韓　雪,　高子睿

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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凍融作用對(duì)松浦大橋段岸坡土體壓縮性的影響

韓雪,高子睿

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

為了研究凍融作用對(duì)松浦大橋段岸坡土壓縮性的影響，對(duì)該段岸坡土進(jìn)行了基本物理參數(shù)測試、凍融實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，試樣在凍融后孔隙比均有大幅度增加。相同固結(jié)壓力作用下，孔隙比隨凍結(jié)溫度的下降而增大；相同凍結(jié)溫度條件下，固結(jié)壓力較小時(shí)，試樣孔隙比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加同比增大，隨著壓力的增加，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙比的影響不盡明顯；試樣的壓縮性隨凍結(jié)溫度的降低和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；試樣的壓縮模量隨凍結(jié)溫度的下降和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，試樣壓縮變形逐漸增大。

松浦大橋段岸坡土; 凍融作用; 壓縮性

土作為非均勻非連續(xù)各向異性的固體、液體、氣體三相混合介質(zhì),工程性質(zhì)受凍融作用的影響極大,因此,凍融對(duì)土性質(zhì)的影響成為重要的研究課題[1-4]。松浦大橋段岸坡位于黑龍江省哈爾濱市,地處東經(jīng)125°42′～130°10′,北緯44°04′～46°40′,受中溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響,四季分明,且冬季時(shí)間較長,夏季時(shí)間較短。歷史極端最高氣溫為37.8 ℃,最低氣溫為-42.6 ℃,冬季最低溫度集中在1月份。近年來,由于受全球氣候大幅度變化的影響,極端天氣的出現(xiàn)頻率大幅度增加。該岸坡土屬于季節(jié)性凍土,凍融循環(huán)與江水水位,均可導(dǎo)致岸坡土體的整體穩(wěn)定性失衡[5-9]。筆者針對(duì)凍融致該區(qū)段岸坡土體壓縮性質(zhì)的變化問題,進(jìn)行了不同凍結(jié)溫度下凍融與相同凍結(jié)溫度下凍融循環(huán)后側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)研究,揭示松浦大橋段岸坡土體壓縮性的凍融效應(yīng)及規(guī)律,可為維護(hù)該岸坡工程穩(wěn)定決策提供科學(xué)依據(jù)。

1　凍融與壓縮實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

凍融實(shí)驗(yàn)采用無錫市華南實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造的DB-2B凍融實(shí)驗(yàn)箱,溫控范圍為-40～+50 ℃。壓縮實(shí)驗(yàn)采用南京土壤儀器廠有限公司制造的WG型單杠桿三聯(lián)低壓固結(jié)儀。試樣面積30 cm2，杠桿比為1 ∶12,可施加的垂直壓力范圍為12.5～1 600.0 kPa。

1.2試樣制備

1.2.1制備與分組

為研究凍融對(duì)該區(qū)段岸坡土壓縮性產(chǎn)生的影響,實(shí)驗(yàn)采用原狀土樣。所有試樣均依照GBT 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中環(huán)刀法現(xiàn)場取樣。環(huán)刀直徑61.8 mm,高20 mm。取樣地點(diǎn)為松花江北岸松浦大橋橋東200 m處地表下20～30 cm土層。制備試樣16個(gè),分成兩大組,即單次凍融循環(huán)組與多次凍融循環(huán)組。其中,單次凍融循環(huán)組按不同凍結(jié)溫度劃分為未凍土、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃凍土四組，每組設(shè)置兩個(gè)試樣進(jìn)行平行測試。多次凍融循環(huán)組將凍結(jié)溫度設(shè)置為-10 ℃,按凍融循環(huán)次數(shù)劃分為未凍土、一次凍融循環(huán)、二次凍融循環(huán)、三次凍融循環(huán)四組,每組設(shè)置兩個(gè)試樣進(jìn)行平行測試。

1.2.2試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

依照GBT 50123—1999進(jìn)行試樣基本物理指標(biāo)測試,含水率(w)測試采用的是烘干法,天然密度(ρ)測試采用的是環(huán)刀法,體積質(zhì)量 (ρ′)測試采用的是比重瓶法,測試結(jié)果見表1,其中e為天然孔隙比。

表1試樣基本物理指標(biāo)

Table 1Basic physical indicators of sample

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1凍融實(shí)驗(yàn)

