凍融作用下碎石路基填土三軸壓縮試驗(yàn)研究

田洪偉

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

我國(guó)東北地區(qū)四季分明，屬于典型的季節(jié)性凍土區(qū)。在季凍區(qū)修建公路面臨諸多困難，如凍土問(wèn)題、凍脹問(wèn)題等。

目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)于凍融循環(huán)作用下土的力學(xué)特性研究成果頗豐。崔高航等[1]對(duì)松花江含沙黏土進(jìn)行了循環(huán)三軸試驗(yàn)，考慮了凍融循環(huán)、動(dòng)應(yīng)力幅值、頻率以及圍壓等因素，分析了不同影響因素對(duì)飽和粉砂土的動(dòng)剪切模量和阻尼比影響。范昊明等[2]以東北地區(qū)幾種典型土為試驗(yàn)材料，分析了凍融循環(huán)作用下各土樣的變化差異，總結(jié)了產(chǎn)生土樣變化差異的原因。師智勇等[3]采用電鏡掃描和分散性測(cè)試的方法對(duì)吉林乾安地區(qū)的土體進(jìn)行了凍融循環(huán)后的試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)作用后土體的微觀表現(xiàn)及分散性變化規(guī)律。任昆等[4]通過(guò)開展三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，分析了煤渣改良路基土的凍脹性與強(qiáng)度特性，并基于灰色理論建立了考慮凍融循環(huán)作用下路基土的凍脹預(yù)測(cè)模型。

綜上研究結(jié)果可見，凍融循環(huán)對(duì)路基土的影響較為明顯，本文在前人研究的基礎(chǔ)進(jìn)一步對(duì)路基土受凍融后的力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析不同試驗(yàn)條件下土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)、彈性參數(shù)的分布規(guī)律，以期為季凍區(qū)路基施工提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)材料

本文材料取自遼寧某在建高速公路碎石路基上部素填土。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40—2007)中的相關(guān)試驗(yàn)規(guī)定對(duì)本文試驗(yàn)用土進(jìn)行粒徑篩分試驗(yàn)，得到的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用土顆粒級(jí)配曲線

為檢測(cè)本文土樣級(jí)配是否良好，需根據(jù)式(1)計(jì)算本文土樣的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc：

(1)

根據(jù)土樣級(jí)配曲線可知，d10=0.0045 mm，d30=0.021 mm，d60=0.058 mm，則由式(1)計(jì)算得到本文土樣的不均勻系數(shù)為Cu=12.9，曲率系數(shù)Cc=1.69，滿足Cu>5和Cc=1～3，因此本文試驗(yàn)用土樣級(jí)配良好。

1.2 試驗(yàn)方案及步驟

本文凍融試驗(yàn)在恒溫恒濕環(huán)境下進(jìn)行，采用保鮮膜對(duì)試樣進(jìn)行密封包裹，以此來(lái)阻斷試樣內(nèi)部水分與周圍環(huán)境的交換。一般情況下，季凍區(qū)和高寒地區(qū)所面臨的工程建設(shè)問(wèn)題主要為土的凍結(jié)和融化問(wèn)題，因此凍融循環(huán)是使土體強(qiáng)度劣化的重要因素之一。遼寧屬于明顯的季凍區(qū)，因此對(duì)遼寧地區(qū)路基土進(jìn)行凍融循環(huán)作用后的分析具有重要的工程實(shí)際意義。

