戰(zhàn)高峰，朱 福，董偉智,王 靜

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026 2.吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118

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季凍區(qū)低路堤土基強(qiáng)度與影響因素相關(guān)性

戰(zhàn)高峰1，2，朱 福1，2，董偉智2,王 靜2

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026 2.吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118

對(duì)吉林省高等級(jí)低路堤公路填土高度與最大凍深進(jìn)行了調(diào)研，該地區(qū)低路堤填土高度為0.0～2.2 m，鉆孔數(shù)據(jù)表明路基最大凍深為距路表1.6～2.4 m。選取3種不同塑性指數(shù)的路基土，采用正交表L16(45)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用靜力成型法，使得土體在設(shè)定的含水率和壓實(shí)度的水平下成型，并經(jīng)歷不同的凍融循環(huán)次數(shù)后，分別測(cè)試土體的無側(cè)限抗壓回彈模量。試驗(yàn)結(jié)果表明：1)對(duì)同一種土質(zhì)，影響因素的大小排序?yàn)?含水率>凍融次數(shù)>壓實(shí)度。2)隨著含水率增大，土基強(qiáng)度接近線性減小；隨著凍融次數(shù)的增加，土基強(qiáng)度逐漸減小，前2次凍融影響較大，之后幅度變小趨于穩(wěn)定；隨著壓實(shí)度的增大，土基強(qiáng)度逐漸增大，增大幅度較小。3)采用指數(shù)函數(shù)對(duì)3種土的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性擬合，擬合結(jié)果較好。

季凍區(qū)；低路堤；土基強(qiáng)度; 影響因素;吉林省;塑性指數(shù)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路設(shè)計(jì)理念不斷進(jìn)步，低路堤以其占地面積小、施工方便、質(zhì)量易于控制、工后沉降小、行車安全舒適等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了推廣應(yīng)用。但路堤填土高度降低后，路基地下水位相對(duì)升高，路基濕度增加，季凍區(qū)路基凍脹融沉隱患增加，路基穩(wěn)定性隨之降低。路基的穩(wěn)定性取決于土體的強(qiáng)度[1-3]。胡夢(mèng)玲等[4]通過室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)，分析壓實(shí)度和含水率對(duì)路基土體回彈模量的影響，并建立回彈模量與壓實(shí)度和含水率之間的關(guān)系式，研究認(rèn)為控制路基土的壓實(shí)度是提高路基土體強(qiáng)度的有效途徑。凌建明等[5]采用室內(nèi)重復(fù)加載三軸試驗(yàn)測(cè)試了不同性質(zhì)路基土的回彈模量，分析了含水量和壓實(shí)度對(duì)路基土回彈模量的影響，認(rèn)為含水量對(duì)路基土回彈模量的影響非常大，而壓實(shí)度同樣是一個(gè)主要影響因素的結(jié)論。Klaveren[6]采用三軸反復(fù)加載試驗(yàn)方法，對(duì)粉土和黏土進(jìn)行了一系列回彈模量測(cè)試，結(jié)果表明黏土回彈模量受應(yīng)力狀況、含水量等因素的影響較粉土更為顯著。趙安平等[7]開展了季凍區(qū)粉土凍脹試驗(yàn)研究，確定了8個(gè)對(duì)凍脹意義較明顯的結(jié)構(gòu)參數(shù)。學(xué)者們[8-11]就凍融循環(huán)作用對(duì)土體強(qiáng)度的衰減影響展開研究，普遍認(rèn)為凍融作用將引起土體強(qiáng)度的衰減。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路基土體強(qiáng)度的影響因素已經(jīng)開展了一些研究工作，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但目前對(duì)季凍區(qū)低路堤土基強(qiáng)度的影響因素綜合性研究未見涉獵，尚不能滿足季凍區(qū)低路堤公路修筑的要求。因此，為了指導(dǎo)季凍區(qū)低路堤公路的修筑，有必要就土質(zhì)、含水率、壓實(shí)度、凍融循環(huán)作用對(duì)土基強(qiáng)度的綜合影響規(guī)律開展研究。

