動(dòng)荷載下土體溫度和孔隙水壓力的變化規(guī)律

張 坤，張 澤，史向陽(yáng)，3，李四海，肖東輝,3

1) 甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730070；2) 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；3) 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4) 青海省鹽業(yè)股份有限公司茶卡制鹽分公司，青海海西 817101

凍融作用作為一種強(qiáng)風(fēng)化過(guò)程，能夠改變土的結(jié)構(gòu)性，進(jìn)而對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，成為寒區(qū)工程產(chǎn)生病害的主要原因之一[1-2]. CHAMBERLAIN等[3]研究了凍融作用對(duì)細(xì)顆粒土的影響，通過(guò)對(duì)4種細(xì)顆粒土凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)改變了細(xì)顆粒土的結(jié)構(gòu)性，隨著凍融過(guò)程的發(fā)展出現(xiàn)較多的多邊形結(jié)構(gòu)，同時(shí)裂隙寬度和深度都有增加的趨勢(shì)，其滲透性亦會(huì)隨凍融作用的發(fā)展而有所增強(qiáng). 研究表明，凍融循環(huán)使得土體孔隙比增大，滲透系數(shù)增大，而土體塑限、含水率和密度減小，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如黏聚力和內(nèi)摩擦角略有減小，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)[4-5].

針對(duì)砂土液化的研究表明，砂土的應(yīng)力狀態(tài)和孔隙水壓力發(fā)展存在密切關(guān)系，其中，剪脹和卸荷體縮是孔隙水壓力發(fā)展的主要影響因素[6]. 在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體內(nèi)部孔隙水壓力受土體自身性質(zhì)的影響，同時(shí)受溫度和凍結(jié)速率的影響，凍融循環(huán)對(duì)孔隙水壓力的影響具有累積作用，即土體內(nèi)部孔隙水壓力與凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性[7-8]. 土體內(nèi)部孔隙水壓力隨凍融過(guò)程發(fā)生變化，當(dāng)土體溫度降到冰點(diǎn)以下時(shí)，孔隙水壓力為負(fù)值，反之當(dāng)土體處于正溫狀態(tài)時(shí)，孔隙水壓力為正值[9-10]. 凍融過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，相應(yīng)的土體內(nèi)部孔隙水壓力狀態(tài)隨土體溫度不斷變化. 正凍過(guò)程中，TABER[11]發(fā)現(xiàn)分凝冰鋒面處孔隙水壓力下降是水分遷移的主要原因. 在有外荷載情況下，未凍土中孔隙水壓力往往能夠立即達(dá)到峰值，而在凍土中，則需要一定的時(shí)間才能夠達(dá)到峰值，相比于未凍土，孔隙水壓力對(duì)外荷載的響應(yīng)存在一定的滯后性[12-14].

目前，凍融過(guò)程中土體內(nèi)部孔隙水壓力的研究多是針對(duì)無(wú)荷載或均勻受力的小土樣試驗(yàn)，而大土樣模型試驗(yàn)研究則鮮有涉及. 本研究基于小比例尺模型試驗(yàn)，研究在凍結(jié)和融化作用下，無(wú)荷載及動(dòng)荷載條件下土體孔隙水壓力的變化過(guò)程及規(guī)律. 以期對(duì)動(dòng)荷載作用下凍融過(guò)程中土體內(nèi)部孔隙水壓力變化有進(jìn)一步認(rèn)識(shí).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土基本物理參數(shù)

試驗(yàn)選用蘭州黃土，采樣地點(diǎn)海拔約1 600 m，屬于典型的季節(jié)凍土區(qū). 按現(xiàn)行土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)所采集用土進(jìn)行基本物理參數(shù)試驗(yàn)，其中，土體中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.7%，干密度為1.35 g/cm3，最大干密度為2.62 g/cm3，塑限為19%，液限為27%. 進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，繪制粒徑級(jí)配累積曲線，如圖1所示. 根據(jù)土樣的基本物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，判斷試驗(yàn)用土為粉土.

圖1 土樣粒徑級(jí)配累積曲線Fig.1 The diameters distribution of soil particles

1.2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本試驗(yàn)利用凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的小型環(huán)境模型試驗(yàn)箱完成了物理模型試驗(yàn). 如圖2所示，模型試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括保溫環(huán)境箱體、溫度控制系統(tǒng)、保溫小模型試驗(yàn)箱、動(dòng)荷載加載系統(tǒng)、溫度孔壓傳感器及其配套的數(shù)采設(shè)備等.

