應(yīng)力釋放孔緩解細顆粒填料凍脹效果研究

楊寶慶

(吉林東煤建筑基礎(chǔ)工程公司，吉林 長春 130061)

1 概述

凍土是指溫度不大于0 ℃，且含有冰的特殊土體[1-2]。地表上多年凍土、季節(jié)性凍土和短時凍土約占全球陸地面積的50%，其中季節(jié)性凍土面積約占陸地面積的20%，大約有35%公路和鐵路線路運營于季節(jié)凍土區(qū)。在中國，大約有53.5%的面積屬于季節(jié)性凍土，大約30%的交通線路運營于深季節(jié)性凍土地區(qū)，75%的交通線路運營于季節(jié)性凍土地區(qū)和短時凍土地區(qū)[3-4]。而季凍區(qū)常見的病害，例如凍脹融沉[5-6]、翻漿冒泥[7-8]、道砟陷槽[9]、下沉外擠[10]等，常常限制了鐵路線路的正常運營，甚至威脅到行車的安全性。雖然目前學(xué)者專家已經(jīng)針對性地提出了諸多有效的處治措施，但是由于凍脹的不均勻性，對于路基土體的凍脹處治仍然有待研究。本文基于室內(nèi)單向凍結(jié)試驗，通過在土體中設(shè)置應(yīng)力釋放孔，開展緩解土體凍脹的效果研究，擬為處治季凍區(qū)路基凍脹提出一種新思路。

2 試驗設(shè)計

2.1 土樣的物理特性

本文試驗土體取自中國山西神木—朔州重載鐵路里程K222+800～K223+300路基段，該路段凍害較為嚴重，如圖1所示。

試驗土體為低液限粉土，土樣成暗黃色，為凍脹敏感性土，具有一定的代表性，其顆粒分布曲線如圖2所示。試驗土樣的物性參數(shù)如表1所示。

表1 填料的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 試驗過程及方法

研究在開放補水條件下共進行了7組單向凍結(jié)試驗，具體的試驗方案見表2。將制得的土樣放置在恒溫為1 ℃的低溫室中6 h后，開啟補水系統(tǒng)，同時調(diào)節(jié)冷浴系統(tǒng)，設(shè)置頂板(冷端)溫度為-5 ℃，頂板(暖端)溫度為1 ℃。試樣規(guī)格為直徑×高度=150 mm×150 mm。補水系統(tǒng)是由橡膠軟管連接馬氏瓶與底板補水孔來完成，應(yīng)力釋放孔通過PVC管在土樣中心取土得到。試驗共進行了土樣的凍脹量和含水量測量，其中，通過設(shè)置在冷端頂板的高精度位移百分表實時監(jiān)測土樣凍結(jié)過程中的凍脹量變化，試驗結(jié)束后自暖端按10 mm每層測得土體的含水量變化。

表2 試驗設(shè)計方案

表2中孔洞率為應(yīng)力釋放孔截面積與土樣截面積的比值。計算式為：

孔洞率=[(π·r2)/(π·R2)]×100%

(1)

其中，r為孔洞的半徑，mm；R為土樣的半徑，mm，如圖3所示。

兩種填充材料的組成及配比方案如表3，表4所示。

表3 聚苯乙烯(EPS)為骨架的填充材料及配比

表4 橡膠顆粒(Rubber)為骨架的填充材料及配比

3 試驗結(jié)果分析

3.1 填充材料對土體凍脹的影響

圖4為應(yīng)力釋放孔內(nèi)填充不同材料下凍脹變形的變化過程，可以知道，土樣在凍結(jié)過程中的變形規(guī)律基本相同，存在較明顯的階段性特征，主要可以闡述為凍脹迅速發(fā)展階段、凍脹減緩階段和凍脹穩(wěn)定階段。但是相較于對照組，土體在有應(yīng)力釋放孔的條件下，土體的凍脹變形量明顯小于對照組，凍脹發(fā)展也存在較為明顯的滯后，試驗組的土體在凍結(jié)發(fā)生約12 h～16 h后開始出現(xiàn)顯著凍脹變形增長，進入凍脹迅速發(fā)展階段。