根據(jù)吉林省所在自然區(qū)劃特征與季凍區(qū)低路堤公路修筑關(guān)鍵技術(shù)研究的需求，對(duì)圖1所示高等級(jí)公路的路基路面病害、路基填料凍融敏感性、凍深、路堤填土高度等問題進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研。共鉆孔16眼，取含水率測(cè)試土樣126個(gè)，取填料凍融敏感性分析土樣27個(gè)。依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[12]，對(duì)低路堤路基土進(jìn)行了顆粒分析與液塑限試驗(yàn)，結(jié)果表明：多數(shù)路堤填土與地基土為低液限黏土，液限變化范圍為33.4～44.5，塑性指數(shù)變化范圍為9.8～17.5，低液限黏土路基含水率較高，部分層位含水率超過塑限。對(duì)路堤填土高度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到路堤填土高度為0.0～2.2 m。路基最大凍深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為距路表1.6～2.4 m。為了模擬自然環(huán)境因素對(duì)低路堤土基強(qiáng)度的影響，本次以重塑土為研究對(duì)象，選取2種路堤填土，1種地基土，共計(jì)3種土樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。采用正交表L16(45)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用靜力成型法，使得土體在設(shè)定的含水率和壓實(shí)度的水平下成型，并經(jīng)歷不同的凍融次數(shù)后，分別測(cè)試土體的無側(cè)限抗壓回彈模量，以揭示土質(zhì)、含水率、壓實(shí)度、凍融次數(shù)對(duì)土基強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖1 調(diào)研線路圖Fig.1 Investigating roads map

1 試驗(yàn)方法與方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)土樣

選定的3種路基土樣分別定義為1、2、3號(hào)，依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[12]進(jìn)行了基本物理指標(biāo)與擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)土樣基本物性指標(biāo)

1.1.2 試驗(yàn)方法

《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[12]中采用承載板法、應(yīng)用杠桿壓力儀對(duì)土體回彈模量進(jìn)行測(cè)試。但由于該方法圓柱體試件體積較大，試件外有金屬圓筒，凍融循環(huán)控制困難，土體非一次成型，凍融過程中會(huì)發(fā)生斷層、裂縫等破壞，會(huì)影響土體回彈模量的測(cè)試結(jié)果。已有研究[13]表明,無側(cè)限圓柱形試件與試槽土基回彈模變化規(guī)律具有很好的一致性。為了研究土體在凍融循環(huán)作用下回彈模量的變化規(guī)律，便于試驗(yàn)條件的控制，采用了直徑為 50 mm，高度為 50 mm的圓柱體試件，試件成型采用靜力一次成型法。由于杠桿壓力儀施加壓力的承載板直徑為50 mm，致使試件在測(cè)試過程中測(cè)得的模量為無側(cè)限抗壓回彈模量，因此在計(jì)算回彈模量時(shí)不考慮側(cè)向限制。土體無側(cè)限抗壓回彈模量為

(1)

式中：E為圓柱體試件無側(cè)限抗壓回彈模量值(MPa)；pi為單位壓力(kPa)；li為與單位壓力pi對(duì)應(yīng)的修正后回彈變形值(mm)；H為圓柱體試件高度(mm);i為試驗(yàn)次數(shù),i=1,2,3,…,n。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 凍融試驗(yàn)條件

為了解季節(jié)性冰凍區(qū)低路堤土基凍結(jié)過程與冬期前后溫度場(chǎng)變化情況，吉林省交通研究所對(duì)長(zhǎng)松高速農(nóng)安繞越線二級(jí)公路K15+460斷面埋設(shè)了溫度傳感器，觀測(cè)點(diǎn)位于重冰凍地區(qū)，該地年平均氣溫4.5～6.8 ℃，極端最低氣溫-39.8～-36.1 ℃，路堤填方高度1.4 m，填料為低液限黏土摻3%石灰，地基土質(zhì)為淤泥質(zhì)土，地下水位高。