以蘭州地區(qū)氣溫條件為背景，取每月平均溫度，輸入環(huán)境模型試驗(yàn)箱，輸入溫度在-7.7～15.3 ℃近似正弦函數(shù)呈周期性波動(dòng)，根據(jù)凍土模型試驗(yàn)相似原理[15]，在滿足相似理論的情況下，用24 h模擬全年溫度變化，視為一個(gè)凍融周期，輸入控制曲線如圖3所示.

圖3 正弦溫度變化曲線Fig.3 The sine curve of temperature

振動(dòng)系統(tǒng)由振動(dòng)底板、空氣錘、電磁閥、繼電器和空壓機(jī)組成，空氣錘固定在振動(dòng)底板上，振動(dòng)底板為18 cm×18 cm的正方形，振動(dòng)底板和空氣錘的總質(zhì)量為16.2 kg，空氣錘的最大沖擊力為9.6 kg·m/s. 空氣錘的振動(dòng)頻率按照蘭州繞城高速車(chē)流量計(jì)算得到，設(shè)置為0.164 Hz. 假設(shè)車(chē)輛行駛速度為60 km/h，則行駛軸距長(zhǎng)的距離需要用時(shí)0.4 s，即模型試驗(yàn)中動(dòng)荷載的加載周期為6.1 s，加載時(shí)間0.4 s，卸載時(shí)間為5.7 s. 土樣進(jìn)行干燥破碎后，用2 mm孔徑的篩子進(jìn)行過(guò)篩，其后進(jìn)行拌合，試驗(yàn)含水量控制在12.6 %，最后稱重裝箱，裝箱干密度控制在1.6 g/cm3.

試驗(yàn)用傳感器采用熱敏電阻傳感器和HC-25孔隙水壓力傳感器. 孔隙水壓力傳感其工作溫度范圍為-20～80 ℃，壓力量程-100～200 kPa，電流輸出4～20 mA. 該孔隙水壓力傳感器輸出的電流信號(hào)即可轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力值，在使用中無(wú)需進(jìn)行標(biāo)定. 將其置于空氣中時(shí)，其值在0～0.5 kPa之間，表明能滿足試驗(yàn)要求.

孔隙水壓力傳感器和溫度傳感器、荷載作用位置如圖4所示. 為方便，對(duì)傳感器按其在土中的位置進(jìn)行編號(hào). 其中，a和b代表位于模型左側(cè)23.3和11.7 cm位置處，相應(yīng)的e和d代表位于模型右側(cè)23.3和11.7 cm位置，c為模型箱中心線位置；數(shù)字表示距土體表面的距離，編號(hào)1、2、3和4表示土表以下5、10、20和30 cm，字母和數(shù)字組合使用表示傳感器在土中的位置.動(dòng)荷載采用空氣錘施加，位于土體表面正中位置. 模型試驗(yàn)箱內(nèi)部填土均勻，因此在模型試驗(yàn)箱中心斷面上布置孔隙水壓力傳感器和溫度傳感器，兩者沿中軸線對(duì)稱布置，左側(cè)布置溫度傳感器，右側(cè)布置孔隙水壓力傳感器，在空氣錘下方土體內(nèi)部同時(shí)布置溫度和孔隙水壓力傳感器. 孔隙水壓力傳感器均埋置于土體內(nèi)部，溫度傳感器在土體內(nèi)部和表面及空氣錘上方空氣中均有所布設(shè).

圖4 傳感器及荷載設(shè)置示意圖(單位：cm)Fig.4 The location of sensors and load(unit：cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度變化

模型試驗(yàn)環(huán)境溫度設(shè)定為-7.7～15.3 ℃. 凍融及動(dòng)荷載條件下土體內(nèi)部的溫度變化如圖5所示. 從圖5可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為最高溫度或者最低溫度時(shí)，土體上部溫度變化較大，而底部溫度變化不大. 在升溫過(guò)程中，環(huán)境中的熱量進(jìn)入土體，導(dǎo)致土體溫度升高；在降溫過(guò)程中，底部土體的熱量向上傳遞，下部土體熱量向環(huán)境耗散.

