凍融循環下粗粒土路基動回彈模量衰變規律研究

2021-03-22 01:44:34冉武平，陳慧敏，黃建軍,李玲，艾賢臣

大連理工大學學報 2021年2期

冉武平，陳慧敏，黃建軍, 李玲，艾賢臣

(1.新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊 830047；2.新疆土木工程技術研究中心，新疆烏魯木齊 830047；3.烏魯木齊城建設計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

0 引言

粗粒土作為一種優良填料常被用于路基的修筑，在我國季節性冰凍區由于氣候環境因素致使粗粒土路基出現不同程度的損傷和性能劣化，路基強度衰變引起的道路結構整體性能衰變，導致路面出現局部龜裂和破碎以及縱向不均勻沉降和變形等[1-3].這些病害直接影響到行車的安全性及舒適性，因此有必要開展凍融循環作用對路基強度衰變規律影響的深入研究.動回彈模量不僅是道路設計的重要指標，同時也是道路結構力學響應解析的關鍵參數.故本文以動回彈模量為指標研究粗粒土在凍融循環作用下強度衰變規律.

目前關于凍融循環對路基力學特性的影響研究，國內外學者從宏觀角度和微觀角度展開了分析.胡曉[4]在粗粒土填料中摻入不同含量的細粒土，進行了凍融和凍脹量試驗.張互助[5]利用室內凍融循環試驗和三軸試驗研究分析了路基黏土的應力-應變關系、彈性模量、抗剪強度和破壞強度等力學參數在凍融、濕度、圍壓等因素作用下的演化規律.宋金華等[6]對凍融循環后的石灰改良土動力特性進行研究，分析了動應力幅值、凍融循環次數、圍壓等因素對土體累積塑性變形的影響并建立了相關因素的預估模型.冉武平等[7]通過室內三軸試驗，研究了16種應力路徑、3個壓實度和4種含水率狀態下重塑黃土的動回彈特性.化晉創[8]通過大量文獻和工程現場調研，開展了凍融循環條件下粗粒土填料的靜、動力特性研究.劉暉等[9]對含砂粉土三軸試驗結果的影響因素進行顯著性分析，得出圍壓、含水率、壓實度、凍融循環次數對試件破壞強度和彈性模量影響.Liu等[10]探究了不同壓實度及不同含水率下紅黏土動回彈模量和塑性變形規律.陳忠達等[11]研究了不同凍融循環次數對不同含水率粗粒土靜動回彈模量的影響.Chen等[12]開展了凍融循環對巖石力學特性影響的室內試驗，提出巖石在凍融循環作用下力學特性衰變表達式.Chamberlain等[13]采用土力學中常用的分析方法，提出凍融循環作用對土力學性質改變的機理.

也有眾多學者從微觀角度分析凍融循環對路基填料力學特性的損傷機制.王瀚霖[14]采用單元體試驗，在制備6種粗粒土中摻入不同含量細粒土，通過CT掃描試驗及靜、動三軸試驗，研究粗顆粒含量對土體力學參數的影響，提出特征粗顆粒體積分數fv-cha，并提出fv≤fv-cha土體力學性能受細顆粒控制，反之受粗顆粒控制.房建宏等[15]研究了在不同凍融循環作用下紅黏土粒度成分和物理力學性質的變化規律，試驗結果表明顆粒在凍融循環次數N≤10時，粒徑向小于0.01 mm及0.01～0.05 mm富集；當N>10時，粒徑在0.002～0.005 mm富集.戎虎仁等[16]研究了單孔砂巖在凍融循環作用下力學性能的弱化機理.李杰林等[17]利用核磁共振成像了經歷不同凍融循環次數后花崗巖孔隙的發育和擴展特性，動態地顯示巖石的凍融損傷過程.

已有的研究結果表明，在凍融循環條件下，含水率、凍融循環次數、動應力幅值、應力加載路徑等都會對路基土力學性能的衰變產生影響.不同土質的路基填料在微觀試驗分析下其力學特性的衰變機理各不相同.通過大量的文獻及現場調研發現廣泛使用的粗粒土路基填料目前缺乏在凍融循環條件下動回彈模量衰變規律的研究，基于此本文以新疆典型級配組成的粗粒土為研究對象，通過室內凍融循環試驗和動三軸試驗，分析3種含水率、8種應力加載路徑及5種凍融循環次數下粗粒土路基動回彈模量，深入研究粗粒土動回彈模量衰變規律及機理，并對典型路基應力狀況下的動回彈模量衰變規律進行擬合，得到擬合度較高的模量衰變方程及不同影響條件下動回彈模量的調整系數，從而為粗粒土路基設計提供理論依據和經驗參數.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣取自烏魯木齊市新醫路西延典型路基填料，按照《公路土工試驗規程》(JTG E 40—2007)試驗方法得到土樣的顆粒篩分曲線，如圖1所示.并根據擊實試驗得到土樣的最佳含水率為5%，最大干密度為2.4 g/cm3.通過計算得到不均勻系數Cu=17.5，大于5，Cc=1.39，大于1且小于3，為級配良好的粗粒土.