由前人研究[14]可知：觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，0.39～0.87 m層位溫度變化范圍為-15～10 ℃；0.87～1.77 m層位溫度變化范圍為-6～15 ℃。分析表明，路基土越接近路表溫度變化越劇烈，路基最大凍深線末端降溫速率小，說明凍結(jié)末端只要有充足水分供給，易發(fā)生水分焦聚[13]。綜上，本次室內(nèi)凍融試驗(yàn)選定-15～15 ℃為凍融循環(huán)的溫度區(qū)間?，F(xiàn)有研究資料[10-11]表明，經(jīng)6～7次凍融后物理力學(xué)參數(shù)趨于穩(wěn)定，因此，本次研究對(duì)3種土樣試件最多進(jìn)行了6次凍融循環(huán)。凍融試驗(yàn)采用可控溫型冰箱，將溫度設(shè)置為-15 ℃，采用聚酯薄膜將成型試件密封，再將試件置于冰箱中 24 h，模擬1次凍脹；將冰柜溫度調(diào)至15 ℃，將試件置于冰箱中 24 h，模擬1次融化，此即1次完整凍融循環(huán)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究含水率、壓實(shí)度、凍融循環(huán)作用對(duì)3種土回彈模量的綜合影響規(guī)律與定量關(guān)系，對(duì)1、2、3號(hào)土樣的凍融次數(shù)(因素A)、含水率(因素B)、壓實(shí)度(因素C)的試驗(yàn)水平進(jìn)行了設(shè)定，結(jié)果見表2。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L16(45)來安排試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表3。

表2 3種路基用土的因素水平

Table 2 Factors and level of three subgrade soils for orthogonal design

土樣水平凍融次數(shù)含水率/%壓實(shí)度/%1號(hào)109922213943415964617982號(hào)10792229943411964613983號(hào)1079222994341196461398

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了分析各因素對(duì)回彈模量的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果按照公式(2)計(jì)算因素i的試驗(yàn)因素對(duì)應(yīng)的水平j(luò)的試驗(yàn)值之和:

(2)

式中：Kij為因素i水平j(luò)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和；yjm為因素i水平j(luò)對(duì)應(yīng)的第m個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果；r為正交試驗(yàn)的水平數(shù)；i=A，B，C；j=1，2，3，4。

因素i對(duì)應(yīng)的水平j(luò)的試驗(yàn)值的平均數(shù)kij可表示為

(3)

因素i的極差采用下式計(jì)算：

(4)

對(duì)表3中1、2、3號(hào)土樣回彈模量試驗(yàn)結(jié)果按照公式(2)--(4)進(jìn)行計(jì)算，整理后結(jié)果見表4。

由表4極差數(shù)據(jù)可知，A列與B列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)較大，C列較小。這反映了當(dāng)因素A與因素B水平變動(dòng)時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)大，因素C水平變動(dòng)時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)小，由此可以根據(jù)極差大小順序排出因素的從主到次依次為：B，A，C?？梢钥闯觯簩?duì)任意一種土而言，含水率(因素B)是影響土的回彈模量的主要因素；其次是凍融次數(shù)(因素A)對(duì)土的回彈模量的影響；而壓實(shí)度(因素C)在選定的水平范圍內(nèi)對(duì)凍融回彈模量的影響比其他兩個(gè)因素要小。將各因素的水平變化對(duì)指標(biāo)的影響通過因素-指標(biāo)圖來刻畫。對(duì)每個(gè)因素，以表4中的指標(biāo)繪制因素-指標(biāo)圖，見圖2。