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到最高值時(shí)，振動(dòng)底板下方0～10 cm和底板兩側(cè)0～5 cm的土體等溫線密集，土體底部(20～40 cm)的等溫線則較為密集，土體中上部5～20 cm深度處的等溫線則較稀疏. 振動(dòng)底板下方土體溫度密集區(qū)域的深度大于底板兩側(cè)下方土體的原因是振動(dòng)底板為鋼質(zhì)材料，導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)大于空氣，導(dǎo)致振動(dòng)底板下方土體接收外界熱量越多，土體溫度越高，等溫線越密集. 土體中上部(5～20 cm)的等溫線稀疏與土體的導(dǎo)熱性能有關(guān). 另外，從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部溫度由高變低，說(shuō)明在凍融過(guò)程中，土體內(nèi)部吸收熱量小于耗散熱量，即降溫過(guò)程中釋放的熱量大于升溫過(guò)程中吸收的熱量.

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到最低值時(shí)，土體內(nèi)部出現(xiàn)零溫度線. 在凍融初期，振動(dòng)底板下方的零溫度線深度大于底板兩側(cè)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，底板下方的零溫度線埋深大致相同且與底板平行. 零溫度線產(chǎn)生這種變化的原因有3點(diǎn)：① 控溫條件，試驗(yàn)控溫條件的平均溫度為正溫，具有典型季節(jié)凍土區(qū)的氣溫特點(diǎn)，且凍結(jié)期較之融化期時(shí)間短，凍融循環(huán)作用下，外部環(huán)境對(duì)土體整體表現(xiàn)為降溫和對(duì)表層土體周期性凍結(jié)的作用，因此在本研究涉及的環(huán)境溫度下，負(fù)溫對(duì)土體溫度場(chǎng)的影響不及正溫，因此環(huán)境最低溫度時(shí)，凍深隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化不大，即0 ℃等溫線埋深大致相同；② 邊界溫度，從第1周期低溫時(shí)可看出振動(dòng)底板下方0 ℃等溫線埋深較大，可見(jiàn)振動(dòng)底板對(duì)表層土體溫度場(chǎng)具有一定程度的影響，振動(dòng)底板材質(zhì)為鋼材，導(dǎo)熱性能良好，其作用于土體表面，導(dǎo)致土體與空氣界面和土體與振動(dòng)底板界面溫度出現(xiàn)差異，負(fù)溫環(huán)境下表現(xiàn)為加快表層土體熱量向環(huán)境釋放；③ 水分遷移，在凍融和動(dòng)荷載雙重作用下，振動(dòng)底板下方表層土體含水量出現(xiàn)一定的升高，凍結(jié)作用下，土中水相變釋放大量相變潛熱，土體含水量的升高減緩了凍結(jié)鋒面向下發(fā)展的趨勢(shì). 綜上，控溫條件決定了凍結(jié)深度，即0 ℃等溫線的埋深，振動(dòng)底板加速土體熱量向環(huán)境釋放，而其下部土體含水量升高減緩了凍結(jié)鋒面向下發(fā)展，兩者綜合作用導(dǎo)致零度等溫線隨凍融次數(shù)增加趨于與振動(dòng)底板平行.

2.2 孔隙水壓力變化

2.2.1 無(wú)荷載條件下孔隙水壓力變化

無(wú)荷載條件下，土體內(nèi)部孔隙水壓力變化，如圖6所示. 由于探頭數(shù)量限制，在0～11.7 cm和58.3～70.0 cm內(nèi)沒(méi)有埋設(shè)傳感器，因此僅在11.7～58.3 cm埋深內(nèi)分析土體內(nèi)部孔隙水壓力的變化規(guī)律. 圖6是環(huán)境高溫時(shí)孔隙水壓力云圖．從圖6可見(jiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，負(fù)孔隙水壓力面積在土體內(nèi)部逐漸減小，而正孔隙水壓力面積逐漸增大. 在第1、5和15個(gè)凍融周期時(shí)，土中孔隙水壓力以負(fù)孔隙水壓力為主，沿試驗(yàn)箱中心線對(duì)稱分布有兩個(gè)面積較大的負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，從第15個(gè)凍融周期來(lái)看，負(fù)孔隙水壓力區(qū)域較之第5周期有了一定的減小，尤其底部土體負(fù)孔隙水壓力減小明顯，在凍融循環(huán)25次后，土體內(nèi)部以正孔隙水壓力為主.