圖1 試驗土樣級配篩分曲線

1.2 試驗方案

為得到不同含水率的粗粒土在不同凍融循環次數下的動回彈模量衰變規律，考慮了應力狀況、含水率和凍融循環次數對動回彈模量的影響，分別開展了凍融循環試驗和動三軸試驗.含水率選取原則根據粗粒土試驗路段路基濕度監測數據并結合粗粒土成型試探試驗可知含水率3%時試件難以成型及含水率7%的試件出現脫模困難和汲泥現象，故最終取4%、5%和6%(質量分數)3種含水率，其中含水率5%為最佳含水率.壓實度以實際道路路基施工控制為原則設置為96%.凍融循環試驗次數N分別為0、1、3、5、7.溫度借鑒季節性冰凍區公路路基工作區在凍融循環期內溫度變化范圍[18]及新疆地區路基溫度監測數據，最終確定凍融循環溫度為-20～20 ℃.每種工況制作4個平行試件.

1.3 試驗過程

(1)擊實樣的制備

按照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)擊實法制備三軸試樣，試樣直徑100 mm，高度為200 mm.試件按含水率4%、5%、6%制備，根據壓實度96%，稱取所需不同含水率粗粒土的質量，將土樣分6層裝入三瓣飽和器中分層擊實.各層土料質量相等，每層擊實至要求高度后，將表面刨毛，然后再加第2層土料，如此進行直至最后一層，控制各組試樣的密度差值小于0.02 g/cm3.將制好的試件密封保存并進行凍融循環試驗.試件一次凍融循環時間為24 h，其中凍12 h，融12 h.

(2)荷載加載

粗粒土動回彈模量采用2～10 Hz動三軸試驗系統(DYNTTS)進行測試，如圖2所示.

圖2 試件制作及加載系統

試驗參數及應力加載序列如表1所示，參考陳聲凱等[19]和羅志剛[20]相關研究取值.采用半正弦波荷載波形，動載頻率為1 Hz，荷載間歇時間取0.8 s，持載時間為2 s，試驗圍壓為氣壓加載.為了消除試件在重復加載初期產生的較大永久應變，在正式測試模量前，需采用較大的軸向應力對試件進行多次重復加載預處理，當豎向永久應變達到5%，預壓停止.預載循環加載次數為1 000，其他加載序列循環次數均為100，待軸向應變穩定后，取最后5次回彈應變的平均值，計算動回彈模量.

表1 應力加載序列

2 試驗結果分析

2.1 應力狀態對粗粒土動回彈模量Mr的影響

圍壓的施加對土樣的側向變形具有約束作用，故可以提高動回彈模量.偏應力的施加對粗粒土動回彈模量的影響存在兩種情況，有些粗粒土動回彈模量不受偏應力的影響，而有些粗粒土動回彈模量隨著偏應力的增加有較大減小[21].圖3為含水率ω分別是4%、5%、6%的試件經過0次和7次凍融循環后Mr和偏應力σd關系圖.由圖3可知：(1)偏應力相同，凍融循環次數為0時，圍壓σ3越大對應的動回彈模量越大，圍壓從15 kPa增加到30 kPa，含水率4%的試件動回彈模量增加了12.7%～18.2%，含水率5%的試件增加了10.5%～13.8%，含水率6%的試件增加了14.15%～14.28%；凍融循環次數N=7時，圍壓σ3與動回彈模量也呈正相關，圍壓從15 kPa增加到30 kPa，含水率4%的試件動回彈模量增加了15.4%～16.1%，含水率5%的試件增加了15.4%～16.1%，含水率6%的試件增加了16.5%～13.51%.(2)圍壓相同時，偏應力σd越大對應的動回彈模量越小.當σ3=15 kPa時，凍融循環次數N=0時，σd從8 kPa增加到30 kPa，含水率4%的試件動回彈模量降低了14.9%，含水率5%的試件降低了11.4%，含水率6%的試件降低了10.6%；凍融循環次數N=7時含水率4%的試件動回彈模量降低了14.4%，含水率5%的試件降低了15.2%，含水率6%的試件降低了11.1%.當σ3=30 kPa時，σd從15 kPa增加到60 kPa，凍融循環次數N=0，對應含水率4%的試件動回彈模量降低了18.65%，含水率5%的試件降低了15.1%，含水率6%的降低了16.9%；凍融循環次數N=7時，含水率4%的試件降低了19.1%，含水率5%的降低了15.2%，含水率6%的降低了13.5%.通過分析以上數據結果可知凍融循環次數N=0和N=7對應的動回彈模量不同，但圍壓和偏應力對動回彈模量的影響仍然遵從著相同的變化規律，不會產生較大波動.