為了對(duì)比分析不同試驗(yàn)條件下土樣抗剪強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，本文同時(shí)考慮了凍融循環(huán)次數(shù)、含水率和圍壓3種試驗(yàn)條件，其中凍融循環(huán)次數(shù)擬設(shè)置0、2、4、6、8、10次，含水率擬設(shè)置12%、14%、16%、18%和20%，圍壓擬設(shè)置50，100，150，200 kPa。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)步驟：首先根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程制備滿足試驗(yàn)要求的三軸圓柱試驗(yàn)，試樣尺寸為(Φ39.1 mm×80 mm)，將制備好的試樣用保鮮膜密封包裹，做好記錄；然后將密封處理好的試樣放入凍融試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，設(shè)置最低溫度為-20 ℃，凍結(jié)12 h，再將最高溫度為+20 ℃，融化12 h，至此為一個(gè)完整的凍融循環(huán)周期，將所有試樣按試驗(yàn)方案進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)；最后將凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行UU(不固結(jié)不排水)三軸試驗(yàn)。本文三軸試驗(yàn)全部在從英國(guó)進(jìn)口的全自動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)GDS上進(jìn)行(圖2)。在UU試驗(yàn)中，對(duì)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)處理后的試樣施加圍壓，并保持軸壓恒定，設(shè)置剪切速率為0.2 mm/min，試驗(yàn)結(jié)束條件可根據(jù)軸向應(yīng)變進(jìn)行控制，通常認(rèn)為軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)認(rèn)為土體試樣完全破壞。

圖2 GDS全自動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)

2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3為不同試驗(yàn)條件下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，限于篇幅，文中僅給出當(dāng)含水率為12%、凍融循環(huán)0次和10次時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3(a)、(b))和當(dāng)圍壓50 kPa時(shí)，凍融循環(huán)0次和10次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3(c)、(d))。由圖可知，在相同含水率和凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著圍壓的逐漸增大，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸遞增。在土體的凍結(jié)過(guò)程中，受剪脹力的影響相對(duì)較小，裂隙發(fā)育緩慢，抗剪強(qiáng)度降低速率在減小。在應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始階段，隨著圍壓的逐漸增大，曲線上升相對(duì)較快。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，偏應(yīng)力與圍壓之間近似呈線性遞增變化，原因是圍壓能夠明顯限制試樣的徑向變形，使土體的承載能力顯著提高，導(dǎo)致偏應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)試樣處于相對(duì)較低圍壓作用下時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化的趨勢(shì)，即土體強(qiáng)度達(dá)到峰值后并未出現(xiàn)降低，而是逐漸趨于穩(wěn)定。因此，凍融循環(huán)作用是導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低的直接因素。從微觀角度可解釋為，土體在經(jīng)歷凍融作用后，其內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，水在土體中的熱脹冷縮使原始骨架結(jié)構(gòu)反復(fù)受到外力作用而逐漸劣化，導(dǎo)致承載能力逐漸降低。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

同一圍壓和凍融循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)試樣的含水率為12%時(shí)，試樣內(nèi)部土顆粒之間的骨架結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有發(fā)生改變，隨著含水率的逐漸增大，土顆粒之間的摩擦力逐漸減弱，骨架結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸降低，致使試樣的宏觀抗剪強(qiáng)度逐漸降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸朝軟化趨勢(shì)發(fā)展(含水率為20%)。在圍壓相對(duì)較高條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為硬化型。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，同一含水率下的峰值強(qiáng)度之間降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸由軟化型向硬化型過(guò)渡，土體塑性破壞加重。

3 抗剪強(qiáng)度分析

圖4(a)為含水率12%時(shí)，不同圍壓下試樣的抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，4(b)為圍壓50 kPa，不同含水率下試樣的抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。本文應(yīng)力-應(yīng)變曲線中包含應(yīng)變軟化型和應(yīng)變硬化型，對(duì)應(yīng)變軟化型，試樣的抗剪強(qiáng)度取峰值點(diǎn)處應(yīng)力值；對(duì)應(yīng)變硬化型，試樣的抗剪強(qiáng)度取軸向變形達(dá)到15%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。由圖4(a)可知，同一含水率下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的抗剪強(qiáng)呈波動(dòng)變化，但整體上呈逐漸遞減趨勢(shì)變化。由圖4(b)可知，同一圍壓下，試樣抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與圖4(a)基本一致。這是由于土體內(nèi)部的孔隙富含水分，當(dāng)溫度降低時(shí)，水凍結(jié)成冰，體積增大；當(dāng)溫度升高時(shí)，冰融化成水，體積縮小，但此時(shí)受膨脹作用后的顆粒估計(jì)不能夠完全恢復(fù)變形，導(dǎo)致土體孔隙逐漸增大，致使土體內(nèi)部水分逐漸增多，如此循環(huán)往復(fù)，土體劣化程度加深，承載能力降低。

