109國道青海橡皮山段路基填土的凍脹特性研究

楊 兵

(中鐵株洲橋梁有限公司)

1 引 言

凍脹是季節(jié)凍土區(qū)道路路基常見的病害,也是困擾我國公路建設(shè)的一個重要問題。它能引起公路路面拱起、開裂,嚴(yán)重破壞了路基及路面結(jié)構(gòu)。由于車輛超載與地下水的補給,更加劇了凍脹病害程度。關(guān)于路基土的凍脹特性,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。徐學(xué)祖的研究表明,土體的凍脹主要是由于凍結(jié)過程中發(fā)生水分遷移與重分布,形成了冰透鏡體所致。凍脹受土質(zhì)、溫度、水分、含鹽量、密度及荷載等因素影響。陳肖柏系統(tǒng)地研究了砂礫料的凍脹敏感性,提出了土的凍脹性分類標(biāo)準(zhǔn)與凍脹機制。凍脹病害的危害大,影響因素多,針對 109國道典型凍脹地段路基的砂質(zhì)粉土填料開展了開敞條件下的凍脹試驗,系統(tǒng)的研究砂質(zhì)粉土的凍脹特性及冷卻溫度、壓實度、荷載對其凍脹特性的影響。

2 試驗概況

2.1 試驗土樣

本試驗用土取自 109國道青海省境內(nèi)橡皮山段,該地區(qū)最高點海拔 3800m,高山寒凍風(fēng)化作用強烈。線路所經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造為沿?！ｊ懡换ニ樾紭?gòu)造,其巖性多為砂礫巖和砂巖、板巖。路基土質(zhì)為砂質(zhì)土和粉質(zhì)土,土基潮濕類型為中濕,個別路段為潮濕。土性分析實驗按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)進(jìn)行,具體物理指標(biāo)與顆粒成分如表 1、表 2所示,可以看出,該土為細(xì)顆粒含量較多的低液限砂質(zhì)粉土,屬凍脹敏感性土。

表 1 土樣的基本物理指標(biāo)

表 2 顆粒分析結(jié)果

2.2 試樣制備

土樣制備:把擾動土風(fēng)干,用橡皮棒輾碎后過 2mm直徑篩,然后配制成含水率為 15.2%的土樣。

試樣尺寸:試樣直徑 150mm,高度 100mm。

試樣成型:按預(yù)定的壓實度計算出所需的土量,分 5層裝入有機玻璃圓筒內(nèi)并進(jìn)行擊實,每一層控制高度為20mm,并控制土樣總高度為 100mm。

3 試驗內(nèi)容及方法

3.1 試驗內(nèi)容

對不同冷端溫度、壓實度下凍結(jié)的土樣,在無荷載、靜荷載及動荷載條件下分別進(jìn)行了開敞條件下凍脹試驗。凍前含水量為最優(yōu)含水量 15.2%,飽和度為 58.4%,試樣底部暖端溫度設(shè)置為恒溫 1℃,其他參數(shù)如表 3所示。

表 3 試驗設(shè)計

3.2 試驗方法

在低溫恒溫室內(nèi),使土樣在不同頂端冷卻溫度、不同壓實度、不同動荷載作用下進(jìn)行單向凍結(jié)。首先在試樣內(nèi)每隔20mm安裝一個溫度傳感器,并用保溫材料把試樣裝置包好。開啟馬氏補水瓶和底板排水排氣閥門,待排氣管內(nèi)無汽泡且有均勻連續(xù)水流流出時關(guān)閉。接著把冷端與暖端溫度都調(diào)節(jié)為 1℃,恒溫 24h。然后調(diào)節(jié)試樣冷端達(dá)到預(yù)定的溫度,同時加載,使試樣單向凍結(jié)。當(dāng)連續(xù) 6h同一位置的溫度變化很小,且凍脹變形量穩(wěn)定時結(jié)束試驗。試驗過程中試樣內(nèi)部溫度變化值、凍脹變形量由電腦自動采集。

4 凍脹特性分析

4.1 凍結(jié)速率對比分析

土的凍結(jié)速率是描述凍土性質(zhì)的重要指標(biāo),它作為溫度對土凍脹過程影響的特征指標(biāo),表示凍脹鋒面的前進(jìn)速度。凍結(jié)速率按式(1)計算