圖6 無(wú)荷載條件下土體內(nèi)部孔隙水壓力變化Fig.6 (Color online) The changing of pore water pressure in soil without load

對(duì)表層土體而言，周期性凍融作用能夠改變表層土體的結(jié)構(gòu)性，進(jìn)而影響到土體的物理力學(xué)性質(zhì). 其中，在凍結(jié)過(guò)程中，孔隙水壓力下降，有效應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致土體在正凍過(guò)程中發(fā)生固結(jié)，同時(shí)凍結(jié)鋒面的移動(dòng)過(guò)程中，負(fù)孔隙水壓力表現(xiàn)為吸力，土體內(nèi)部水分向凍結(jié)鋒面遷移，致使表層土體負(fù)孔隙水壓力的面積逐漸減小，而正孔隙水壓力的面積逐漸增大. 正凍過(guò)程引起表層土體含水量增高，而在融化過(guò)程中，由于試驗(yàn)填土處于非飽和狀態(tài)，土體孔隙未完全被水分填充，因此表層土體孔隙水壓力將隨凍融過(guò)程的反復(fù)進(jìn)行而逐漸增大. 土體內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力面積減小的原因與試驗(yàn)箱有常水頭水分補(bǔ)給有關(guān)，基質(zhì)吸力作用下，水分從下部向上遷移，因此基質(zhì)吸力引起的水分向上遷移將直接導(dǎo)致土體內(nèi)部含水量增大. 結(jié)合孔隙水壓力測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在一定凍融循環(huán)范圍內(nèi)，土體中孔隙水壓力呈現(xiàn)出負(fù)值，而在凍融初期模型箱側(cè)壁土體孔隙水壓力表現(xiàn)為正值，在側(cè)壁與土體界面處水分遷移更為強(qiáng)烈，有壓力增高，面積增大的趨勢(shì)，沿水平方向?qū)χ行奶幫馏w產(chǎn)生影響. 可見(jiàn)土體與模型箱側(cè)壁界面的水分遷移與凍融作用關(guān)系并不密切，僅與土體與模型箱側(cè)壁的界面效應(yīng)有關(guān). 因此孔隙水壓力沿豎向發(fā)生變化的主要原因是表層土體的凍融作用和下部未受凍融影響的非飽和土體的基質(zhì)吸力共同作用所引起的水分遷移，而水平向土體內(nèi)部孔隙水變化主要由于土體與模型箱界面的水分遷移.

2.2.2 動(dòng)荷載條件下孔隙水壓力變化

凍融及動(dòng)荷載條件下，土體內(nèi)部孔隙水壓力變化規(guī)律如圖7所示. 與無(wú)荷載條件下相同，僅在11.7～58.3 cm內(nèi)分析孔隙水壓力的變化規(guī)律. 從圖7可見(jiàn)在凍融初期，只有振動(dòng)底板下方有正孔隙水壓力，而其他區(qū)域均為負(fù)孔隙水壓力. 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，負(fù)孔隙水壓力面積在土體內(nèi)部也逐漸減小，振動(dòng)底板下方的正孔隙水壓力面積變大，且在20 cm深度線上出現(xiàn)正孔隙水壓力. 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，在振動(dòng)底板下方大約20 cm深度處出現(xiàn)高孔隙水壓力區(qū)域.

在試驗(yàn)條件相同的情況下，對(duì)比分析無(wú)荷載和動(dòng)荷載條件下孔隙水壓力，可以看出動(dòng)荷載作用下負(fù)孔隙水壓力分布區(qū)域面積較大，土表動(dòng)荷載對(duì)內(nèi)部孔隙水壓力影響明顯. 在凍融初期，動(dòng)荷載就對(duì)內(nèi)部孔隙水壓力產(chǎn)生較大影響，較之無(wú)荷載條件下，形成面積較大且貫通的負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，隨著凍融次數(shù)的增加，在振動(dòng)底板下方形成負(fù)孔隙水壓力區(qū)域. 振動(dòng)底板下方薄層土體在振動(dòng)荷載作用下，發(fā)生壓密和固結(jié)，孔隙面積減小，因此該薄層2～4 cm內(nèi)孔隙水壓力變化隨時(shí)間變化并不大，呈“馬鞍”形. 而凍融和動(dòng)荷載雙重作用下，負(fù)孔隙水壓力面積持續(xù)減小，從第15和第25個(gè)凍融周期來(lái)看，其形態(tài)呈“啞鈴”狀，同時(shí)振動(dòng)底板下方20 cm位置處出現(xiàn)高孔隙水壓力區(qū)域，這與動(dòng)荷載應(yīng)力水平和影響范圍有關(guān).

