不同荷載條件下凍土融化沉降過(guò)程試驗(yàn)研究

黃永庭， 馬 巍， 何鵬飛，3， 栗曉林，4

（1.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；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.蘭州理工大學(xué)理學(xué)院，甘肅蘭州730050；4.嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江嘉興314001）

0 引言

在多年凍土區(qū)，工程構(gòu)筑物的修筑與運(yùn)營(yíng)，勢(shì)必改變下伏多年凍土的局部賦存環(huán)境，進(jìn)而打破地基土體原有的水熱收支平衡［1-5］。由此可引發(fā)包括活動(dòng)層厚度增加、多年凍土升溫、融化夾層發(fā)育等多年凍土退化過(guò)程，并伴隨地表的不均勻沉降變形，進(jìn)而威脅到工程構(gòu)筑物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全運(yùn)營(yíng)。已有工程實(shí)踐表明，融沉是引發(fā)多年凍土區(qū)工程病害的主要因素［6］。因此開(kāi)展融沉變形及其發(fā)展過(guò)程的研究，對(duì)于多年凍土區(qū)工程建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。

關(guān)于凍土融化沉降變形的研究，最早認(rèn)為融化沉降變形主要包括融沉與壓縮變形兩部分［7］，其中融沉主要采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。經(jīng)驗(yàn)方法包括干密度法［8-9］、含水率法［10］、孔隙率-含水率法［11］等，但是這些方法只能預(yù)測(cè)與壓力無(wú)關(guān)的融沉，忽略了融化沉降的時(shí)間變化特征及其與孔隙水壓力消散的密切聯(lián)系?；诖?，大量的研究人員建立了融化固結(jié)理論。Morgenstern等［12］基于Terzaghi固結(jié)理論，結(jié)合Carslaw和Jaeger提出的融化鋒面的移動(dòng)方程［13］，得到了變邊界一維融化固結(jié)理論，但是該理論所采用的融化邊界方程僅適用于恒定溫度邊界。Sykes等［14-15］利用Biot三維固結(jié)理論，結(jié)合熱傳導(dǎo)方程給出了三維小變形融化固結(jié)理論。但是由于Biot固結(jié)理論的限制，該理論僅限于小變形的情況。為了克服這一不足，F(xiàn)oriero等［16］建立了一維大變形融化固結(jié)理論，但是該理論無(wú)法擴(kuò)展到多維狀態(tài)，不能用于求解二維、三維問(wèn)題。Wang等［17-18］基于大變形融化固結(jié)理論，提出了一種復(fù)雜邊界下融化固結(jié)計(jì)算的方法，并通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的合理性。馬?。?9］考慮非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，引入損傷的概念，從理論上建立飽冰凍土融化固結(jié)的數(shù)學(xué)模型。Yao等［20］和Qi等［21］基于歐拉描述提出了三維大變形融化固結(jié)理論，并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該理論的合理性。石峰［22］對(duì)動(dòng)荷載條件下的融化沉降變形進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)荷載幅值大小對(duì)土體內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響較小，對(duì)土體的融化沉降變形影響較大。彭麗云等［23］進(jìn)行了正融土在循環(huán)荷載作用下的壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，動(dòng)應(yīng)力幅值越大試樣累積塑性應(yīng)變?cè)酱?。Yao等［24］對(duì)凍結(jié)粉質(zhì)黏土在恒溫、靜荷載邊界條件下融化固結(jié)過(guò)程中超靜孔隙水壓力的變化進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在融化固結(jié)過(guò)程中超靜孔隙水壓力呈先增大后減小的趨勢(shì)。明鋒等［25］以孔隙比為變量建立了融化固結(jié)變形理論，對(duì)凍土融化固結(jié)過(guò)程中變形、孔隙水壓力、孔隙比的變化過(guò)程進(jìn)行了分析。程培峰等［26］對(duì)凍融循環(huán)作用下過(guò)濕土的固結(jié)變形特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土體的壓縮性隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先增大后平緩的趨勢(shì)。然而這些研究主要集中在恒溫和靜荷載等相對(duì)簡(jiǎn)單且容易控制邊界條件下，這與實(shí)際工程復(fù)雜邊界條件仍有較大距離，難以滿足凍土融化固結(jié)理論和工程地基融沉變形預(yù)測(cè)方面的實(shí)際需求。

