季節(jié)性凍土區(qū)粉砂土路基變形特性研究

楊 智

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)公司，上海 200092)

1 引言

在季節(jié)性凍土的分布地區(qū)，土體的凍脹和融沉是造成路基病害的主要原因[1]。而導(dǎo)致土體凍脹的主要原因之一便是水分遷移[2，3]，此外，影響土體凍脹、融沉的重要因素還包括土體的土質(zhì)[4，5]。早在半個多世紀(jì)前，相關(guān)研究人員便針對季節(jié)性凍土中土體的凍脹、融沉等因素與土體凍融循環(huán)之間的關(guān)系展開一系列的研究[4]。Everett[6]提出的毛細(xì)理論，即第一凍脹理論，開啟了對土體凍脹的認(rèn)識。由于Everett[6]提出的毛細(xì)理論不完善、存在缺陷，Miller[7]提出了凍結(jié)緣理論，即第二凍脹理論。凍結(jié)緣理論克服了毛細(xì)理論中對于土體凍脹邊界條件論證不充分的不足，并借以第一理論的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行補充。關(guān)于土體的融沉，其原理與凍脹相似，同樣受外部各種因素影響。其中，影響融沉系數(shù)變化的重要因素之一便是粉粘粒的含量[1]。在土體融沉方面的相關(guān)研究中，國外學(xué)者M(jìn)orgenstern等[8]提出了關(guān)于土體融沉與其影響因子之間關(guān)系變化的計算模型。此外，還有Klinova等[9]通過室內(nèi)試驗，研究了融沉與壓實度、融沉與含水率之間的聯(lián)系；Tanaka Toshiya等[10]利用建模及室內(nèi)試驗，對土體融沉?xí)r的相關(guān)特性展開了一系列研究。

在道路建設(shè)過程中，路基陰坡與陽坡的存在，也會造成路基的差異沉降。丑亞玲等[11，12]通過現(xiàn)場監(jiān)測青康公路陰陽坡效應(yīng)明顯路段路基的地溫、變形，發(fā)現(xiàn)道路路基的陽坡面達(dá)到最大沉降的時間與陰坡相比，明顯滯后于道路路基的陰坡面。且變形差異隨時間增加而加劇，極大影響了道路路基的穩(wěn)定性。王威娜等[13，14]為研究路基陰陽坡坡面溫度差異，對公路路基變形發(fā)育過程產(chǎn)生的影響，對季節(jié)凍土地區(qū)道路路基溫度場的變化進(jìn)行了相關(guān)模擬分析，并揭示了路基破壞機理，提出在道路設(shè)計與養(yǎng)護過程中，路基的陰坡面、陽坡面需采取不同的措施以減輕陰陽坡溫度差異，保證路基穩(wěn)定性[15，16]。為避免以往試驗環(huán)境單一，本文采用多組土體在不同凍融循環(huán)次數(shù)作用、不同壓實度作用及不同含水率作用下進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗，將不同環(huán)境下得出的試驗結(jié)論，作為有限元模擬的邊界條件，通過Abaqus仿真分析篩選出不同場景、多種邊界條件組合作用下的最不利影響，即選取不同的凍土深度值模擬路基陰、陽坡面導(dǎo)致的橫向差異沉降，以克服以往僅在凍融循環(huán)單一因素作用下產(chǎn)生的影響，造成仿真及運用效果不一致的缺陷。同時，為解決實際工程中邊坡防護形式單一等問題，提出對路基兩側(cè)邊坡設(shè)置通風(fēng)管、采用粘性土摻入泥炭包邊以及綠化覆蓋等復(fù)合防護措施，結(jié)合工程實例運用的效果，分析總結(jié)了粉砂土路基在不同的溫度場、凍深差作用下產(chǎn)生的沉降變化。

2 試驗設(shè)計

2.1 土樣性質(zhì)

試驗土樣取自吉林省松原市石化大街工程中不同路段的路基填土，取土深度為3～6m，對取回的土樣在實驗室進(jìn)行天然含水率測定試驗、土的擊實試驗、液塑限試驗以及土粒相對密度等試驗，測得如下土的物理性質(zhì)，詳見表1。

