冻融循环下粗粒土路基动回弹模量衰变规律研究

2021-03-22冉武平，陈慧敏，黄建军,李玲，艾贤臣

大连理工大学学报 2021年2期

冉武平，陈慧敏，黄建军, 李玲，艾贤臣

(1.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.新疆土木工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047；3.乌鲁木齐城建设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

0 引言

粗粒土作为一种优良填料常被用于路基的修筑，在我国季节性冰冻区由于气候环境因素致使粗粒土路基出现不同程度的损伤和性能劣化，路基强度衰变引起的道路结构整体性能衰变，导致路面出现局部龟裂和破碎以及纵向不均匀沉降和变形等[1-3].这些病害直接影响到行车的安全性及舒适性，因此有必要开展冻融循环作用对路基强度衰变规律影响的深入研究.动回弹模量不仅是道路设计的重要指标，同时也是道路结构力学响应解析的关键参数.故本文以动回弹模量为指标研究粗粒土在冻融循环作用下强度衰变规律.

目前关于冻融循环对路基力学特性的影响研究，国内外学者从宏观角度和微观角度展开了分析.胡晓[4]在粗粒土填料中掺入不同含量的细粒土，进行了冻融和冻胀量试验.张互助[5]利用室内冻融循环试验和三轴试验研究分析了路基黏土的应力-应变关系、弹性模量、抗剪强度和破坏强度等力学参数在冻融、湿度、围压等因素作用下的演化规律.宋金华等[6]对冻融循环后的石灰改良土动力特性进行研究，分析了动应力幅值、冻融循环次数、围压等因素对土体累积塑性变形的影响并建立了相关因素的预估模型.冉武平等[7]通过室内三轴试验，研究了16种应力路径、3个压实度和4种含水率状态下重塑黄土的动回弹特性.化晋创[8]通过大量文献和工程现场调研，开展了冻融循环条件下粗粒土填料的静、动力特性研究.刘晖等[9]对含砂粉土三轴试验结果的影响因素进行显著性分析，得出围压、含水率、压实度、冻融循环次数对试件破坏强度和弹性模量影响.Liu等[10]探究了不同压实度及不同含水率下红黏土动回弹模量和塑性变形规律.陈忠达等[11]研究了不同冻融循环次数对不同含水率粗粒土静动回弹模量的影响.Chen等[12]开展了冻融循环对岩石力学特性影响的室内试验，提出岩石在冻融循环作用下力学特性衰变表达式.Chamberlain等[13]采用土力学中常用的分析方法，提出冻融循环作用对土力学性质改变的机理.

也有众多学者从微观角度分析冻融循环对路基填料力学特性的损伤机制.王瀚霖[14]采用单元体试验，在制备6种粗粒土中掺入不同含量细粒土，通过CT扫描试验及静、动三轴试验，研究粗颗粒含量对土体力学参数的影响，提出特征粗颗粒体积分数fv-cha，并提出fv≤fv-cha土体力学性能受细颗粒控制，反之受粗颗粒控制.房建宏等[15]研究了在不同冻融循环作用下红黏土粒度成分和物理力学性质的变化规律，试验结果表明颗粒在冻融循环次数N≤10时，粒径向小于0.01 mm及0.01～0.05 mm富集；当N>10时，粒径在0.002～0.005 mm富集.戎虎仁等[16]研究了单孔砂岩在冻融循环作用下力学性能的弱化机理.李杰林等[17]利用核磁共振成像了经历不同冻融循环次数后花岗岩孔隙的发育和扩展特性，动态地显示岩石的冻融损伤过程.

已有的研究结果表明，在冻融循环条件下，含水率、冻融循环次数、动应力幅值、应力加载路径等都会对路基土力学性能的衰变产生影响.不同土质的路基填料在微观试验分析下其力学特性的衰变机理各不相同.通过大量的文献及现场调研发现广泛使用的粗粒土路基填料目前缺乏在冻融循环条件下动回弹模量衰变规律的研究，基于此本文以新疆典型级配组成的粗粒土为研究对象，通过室内冻融循环试验和动三轴试验，分析3种含水率、8种应力加载路径及5种冻融循环次数下粗粒土路基动回弹模量，深入研究粗粒土动回弹模量衰变规律及机理，并对典型路基应力状况下的动回弹模量衰变规律进行拟合，得到拟合度较高的模量衰变方程及不同影响条件下动回弹模量的调整系数，从而为粗粒土路基设计提供理论依据和经验参数.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土样取自乌鲁木齐市新医路西延典型路基填料，按照《公路土工试验规程》(JTG E 40—2007)试验方法得到土样的颗粒筛分曲线，如图1所示.并根据击实试验得到土样的最佳含水率为5%，最大干密度为2.4 g/cm3.通过计算得到不均匀系数Cu=17.5，大于5，Cc=1.39，大于1且小于3，为级配良好的粗粒土.