在多年凍土區(qū)，地基土體受地表溫度的影響，經(jīng)歷著反復(fù)的凍融作用。在暖季，地表土體融化，在上覆荷載作用下產(chǎn)生融化固結(jié)變形。在冷季，地表土體凍結(jié)，排水通道關(guān)閉，固結(jié)沉降變形停止［27］。以青藏公路為例，凍土路基在每年的4月初到11月底處于融沉狀態(tài)，而在12月初到次年3月底，融沉停止。但由于在融化期有效固結(jié)時(shí)間隨深度逐漸減小，較深處新融化土層中的水分無(wú)法排出，孔隙水逐漸地積累，需要額外的剩余固結(jié)時(shí)間完成固結(jié)，從而使得融沉變形持續(xù)進(jìn)行［28］。這與常溫邊界條件下的融化固結(jié)力學(xué)行為完全不同。為此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有凍融試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)展了周期溫度邊界條件下，無(wú)荷載、靜荷載和動(dòng)荷載作用下的融沉試驗(yàn)。研究不同荷載作用下試樣內(nèi)部的水、熱、力變化過(guò)程，揭示試樣內(nèi)部溫度變化、豎向變形發(fā)展以及孔隙水壓力累積與消散等發(fā)展規(guī)律及其內(nèi)在聯(lián)系，以期為凍土融化固結(jié)理論的建立提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣及制備

試驗(yàn)用土采自青藏高原北麓河地區(qū)，其顆粒比重為2.71，液限32.55%，塑限21.15%，塑性指數(shù)為11.40，該土為低液限粉質(zhì)黏土，屬凍脹敏感性土，土的顆粒粒徑分布如圖1所示。試樣為直徑101 mm，高100 mm的圓柱試樣，用凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)制樣機(jī)制備，控制試樣干密度為1.60 g·cm-3和1.45 g·cm-3。將裝有試樣的有機(jī)玻璃試樣罐放到兩端固定的剛性支架上，然后一起放入真空飽和裝置，進(jìn)行抽氣飽和，所得飽和含水率分別為27.8%和33.8%（通過(guò)烘干法測(cè)得）。為防止凍結(jié)過(guò)程中試樣內(nèi)部水分遷移，將飽和試樣放入到-30℃的恒溫箱中快速凍結(jié)48 h。飽和及凍結(jié)以后的試樣如圖2所示。以干密度為1.60 g·cm-3的飽和試樣為例，快速凍結(jié)后試樣高度達(dá)到107 mm。

圖1 顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of tested soil

圖2 飽和（a）及凍結(jié)飽和（b）試樣（干密度為1.60 g·cm-3）Fig.2 Saturated（a）and frozen saturated（b）soil samples（The dry density is 1.60 g·cm-3）

1.2 融化固結(jié)試驗(yàn)

表1 給出了融化固結(jié)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，該試驗(yàn)在有壓凍融試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)儀器及箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體試驗(yàn)步驟如下：首先從-30℃的恒溫箱中取出裝有凍結(jié)土樣的有機(jī)玻璃試樣罐，然后快速安裝在儀器基座上，并將溫度傳感器（采用凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制的溫度傳感器，量程為-30～+30℃，精度為±0.05℃）和孔隙水壓力傳感器（采用HC-25微型孔隙水壓力傳感器，量程為-0.1～1 MPa，精度為±0.1%）經(jīng)測(cè)試孔插入試樣（圖4），然后進(jìn)行密封和保溫棉包裹。完成上述步驟后，將頂板、底板、箱體的溫度同時(shí)設(shè)置為-1℃，且在-1℃的溫度下恒溫至少6 h，待試樣溫度達(dá)到-1℃時(shí)，在試樣頂端施加表1所示的設(shè)定荷載。其中動(dòng)荷載變化幅度按照靜荷載的50%來(lái)取，動(dòng)荷載的振動(dòng)頻率設(shè)置為0.164 Hz［29］，其具體的加載方式如圖5所示。加載的同時(shí)將頂板的溫度設(shè)置為正弦波動(dòng)試驗(yàn)溫度，如式（2）所示。試驗(yàn)過(guò)程中，始終保持底板和箱體的溫度為-1℃，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)24 h，并且始終保持試樣的頂端排水。試樣頂端位移通過(guò)全封閉伺服測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其測(cè)量精度為±0.5%，溫度、孔隙水壓力數(shù)據(jù)由DT80數(shù)采儀自動(dòng)采集。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 The test program

