凍融循環(huán)對嚴(yán)寒地區(qū)路堤最大填土高度的影響

王麗霞 孫 爽 王 靜 呂 翔 張云龍

(吉林建筑大學(xué),長春 130118)

0 引言

嚴(yán)寒地區(qū)路基土不可避免要經(jīng)歷冬季凍脹、春季融沉的往復(fù)凍融循環(huán)作用,土體的力學(xué)性質(zhì)及路基整體穩(wěn)定性也會受到顯著影響[1-3].現(xiàn)有研究集中于對非凍土路基邊坡穩(wěn)定性的研究.如張魯渝等[4]研究分析了坡高、坡角、粘聚力與摩擦角等參數(shù)對非凍土路基邊坡穩(wěn)定性的影響;Leroueil等[5-9]提出了非凍結(jié)條件下多種路堤臨界高度數(shù)值計算方法;Carreira等[10]研究提出通過增加土工織物提高路堤臨界填高的數(shù)值計算方法;朱福等[11]基于極坐標(biāo)系下的弗拉曼公式和統(tǒng)一強度理論,考慮中間主應(yīng)力σz對地基承載力的影響,提出了路堤臨界高度數(shù)值計算方法.凍融作用對路基穩(wěn)定性影響問題已經(jīng)受到有關(guān)學(xué)者關(guān)注,但對嚴(yán)寒地區(qū)路堤整體穩(wěn)定性研究尚少見報道.本文針對我國嚴(yán)寒地區(qū)路堤穩(wěn)定性關(guān)鍵問題,重點選取了嚴(yán)寒地區(qū)3種不同類型典型路基土,研究了凍融作用下凍土路基最大填土高度,為嚴(yán)寒地區(qū)實際道路工程設(shè)計提供參考.

1 試驗土樣和試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗土樣選自吉林省3種典型路基土即粉砂土、粉質(zhì)粘土和粘土,用符號S1,S2,S3表示.試驗土樣的物性參數(shù)及各粒徑占比百分?jǐn)?shù)分析見表1～表2.

表1 試驗土樣的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of test soil samples

表2 試驗土樣的各粒徑占比百分?jǐn)?shù)分析Table 2 Analysis on percentages of different particle diameters of test soil samples (%)

含水量是土中實際含水多少的指標(biāo),土中含水的水重量與干燥土重量的百分?jǐn)?shù),稱為重量含水量,土中含水的水體積與包括空隙在內(nèi)的干土體積的百分?jǐn)?shù),稱為體積含水量.土在一定擊實功作用下,因其含水量不同,密實度也不相同.在工程實踐中常把最能符合工程技術(shù)要求的,使土能獲得最大密實狀態(tài)的含水量,稱為最佳含水量,而此時土的干密度稱為最大干密度.路基填土的控制含水量一般為“最佳含水量±2%”,但含水量較大時更為不利,且因天氣及其他因素影響,實際工程中的含水量通常偏大,故本文在取值時,只對比最優(yōu)含水量大2%的含水量進(jìn)行了分析,并將其定義為本文中的控制含水量.由3種土樣擊實試驗得出最佳含水量wopt,并以wopt+2%為控制含水量,制作靜三軸試驗試件.試件直徑39.1mm,高80 mm,壓實度大于95%.

1.2 試驗方案

圖1 TSZ-1B型全自動三軸儀Fig.1 TSZ-1B automatic tri-axial instrument

試驗采用TSZ-1B型全自動三軸儀,見圖1.凍結(jié)溫度為-20℃,融化溫度為20℃,凍融時間為48 h(凍融循環(huán)1次意指凍結(jié)24h 、融化24h),將試件分別進(jìn)行0～16次凍融循環(huán),然后對經(jīng)歷凍融作用后的試件進(jìn)行靜三軸試驗,圍壓分別取為100kPa,200kPa和300kPa,豎向應(yīng)變剪切速率取為每分鐘0.8.

2 靜三軸試驗結(jié)果分析

2.1 凍融作用對粘聚力的影響分析

在最佳含水量和控制含水量條件下,不同凍融次數(shù)對粘聚力c影響規(guī)律如圖2所示.由圖2(a)可見,wopt時,隨著凍融次數(shù)的增加,粘聚力總體呈降低趨勢,且在8～12次趨于穩(wěn)定;由圖2(b)可見,wopt+2%時，粘聚力也呈降低趨勢.粘聚力c均減小的原因可能是由于土體經(jīng)歷反復(fù)凍融作用后,土體中水分遷移,顆粒間膠結(jié)作用減弱所致.比較圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn),在凍融次數(shù)相同時,同一試樣在wopt+2%時的粘聚力明顯低于wopt時的粘聚力,其原因是隨著含水量的增加,薄膜水變厚,土體中自由水增加,致使土顆粒間距增大,同時某些起膠結(jié)作用的可溶鹽溶解,膠結(jié)物質(zhì)逐漸軟化,顆粒間膠結(jié)力顯著降低.