2.1 凍融對(duì)土基強(qiáng)度的影響

由圖2a可知，1號(hào)土凍融次數(shù)從0次增加到6次，回彈模量逐漸減小，減小值為64.1 MPa，相對(duì)減小率為43.2%;前2次凍融循環(huán)對(duì)土的回彈模量影響較大，回彈模量相對(duì)減小率為29.8%，之后減小幅度逐漸變小。2號(hào)土凍融次數(shù)從0次增加到6次，回彈模量減小值為39.3 MPa，相對(duì)減小率為43.4%。由圖2b可知，回彈模量在前2次減小幅度很大，相對(duì)減小率為34.4%，之后減小幅度很小。3號(hào)土凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到6次，回彈模量減小值為16.4 MPa，減小率為39.9%，回彈模量在前2次減小幅度大，相對(duì)減小率為34.8%，之后的減小幅度小。為了比較3種土回彈模量受凍融次數(shù)影響的敏感性，將回彈模量差值與凍融次數(shù)差值相比得知：1號(hào)土比值為10.7，2號(hào)土比值為6.6,3號(hào)土比值為2.7;由此可以看出，在封閉凍融條件下，3種土對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)變化敏感性由大到小為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。塑性指數(shù)越大的土對(duì)凍融越敏感，即塑性指數(shù)越大的土體強(qiáng)度受凍融影響越大。

表4 回彈模量分析結(jié)果

注：k1,k2,k3,k4分別為某一水平試驗(yàn)結(jié)果的平均數(shù)。

圖2 因素-回彈模量關(guān)系Fig.2 Relationship between influencing factors and the resilient modulus

2.2 含水率對(duì)土基強(qiáng)度的影響

由圖2可知：1號(hào)土含水率從9%增加到17%，回彈模量幾乎呈線性減小，減小值為104.8 MPa，相對(duì)減小率為62.8%；2號(hào)土含水率從7%增加到13%，回彈模量呈線性減小，減小值為65.5 MPa，相對(duì)減小率為67.8%；3號(hào)土含水率從7%增加到13%，回彈模量幾乎呈線性減小，減小值為33.2 MPa，減小率為68.9%。為了比較3種土強(qiáng)度受含水率影響的敏感性，將回彈模量差值與含水率變化差值相比得：1號(hào)土比值為13.1，2號(hào)土比值為10.9，3號(hào)土比值為5.5;由此可以看出3種土對(duì)含水率變化敏感性由大到小為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。由表1數(shù)據(jù)可知：1號(hào)土塑性指數(shù)最大，3號(hào)土塑性指數(shù)最小;由此可知塑性指數(shù)越大的土對(duì)含水率變化越敏感，即塑性指數(shù)越大的土體強(qiáng)度受含水率影響越大。1號(hào)土含水率從9%增加到接近最佳含水率15%，回彈模量減小了42.3%；2號(hào)土含水率從7%增加到接近最佳含水率11%，回彈模量減小了47.7%；3號(hào)土含水率從7%增加到接近最佳含水率11%，回彈模量減小了47.1%。由此可知，在土基施工時(shí)含水率控制是至關(guān)重要的，如果土基偏干，與最佳含水率偏差較大，一旦土基受到地下水或外部環(huán)境影響含水率增高，土基強(qiáng)度會(huì)迅速降低，影響路基與路面整體穩(wěn)定性。

2.3 壓實(shí)度對(duì)土基強(qiáng)度的影響

由圖2可知：1號(hào)土壓實(shí)度從92%增加到98%，回彈模量逐漸增加，增加值為27.3 MPa，相對(duì)增加率為27.9%；2號(hào)土壓實(shí)度從92%增加到98%，回彈模量逐漸增加，增加值為19.1 MPa，相對(duì)增加率為34.4%；3號(hào)土壓實(shí)度從92%增加到98%，回彈模量逐漸增加，增加值為4.1 MPa，相對(duì)增加率為14.2%。為了比較3種土回彈模量受壓實(shí)度影響的敏感性，將回彈模量差值與壓實(shí)度差值相比得知：1號(hào)土比值為4.6；2號(hào)土比值為3.2；3號(hào)土比值為0.7;由此可以看出，3種土對(duì)壓實(shí)度變化敏感性由大到小為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。塑性指數(shù)越大的土對(duì)壓實(shí)度變化越敏感，即塑性指數(shù)越大的土體強(qiáng)度受壓實(shí)度影響越大。

