凍融循環(huán)條件下低液限黏土路基強(qiáng)度衰減的影響因素研究

楊興然

摘要：為研究季凍區(qū)低液限黏土強(qiáng)度衰減的影響因素，以張家口地區(qū)公路路基填土為研究對(duì)象，進(jìn)行凍融試驗(yàn)和靜三軸試驗(yàn)，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：三軸實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)影響土體的強(qiáng)度衰減的4種因素關(guān)聯(lián)性從大到小排序?yàn)椋簤簩?shí)度>含水率>凍結(jié)負(fù)溫>凍融循環(huán)次數(shù)。

Abstract： In order to study the main influencing factors of low liquid limit clay strength in seasonal freezing region， freeze-thaw test and static triaxial test were carried out on highway subgrade filling soil in Zhangjiakou area， and the test results were analyzed with gray correlation analysis method. The results show that in freeze-thaw test， the quality of specimen decreases with the increase of freeze-thaw times， the height of specimen shows an opposite trend， and the diameter of specimen fluctuates with the increase of freeze-thaw cycles. In the static triaxial experiment， It was found that the correlation of four factors affecting the strength of soil was ranked from the largest to the smallest： degree of compaction， moisture content， negative temperature of freezing， and number of freeze-thaw cycles times.

關(guān)鍵詞：路基;灰色關(guān)聯(lián);強(qiáng)度衰減;凍融循環(huán)

Key words： grey correlation;cohesion;freeze-thaw cycle

中圖分類號(hào)：U416.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0179-02

0? 引言

路基是路面基層以下部分一定范圍的土體，作為道路工程的重要組成部分，承受交通荷載的作用，路基的強(qiáng)度直接影響到公路的使用和壽命。一些學(xué)者對(duì)路基的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，張?jiān)讫圼1]等選用不同塑性指數(shù)的三種土，研究了高含水率狀態(tài)下，凍融循環(huán)對(duì)路基邊坡強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響。蔣慎[2]等研究了不同含水率的粉質(zhì)粘土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗剪性能，得出凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土體抗剪性能的削弱規(guī)律。何靜科[3]等以3種典型的東北三省路基粘土作為研究對(duì)象，研究了土體歷經(jīng)8次凍融循環(huán)后土的力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律。劉寒冰[4]等分析了凍融次數(shù)和含水率對(duì)壓實(shí)黏質(zhì)土試樣力學(xué)特性的影響規(guī)律，并探討了其影響機(jī)制。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和灰色關(guān)聯(lián)度法是研究多因素試驗(yàn)比較科學(xué)的方法，且可以對(duì)影響因素的主次關(guān)系做出排序[5-7]。

本文選取壓實(shí)度、含水率、凍結(jié)負(fù)溫及凍融循環(huán)次數(shù)為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究季凍區(qū)路基土的強(qiáng)度以及粘聚力的變化，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析各個(gè)因素的關(guān)聯(lián)性，為工程設(shè)計(jì)、施工提供參考依據(jù)。

1? 試驗(yàn)概況

1.1 土樣物理性質(zhì)

試樣土樣取自張承高速某路段，對(duì)所取土樣進(jìn)行了基本物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，由篩分試驗(yàn)所得到的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[8]對(duì)土樣進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程可判定該土樣為低液限黏土，基本物理參數(shù)如表1所示。

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

根據(jù)土的基本性質(zhì)指標(biāo)，配置最優(yōu)含水率附近的試驗(yàn)用土，本試驗(yàn)選取的含水率為11%和13%，隨后分5層制作成壓實(shí)度分別為94%和97%的試件，其中試件的高度為80mm，直徑為39.1mm。制作完成后先測(cè)量試樣的初始質(zhì)量、高度以及直徑，再把試樣放到高低溫交變箱中進(jìn)行凍融循環(huán)。為了更好地模擬實(shí)際的凍融過程，將制作好的試件用保鮮膜包裹后放入帶孔的聚乙烯泡沫板中分別進(jìn)行環(huán)境負(fù)溫-5℃和-10℃融化溫度為20℃的凍融循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)經(jīng)歷凍融循環(huán)后不同壓實(shí)度以及不同凍結(jié)負(fù)溫的部分試樣的質(zhì)量m、平均高度h和平均直徑d進(jìn)行了測(cè)量。