在凍土區(qū)，淺層地表土體經(jīng)歷季節(jié)凍融過(guò)程，溫度呈現(xiàn)周期性變化，其時(shí)間變化過(guò)程可用正弦函數(shù)描述［30-31］：

式中：T0為平均溫度；t為時(shí)間；α為氣溫增溫速率；A為溫度振幅；τ凍融周期；nπ為初始相位。試驗(yàn)忽略初始相位以及氣溫增溫速率的影響［32］，故將其式（1）簡(jiǎn)化為：

從式（2）中可以看出，控制邊界溫度的主要因素有平均溫度、溫度振幅、凍融周期，本次試驗(yàn)采用了周期溫度邊界，其具體的溫度控制參數(shù)見(jiàn)表2所示。表中平均溫度與溫度振幅主要是根據(jù)試樣尺寸、凍結(jié)融化深度以及溫度梯度來(lái)獲取。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度變化過(guò)程

圖4 溫度及孔隙水壓力測(cè)試傳感器布設(shè)位置Fig.4 Locations of sensors of temperature and pore water pressure

圖5 動(dòng)荷載變化過(guò)程Fig.5 Variations of dynamic load

表2 試樣頂板周期溫度邊界控制參數(shù)Table 2 Periodical temperature boundary controlling parameters at the top of soil samples

圖6 給出了無(wú)荷載、靜荷載和動(dòng)荷載作用下，初始干密度為1.60 g·cm-3試樣內(nèi)部溫度變化過(guò)程?？梢钥闯?，盡管試樣頂、底板及環(huán)境箱體溫度控制相同，但三種荷載作用下試樣內(nèi)部溫度時(shí)間響應(yīng)過(guò)程存在顯著差異，如無(wú)荷載作用下試樣在第1次凍融過(guò)程中，融化鋒面的高度為52 mm，當(dāng)凍融循環(huán)至第4次時(shí)，試樣融化鋒面的高度為16.5 mm，之后在每次凍融過(guò)程中融化鋒面高度基本保持不變；靜荷載和動(dòng)荷載作用下，試樣在第1次凍融過(guò)程中，融化鋒面的高度為30 mm，至第2次凍融過(guò)程試樣已全部融化，即靜荷載和動(dòng)荷載作用下，試樣融化鋒面的向下移動(dòng)速率快于無(wú)荷載作用下。從圖中還可以看出，不同荷載作用下，試樣融化深度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而加深。這里需要說(shuō)明的是為防止測(cè)溫探頭對(duì)試樣豎向變形產(chǎn)生影響，試樣頂端30 mm范圍內(nèi)無(wú)測(cè)溫，故圖6只給出了試樣0～77 mm高度范圍內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程。