經(jīng)過72 h的凍結(jié)后，對照組的凍脹量達到了6.89 mm，而10%EPS，15%EPS，20%EPS三種工況下的凍脹量為4.49 mm，3.82 mm，3.25 mm，僅為對照組的0.472～0.653，75%Rubber，80%Rubber，85%Rubber工況下的凍脹量為4.15 mm，3.09 mm，2.53 mm，僅為對照組的0.368～0.603，試驗結(jié)果說明應(yīng)力釋放孔的存在能夠有效地緩解土體凍脹變形的，并且其緩解凍脹變形的效果與孔內(nèi)填充材料的配比有較大的關(guān)系，骨架材料含量越高，效果越佳。同時，骨架材料的類型也對效果有著一定的影響，由圖4可知，橡膠類材料較聚苯乙烯類材料要更優(yōu)。

由土樣凍脹速率變化過程圖(如圖5所示)可知，試驗組較對照組凍脹速率的變化幅度小，這是因為應(yīng)力釋放孔的存在，使得土體在凍結(jié)過程中沿孔洞方向發(fā)生橫向凍脹位移，從而減小了土體豎向凍脹位移量，因而凍結(jié)速率變化較小。

3.2 填充材料對水分遷移的影響

圖6為土樣凍結(jié)后的含水率分布圖，從圖6中可以看出，凍結(jié)后的土樣水分發(fā)生了明顯的遷移現(xiàn)象，在凍結(jié)區(qū)域的含水量高于初始含水量，且在凍結(jié)緣位置的水分遷移量大，在未凍結(jié)區(qū)域的含水量低于初始含水量，這是因為土體在凍結(jié)過程中，水分持續(xù)不斷地從未凍結(jié)區(qū)域向凍結(jié)緣遷移導(dǎo)致。試驗組由于應(yīng)力釋放孔的存在，凍結(jié)緣處的水分遷移量明顯高于對照組，這說明在實際工程中，需要考慮應(yīng)力釋放孔與地下水位高度的關(guān)系。

4 討論

表5為7組凍結(jié)試驗結(jié)束后的試驗結(jié)果，可以看出，填充材料的灌入借助其自身孔隙比土體大的優(yōu)勢，能夠在土體凍結(jié)過程中，通過自身的擠密收縮來適應(yīng)應(yīng)力釋放孔的徑向收縮變形，從而有效地抑制土體的凍脹作用。同時，從表5中可以知道，橡膠材料較聚苯乙烯材料為骨架的填充物，緩解凍脹效果更佳。

表5 各土樣的試驗結(jié)果

5 結(jié)語

為了研究應(yīng)力釋放孔緩解土體凍脹的效果，本文開展了開放系統(tǒng)下單向凍結(jié)柱試驗，初步得到如下幾點結(jié)論：

1)在土體中設(shè)置應(yīng)力釋放孔能夠有效地緩解土體凍脹，且效果較為明顯；在土體凍結(jié)過程中，凍脹變形及水分遷移規(guī)律基本一致，設(shè)置應(yīng)力釋放孔的土體水分遷移作用增強。

2)應(yīng)力釋放孔中的填充材料對土體的凍脹效果有較大影響，由試驗結(jié)果可知，以橡膠材料為骨架的填充物比聚苯乙烯材料為骨架的填充物，緩解土體凍脹的效果更佳。

3)由于應(yīng)力釋放孔的存在，土體凍結(jié)過程中的水分遷移作用有增強，這需要注意的是，考慮到實際工程中水侵害的問題，應(yīng)力釋放孔的大小及深度需要嚴格控制，以避免地下水侵入孔內(nèi)。