1.3 靜三軸試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)所使用的儀器為南京寧曦土壤儀器有限分公司生產(chǎn)的TSZ系列應(yīng)變控制式三軸儀，采用正交試驗(yàn)方法考慮了為壓實(shí)度、凍結(jié)負(fù)溫、凍融循環(huán)次數(shù)以及含水率4個(gè)影響因素，具體的試驗(yàn)方案如表2所示。

2? 灰色關(guān)聯(lián)分析

試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用初值化對(duì)低液限黏土強(qiáng)度衰減的影響因素進(jìn)行分析，三軸試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3，灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見表4?；疑P(guān)聯(lián)分析法彌補(bǔ)了采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)分析所導(dǎo)致的缺憾，它對(duì)樣本量沒有過多的要求，計(jì)算簡便，極少出現(xiàn)定量與定性分析結(jié)果不符的情況。其本質(zhì)是通過線性內(nèi)插的方法將系統(tǒng)因素的離散行為觀測(cè)值轉(zhuǎn)化為分段連續(xù)的曲線，進(jìn)而根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小[9]。

利用灰色關(guān)聯(lián)分析法，分析了4種影響因素對(duì)強(qiáng)度以及粘聚力的相關(guān)性。由表4和表5可得，4種影響因素對(duì)于強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性從大到小依次為壓實(shí)度，含水率，凍結(jié)負(fù)溫和凍融次數(shù);通過對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行搭配效應(yīng)計(jì)算，確定對(duì)強(qiáng)度的最不利工況，通過計(jì)算得出這一組合形式為A2B3C4D3，即凍融1次、壓實(shí)度94%、含水率11%、凍結(jié)負(fù)溫-5℃。

3? 結(jié)論

①正交試驗(yàn)可以科學(xué)地分析多因素試驗(yàn)，灰色關(guān)聯(lián)度分析方法可以對(duì)各因素的影響程度進(jìn)行排序。結(jié)果表明，影響土體強(qiáng)度的因素中壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度的影響程度最大，其次為含水率、環(huán)境負(fù)溫及凍融循環(huán)次數(shù)。

②經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)分析，試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)土體強(qiáng)度損傷影響程度最大的工況為：凍融1次、壓實(shí)度94%、含水率11%、凍結(jié)負(fù)溫-5℃。證明并非最多的凍融循環(huán)次數(shù)和最低的負(fù)溫對(duì)土體的強(qiáng)度影響最大。

③壓實(shí)度94%的試件比壓實(shí)度97%試件的孔隙率大，經(jīng)歷凍融作用后土體的強(qiáng)度損失較顯著;不同含水率下土體的強(qiáng)度均發(fā)生了衰減，土樣經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后強(qiáng)度的衰減最為明顯，3次凍融循環(huán)以后，強(qiáng)度基本趨于平穩(wěn);凍結(jié)負(fù)溫-5℃的強(qiáng)度衰減大于凍結(jié)負(fù)溫-10℃的強(qiáng)度損失。

參考文獻(xiàn)：

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[3]何靜科，牛彥峰，劉寒冰.凍融循環(huán)對(duì)路基土物理力學(xué)性質(zhì)影響分析[J].工程與試驗(yàn)，2013，53（03）：49-52，68.

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[7]于春海，賈文君，楊有海.蘭新線路基凍害影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析[J].低溫建筑技術(shù)，2009，31（3）：86-87.

[8]交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTGE40-2007[S].北京：人民交通出版社，2007.

[9]劉思峰.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用[M].五版.科學(xué)出版社， 2010.