2.2 試樣豎向變形

圖7 給出了周期溫度邊界條件下，不同初始干密度試樣豎向變形隨時(shí)間的變化過(guò)程。從圖中可以看出，三種荷載作用下試樣豎向變形均表現(xiàn)為沉降，但其發(fā)展過(guò)程、趨勢(shì)以及量值存在明顯不同，具體表現(xiàn)為：（1）在無(wú)荷載作用下，試樣每次凍融過(guò)程中融化下沉量大于凍脹量，試樣總體表現(xiàn)為沉降，其隨時(shí)間呈線性增加趨勢(shì)，在每次凍融循環(huán)過(guò)程中試樣豎向變形的發(fā)展可分為4階段，即融化下沉、下沉穩(wěn)定、凍結(jié)膨脹和凍脹穩(wěn)定；（2）在靜荷載作用下，試樣豎向變形先快速增加而后逐漸趨于穩(wěn)定。在每次凍融過(guò)程中試樣豎向變形呈臺(tái)階狀，即融化期沉降凍結(jié)期相對(duì)穩(wěn)定。相較于無(wú)荷載作用下，試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中，基本無(wú)凍脹變形發(fā)生；（3）在動(dòng)荷載作用下，每次凍融過(guò)程中試樣豎向變形發(fā)展可分為融化沉降和凍結(jié)膨脹2個(gè)階段，與靜荷載相比，動(dòng)荷載作用下試樣的凍脹量較大。另外，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，6次凍融循環(huán)后，試樣最終豎向變形量：動(dòng)荷載＞靜荷載＞無(wú)荷載，如初始干密度為1.60 g·cm-3時(shí)，試樣豎向最終變形量分別為無(wú)荷載2.7 mm、靜荷載10.5 mm、動(dòng)荷載12.2 mm，靜、動(dòng)荷載作用下試樣最終變形量分別是無(wú)荷載作用下的3.9倍、4.5倍。

為了進(jìn)一步分析試樣在凍融過(guò)程中融化沉降變形的變化特征，圖8給出了每次凍融循環(huán)過(guò)程中試樣的融沉變形。可以看出，在無(wú)荷載作用下，試樣融沉變形隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加變化不大。在上覆荷載作用下，試樣融沉變形隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，其中第1次凍融過(guò)程中試樣融沉變形發(fā)展迅速，隨后試樣融沉變形速率有所下降，至3～4個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程后，試樣融沉變形逐漸趨于穩(wěn)定，且動(dòng)荷載作用下試樣的融沉變形大于靜荷載作用下。如初始干密度為1.60 g·cm-3試樣，無(wú)荷載作用下，第1次凍融過(guò)程中的融沉變形約為0.8 mm，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，每次凍融過(guò)程中的融沉變形逐漸穩(wěn)定在0.7 mm。在靜荷載作用下，第1次凍融過(guò)程中的融沉變形為5.7 mm，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，每次凍融過(guò)程中的融沉變形逐漸穩(wěn)定在0.5 mm，其中前3次凍融過(guò)程中融沉變形占總變形的83%。在動(dòng)荷載作用下，第1次凍融過(guò)程中的融沉變形為6.2 mm，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，每次凍融過(guò)程中的融沉變形逐漸穩(wěn)定在1 mm，其中前3次凍融過(guò)程中融沉變形占總變形的89%。這主要是由于在無(wú)荷載作用下，試樣中的水分沒(méi)有排出，故試樣的豎向變形主要為冰水相變產(chǎn)生的變形和已融區(qū)自重作用下土體顆粒重組而產(chǎn)生的變形。在上覆荷載作用下，已融區(qū)由于荷載的作用使得土體內(nèi)部孔隙變小，水分逐漸排出，發(fā)生壓縮變形。而對(duì)于動(dòng)荷載作用下的試樣而言，在卸載時(shí)，孔隙回彈產(chǎn)生吸力，水分向上遷移［29］，從而使得土體在加載時(shí)加速了水分的排出，故與靜荷載相比，動(dòng)荷載作用下試樣的融化沉降變形較大。

圖6 不同荷載作用下試樣內(nèi)部溫度變化Fig.6 Variations of the temperatures in soil samples under different loads：unload（a），static load（b），dynamic load（c）

圖7 不同荷載作用下試樣豎向變形隨時(shí)間的變化Fig.7 Variations of the vertical deformation with time under different loads：1.60 g·cm-3（a），1.45 g·cm-3（b）

圖8 不同荷載作用下融沉變形隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.8 Variations of the thaw settlement with increasing freeze-thaw cycles under different loads：1.60 g·cm-3（a），1.45 g·cm-3（b）

兩種初始干密度條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明，初始干密度較小的試樣的融沉變形大于干密度較大的試樣。在相同上覆荷載作用下，試驗(yàn)結(jié)束后，初始干密度較大時(shí)，融沉變形已趨于穩(wěn)定。初始干密度較小時(shí)，融沉變形并未達(dá)到穩(wěn)定，且隨時(shí)間增加其增加速率仍然可觀，反映了試樣在融化過(guò)程中的壓密變形與其自身干密度大小之間的關(guān)系。