表1 土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 土樣制備以及試驗方案

依據(jù)土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)可知，土樣的最優(yōu)含水率為13%，為了更加接近路基工作時的實際情況，本次試驗設(shè)定的含水率分別為10%、13%、16%三種；壓實度為0.85、0.9、0.95三種；將土樣放入環(huán)刀中進(jìn)行制備，本次試驗的凍結(jié)溫度為-20℃、融化溫度為20℃；凍結(jié)融化時間分別為6小時，為了更加接近外界的凍融環(huán)境，本次試驗對土樣施加冷源的方式為單面凍結(jié)。將制備好的三種含水率、三種壓實度共九種土樣分別進(jìn)行0、3、5、10、15次的凍融循環(huán)試驗。再將完成凍融循環(huán)試驗后的土樣，放至土體固結(jié)儀內(nèi)進(jìn)行土體固結(jié)壓縮試驗。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 凍脹與融沉

凍脹與融沉分別用凍脹率與融化下沉系數(shù)表示，圖1分別為凍融循環(huán)對凍脹率與融化下沉系數(shù)的影響。

圖1 凍融循環(huán)作用對凍脹率的影響產(chǎn)生的變化關(guān)系

圖1反映的是土樣經(jīng)過凍融循環(huán)作用，對凍脹率的影響產(chǎn)生的變化關(guān)系，從圖中看出凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，先增加后減少再趨于穩(wěn)定。反復(fù)多次的循環(huán)凍融將改變土體原始的性狀，使土體發(fā)展成為一個新的、穩(wěn)定的平衡動態(tài)，反復(fù)凍融的過程亦是土體密實的過程[15]。凍融循環(huán)3次時，土樣由于是單面凍結(jié)，水分會向凍結(jié)鋒面遷移，融化時也會有部分水分蒸發(fā)。歷經(jīng)3次凍融循環(huán)后，土樣內(nèi)部的水分逐漸產(chǎn)生不均勻分布，孔隙間距隨之加大，同時凍脹率達(dá)到最大值。反復(fù)多次的凍融循環(huán)作用將使土體變得更加密實，凍脹率大小的變化逐漸趨于穩(wěn)定。因此，結(jié)合試驗結(jié)果分析出：在循環(huán)凍融3次時凍脹率最大，循環(huán)凍融10次后凍脹率值的變化將趨于穩(wěn)定。圖1(a)反映了含水率值固定時，凍融循環(huán)作用及壓實度的大小與凍脹率之間的關(guān)系。即：含水率值不變，凍脹率隨著壓實度的增大而增大；同時，壓實度越大，單位體積土樣內(nèi)的土顆粒含量越多，導(dǎo)致單位體積土體經(jīng)過凍融循環(huán)作用后產(chǎn)生的凍脹現(xiàn)象越明顯，凍脹率也越大。圖1(b)反映了壓實度值固定時，凍融循環(huán)作用及含水率與凍脹率之間的關(guān)系。即：壓實度值不變，凍脹率隨著含水率的增大而增大；同時，壓實度不變，單位體積土樣內(nèi)的土顆粒含量相同時，含水率越高，導(dǎo)致單位體積土樣經(jīng)過凍融循環(huán)作用后產(chǎn)生的凍脹現(xiàn)象越明顯，凍脹率也越大。

圖2反映的是土樣經(jīng)過凍融循環(huán)作用，對融化下沉系數(shù)的影響產(chǎn)生的變化關(guān)系。圖2(a)反映了，含水率值固定時，融化下沉系數(shù)的大小，隨著試驗土樣壓實度的增大而減小。圖2(b)反映了，壓實度值固定時，融化下沉系數(shù)的大小，隨著試驗土樣含水率的增大而增大。此外，從上圖中整理的試驗結(jié)果可以看出，試驗土樣經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增多時，融化下沉系數(shù)隨之逐漸減小。當(dāng)試驗土樣在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，試驗土樣的融化下沉系數(shù)達(dá)到最大值；當(dāng)試驗土樣在經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后，試驗土樣的融化下沉系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。由于，試驗土樣經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，導(dǎo)致土樣內(nèi)部顆粒進(jìn)行重新排列，土顆粒間的孔隙隨之增大，土體變得稀疏，凍脹量也較大。尤其在升溫后，試驗土樣融化的現(xiàn)象會更加明顯，融化下沉系數(shù)會達(dá)到最大值。由于土樣經(jīng)歷反復(fù)多次的凍融循環(huán)過程，該過程亦是土體被壓密實的過程。因此，多次凍融后試驗土樣顆粒的位置相對穩(wěn)定，融化下沉系數(shù)亦逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 凍融循環(huán)作用對融化下沉系數(shù)的影響產(chǎn)生的變化關(guān)系

