溫度變化條件下路基鹽漬土動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律研究

趙福堂,常立君,張吾渝

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院,西寧 810016)

青海地處青藏高原，因其獨(dú)特的氣候環(huán)境和地質(zhì)地貌特征，在境內(nèi)廣泛分布著鹽漬土。青海地區(qū)鹽漬土含鹽量平均在3.0296%左右，最大可超過(guò)7.0%[1]。隨著“一帶一路”的建設(shè)和西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在鹽漬土地區(qū)修建基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是交通基礎(chǔ)設(shè)施成為建設(shè)的重點(diǎn)，但受特殊的氣候條件影響，在交通動(dòng)荷載、低溫、凍融循環(huán)等因素影響下，青海鹽漬土地區(qū)道路出現(xiàn)的病害也較多，如鹽漬土路堤的邊坡表面出現(xiàn)吸濕軟化、沖刷淋溶、風(fēng)蝕松脹，路基出現(xiàn)膨脹破壞、融沉，造成路面翻漿。高地下水位地區(qū)，由于基層材料內(nèi)部鹽分運(yùn)移聚集，導(dǎo)致路面瀝青不規(guī)則變形、起皮、開(kāi)裂、脫落等破壞。同時(shí)野外工程爆破、機(jī)械施工、地震等都會(huì)使路基土體受小范圍撓動(dòng)，加速其變形破壞從而產(chǎn)生一系列的工程問(wèn)題。

目前，對(duì)鹽漬土的研究主要以基本物理特性和對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生腐蝕、鹽脹、溶陷等危害為主[2-6]，關(guān)于溫度變化條件下鹽漬土在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力特性研究不多，且其在動(dòng)荷載和溫度變化下的力學(xué)特性關(guān)系更為復(fù)雜。當(dāng)在凍鹽漬土地區(qū)修建公路、鐵路工程時(shí)，需要注意到不同溫度狀態(tài)下鹽漬土獨(dú)特的物理、熱學(xué)、力學(xué)性質(zhì)以及動(dòng)力荷載的特殊性[7]。以青海西部某地區(qū)硫酸鹽含量較高的鹽漬粉土為研究對(duì)象，分析了其在不同溫度、不同圍壓、不同動(dòng)荷載頻率下的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系，使用改進(jìn)的Hardin雙曲線模型[8]進(jìn)行曲線擬合，探究了動(dòng)剪切模量、動(dòng)剪應(yīng)力幅值等在不同試驗(yàn)條件下的響應(yīng)規(guī)律，以期為進(jìn)一步研究不同含鹽量和含鹽種類鹽漬土的動(dòng)力特性提供參考。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)土樣取自青海西部某重鹽漬土地區(qū)的路基填土，根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[9]，測(cè)得鹽漬土試樣的基本物理特性參數(shù)見(jiàn)表1，試樣中各離子種類及含量見(jiàn)表2，由試驗(yàn)結(jié)果可知本土樣SO42-離子含量高達(dá)3.946 8%，夾雜有含量0.148 1%的CL-離子，由此可知此土為含有少量氯鹽的硫酸鹽類鹽漬土。由物性指標(biāo)可知其為堅(jiān)硬類粉土。試驗(yàn)時(shí)按土樣的最優(yōu)含水率和最大干密度，采用高80 mm，直徑39.1 mm的圓柱形三瓣模制得分層擊實(shí)重塑試樣，制備完成后套入乳膠膜，裝入動(dòng)三軸壓力室后在設(shè)定的不同溫度下，進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。

表1 鹽漬土試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 鹽漬土試樣離子含量測(cè)定值

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用英國(guó)GDS伺服電機(jī)控制雙向動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(DYNTTS)，溫度控制采用液態(tài)冷凍壓縮循環(huán)機(jī)，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)來(lái)改變壓力室的室溫，調(diào)節(jié)溫度范圍為10～-30 ℃，試驗(yàn)儀器見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 GDS伺服電機(jī)控制雙向動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 壓力室凍結(jié)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以控制溫度變化為主要條件，設(shè)定3，0，-5，-10，-15 ℃五個(gè)溫度變化梯度，動(dòng)載頻率分別設(shè)定為1，2，5 Hz，以及不同的4個(gè)圍壓100，200，300，500 kPa，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。在不同控制條件下，給控制正溫及凍結(jié)24 h后的試樣施加正弦波形式的交通循環(huán)荷載[10]，本次試驗(yàn)取溫度0 ℃以上動(dòng)應(yīng)變?yōu)?%和0 ℃以下動(dòng)應(yīng)變達(dá)到10%為終止加載條件[11](圖3)。

表3 試驗(yàn)方案設(shè)定

圖3 施加正弦形式軸向動(dòng)荷載示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 頻率與動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系