图1 试验土样级配筛分曲线

1.2 试验方案

为得到不同含水率的粗粒土在不同冻融循环次数下的动回弹模量衰变规律，考虑了应力状况、含水率和冻融循环次数对动回弹模量的影响，分别开展了冻融循环试验和动三轴试验.含水率选取原则根据粗粒土试验路段路基湿度监测数据并结合粗粒土成型试探试验可知含水率3%时试件难以成型及含水率7%的试件出现脱模困难和汲泥现象，故最终取4%、5%和6%(质量分数)3种含水率，其中含水率5%为最佳含水率.压实度以实际道路路基施工控制为原则设置为96%.冻融循环试验次数N分别为0、1、3、5、7.温度借鉴季节性冰冻区公路路基工作区在冻融循环期内温度变化范围[18]及新疆地区路基温度监测数据，最终确定冻融循环温度为-20～20 ℃.每种工况制作4个平行试件.

1.3 试验过程

(1)击实样的制备

按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)击实法制备三轴试样，试样直径100 mm，高度为200 mm.试件按含水率4%、5%、6%制备，根据压实度96%，称取所需不同含水率粗粒土的质量，将土样分6层装入三瓣饱和器中分层击实.各层土料质量相等，每层击实至要求高度后，将表面刨毛，然后再加第2层土料，如此进行直至最后一层，控制各组试样的密度差值小于0.02 g/cm3.将制好的试件密封保存并进行冻融循环试验.试件一次冻融循环时间为24 h，其中冻12 h，融12 h.

(2)荷载加载

粗粒土动回弹模量采用2～10 Hz动三轴试验系统(DYNTTS)进行测试，如图2所示.

图2 试件制作及加载系统

试验参数及应力加载序列如表1所示，参考陈声凯等[19]和罗志刚[20]相关研究取值.采用半正弦波荷载波形，动载频率为1 Hz，荷载间歇时间取0.8 s，持载时间为2 s，试验围压为气压加载.为了消除试件在重复加载初期产生的较大永久应变，在正式测试模量前，需采用较大的轴向应力对试件进行多次重复加载预处理，当竖向永久应变达到5%，预压停止.预载循环加载次数为1 000，其他加载序列循环次数均为100，待轴向应变稳定后，取最后5次回弹应变的平均值，计算动回弹模量.

表1 应力加载序列

2 试验结果分析

2.1 应力状态对粗粒土动回弹模量Mr的影响

围压的施加对土样的侧向变形具有约束作用，故可以提高动回弹模量.偏应力的施加对粗粒土动回弹模量的影响存在两种情况，有些粗粒土动回弹模量不受偏应力的影响，而有些粗粒土动回弹模量随着偏应力的增加有较大减小[21].图3为含水率ω分别是4%、5%、6%的试件经过0次和7次冻融循环后Mr和偏应力σd关系图.由图3可知：(1)偏应力相同，冻融循环次数为0时，围压σ3越大对应的动回弹模量越大，围压从15 kPa增加到30 kPa，含水率4%的试件动回弹模量增加了12.7%～18.2%，含水率5%的试件增加了10.5%～13.8%，含水率6%的试件增加了14.15%～14.28%；冻融循环次数N=7时，围压σ3与动回弹模量也呈正相关，围压从15 kPa增加到30 kPa，含水率4%的试件动回弹模量增加了15.4%～16.1%，含水率5%的试件增加了15.4%～16.1%，含水率6%的试件增加了16.5%～13.51%.(2)围压相同时，偏应力σd越大对应的动回弹模量越小.当σ3=15 kPa时，冻融循环次数N=0时，σd从8 kPa增加到30 kPa，含水率4%的试件动回弹模量降低了14.9%，含水率5%的试件降低了11.4%，含水率6%的试件降低了10.6%；冻融循环次数N=7时含水率4%的试件动回弹模量降低了14.4%，含水率5%的试件降低了15.2%，含水率6%的试件降低了11.1%.当σ3=30 kPa时，σd从15 kPa增加到60 kPa，冻融循环次数N=0，对应含水率4%的试件动回弹模量降低了18.65%，含水率5%的试件降低了15.1%，含水率6%的降低了16.9%；冻融循环次数N=7时，含水率4%的试件降低了19.1%，含水率5%的降低了15.2%，含水率6%的降低了13.5%.通过分析以上数据结果可知冻融循环次数N=0和N=7对应的动回弹模量不同，但围压和偏应力对动回弹模量的影响仍然遵从着相同的变化规律，不会产生较大波动.