3.2 凍融循環(huán)對壓縮系數(shù)的影響

圖3中的關(guān)系曲線反映了含水率分別為10%和16%時，凍融循環(huán)作用的次數(shù)與壓縮系數(shù)間的關(guān)系。從圖3(a)、圖3(b)得出，凍融循環(huán)作用的次數(shù)越多，壓縮系數(shù)先增大后減小。在凍融循環(huán)作用3次的時候，試驗土樣的壓縮系數(shù)達(dá)到最大值。壓縮系數(shù)是判別土壓縮性的指標(biāo)，凍融循環(huán)3次后壓縮系數(shù)最高，說明此時土的孔隙最大，土體最疏松，最容易壓縮，10次后趨于穩(wěn)定。試驗土樣經(jīng)歷3次凍融循環(huán)作用時，由于土體內(nèi)部水分反復(fù)進(jìn)行遷移，使得土體內(nèi)部土顆粒之間的孔隙增大。經(jīng)歷10次凍融循環(huán)作用后，反復(fù)作用在試驗土樣內(nèi)的凍融循環(huán)過程，使土體更密實，所以凍融循環(huán)10次與15次時的壓縮系數(shù)相近。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線

4 仿真研究

本次試驗針對吉林省松原市石化大街路段路基建立路基結(jié)構(gòu)模型，并采用Abaqus有限元分析軟件以不同凍深值模擬路基陰、陽坡作用下產(chǎn)生的沉降進(jìn)行分析。首先，將填方段路基結(jié)構(gòu)分為上、下兩層。上層為凍土層，下層為非凍土層，下層上部采用砂礫土回填，下層底部采用碎石回填。通過變換上層路基土的凍土深度，模擬的凍深為0.8m、1.0m、1.2m。在有限元分析中，應(yīng)力分析模型采用摩爾—庫倫模型，并作出如下基于一維固結(jié)的假設(shè)：

圖4 路基計算模型

1)路基填料為均質(zhì)、各向同性；

2)土體的壓縮與固結(jié)僅僅在豎向發(fā)生，即一維固結(jié)；

3)整個固結(jié)過程中，滲透系數(shù)、壓縮模量定義為常值；

4)考慮行車荷載的影響，在土體表面作用著連續(xù)均布荷載，并且是一次施加的。

陰陽坡的溫差導(dǎo)致凍深值的不同，繼而導(dǎo)致路基橫向差異沉降。因此，本次模擬通過分析不同凍深時路基沉降特征，可以在一定程度上反映凍深不同的陰陽坡的路基橫向差異沉降大小。對于路基差異沉降方面的研究，吳紫汪等[13]通過對凍土路基的監(jiān)測和研究認(rèn)為路基差異沉降年變化幅度小于1cm時能保證路基穩(wěn)定；差異沉降在3cm～4cm時，路基則會失穩(wěn)破壞。向一鳴[14]提出，將季節(jié)性凍土地區(qū)1.5cm路基差異沉降作為沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)，所對應(yīng)的容許變坡率為0.12%。

4.1 材料所需參數(shù)

表2 各參數(shù)具體值

4.2 沉降等值線云圖

圖5、圖6、圖7為含水率16%、壓實度0.85時模擬凍深為1.2m、1.0m、0.8m路基頂部沉降量等值線云圖。從路基沉降等值線云圖中可以看出，隨著外界溫度的降低，當(dāng)路基陰、陽坡坡面凍深差值為0.3m時，有限元仿真模擬路基的橫向差異沉降量為0.37cm、0.797cm，變坡率為0.062%、0.133%，橫向差異沉降量均在容許范圍內(nèi)，但變坡率0.133%(0.8m和1.0m)超過容許變坡率0.12%。當(dāng)路基陰、陽坡坡面凍深差值為0.6m時，有限元仿真模擬路基的橫向差異沉降量為0.821cm，變坡率為0.1368%，變坡率超過容許變坡率0.12%。因此，當(dāng)陰陽坡凍深相差0.2m(1.0m和1.2m)和0.4m時，路面會由于路基橫向差異沉降發(fā)生破壞。