以試驗(yàn)溫度3 ℃和-10 ℃、圍壓500 kPa時(shí)為例，其他相同狀態(tài)下頻率變化時(shí)各曲線變化趨勢(shì)與3 ℃和-10 ℃狀態(tài)類似，不再贅述。施加動(dòng)荷載的頻率變化時(shí)，動(dòng)剪應(yīng)力-動(dòng)剪應(yīng)變關(guān)系骨干曲線見(jiàn)圖4、圖5。從圖4、圖5可知，在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，頻率變化對(duì)曲線的影響明顯，在同一動(dòng)剪應(yīng)變幅下，頻率增大，動(dòng)剪應(yīng)力幅值(τd)也增大，且-10 ℃時(shí)的τd大于3 ℃時(shí)近5倍多。最大動(dòng)剪切模量(Gdmax)、最終剪應(yīng)力幅值(τdult)隨頻率變化關(guān)系見(jiàn)圖6和圖7，由圖可知，頻率由1 Hz增大到5 Hz時(shí)，Gdmax和τdult整體都為上升趨勢(shì)，3 ℃條件下Gdmax的增幅為10.6%(232.5～257.1 MPa)，-10 ℃條件下Gdmax的增幅為17.1%(943.4～1 104.6 MPa)，且都為上凸形。在3 ℃和-10 ℃條件下τdult的增幅分別為6.5%(0.31～0.33 MPa)和11.8%(1.61～1.80 MPa)，-10 ℃增幅明顯高于3 ℃時(shí)的相應(yīng)值，但凹凸性不一致。動(dòng)剪切模量(Gd)和動(dòng)應(yīng)變幅值(γd)隨頻率變化的曲線關(guān)系見(jiàn)圖8、圖9，動(dòng)剪應(yīng)變幅值相同時(shí)，頻率增大，動(dòng)剪切模量也相應(yīng)增大，起始階段-10 ℃的變化規(guī)律比3 ℃更平緩。

試驗(yàn)溫度3 ℃時(shí)，其曲線變化原因主要與土樣中的粘滯性水膜發(fā)生流動(dòng)有關(guān)，荷載頻率大小反映了加載速率的快慢[12-13]，當(dāng)頻率較小時(shí)，施加動(dòng)荷載的速率較慢，土樣中粘滯性水膜的流動(dòng)和重排列過(guò)程有較多時(shí)間發(fā)生，土樣變形較大，所以動(dòng)剪切模量??；當(dāng)頻率變大時(shí)，施加動(dòng)荷載的速率變快，土樣中粘滯性水膜的流動(dòng)和重排列來(lái)不及發(fā)生，變形較小，所以動(dòng)剪切模量大。-10 ℃時(shí)的試樣已經(jīng)凍結(jié)，土中存在大量冰晶，土顆粒和冰晶體在較小荷載頻率下有較多時(shí)間發(fā)生塑性變形和重排列[14，15]，凍結(jié)含鹽土變形大，剛度減弱，動(dòng)剪切模量就小，當(dāng)荷載頻率變大時(shí)，土顆粒和冰晶體的塑性流動(dòng)和重排列來(lái)不及完全發(fā)生，凍結(jié)含鹽土變形小，剛度增強(qiáng)，動(dòng)剪切模量就大。

圖5 不同頻率下的動(dòng)剪應(yīng)力幅值與動(dòng)剪應(yīng)變 幅值骨干曲線(-10 ℃)

圖6 最大動(dòng)剪切模量隨頻率變化關(guān)系

圖7 最終剪應(yīng)力幅值隨頻率變化關(guān)系

圖8 動(dòng)剪切模量和動(dòng)應(yīng)變幅值隨頻率變化關(guān)系(3 ℃)

圖9 動(dòng)剪切模量和動(dòng)應(yīng)變幅值隨頻率變化關(guān)系(-10 ℃)