單次凍融循環(huán)的凍融時(shí)間設(shè)置為48 h,其中,凍結(jié)與融化時(shí)間各為24 h,凍結(jié)溫度分別為-10、-20和-30 ℃,融化溫度為20 ℃。多次凍融循環(huán)的一次凍融時(shí)間同樣為48 h,其中,凍結(jié)與融化時(shí)間各為24 h,凍結(jié)溫度為-10 ℃,融化溫度為20 ℃,對(duì)試樣進(jìn)行一次凍融循環(huán)、二次凍融循環(huán)和三次凍融循環(huán)。為防止水分在凍融過程中流失而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差,環(huán)刀上下均用玻璃片滑入密封。

1.3.2壓縮實(shí)驗(yàn)

壓縮實(shí)驗(yàn)依照GBT 50123—1999中標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行。根據(jù)試樣的軟硬程度,固結(jié)壓力等級(jí)設(shè)置為50、100、200和300 kPa,將每級(jí)壓力作用24 h后的試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)中通過TWJ-1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2　結(jié)果分析

2.1不同凍結(jié)溫度下單次凍融后土的壓縮性

2.1.1e-p曲線特性

試樣未凍土和經(jīng)不同凍結(jié)溫度凍融后的初始孔隙比ed及各級(jí)固結(jié)壓力作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比ej見表2,其中,a1-2為壓縮系數(shù);Es為壓縮模量。各組兩試樣平均值所繪制的e-p曲線如圖1所示。

由圖1可見,隨著凍結(jié)溫度的降低,凍融后試樣體積增大導(dǎo)致凍融后初始孔隙比大幅度增長,這主要是由于凍結(jié)后試樣中水分體積膨脹,而導(dǎo)致孔隙體積增大。隨著壓力的增加,孔隙比逐漸降低,圖中所有曲線形狀基本一致,說明壓縮過程中,未凍土與經(jīng)不同凍結(jié)溫度下凍融后試樣孔隙比降低速率基本相同;相同固結(jié)壓力下,孔隙比隨凍結(jié)溫度的降低而增大。

表2單次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 2Test results of single freeze-thaw cycle

圖1　單次凍融作用e-p曲線Fig. 1　e-p curves of single freeze-thaw effect

2.1.2壓縮變形參數(shù)特征

研究單次凍融作用壓縮變形參數(shù)特征主要考慮壓縮系數(shù)、壓縮模量與凍結(jié)溫度的關(guān)系。

(1)壓縮系數(shù)

從圖2單次凍融作用壓縮系數(shù)(a1-2)與凍結(jié)溫度(t)關(guān)系曲線可以看出,試樣的壓縮系數(shù)隨著凍結(jié)溫度的降低而增大,表明試樣的壓縮性隨著凍結(jié)溫度的降低而升高。

從表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,未凍土和不同凍結(jié)溫度單次凍融作用壓縮系數(shù)在0.145～0.220之間,試樣屬中壓縮性土。與未凍融試樣相比,凍結(jié)溫度下降至-10 ℃時(shí),壓縮系數(shù)增大幅度為27.5%。凍結(jié)溫度下降至-30 ℃時(shí),土壓縮系數(shù)增大幅度可達(dá)51.7%。

圖2　單次凍融作用a1-2-t曲線Fig. 2　a1-2-t curve of single freeze-thaw effect

(2)壓縮模量

從圖3單次凍融作用壓縮模量(Es)與凍結(jié)溫度(t)關(guān)系曲線中看出,試樣經(jīng)單次凍融作用,壓縮模量隨著凍結(jié)溫度的下降而逐漸減小,表明試樣的壓縮變形隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。

圖3　單次凍融作用Es-t曲線Fig. 3　Es- t curve of single freeze-thaw effect

結(jié)合表2進(jìn)一步分析得知,與未凍融試樣相比, 凍結(jié)溫度下降至-10 ℃時(shí),壓縮模量降低幅度為18.3%。凍結(jié)溫度下降至-30 ℃時(shí),壓縮模量降低幅度可達(dá)30.1%。

2.2相同溫度條件下多次凍融循環(huán)后土的壓縮性

2.2.1e-p曲線特性

試樣未凍土和經(jīng)相同凍結(jié)溫度多次凍融循環(huán)后凍土的初始孔隙比及其各級(jí)固結(jié)壓力作用下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比值見表3。各組兩試樣平均值所繪制的e-p曲線見圖4。

圖4顯示:試樣經(jīng)凍融后孔隙比均有大幅度增加,相同固結(jié)應(yīng)力作用下未凍融土的孔隙比最小。固結(jié)壓力較小時(shí),試樣孔隙比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加同比增大,隨著壓力的增大,凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙比的影響不盡明顯。