圖5 凍深為1.2m路基沉降等值線云圖

圖6 凍深為1m路基沉降等值線云圖

圖7 凍深為0.8m路基沉降等值線云圖

5 工程實例

吉林省松原市石化大街道路全長3km，規(guī)劃紅線50m寬，按一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，在石化大街建設(shè)過程中，提出如下路基處理方案：清除0.5m雜填土后，對路基原槽進(jìn)行處理，換填50cm碎石后，采用礫石砂分層回填至路床頂部。路基兩側(cè)采用1.5m粘性土包邊，并在包邊土中摻入泥炭進(jìn)行保溫，坡面鋪筑草皮并結(jié)合塔頭草種植，對路基邊坡進(jìn)行防護。沿道路縱向，每隔30m左右設(shè)置一處通風(fēng)管進(jìn)行溫度調(diào)控，以減小路基陰陽坡的橫向差異沉降。工程完工6個月后，選取其中1km路段進(jìn)行沉降觀測，在道路中心線及兩側(cè)邊坡(陰陽坡)坡頂每隔50m設(shè)置一處監(jiān)測點，共計20處。將監(jiān)測的數(shù)據(jù)整理后，得到如下路基陰、陽坡的橫向差異沉降曲線。

從圖8看出，對路基的陰、陽坡采取一定保溫及通風(fēng)措施后，產(chǎn)生的橫向差異沉降最大值為1.07cm，最小值為0.48cm，均可控制在1.5cm范圍內(nèi)，允許變坡率也在容許值0.12%范圍內(nèi)。

圖8 陰陽坡橫向差異沉降曲線

6 結(jié)論

1) 土體的含水率、壓實度及凍融循環(huán)作用次數(shù)等指標(biāo)對凍脹率的影響：凍融循環(huán)作用5次時的凍脹率最大；凍融循環(huán)作用3次時的凍脹率次之；凍融循環(huán)作用10次后，凍脹率值的變化趨于穩(wěn)定。即：當(dāng)凍融循環(huán)作用次數(shù)增加，凍脹率值的變化為，先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。此外，含水率、壓實度兩種指標(biāo)與凍脹率呈正相關(guān)關(guān)系。

2) 土體的含水率、壓實度及凍融循環(huán)作用次數(shù)等指標(biāo)對融化下沉系數(shù)的影響：融化下沉系數(shù)曲線的大體呈下降趨勢，凍融循環(huán)3次時的融化下沉系數(shù)最大，凍融循環(huán)5次后融化下沉系數(shù)趨于穩(wěn)定。土體壓實度的增加導(dǎo)致融化下沉系數(shù)減小，二者呈反相關(guān)關(guān)系；土體含水率的增加導(dǎo)致融化下沉系數(shù)也增大，二者呈正相關(guān)關(guān)系。

3) 凍融循環(huán)對壓縮系數(shù)的影響：壓縮系數(shù)是土體壓縮性重要的的判別指標(biāo)之一。土體凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，土的壓縮系數(shù)將先增大再減小。在歷經(jīng)3次凍融循環(huán)作用時的壓縮系數(shù)值達(dá)到最大。

4) 當(dāng)路基陰、陽坡坡面的凍深差為0.2m(1.0m和1.2m)、0.4m時，含水率值為16%、壓實度值為0.85時的路基填土的橫向差異沉降均較大，相對應(yīng)的變坡率值分別為0.133%和0.1368%，均大于容許變坡率，路基發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致路面發(fā)生破壞。

5) 對路基的陰、陽坡采取泥炭保溫、草皮護坡及通風(fēng)措施后，產(chǎn)生的橫向差異沉降均可控制在1.5cm范圍內(nèi)，允許變坡率也在容許值范圍內(nèi)，對防止路基陰、陽坡產(chǎn)生的橫向差異沉降是合理有效的。