2.2 凍融作用對內(nèi)摩擦角的影響分析

在wopt和wopt+2%時,凍融作用對試樣內(nèi)摩擦角φ的影響規(guī)律見圖3所示.由圖3可見,同一試樣的內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加變化不明顯.隨含水量增多,內(nèi)摩擦角總體呈降低趨勢.這是由于凍融后孔隙水聚集,孔隙比變化,顆粒間接觸摩擦力減小所致.比較圖3(a)和圖3(b)發(fā)現(xiàn),凍融次數(shù)相同時,同一試樣在wopt+2%時內(nèi)摩擦角明顯小于wopt時內(nèi)摩擦角,這是因為較高含水量的試樣中,反復(fù)凍融使水聚集,起到了潤滑作用,土體內(nèi)摩擦角減小.

(a)At the optimum water content (b) At the control water content圖2 凍融作用對3種試樣粘聚力的影響Fig.2 Effect of freezing and thawing on the cohesion of three samples

(a)At the optimum water content (b)At the control water content圖3 凍融作用對3種試樣內(nèi)摩擦角的影響Fig.3 Effect of freezing and thawing on the internal friction angle of three samples

3 路堤填土高度研究

3.1 計算模型

路堤臨界填土高度是指在天然地基上不作任何處理時,在不控制填土施工速率情況下地基所能承擔(dān)的填土高度[12].當(dāng)路堤填高小于路基臨界填高時,路基的變形和穩(wěn)定性可得到有效控制[13];當(dāng)填高超過路基所能承受的臨界高度時,路基就會發(fā)生滑移、崩塌破壞.本文所研究的路堤最大填土高度是土體在特定含水量時,不控制施工速率時地基所能承受的填高.由于ANSYS數(shù)值模擬法具有不用事先假定滑移面,且可直接根據(jù)各點應(yīng)力狀態(tài)來計算路基各點安全系數(shù)并進(jìn)行路堤邊坡安全性評價[14]的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用.因此,本文選用ANSYS分析軟件,采用強度折減有限元法[15]進(jìn)行邊坡整體穩(wěn)定性分析,分析所用計算模型見圖4所示.

3.2 計算參數(shù)

圖4 ANSYS路基模型每層賦材料情況Fig.4 ANSYS sub-grade model materials assigned to each layer

分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵是邊坡破壞臨界狀態(tài)的判定.本文按照分層、從外到內(nèi)逐次凍融原則,假定無外界水源補給,第一次凍融深度為30cm,其后每凍融一次深度增加20cm,直至達(dá)到最大凍深1.7m為止,根據(jù)上述土樣分別在wopt和wopt+2%時,將經(jīng)歷凍融作用所測得c，φ參數(shù),代入計算模型.模型中道路結(jié)構(gòu)層分為3層,依次為瀝青、二灰碎石、石灰土,并將其參數(shù)值依次定義為材料1、材料2和材料3,材料賦值為該材料的標(biāo)準(zhǔn)值.將汽車荷載換算成等代土層作用在道路結(jié)構(gòu)層上,并將其參數(shù)值定義為材料4.路堤最外兩層選用wopt+2%的c，φ值,其他層均選用wopt的c，φ值,由外到內(nèi)依次將參數(shù)值定義為材料5至材料12,最后將wopt時未凍土的參數(shù)值定義為材料13,每層賦材料情況見圖4.

計算模型選用 plane 82 單元,選取Drucker—prager土體屈服準(zhǔn)則,因為Drucker—prager 屈服準(zhǔn)則既可考慮圍壓對屈服特性的影響,又能反映剪切引起膨脹的性質(zhì)[16].進(jìn)行路堤邊坡穩(wěn)定性分析時,控制路堤坡度恒為1∶1.5,逐步提高路堤高度,用不同凍融次數(shù)時的強度指標(biāo)計算其最危險點穩(wěn)定系數(shù),直到穩(wěn)定系數(shù)等于1.0,此時計算出的高度即為該土樣在1∶1.5坡度下對應(yīng)的路堤臨界高度,即路堤最大填高.由于路基屬于軸對稱平面應(yīng)變問題,所以在建立ANSYS模型時,選擇建立半幅路堤(6m寬)進(jìn)行分析.土樣S2的ANSYS模型參數(shù)c，φ值及每種材料賦參數(shù)值情況詳見表3～表4.S1，S3的ANSYS模型及每種材料賦參數(shù)情況同S2,限于篇幅,文中未列.