圖3 應力水平與動回彈模量關系

2.2 含水率對動回彈模量的影響

土中的水分可以分為礦物結合水和孔隙水，土中孔隙水按其所呈現狀態和性質及其對土的影響，分為結合水和非結合水兩種類型.結合水又可以分為強結合水和弱結合水，在粗粒土中細粒土含量極少，故結合水對粗粒土的影響可以忽略不計.非結合水是指土粒孔隙中超出土粒表面靜電引力作用范圍的普通液態水.主要受重力作用控制，能傳壓導電，溶解鹽分，在0 ℃結冰，其典型代表是重力水.介于重力水和結合水之間的過渡類型水為毛細水.毛細水主要存在于直徑為0.002～0.500 mm的毛細孔隙中.故毛細水主要存在于粉細砂、粉土和粉質黏土中.粗大的孔隙，毛細力極弱，難以形成毛細水[22].通過擊實試驗以及篩分試驗可知不同含水率的粗粒土試件水分主要以重力水的形式存在.

圖4分別為凍融循環次數N=0和N=7的條件下，不同含水率粗粒土Mr與應力加載路徑的關系圖，由圖可知：相同壓實度條件下，含水率為4%的試件動回彈模量整體上高于含水率為5%和6%的試件，主要是由于含水率的增大導致水膜的潤滑作用增強，土顆粒之間的摩阻力減小，試件在加載過程中應變增大，因此Mr減小；對比圖4(a)和圖4(b)可以看出凍融循環作用導致粗粒土試件的動回彈模量整體降低，說明土體在經歷凍融循環后，土的密實度、空隙率、顆粒分布等都會發生不同程度的變化，物理性質的變化引起土體力學性質的變化，造成土體在凍融循環后強度的衰減；對比圖4(c)和圖4(d)可得不同含水率之間的Mr差值在凍融循環作用前后不會發生較大的波動.

圖4 不同含水率條件下Mr和應力路徑關系圖

2.3 凍融循環作用對Mr的影響

圖5為不同含水率條件下粗粒土Mr與凍融循環次數N的關系，由圖可知：Mr隨著凍融循環次數的增加整體呈衰減趨勢，導致這種現象的本質在于溫度的變化引起了內部孔隙水分在固相與液相之間重復轉換，并進行遷移和重分布.當溫度低于0 ℃時，孔隙中的自由水凍結呈固態，往往以冰夾層、冰透鏡體、細小的冰晶體等形式存在于土中.冰在土中起暫時膠結作用，提高了土的動回彈模量，但解凍后，土體的動回彈模量反而會降低，液態水轉為固態水時，體積膨脹，使土中孔隙增大，解凍后土的結構變得松散，內部結構發生了不可逆的變化導致動回彈模量衰減.

由圖5可知不同含水率試件動回彈模量隨著凍融循環次數的增加大致可分為3個變化階段：快速衰減階段(N=0～3)，緩慢衰減階段(N=3～5)，衰減停止階段(N=5～7).對比不同含水率可知，含水率為4%和5%的試件在第一和第二階段的衰變速率小于含水率為6%的試件.原因在于當含水率較大時，凍結作用下水變成冰的體積膨脹量大，對土體結構的破壞顯著，因此在前期凍融循環作用下高含水率的土體結構的衰減速率較快且衰減幅度大.反復凍融循環后，土體結構不再隨著凍融循環次數的增多而發生變化，故動回彈模量趨于穩定.圖5(a)中含水率6%和圖5(b)中含水率5%的試件衰變曲線未收斂可能是由于土樣顆粒間空隙較大，沒有細粒土的黏聚力，較小的土顆粒容易在振搗過程移動，使得每次制樣都不一樣，同時在取料時的不均勻性，增大了三軸試驗結果的離散性.

圖5 不同含水率條件下Mr和N的關系

圖6為不同凍融循環次數下粗粒土Mr與偏應力σd的關系圖，通過對比不同折線之間在相同凍融循環次數下的豎向距離可以得到動回彈模量在不同凍融循環次數下的變化量.折線N=0與N=1之間的豎向間距最大說明第一次凍融循環作用在多次凍融循環作用中對動回彈模量造成損傷的程度占比最大；折線N=5與N=7之間的豎向間距最小說明試樣在經過多次凍融循環后動回彈模量趨于穩定，不再發生較大幅度的變化.

圖6 不同凍融循環次數下Mr和σd的關系

2.4 典型應力路徑下Mr衰變規律擬合

根據文獻[19]統計的典型應力水平，如圖7所示，選擇σ3=30 kPa，σd=15 kPa；σ3=30 kPa，σd=30 kPa；σ3=45 kPa，σd=23 kPa；σ3=45 kPa，σd=45 kPa應力加載序列，針對含水率為5%和6%的動回彈模量數據，對其衰變規律進行擬合，其中5%的含水率擬合曲線代表最佳含水率狀況下粗粒土路基動回彈模量衰變規律，6%的含水率模擬最不利路基濕度狀況下動回彈模量的衰變規律.擬合曲線如圖7所示，通過計算得到平均相關系數R2≥0.95.擬合公式系數如表3所示.