表3多次凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 3Test results of multiple freeze-thaw cycle

圖4　多次凍融循環(huán)作用e-p曲線Fig. 4　e-p curves of multiple freeze-thaw cycle effects

2.2.2壓縮變形參數(shù)特征

為研究多次凍融循環(huán)作用下土的壓縮變形參數(shù)特征,考慮壓縮系數(shù)、壓縮模量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

(1)壓縮系數(shù)

從圖5多次凍融循環(huán)壓縮系數(shù)(a1-2)曲線可以看出,試樣的壓縮系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)(n)的增加而增大,表明試樣的壓縮性隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而升高。

圖5　多次凍融循環(huán)土壓縮系數(shù)曲線

Fig. 5Soil compressibility curve of multiple freeze-thaw cycle effects

結(jié)合表3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得知,原狀土經(jīng)過多次凍融循環(huán)作用后,其壓縮系數(shù)會(huì)有一定幅度的增大。試樣經(jīng)過一次凍融后壓縮系數(shù)變化幅度為25.6%,其后每增加一次凍融循環(huán),壓縮系數(shù)就增大一次,其幅度為7.0%～10.3%。與未凍融試樣相比,經(jīng)過三次凍融循環(huán)的試樣,壓縮系數(shù)累計(jì)增大幅度可達(dá)42.0%。

(2)壓縮模量

從圖6多次凍融循環(huán)壓縮模量(Es)曲線可以看出,試樣的壓縮模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小,表明試樣壓縮變形隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加大。

圖6　多次凍融循環(huán)壓縮模量曲線

Fig. 6Compression modulus curve of multiple freeze-thaw cycle effects

結(jié)合表3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得知,原狀土經(jīng)過多次凍融作用后,其壓縮模量會(huì)有一定幅度的降低。平均每次凍融,壓縮模量降低幅度在6.6%左右。與未凍融試樣相比,經(jīng)過三次凍融循環(huán)的試樣,壓縮模量累計(jì)減小幅度可達(dá)19.7%。

3　結(jié)　論

一系列凍融、壓縮實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,揭示了松花江松浦大橋段岸坡土壓縮性與凍融作用的相關(guān)規(guī)律。

(1)試樣凍融后孔隙比均有大幅度增加。相同固結(jié)壓力作用下,孔隙比隨凍結(jié)溫度的下降而增長,隨著固結(jié)壓力的增加,未凍土與經(jīng)不同凍結(jié)溫度下凍融后試樣孔隙比降低速率基本相同。在相同凍結(jié)溫度下,固結(jié)壓力較小時(shí),試樣孔隙比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加同比增大,固結(jié)壓力較大時(shí),凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)孔隙比的影響不盡明顯。

(2)試樣的壓縮系數(shù)隨凍結(jié)溫度的降低和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,表明試樣的壓縮性隨凍結(jié)溫度的下降和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

(3)試樣的壓縮模量隨凍結(jié)溫度的下降和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小,表明試樣壓縮變形隨凍結(jié)溫度的下降和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加大。

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(編輯晁曉筠)

Effects of freeze-thaw on soil compressibility in bank slope in Songpu bridge section of Songhua River

HANXue,GAOZirui

(College of Civil Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

This paper is an attempt to investigate the effects of freeze-thaw on soil compressibility in the bank slope in Songpu bridge section of Songhua River, by testing basic physical parameter, freeze-thaw and standard consolidation. The investigation shows that freeze-thaw is followed by a substantial increase in the void ratio of sample. The void ratio, acted on by the same consolidation pressure, tends to increase with the decline of freezing temperature. The smaller consolidation pressure occurring in the same condition of freezing temperature means that the greater number of freeze-thaw cycle results in the bigger void ratio of sample. The increase in pressure is accompanied by the absence of obvious effects of the number of freeze-thaw cycle on the void ratio. The decreased freezing temperature and increased number of freeze-thaw cycle produce increased compressibility of sample and gradually decreased compression modulus, and gradually increased compression deformation of sample.

soil in bank slope in Songpu bridge section; freeze-thaw effects; compressibility

1671-0118(2012)03-0315-05

2012-05-04

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究面上項(xiàng)目(12511484)；黑龍江省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(YJSCX2011-169HLJ)

韓雪(1969-)，男，吉林省榆樹人，教授，博士，研究方向：巖土工程減災(zāi)，E-mail：hanxue 69@yahoo.cn。

TU411.5

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