2.3 孔隙水壓力變化特征

圖9 給出了干密度為1.60 g·cm-3時(shí)，試樣不同位置處孔隙水壓力與溫度隨時(shí)間的變化特征，圖中Pa、Pb分別為傳感器HPa、HPb測(cè)得孔隙水壓力，Ta、Tb分別為HPa、HPb位置處的溫度，由溫度傳感器HT1、HT5測(cè)得，具體位置見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯芷跍囟冗吔鐥l件時(shí)，不同荷載作用下孔隙水壓力呈周期性的變化，且隨著深度的增加，孔隙水壓力受周期溫度邊界的影響逐漸減小。

在無(wú)荷載作用下，孔隙水壓力Pa、Pb在每個(gè)凍融過(guò)程中的變化不大。在靜荷載作用下，Pa在每次凍融中的時(shí)間發(fā)展過(guò)程大致分為4個(gè)階段，即穩(wěn)定階段（Ⅰ）、快速增加階段（Ⅱ）、消散階段（Ⅲ）、減小階段（Ⅳ），且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，Pa的變化幅度逐漸減小。為了詳細(xì)分析孔隙水壓力變化的4個(gè)階段，圖10給出了靜荷載作用下，第1次凍融過(guò)程中Pa隨Ta的變化過(guò)程?？梢钥闯觯?dāng)邊界開(kāi)始溫度升溫時(shí)，傳感器HPa處的溫度為負(fù)溫，Pa保持在A點(diǎn)。當(dāng)融化深度到達(dá)HPa處時(shí)，該處孔隙冰發(fā)生相變，而融化的孔隙水因排水受阻，在上覆荷載作用下，Pa快速增加到B點(diǎn)，之后隨著水分的逐漸排出，Pa開(kāi)始消散到C點(diǎn)。當(dāng)邊界溫度下降到0℃以下時(shí)，土體又開(kāi)始自上而下凍結(jié)，當(dāng)凍結(jié)深度到達(dá)HPa處時(shí)，Pa下降到D點(diǎn)。其原因是由于該處孔隙水相變?yōu)楸?，未凍水膜厚度與冰水界面曲率半徑減?。?3］，從而導(dǎo)致孔隙水壓力下降。Pb受周期溫度邊界的影響較小，總體上呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。在動(dòng)荷載作用下，Pa時(shí)間變化過(guò)程與靜荷載基本相同，但兩者的發(fā)展趨勢(shì)存在一定的不同，同時(shí)從量值上看動(dòng)荷載作用下Pa的變化量值明顯大于靜荷載，且在后期出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓。負(fù)壓主要是由于該處土體完全凍結(jié)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生吸力引起的，這種負(fù)壓與孔隙冰壓力共同分擔(dān)了部分應(yīng)力，使得試樣處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。動(dòng)荷載作用下，Pb存在明顯的周期波動(dòng)特征，這與靜荷載作用下相同位置的孔壓變化存在明顯不同。

圖9 不同荷載作用下孔隙水壓力的變化Fig.9 Variations in pore water pressures of Pa（a），Pb（b）under different loads

圖10 靜荷載作用下第1次凍融過(guò)程中孔隙水壓力Pa隨溫度Ta的變化Fig.10 Variations of pore water pressure Pawith temperature Ta during the 1st freeze-thaw cycle under static load

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)、靜荷載作用下孔隙水壓力的變化幅度遠(yuǎn)大于無(wú)荷載。以傳感器HPa測(cè)得孔隙水壓力Pa為例，在無(wú)荷載作用下，Pa變化幅度大約為2 kPa。在靜荷載作用下，Pa第1次凍融過(guò)程中的變化幅度約為23 kPa，經(jīng)歷6次凍融作用后，變化幅度約為9.5 kPa。在動(dòng)荷載作用下，Pa第1次凍融過(guò)程中的變化幅度約為38 kPa，經(jīng)歷6次凍融作用后，變化幅度約為11 kPa。