2.2 溫度與動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系

當(dāng)試驗(yàn)頻率為2 Hz、圍壓為500 kPa時(shí)，不同溫度下的動(dòng)剪應(yīng)力-動(dòng)剪應(yīng)變關(guān)系骨干曲線見(jiàn)圖10，1 Hz和5 Hz條件下變化趨勢(shì)與2 Hz時(shí)相似，由圖10可知，溫度的變化對(duì)曲線影響很大，0 ℃及以上的溫度時(shí)τd變化不明顯，但0 ℃及以下的負(fù)溫對(duì)τd影響顯著，τd都隨溫度的升高而降低。最大動(dòng)剪切模量(Gdmax)、最終剪應(yīng)力幅值(τdult)隨低溫變化關(guān)系見(jiàn)圖11，Gdmax和τdult在0 ℃以上變化趨勢(shì)較緩，0 ℃以下變化趨勢(shì)明顯，0 ℃以上時(shí)，Gdmax的減幅為10.8%(245.1～274.7 MPa)，τdult的減幅為22.0%(0.32～0.41 MPa)，0 ℃以下時(shí)，Gdmax的減幅為75.6%(274.7～1 124.3 MPa)，τdult的減幅為85.6%(0.41～2.84 MPa)。動(dòng)剪切模量和動(dòng)應(yīng)變幅值隨低溫變化關(guān)系見(jiàn)圖12，相同γd對(duì)應(yīng)的Gd在溫度降低時(shí)增大明顯。原因是當(dāng)土樣含水量一定時(shí)，溫度降低，土孔隙中的水更多地凍結(jié)為冰晶，這使得土顆粒與冰晶之間的黏結(jié)力增加，土顆粒之間的咬合力也有所加強(qiáng)[16]，同時(shí)土樣的變形量減小，剛度增大，動(dòng)剪切模量變大。

圖10 不同低溫下的動(dòng)剪應(yīng)力幅值與動(dòng)剪應(yīng)變幅值骨干曲線

圖11 最大動(dòng)剪切模量和最終剪應(yīng)力幅值隨低溫變化關(guān)系

圖12 動(dòng)剪切模量和動(dòng)應(yīng)變幅值隨低溫變化關(guān)系

2.3 圍壓與動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系

當(dāng)試驗(yàn)頻率為1 Hz、溫度為-10 ℃時(shí)，不同圍壓下動(dòng)剪應(yīng)力-動(dòng)剪應(yīng)變關(guān)系骨干曲線見(jiàn)圖13，最大動(dòng)剪切模量、最終剪應(yīng)力幅值隨圍壓變化關(guān)系見(jiàn)圖14，由圖可知，當(dāng)其他條件不變時(shí)，圍壓由0.1～0.5 MPa增加時(shí)，同一γd下的τd增大明顯。圍壓從0.1 MPa增大到0.5 MPa，Gdmax和τdult都呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，但凹凸性不一，變化關(guān)系較為復(fù)雜，增幅分別為23.8%(762.2～943.4 MPa)和56.3%(1.03～1.61 MPa)。動(dòng)剪切模量和動(dòng)應(yīng)變幅值隨圍壓變化關(guān)系見(jiàn)圖15，在該變化圍壓范圍內(nèi)，Gd隨圍壓的增長(zhǎng)而增大。圍壓增大，有助于凍結(jié)含鹽土樣細(xì)粒簇團(tuán)內(nèi)分布的中小孔隙[17]和微凍脹裂隙逐漸愈合[15]，使土顆粒、冰晶體產(chǎn)生有規(guī)律的剪切和移位，在這樣一個(gè)良性的位移循環(huán)中，不同形狀的晶體、土顆粒都逐漸占據(jù)適合自身的孔隙空間，孔隙和裂隙不斷產(chǎn)生和減少，直到一個(gè)穩(wěn)態(tài)，這一過(guò)程使整個(gè)土體的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，從而強(qiáng)化了土體自身強(qiáng)度。

圖13 不同圍壓下動(dòng)剪應(yīng)力幅值與動(dòng)剪應(yīng)變幅值骨干曲線

圖14 最大動(dòng)剪切模量和最終剪應(yīng)力幅值隨圍壓變化關(guān)系

圖15 動(dòng)剪切模量和動(dòng)應(yīng)變幅值隨圍壓變化關(guān)系

2.4 曲線擬合結(jié)果

本試驗(yàn)動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系可采用改進(jìn)的Hardin雙曲線模型來(lái)擬合[8，18]，不同試驗(yàn)條件下各擬合參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4，動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系動(dòng)力參數(shù)中的動(dòng)剪應(yīng)力幅值τd、動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd和動(dòng)剪切模量Gd各值計(jì)算公式如式(1)～式(4)。

改進(jìn)的Hardin雙曲線公式

(1)

其中，a、b和c為試驗(yàn)擬合參數(shù)(a>0，b>0，c>0)。

動(dòng)剪切模量計(jì)算公式

(2)

式中，E為軸向的動(dòng)應(yīng)變幅值與動(dòng)應(yīng)力幅值的比；μ為動(dòng)泊松比(本文取0.35[19])。

當(dāng)式(2)中γd→0時(shí)，得式(3)；γd→+∞時(shí)，得式(4)

Gdmax=Gd|γd→0=1/a

(3)

τdult=τd|γd→+∞=1/b

(4)

式中，Gdmax為最大動(dòng)剪切模量；τdult為最終剪應(yīng)力幅值。

表4 凍結(jié)含鹽粉土試驗(yàn)條件和骨干曲線參數(shù)擬合結(jié)果

2.5 最大動(dòng)剪切模量的溫度修正系數(shù)