式中:Vf為凍結(jié)速率,mm/h;Hf為凍結(jié)深度,mm;t為凍結(jié)時間,h。圖 1.a給出了不同冷端溫度下(壓實度 95%,動荷載值100kPa)凍結(jié)速率隨時間的變化趨勢。從中看出,在冷端溫度不變時,土樣的凍結(jié)速率隨時間推移呈衰減趨勢,土樣凍結(jié)速率在快速凍結(jié)區(qū)最大,而在凍結(jié)過渡區(qū)逐漸減小,以后隨時間推移凍結(jié)速率越來越小,最后趨近于 0。在土樣凍結(jié)前 20h內(nèi),溫度對凍結(jié)速率影響很大,冷端溫度越低,凍結(jié)速率越大。這主要是由于冷端溫度較低時,熱量在土顆粒間傳遞加快,土樣達(dá)到凍結(jié)的時間越短,從而引起凍結(jié)速率的增大。

圖 1.b是不同壓實度下(冷端溫度 -3℃,動荷載值100kPa)凍結(jié)速率隨時間的變化過程?？梢钥闯?壓實度對凍結(jié)速率的影響主要表現(xiàn)在前期的凍結(jié)速率上。壓實度越大,凍結(jié)速率越大,這是由于土體壓密后,導(dǎo)熱系數(shù)增大的緣故。但與冷端溫度的影響相比,壓實度的影響較小。

圖 1.c給出了不同動荷載下(壓實度 95%,冷端溫度-15℃)凍結(jié)速率隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?隨著時間的推移凍結(jié)速率逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定。動荷載大小對凍結(jié)速率的影響也主要表現(xiàn)在試驗初期。隨著荷載值增大,凍結(jié)速率也增大。這是因為荷載對土體有壓密作用,使得土體導(dǎo)熱系數(shù)增大,凍結(jié)時間減小的緣故。

圖 1.d是不同加載方式下(冷端溫度 -15℃,壓實度95%,動荷載值 60kPa,靜荷載值 30kPa)凍結(jié)速率隨時間的變化過程。可以看出,加載方式對土樣初期凍結(jié)速率影響比較大。靜載條件下,在凍脹初期試樣被壓縮,使得土樣被壓密,故這時的凍結(jié)速率較大。

圖 1 凍結(jié)速率的影響因素分析

4.2 凍脹率對比分析

土的凍脹率也是描述凍土性質(zhì)的重要指標(biāo),凍脹率按式(2)計算

式中:η為凍脹率,%;Δh為凍脹量增量,mm;ΔHf為凍結(jié)深度增量,mm。

圖 2.a給出了不同冷端溫度下(其他參數(shù)與圖 1.a相同)土樣凍脹率隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?土樣的凍脹率隨時間推移不斷增大。凍脹率在凍結(jié)前期較小,隨著凍結(jié)時間延長逐漸增大。通過對比可以看出,隨著冷端溫度的升高,凍脹率逐漸增大。這是由于開敞系統(tǒng)下,未凍土端下面有充足的水分向凍結(jié)鋒面處遷移,從而有大量的水分在凍結(jié)鋒面處結(jié)冰,凍脹率也急劇增大,隨著凍結(jié)時間延長最終在凍結(jié)鋒面處形成一定厚度的冰透鏡體。

圖 2.b是不同壓實度下(其他參數(shù)與圖 1.b相同)土樣凍脹率隨時間的變化趨勢。從中看出,壓實度越大,最終的凍脹率越小。試驗證明,壓實度為 0.8時路基土凍脹率最大,達(dá)到 33.6%。

圖 2.c給出了不同動荷載下(其他參數(shù)與圖 1.c相同)土樣凍脹率的變化趨勢?？梢钥闯?隨著動荷載值的增大,土樣的凍脹率逐漸減小。這是由于荷載值較大時,土樣產(chǎn)生的壓縮變形量也較大,使得在試驗開始初期土樣中水分排出較多,減小了土樣的含水量。因此,在土樣凍結(jié)初期,動荷載值較大時土樣的凍脹曲線的增長梯度較小。

圖 2.d是不同加載方式(其他參數(shù)與圖 1.d相同)下凍脹率的變化過程?？梢钥闯?加載方式對土樣的凍脹率影響比較大。無荷載條件下最終凍脹率為 10.2%,動荷載條件下最終凍脹率為 8.2%,靜荷載條件下最終凍脹率為7.03%。在凍脹開始 20h后,三者的凍脹率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖 2 凍脹率的影響因素分析

5 結(jié) 論

(1)冷端溫度對 109國道典型凍脹地段砂質(zhì)粉土填料的凍脹特性影響明顯。開敞條件下,冷端溫度為 -3℃時的凍脹率為冷端溫度-15℃凍脹率的 5倍左右。

(2)開敞條件下,隨著壓實度從 0.9到 0.8逐漸減小,凍結(jié)過程中吸水量增大,凍脹率也逐漸增大。

(3)開敞條件下,隨著荷載值的增大,土樣初期的壓縮變形量也增大,但總的凍脹變形量減小。加載方式對凍脹特性影響比較大,無荷載作用下土的凍脹率最大。

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