2.4 孔隙水壓力消散與融化沉降率的關(guān)系

為了進(jìn)一步的分析周期溫度邊界條件下凍土的融沉變形與孔隙水壓力的關(guān)系，圖11給出了干密度為1.60 g·cm-3時(shí)，孔隙水壓力的消散數(shù)值與融化沉降率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化。由于傳感器HPa最接近加載面，最能反映孔隙水壓力與融化沉降變形的關(guān)系，故圖11只給出了孔隙水壓力Pa在融化階段孔隙水壓力消散與融化沉降率的關(guān)系。融化沉降率的計(jì)算如式（3）所示。

圖11 孔壓消散與融化沉降率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.11 Variations of thaw settlement rate and pore water pressure dissipation with increasing freeze-thaw cycles under static and dynamic load conditions

式中：η為融化沉降率；ΔHti為每次凍融過(guò)程中的融化沉降變形；H0為試樣高度。

可以看出，孔隙水壓力消散越快融化沉降率越大。這主要是由于在融化階段，孔隙水壓力消散越快，土體融化固結(jié)度越大，進(jìn)而引起融化沉降率越大。另外還可以看出，孔隙水壓力的消散數(shù)值與融化沉降率都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定。前3次凍融過(guò)程中動(dòng)荷載作用下的孔隙水壓力消散數(shù)值要大于靜荷載，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種荷載作用下孔隙水壓力消散數(shù)值相差逐漸減小。這主要是由于上覆荷載作用使得已融區(qū)土體內(nèi)部孔隙變小，水分逐漸排出，而排出的水分會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，故使得融沉變形以及孔壓消散數(shù)值逐漸減小。而對(duì)于動(dòng)荷載而言，在卸載時(shí)，孔隙回彈產(chǎn)生吸力，加速了水分的排出，而試驗(yàn)又無(wú)外界補(bǔ)水，使得前幾次凍融過(guò)程中孔隙水壓力消散數(shù)值大于靜荷載。

2.5 不同高度處含水率的變化

圖12 不同荷載作用下含水率沿試樣高度的分布Fig.12 Distributions of water content along the samples under different loads

圖12 給出了干密度為1.60 g·cm-3時(shí)，試驗(yàn)完成后試樣在不同高度處的含水率分布?？梢钥闯鲈嚇觾?nèi)部含水率沿高度出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且與初始含水率相比出現(xiàn)了大幅度的下降。這主要是由于當(dāng)頂板邊界溫度上升到0℃時(shí)，試樣開(kāi)始融化，在已融區(qū)，上覆荷載擠壓土體，孔隙變小，水分逐漸排出，從而使得土體內(nèi)部含水率大幅度下降。當(dāng)頂板邊界溫度下降到0℃以下時(shí)，試樣開(kāi)始凍結(jié)。由于在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試樣底端溫度始終保持-1℃，試樣產(chǎn)生雙向凍結(jié)，這就使得試樣中間位置處的水分開(kāi)始向試樣兩端遷移，從而導(dǎo)致含水率沿高度呈先減小后增大的趨勢(shì)。動(dòng)荷載作用下的含水率下降幅度要比靜荷載作用下大。這主要是由于在融化階段，動(dòng)荷載卸載時(shí)，孔隙會(huì)產(chǎn)生真空吸力，水分向上遷移，從而使得加載時(shí)加速了水分向外排出的速度，故含水率下降幅度變大［29］。

在無(wú)荷載作用下，試驗(yàn)結(jié)束后試樣的平均含水率為26.9%，較初始含水率下降了1%。在靜荷載作用下，試驗(yàn)結(jié)束后試樣的平均含水率為25%，較初始含水率降低了2.8%，在試樣頂部和底部含水率分別為25.9%、25.8%，較初始含水率降低了2%。在距離試樣頂面大約65 mm位置處含水率下降的幅度最大，約為24.2%，較初始含水率降低了3.6%。在動(dòng)荷載作用下，試驗(yàn)結(jié)束后試樣的平均含水率為23.1%，較初始含水率降低了4.7%，在試樣頂部和底部含水率分別約為23.9%、23.6%，較初始含水率減小了3.9%。在距離試樣頂面大約55 mm位置處含水率下降的幅度最大，約為22%，較初始含水率降低了5.8%。