孫悅等[18]為獲得負(fù)溫下Gdmax的計(jì)算公式，定義了一個(gè)溫度修正系數(shù)

(5)

本試驗(yàn)中最大動(dòng)剪切模量按圍壓0.5 MPa、頻率2 Hz取值。因?yàn)槿拥攸c(diǎn)年平均溫度大致在3 ℃左右，故常溫取3 ℃。將式(3)代入式(5)可得到不同負(fù)溫下的最大動(dòng)剪切模量見(jiàn)表5。由表5可知，對(duì)αG可采用圖16所示曲線進(jìn)行擬合，其擬合公式為

(6)

式中，A1、A2、T0和r1為Boltzmann函數(shù)的參數(shù)；y0、A0和r2為指數(shù)函數(shù)參數(shù)；a、b分別為Boltzmann函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的分項(xiàng)系數(shù)，擬合參數(shù)見(jiàn)表6。

從擬合曲線圖16可知，因試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)條件和試樣性質(zhì)的差別，數(shù)值結(jié)果差別較大，但并沒(méi)有影響擬合結(jié)果的整體趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與孫悅等人研究結(jié)果一致，負(fù)溫轉(zhuǎn)折點(diǎn)也為-4 ℃左右，-4 ℃以下修正系數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)平緩，-4 ℃以上修正系數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)陡直，這與土本身性質(zhì)及土中含水率有關(guān)。通過(guò)溫度修正系數(shù)的試驗(yàn)積累，可用常溫下的最大動(dòng)剪切模量推算得到負(fù)溫下最大動(dòng)剪切模量，從而減少不同溫度下的大量動(dòng)三軸試驗(yàn)，節(jié)省計(jì)算繁瑣的最大動(dòng)剪切模量使用時(shí)間。

表5 不同溫度下最大動(dòng)剪切模量值

表6 溫度修正系數(shù)擬合參數(shù)結(jié)果

圖16 溫度變化與修正系數(shù)關(guān)系曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)含硫酸鹽鹽漬土不同溫度條件下的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果分析，可知：

(1)負(fù)溫階段，隨著溫度降低，鹽漬土的動(dòng)剪應(yīng)力幅值和動(dòng)剪應(yīng)變幅值變化明顯，溫度越低，起始階段骨干曲線越陡峭，而正溫階段(0，3 ℃)骨干曲線變化較平緩，試驗(yàn)中溫度由-5 ℃降至-10 ℃時(shí)，Gdmax由867.2 MPa增大到1008.9 MPa；可見(jiàn)溫度降低對(duì)凍結(jié)鹽漬土而言有較強(qiáng)抵抗外部動(dòng)荷載的能力，其中與含鹽自由水不斷轉(zhuǎn)化為冰晶有很大的關(guān)系。

(2)動(dòng)荷載頻率增加，其相應(yīng)動(dòng)力特性參數(shù)也增大，試驗(yàn)中-10 ℃負(fù)溫下頻率由1 Hz增至5 Hz時(shí)，Gdmax由943.4 MPa增大到1104.6 MPa，τdult由1.61 MPa增大到1.80 MPa，動(dòng)剪切模量增大幅度高于剪應(yīng)力幅值5.3%，同時(shí)，在該試驗(yàn)條件下動(dòng)荷載頻率變化過(guò)程中，是否存在臨界頻率值是需要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。

(3)凍結(jié)鹽漬土在-10 ℃負(fù)溫下，隨著圍壓的增大，骨干曲線走向趨勢(shì)均勻，從動(dòng)剪切模量和動(dòng)剪應(yīng)變幅值變化關(guān)系可以看出，圍壓對(duì)兩者的影響，明顯于溫度，次于頻率，圍壓的增大顯然有助于凍結(jié)含鹽粉土抵抗外部動(dòng)荷載的破壞。

(4)根據(jù)各試驗(yàn)條件的變化情況，本文用改進(jìn)的Hardin雙曲線模型，較貼切的反映了相關(guān)動(dòng)力參數(shù)之間的變化規(guī)律；使用一個(gè)Boltzmann函數(shù)與指數(shù)函數(shù)組合的溫度修正系數(shù)，對(duì)不同溫度下的Gdmax進(jìn)行修正，曲線變化規(guī)律在-4 ℃左右為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，各參數(shù)變化規(guī)律與土本身性質(zhì)和溫度有關(guān)。

(5)本試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，可為后期進(jìn)一步研究關(guān)于不同種類、不同含鹽量鹽漬土在溫度變化狀態(tài)下的土動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律提供參考、積累經(jīng)驗(yàn)。