圖4 土體抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

4 彈性模量分析

彈性模量研究土體力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，在凍融循環(huán)作用下，彈性模量同樣受劣化作用。通常情況下，彈性模量可根據(jù)三軸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到，本文將軸向應(yīng)變?yōu)?.0%和1.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力增量與軸向應(yīng)變?cè)隽康谋戎刀x為彈性模量E，可由下式表示：

(2)

式中：σ1.2%、ε1.2%軸向應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力和軸向應(yīng)變；σ1.0%、ε1.0%軸向應(yīng)變?yōu)?.0%時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力和軸向應(yīng)變。

根據(jù)式(2)可計(jì)算不同試驗(yàn)條件下試樣的彈性模量如圖5所示。其中，圖5(a)為含水率為12%時(shí)試樣的彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，圖5(a)為圍壓50 kPa時(shí)試樣的彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律?？梢钥闯?，兩種情況下試驗(yàn)的彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，受凍融循環(huán)影響最為明顯的為第二次，且劣化程度逐漸趨緩。表明初始凍融作用是影響土體彈性模量的關(guān)鍵，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，劣化程度逐漸減弱，最終趨于穩(wěn)定。

圖5 土體彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)包括黏聚力和內(nèi)摩擦角。對(duì)于同一種材料來(lái)說(shuō)，二者在同等試驗(yàn)條件下是保持不變的。內(nèi)摩擦角主要體現(xiàn)出土體顆粒之間的滑動(dòng)摩擦和相互咬合作用，黏聚力則體現(xiàn)出顆粒之間的膠結(jié)作用。研究土體在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化，可為更好地分析凍融循環(huán)對(duì)土體的劣化機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。本文通過(guò)4種圍壓來(lái)計(jì)算試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)于UU試驗(yàn)，莫爾應(yīng)力圓的半徑為(σ1-σ2)/2，圓心坐標(biāo)為[(σ1-σ2)/2,0]，繪制4種圍壓下莫爾圓的公切直線，則切線與y軸截距為黏聚力c，切線與水平線夾角為內(nèi)摩擦角φ。則黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ可表示為：

(3)

式中：α為切線與水平線夾角，(°)；d為切線與y軸的截距，mm。

圖6為不同含水率下，試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈逐漸減小趨勢(shì)，且減幅逐漸減小。隨著含水率的逐漸增大，同一凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)減幅逐漸減小，曲線逐漸密集，且在凍融循環(huán)次數(shù)為2次時(shí)最為明顯。Origin軟件對(duì)圖中曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)的增加均滿足如下函數(shù)關(guān)系：

圖6 土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

6 結(jié)論

(1)在相同含水率和圍壓下，土樣的抗剪強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低；在相同凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓條件下，土樣的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而逐漸降低；在相同凍融循環(huán)次數(shù)和含水率條件下，土樣的抗剪強(qiáng)度隨圍壓的增大而逐漸遞增。

(2)在相同圍壓及含水率下，土樣的彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，同時(shí)減幅也在逐漸縮小，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的無(wú)限增加，土樣的彈性模量最終會(huì)趨于穩(wěn)定。土樣彈性參數(shù)劣化程度最嚴(yán)重的是在凍融循環(huán)初期。

(3)采用M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則)計(jì)算土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)發(fā)現(xiàn)，同一含水率下，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減??；同一凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，采用Origin軟件對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，不同含水率下二者與凍融循環(huán)次數(shù)之間均呈負(fù)指數(shù)函數(shù)變化。