍脹力小，損傷的擴(kuò)展也小?？傮w上來(lái)看，土樣ME 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，SD 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):凍融循環(huán)25 次后，體積縮小0.42%，密度減少4.5%;這是由于在凍融循環(huán)過(guò)程中有土質(zhì)損失，水分也不斷的損失。

利用凍融循環(huán)次數(shù)定義損傷變量

式中 Ddr為在凍融循環(huán)條件下的損傷變量;當(dāng)Ddr=1 時(shí)，說(shuō)明土樣開(kāi)始破壞;ni為在i 次循環(huán)次數(shù);Nf為在試樣到達(dá)破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù);K 為修正系數(shù)，與土性、地域等因素有關(guān)。

圖8 為循環(huán)次數(shù)與損傷變量的關(guān)系曲線，由圖可見(jiàn)，在初始凍結(jié)過(guò)程中，損傷變量出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明在初期由于土樣閉合空隙占大多數(shù)，含水率較小，水的滲入造成了土樣密度增大，CT 數(shù)均值增大，損傷變量減少。達(dá)到了一定的凍融次數(shù)后(9次凍融循環(huán)后)，土樣原來(lái)閉合的空隙開(kāi)始貫通飽水，凍脹力開(kāi)始發(fā)揮主導(dǎo)作用，裂隙擴(kuò)展、密度減少，CT 數(shù)均值降低，損傷變量增大。

圖8 損傷變量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律Fig.8 Damage variable with freeze-thaw cycle number variation

采用CT 數(shù)定義凍融損傷變量，以研究CT 數(shù)影響損傷變量的規(guī)律。設(shè)未循環(huán)土樣初始ME 定義為M1，完全破壞時(shí)土樣ME 值為M2，則某一黃土樣在凍融循環(huán)過(guò)程中的損傷變量Ddr為

試樣在從1 次凍融循環(huán)到9 次凍融循環(huán)之間，損傷變量小于1，土樣損傷變化不大。超過(guò)9 次循環(huán)后，損傷變量為大于1，即土樣開(kāi)始損傷破壞，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，細(xì)觀損傷演化并穩(wěn)定發(fā)展階段，即在初始損傷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的損傷，裂紋繼續(xù)張開(kāi)，密度減少，從而CT 均值減小。

3 結(jié) 論

凍融循環(huán)是黃土強(qiáng)度劣化的重要因素之一，經(jīng)過(guò)CT 掃描，可知凍融循環(huán)對(duì)黃土強(qiáng)度有著如下影響。

1)天然土樣是有著微孔洞與裂紋的初始損傷介質(zhì)，隨凍融循環(huán)作用，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展、伸長(zhǎng)、分叉、貫通。且破壞處均為初始孔隙分布密集處，可知初始孔隙處為試樣的薄弱環(huán)節(jié)，凍融循環(huán)對(duì)試件的破壞作用與初始孔隙分布密切相關(guān);

2)凍結(jié)過(guò)程發(fā)生水分向低溫端(由內(nèi)向外)遷移。凍結(jié)過(guò)程體積-密度發(fā)生變化，土樣發(fā)生明顯的凍脹密減現(xiàn)象;凍融循環(huán)后在整數(shù)周期(20℃)時(shí)掃描，樣品內(nèi)外殘存含水率差異(外大內(nèi)小)，土體保持而水分有所喪失，各區(qū)域含水率幾乎同步減小;

3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黃土CT 數(shù)均值減少，方差增大，這是由于土樣外表面在凍結(jié)時(shí)被封閉，土樣內(nèi)部孔隙水很難遷移到土樣外表面，只能在外表面凝結(jié)成冰，水冰相變體積膨脹，對(duì)孔壁產(chǎn)生凍脹力，凍脹力的產(chǎn)生使得土樣原來(lái)的損傷微裂隙、微孔洞以及微裂紋產(chǎn)生新的損傷，土樣密度減少，從而CT 數(shù)均值也減少;

4)當(dāng)15 次凍融循環(huán)后，CT 數(shù)均值趨于平緩，這是由于經(jīng)過(guò)前面凍融循環(huán)后，產(chǎn)生了大量的微裂隙、孔洞;同時(shí)，水分在不斷的流失，孔隙內(nèi)很難飽水，凍結(jié)時(shí)候，產(chǎn)生了水分遷移，凍脹時(shí)產(chǎn)生的凍脹力小，損傷的擴(kuò)展也小?？傮w上來(lái)看，土樣ME 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，SD 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

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