3 討論

在周期溫度邊界條件下，凍土的融化沉降變形主要受荷載類(lèi)型、初始干密度等參數(shù)的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)對(duì)融化沉降變形的影響，都主要?dú)w結(jié)于孔隙水壓力的消散與分布。在無(wú)荷載作用下，由于水分無(wú)法排出，孔隙水壓力消散數(shù)值較小，故融沉變形較小。在靜、動(dòng)荷載作用下，由于水分的逐漸排出，孔隙水壓力消散較快，且消散數(shù)值動(dòng)荷載大于靜荷載，從而導(dǎo)致動(dòng)荷載作用下的融沉變形大于靜荷載。另外根據(jù)章節(jié)2.5中試驗(yàn)結(jié)束后試樣平均含水率的變化情況，進(jìn)一步說(shuō)明了無(wú)荷載、靜荷載、動(dòng)荷載作用下融沉變形的差異。

研究中試樣的變形是通過(guò)伺服控制系統(tǒng)測(cè)得（變形測(cè)量精度為±1%）。對(duì)于孔隙水壓力，試驗(yàn)中采用微型孔隙水壓力傳感器測(cè)得。該傳感器采用電壓輸出，主要由陶土頭、硅壓阻芯片、放大器三部分組成。但由于傳感器陶土頭與試樣的接觸面較小，從而使得研究中測(cè)出的孔隙水壓力偏小。因此，為了能夠更加準(zhǔn)確的研究孔隙水壓力的變化，在其測(cè)試手段以及傳感器方面，還有待進(jìn)一步的改善。

4 結(jié)論

通過(guò)系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究了青藏粉質(zhì)黏土試樣在周期溫度邊界和上覆荷載共同作用下豎向變形以及孔隙水壓力的變化規(guī)律，分析了試樣內(nèi)部溫度、豎向變形、孔隙水壓力隨時(shí)間的變化過(guò)程，以及試驗(yàn)結(jié)束后含水率沿試樣高度方向的分布情況。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）在-8～24℃之間正弦波動(dòng)的周期溫度邊界條件下（試樣初始溫度為-1℃），不同荷載作用下試樣內(nèi)部溫度響應(yīng)過(guò)程差異顯著，反映了荷載對(duì)凍土融化速率的影響。在無(wú)荷載作用下，當(dāng)凍融循環(huán)至第4次時(shí)，試樣融化鋒面的高度為16.5 mm，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，融化鋒面基本保持不變。在上覆荷載作用下，試樣在第2次凍融過(guò)程中已全部融化。

（2）在無(wú)荷載作用下，試樣的豎向變形呈線性發(fā)展趨勢(shì)，而靜荷載和動(dòng)荷載作用下試樣的豎向變形呈先快速增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，且融沉變形主要發(fā)生在前3～4個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程。在無(wú)荷載和動(dòng)荷載作用下，凍結(jié)過(guò)程中試樣存在明顯凍結(jié)膨脹變形，而靜荷載作用下試樣無(wú)此變形過(guò)程。靜、動(dòng)荷載作用下試樣豎向變形大于無(wú)荷載。

（3）在無(wú)荷載作用下，試樣的孔隙水壓力變化過(guò)程周期特征不明顯且變化幅度小。而在靜、動(dòng)荷載作用下，試樣的孔隙水壓力變化過(guò)程表現(xiàn)出明顯的周期特征，其積累與消散過(guò)程明顯，量值較大。在動(dòng)荷載作用下，試驗(yàn)后期孔壓的負(fù)壓過(guò)程較靜荷載明顯?？紫端畨毫ο⒃娇煸嚇尤诨两德试酱蟆Ｔ谇?次凍融循環(huán)過(guò)程中，動(dòng)荷載作用下的孔隙水壓力消散數(shù)值要大于靜荷載，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩者差異逐漸減小。

（4）受融化固結(jié)過(guò)程中排水固結(jié)過(guò)程影響，試驗(yàn)結(jié)束后試樣內(nèi)部含水率減小，其中試樣中部的含水率減小幅度最大。在靜、動(dòng)荷載作用下試樣含水率減小幅度明顯大于無(wú)荷載作用下的數(shù)值。