表3 S2土樣凍融循環(huán)后靜三軸試驗結(jié)果Table 3 The static tri-axial test results of S2 samples expending different freeze-thaw cycles

表4 每種材料參數(shù)賦值情況Table 4 Parameter values assigned to each material

續(xù)表4

3.3 計算結(jié)果

按上述方法對每種材料賦參數(shù)值后,采用ANSYS層狀路基模型進(jìn)行計算,得出S2路堤填土在凍融前后的塑性應(yīng)變云圖分別見圖5、圖6.由圖5可知:凍融前,路堤填土的破裂面近似呈圓弧型,這是因為凍融前,坡腳單元首先進(jìn)入塑性區(qū),產(chǎn)生塑性應(yīng)變,但此時周圍單元仍處于彈性狀態(tài),限制了塑性應(yīng)變的發(fā)展,應(yīng)力向周圍單元轉(zhuǎn)移,塑性區(qū)向上發(fā)展并貫通,融滑破裂面呈圓弧型.由圖6可知:凍融后,土體的融滑破裂面近似為直線型,這是因為春融時節(jié),表層土融化時,強度已經(jīng)降低,而其下部土體依舊處于凍結(jié)狀態(tài),強度較高,在軟硬交界面處,融滑破裂面呈直線型.S1，S3路基填土在凍融前后的塑性應(yīng)變云圖形狀與S2類似.

(a)Stable state (b)Instability state圖5 凍融前S2土樣的塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Plastic deformation of S2 sample before freezing and thawing

(a)Stable state (b)Instability state圖6 凍融后S2土樣的塑性應(yīng)變云圖Fig.6 Plastic deformation of S2 sample after freezing and thawing

考慮到實際設(shè)計與應(yīng)用情況,應(yīng)取安全系數(shù)為2所對應(yīng)最大填土高度進(jìn)行設(shè)計取值.S1，S2，S3在1∶1.5邊坡坡度時,對應(yīng)的路堤最大填土高度詳見表5和圖7.

表5 3種試樣填筑路堤的最大填土高度Table 5 The maximum filling height of subgrade filled with three kinds of samples

將表5中3種土樣路基最大填充高度及其最小值繪制成曲線圖,見圖7(a)，圖7(b)所示.

(a) (b)圖7 考慮凍融循環(huán)作用后路堤的最大填土高度Fig.7 The maximum filling height of sub-grade considering the freeze-thaw cycles

由表5可知,隨凍融次數(shù)的增加,3種試樣的最大填土高度基本呈降低趨勢,最終趨于穩(wěn)定.最大填土高度降低是因為多次凍融使土體反復(fù)膨脹、收縮,土體抗剪強度指標(biāo)有所折減.由圖7(b)可知,隨塑性指數(shù)的增加,路堤最大填高先增后減;以S2為填土,最大填高最大,說明凍融作用下,粉質(zhì)粘土作為路堤填土的工程性質(zhì)最好;以S1為填土,最大填高最小,說明粉砂土作為路堤填土的工程性質(zhì)較差,不宜直接選用作為路堤填土,需經(jīng)過改良,以保證路堤獲得更好的穩(wěn)定性.

4 結(jié)論

(1) 從總體上看,經(jīng)歷凍融作用后土體的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律如下:粘聚力隨凍融次數(shù)增加而減小,內(nèi)摩擦角在小范圍內(nèi)波動.其中粉質(zhì)粘土粘聚力最大,粘土次之,粉砂土最小.

(2) 采用層狀有限元數(shù)值模擬法,計算了坡度為1∶1.5且最外兩層為控制含水量、其余層均為最佳含水量時,3種不同塑性指數(shù)路堤土的最大填高.發(fā)現(xiàn)隨凍融次數(shù)的增加,最大填高呈降低趨勢,最終趨于穩(wěn)定;隨塑性指數(shù)的增加,最大填高先增后減.粉質(zhì)粘土最大填高最大,粘土次之,粉砂土最小.

(3) 本文在進(jìn)行路堤邊坡穩(wěn)定性分析時,只考慮了坡度為1∶1.5時,路堤最大填高與凍融次數(shù)之間的關(guān)系.在實際工程中,邊坡的坡度不同,同時考慮到地域限制,填土高度過高時,應(yīng)進(jìn)行放坡處理,因此,應(yīng)進(jìn)一步研究考慮不同邊坡坡度時,凍融次數(shù)對路堤最大填高的影響.