凍融循環作用下路基黏土小應變剪切模量試驗研究

林 波，劉 磊，謝文博

(保利長大海外工程有限公司 廣州市 510623)

0 引言

凍融循環作用是指凍土地區的土體在大氣溫度周期性變化過程中內部液態水、固態冰與氣態水相互轉變，并與外部環境不斷進行物質和能量交換的一種物理風化現象[1]。凍融循環作用對路基造成的破壞主要表現為凍脹、融沉、翻漿、不均勻沉降等季凍區特有病害，繼而對路面結構的穩定性造成巨大影響，致使交通設施不能發揮應有的便捷、安全、舒適等功能[2]。凍融作用對土體性能影響的研究進展持續百年，研究成果十分豐富，用來評估凍融作用影響的考察指標多達數十種[3]。在眾多的考察指標中，小應變剪切模量對試驗條件的反應十分敏感，是評估凍融作用對土體力學性能影響的重要指標之一[4-6]。所謂小應變剪切模量，是指大于0.001%而小于1%的應變[7]，快速有效的獲取土體的小應變剪切模量是巖土工程領域的研究熱點。彎曲元剪切波速試驗是一種快速且無損的檢測手段，可獲取應變小于10-6下土體的剪切模量[8]，所測得的剪切模量被稱為小應變剪切模量Gmax。

以小應變剪切模量作為考察指標，以彎曲元剪切波速試驗為考察手段，調查不同凍融循環次數后路基黏土的性能變化規律，定量地評價路基土小應變剪切模量的演化規律，研究結論有助于從不同的角度揭示凍融循環作用對土體結構性能的影響。

1 彎曲元剪切波速試驗系統

彎曲元剪切波速測試試驗原理簡明、操作簡單，技術細節可參考文獻[8]的系統研究。簡單而言，彎曲元分為發射元和接收元兩部分。發射元在激振信號下產生剪切波，通過試件之后被接收元接受，這一過程被示波器顯示并儲存，分析獲取剪切波在試件內部的傳播時間，由于試件的尺寸已知，通過計算即可得到剪切波速。進一步地，再利用如式(1)所示轉換關系得到小應變剪切模量Gmax。

(1)

式中：ρ為土體密度，單位kg/m3，取為凍融循環作用后試件的整體密度；νs為剪切波速，單位m/s。剪切波速測試系統如圖1所示。

2 凍融循環試驗

凍融作用對土體性能的影響程度取決于土的粒徑分布、孔隙形態以及初始含水率[3]。據此將研究變量選定為初始壓實度和凍融循環次數，方案見表1所示。試件的高度為125mm、直徑為61.8mm。90%、94%和98%初始壓實度下飽和試件的含水率依次為32.4%、26.3%和21.9%，初始密度分別為1.94g/cm3、1.95g/cm3和1.97g/cm3。凍融循環次數選定為0、1、3、5和7次，其中94%壓實度的額外進行了第9、第11次凍融。

表1 剪切波速試驗方案

試驗過程中記錄每次凍融循環后試件的體積和質量，以便獲取試件在不同凍融次數之后的真實密度。

彎曲元的測點布置見圖2所示，每完成一次凍融循環后對試件進行剪切波速測試。將試件沿著高度方向五等分得到4個分界點，再取中間兩個分界點的中點為第5個分界點，并保證這5個分界點處于同一條垂線上，以此獲取了5組水平截面，從上往下依次記作第1、第2、第3、第4、第5平面。在每個分界點上布置一個彎曲元發射端，在與其同水平面的對稱點上布置彎曲元的接收端，如此構成一組測試點。a1和c1即為第一組對稱的測試點。沿著試件高度方向自上而下得到另外4組測點，依次為a2和c2、a3和c3、a4和c4以及a5和c5，分配這5組測試點用來測試振動方向垂直于對應水平面的剪切波波速。在與a1c1c5a5平面垂直的平面上相應位置布置另外5組測試點，用來測試振動方向平行于對應水平面的剪切波波速。同時，在試件頂、底面中心處布置一組測試點e1和e2用來測試振動方向平行于該垂直截面的剪切波波速。

圖2 測點的布局圖(單位：mm)

3 試驗結果及分析

本試驗采用頻率為100Hz、幅值為1.5V的方波作為輸入波，將頻率小于500Hz且大于60000Hz的接收波進行過濾，能夠獲取理想的試驗結果。利用初達波法[8]確定上述剪切波的傳播時間Δt為951.2μs，Δt=Δt1+Δt2，其中Δt1為剪切波在土體中傳播的真實時間，Δt2為剪切波在測試系統中的延滯時間。將發射元和接收元接觸而不產生擠壓，即令Δt1=0獲取Δt2為8.2μs。據此得到剪切波在土體中傳播的真實時間Δt1為Δt-8.2μs。表2為各個工況下剪切波速測試結果。

表2 剪切波速測試結果 m/s

利用式(1)將表2所示的剪切波速進行轉換，即可得到試件內部不同斷面上小應變剪切模量Gmax，將其與凍融循環次數畫圖，分析二者的演化規律。

3.1 小應變剪切模量Ghh演化規律

圖3中Ghh-1指的是圖2所示第一個水平面(a1b1c1d1)上的水平剪切模量，Ghh-2指的是第二個水平面(a2b2c2d2)上的水平剪切模量，以此類推。飽和黏土的小應變剪切模量Ghh隨著凍融循環次數的增加呈現出先急劇降低、隨后緩慢降低的趨勢。相對于0次凍融循環，7次凍融循環之后90%、94%和98%初始壓實度試件的小應變剪切模量Ghh分別損失60.4%、49.7%、46.8%。

圖3 Ghh與凍融循環次數的關系

3.2 小應變剪切模量Ghv演化規律

圖4中Ghv-1指的是圖2所示第一個水平面(a1b1c1d1)上的垂直剪切模量。Ghv隨著凍融循環次數增加呈現出先急劇降低、隨后緩慢降低的趨勢。相對于0次凍融循環，7次凍融循環之后90%、94%和98%初始壓實度試件的小應變剪切模量Ghv分別損失57.7%、48.9%、50.5%。

圖4 Ghv與凍融循環次數的關系

3.3 小應變剪切模量Gvh演化規律

圖5中Gvh指的是圖2所示垂直面上的水平剪切模量。Gvh與凍融循環次數的增減關系與Ghh和Ghv相同。相對于0次凍融循環，7次凍融循環之后90%、94%和98%初始壓實度試件的小應變剪切模量Gvh分別損失56.1%、51.1%、55.0%。

圖5 Gvh與凍融循環次數的關系

4 結論

小應變剪切模量可較好地反映凍融循環作用下飽和路基黏土強度衰減的特性。總體而言，隨著凍融循環次數的增加，路基黏土的小應變剪切模量降低，當循環次數達到7次以后，凍融的影響將趨于平緩。趨于平緩后的試件小應變剪切模量損失量約為未發生凍融時的46.8%～60.4%不等。從凍融作用的機理來看，凍結過程中土體孔隙內部的水分凝結成冰，體積增加十分之一，勢必會對土顆粒之間原有的膠結、聯結狀態造成破壞，從而引起土體結構發生改變，由于飽和黏土具有較高的塑性，這種結構改變并不可逆，綜合表現為試件的小應變剪切模量發生衰減，而且含水率越高，試件結構受凍融循環作用的影響越明顯。本研究結論有助于加深凍融循環作用對土體結構影響的理解。