图3 应力水平与动回弹模量关系

2.2 含水率对动回弹模量的影响

土中的水分可以分为矿物结合水和孔隙水，土中孔隙水按其所呈现状态和性质及其对土的影响，分为结合水和非结合水两种类型.结合水又可以分为强结合水和弱结合水，在粗粒土中细粒土含量极少，故结合水对粗粒土的影响可以忽略不计.非结合水是指土粒孔隙中超出土粒表面静电引力作用范围的普通液态水.主要受重力作用控制，能传压导电，溶解盐分，在0 ℃结冰，其典型代表是重力水.介于重力水和结合水之间的过渡类型水为毛细水.毛细水主要存在于直径为0.002～0.500 mm的毛细孔隙中.故毛细水主要存在于粉细砂、粉土和粉质黏土中.粗大的孔隙，毛细力极弱，难以形成毛细水[22].通过击实试验以及筛分试验可知不同含水率的粗粒土试件水分主要以重力水的形式存在.

图4分别为冻融循环次数N=0和N=7的条件下，不同含水率粗粒土Mr与应力加载路径的关系图，由图可知：相同压实度条件下，含水率为4%的试件动回弹模量整体上高于含水率为5%和6%的试件，主要是由于含水率的增大导致水膜的润滑作用增强，土颗粒之间的摩阻力减小，试件在加载过程中应变增大，因此Mr减小；对比图4(a)和图4(b)可以看出冻融循环作用导致粗粒土试件的动回弹模量整体降低，说明土体在经历冻融循环后，土的密实度、空隙率、颗粒分布等都会发生不同程度的变化，物理性质的变化引起土体力学性质的变化，造成土体在冻融循环后强度的衰减；对比图4(c)和图4(d)可得不同含水率之间的Mr差值在冻融循环作用前后不会发生较大的波动.

图4 不同含水率条件下Mr和应力路径关系图

2.3 冻融循环作用对Mr的影响

图5为不同含水率条件下粗粒土Mr与冻融循环次数N的关系，由图可知：Mr随着冻融循环次数的增加整体呈衰减趋势，导致这种现象的本质在于温度的变化引起了内部孔隙水分在固相与液相之间重复转换，并进行迁移和重分布.当温度低于0 ℃时，孔隙中的自由水冻结呈固态，往往以冰夹层、冰透镜体、细小的冰晶体等形式存在于土中.冰在土中起暂时胶结作用，提高了土的动回弹模量，但解冻后，土体的动回弹模量反而会降低，液态水转为固态水时，体积膨胀，使土中孔隙增大，解冻后土的结构变得松散，内部结构发生了不可逆的变化导致动回弹模量衰减.

由图5可知不同含水率试件动回弹模量随着冻融循环次数的增加大致可分为3个变化阶段：快速衰减阶段(N=0～3)，缓慢衰减阶段(N=3～5)，衰减停止阶段(N=5～7).对比不同含水率可知，含水率为4%和5%的试件在第一和第二阶段的衰变速率小于含水率为6%的试件.原因在于当含水率较大时，冻结作用下水变成冰的体积膨胀量大，对土体结构的破坏显著，因此在前期冻融循环作用下高含水率的土体结构的衰减速率较快且衰减幅度大.反复冻融循环后，土体结构不再随着冻融循环次数的增多而发生变化，故动回弹模量趋于稳定.图5(a)中含水率6%和图5(b)中含水率5%的试件衰变曲线未收敛可能是由于土样颗粒间空隙较大，没有细粒土的黏聚力，较小的土颗粒容易在振捣过程移动，使得每次制样都不一样，同时在取料时的不均匀性，增大了三轴试验结果的离散性.

图5 不同含水率条件下Mr和N的关系

图6为不同冻融循环次数下粗粒土Mr与偏应力σd的关系图，通过对比不同折线之间在相同冻融循环次数下的竖向距离可以得到动回弹模量在不同冻融循环次数下的变化量.折线N=0与N=1之间的竖向间距最大说明第一次冻融循环作用在多次冻融循环作用中对动回弹模量造成损伤的程度占比最大；折线N=5与N=7之间的竖向间距最小说明试样在经过多次冻融循环后动回弹模量趋于稳定，不再发生较大幅度的变化.

图6 不同冻融循环次数下Mr和σd的关系

2.4 典型应力路径下Mr衰变规律拟合

根据文献[19]统计的典型应力水平，如图7所示，选择σ3=30 kPa，σd=15 kPa；σ3=30 kPa，σd=30 kPa；σ3=45 kPa，σd=23 kPa；σ3=45 kPa，σd=45 kPa应力加载序列，针对含水率为5%和6%的动回弹模量数据，对其衰变规律进行拟合，其中5%的含水率拟合曲线代表最佳含水率状况下粗粒土路基动回弹模量衰变规律，6%的含水率模拟最不利路基湿度状况下动回弹模量的衰变规律.拟合曲线如图7所示，通过计算得到平均相关系数R2≥0.95.拟合公式系数如表3所示.