在動(dòng)荷載作用下，土顆粒間出現(xiàn)小范圍的相對(duì)滑動(dòng)與滾動(dòng)，在不同的時(shí)刻與不同的區(qū)域，體縮與體脹交替出現(xiàn). 當(dāng)荷載與土體表面接觸時(shí)，土體孔隙受擠壓，土體產(chǎn)生彈性體應(yīng)變，孔隙受擠壓變形，導(dǎo)致孔隙率減小，孔隙內(nèi)水分排出，孔隙水壓力增大；當(dāng)荷載與土體表面不接觸時(shí)，土體的彈性應(yīng)變回彈，此時(shí)孔隙由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)，在此過(guò)程中產(chǎn)生膨脹吸力，導(dǎo)致水分快速向原體縮位置遷移. 在動(dòng)荷載作用時(shí)，土體產(chǎn)生彈性體應(yīng)變，同時(shí)產(chǎn)生部分塑性體應(yīng)變，而這部分體應(yīng)變不可恢復(fù)，隨著動(dòng)荷載的累積作用，塑性體應(yīng)變不斷積累，由此導(dǎo)致孔隙水壓力逐漸增大. 凍融和動(dòng)荷載作用下，上部土體在經(jīng)歷一定周期凍融循環(huán)后負(fù)孔隙水壓力分布呈“啞鈴”狀，與動(dòng)荷載作用下土體內(nèi)部應(yīng)力分布有關(guān). “啞鈴”狀負(fù)孔隙水壓力分布區(qū)域內(nèi)土體發(fā)生反復(fù)加載和卸載，相應(yīng)的土體孔隙的膨脹和體縮反復(fù)進(jìn)行，水分亦存在反復(fù)吸入和擠出. 由于動(dòng)荷載引起的孔隙周期性變化，土體孔隙結(jié)構(gòu)和大小發(fā)生變化，但是孔隙始終存在. 因而凍融和動(dòng)荷載綜合作用下，動(dòng)荷載影響范圍內(nèi)土體負(fù)孔隙水壓力分布面積隨凍融過(guò)程的發(fā)展而減小，但動(dòng)荷載對(duì)孔隙水壓力的影響并不會(huì)消失.

圖7 動(dòng)荷載條件下土體內(nèi)部孔隙水壓力變化Fig.7 (Color online) The changing of pore water pressure in soil under the load

3 結(jié) 論

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部釋放熱量大于吸收熱量，土體內(nèi)部溫度整體降低. 振動(dòng)底板較之土體導(dǎo)熱性能良好，對(duì)其下方一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生影響，導(dǎo)致底板下方0～5 cm土體的等溫線較密集，溫度梯度較大.

2)無(wú)荷載條件下，在外部?jī)鋈跅l件和土體自身基質(zhì)吸力對(duì)水分遷移的驅(qū)動(dòng)作用下，孔隙水壓力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，孔隙水壓力自下而上增大，負(fù)孔隙水壓力面積減小，正孔隙水壓力面積增大.

3)動(dòng)荷載條件下，受土體內(nèi)部孔隙水壓力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，振動(dòng)底板以下20 cm位置處先出現(xiàn)高孔隙水壓力區(qū)域，負(fù)孔隙水壓力區(qū)域分別向土體上部和底部延伸，振動(dòng)底板以下負(fù)孔隙水壓力區(qū)域呈“啞鈴”狀分布.

4)與無(wú)荷載條件下相比，動(dòng)荷載對(duì)土中孔隙水壓力分布產(chǎn)生較大影響，在凍融初期便在土體中形成面積較大的負(fù)孔隙水壓力區(qū)域，并且這種影響累積發(fā)生，負(fù)孔隙水壓力面積隨凍融作用減小，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性.

5)凍融和動(dòng)荷載雙重作用下對(duì)土體孔隙水壓力影響較大，進(jìn)一步影響到土體內(nèi)部水分分布，該結(jié)果對(duì)季節(jié)凍土區(qū)路基設(shè)計(jì)和病害整治具有一定的借鑒意義.

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