2.4 土質(zhì)對(duì)土基強(qiáng)度的影響

為了比較土質(zhì)對(duì)土基強(qiáng)度的影響，取3種土在最佳含水率對(duì)應(yīng)的回彈模量平均數(shù)進(jìn)行比較可知：1號(hào)土回彈模量96.2 MPa，2號(hào)土回彈模量50.5 MPa，3號(hào)土回彈模量25.5 MPa。由此得出3種土在最佳含水率下強(qiáng)度由大到小為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。即塑性指數(shù)越大的土，回彈模量越大，土基強(qiáng)度越高。

2.5 回彈模量預(yù)估模型

為了便于分析塑性指數(shù)、凍融次數(shù)、含水率與壓實(shí)度對(duì)土基強(qiáng)度的影響，采用準(zhǔn)牛頓法(BFGS) +通用全局優(yōu)化法非線性回歸求解了4種因素與回彈模量預(yù)估模型：

(5)

式中：IP為土體塑性指數(shù)；w為土體含水率；n為凍融次數(shù)；K為土體壓實(shí)度；擬合公式系數(shù)值分別為p1=218.36，p2=63.93，p3=-3.76，p4=-2.63，p5=-1 152.99，p6=-44.02，p7=90.33。

由擬合公式(5)所得理論值與試驗(yàn)值計(jì)算所得相關(guān)系數(shù)R=0.965。由表5中可知，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)估結(jié)果兩者吻合較好。對(duì)于季凍區(qū)缺乏土基強(qiáng)度研究數(shù)據(jù)的，可采用式(5)進(jìn)行土基強(qiáng)度預(yù)評(píng)價(jià)。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)估結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

1)極差分析表明：同一種土，凍融次數(shù)、含水率、壓實(shí)度對(duì)土基強(qiáng)度的影響主次關(guān)系為含水率>凍融次數(shù)>壓實(shí)度。

2)土基強(qiáng)度隨著含水率的增大幾乎呈線性減小;土基強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加而減小，前2次凍融對(duì)土基強(qiáng)度影響明顯，之后趨于穩(wěn)定;土基強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增大，增加壓實(shí)可以提高土基強(qiáng)度與抗凍性。

3)施工中路堤填土含水率低于最佳含水率越大，當(dāng)土基受環(huán)境影響含水率升高時(shí)，土基強(qiáng)度將衰減越大，路基整體穩(wěn)定性越差，易導(dǎo)致病害的產(chǎn)生。

4)土質(zhì)對(duì)土基強(qiáng)度影響大，塑性指數(shù)越大的土對(duì)含水率、凍融次數(shù)與壓實(shí)度變化越敏感。同等條件變化時(shí)，塑性指數(shù)大的土體強(qiáng)度變化率大。

5)采用指數(shù)函數(shù)擬合出了路基土強(qiáng)度與塑性指數(shù)、凍融次數(shù)、含水率及壓實(shí)度的關(guān)系式，擬合結(jié)果較好。

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Influencing Factors of Low Embankment Soil Subgrade Strength in Seasonally Frozen Region

Zhan Gaofeng1，2，Zhu Fu1，2，Dong Weizhi2,Wang Jing2

1.ConstructionEngineeringcollege,JilinUniversity,Changchun130026,China2.SchoolofTransportationScienceandEngineering,JilinjianzhuUniversity,Changchun130118,China

Through the investigation of filling height and freezing depth of the low embankment high-grade highway soil in Jilin Province, the filling height of the low embankment is found in the range of 0.0 m to 2.2 m in the investigated region. The maximum frozen soil depth is 1.6 m to 2.4 m based on the drilling data. Three kinds of embankment soils with different plasticity indices were selected from seasonal frozen soil regions. The testing schedules were made with the method of orthogonal design(L16(45)). By using the static molding method，the soil samples were compacted differently in its different moisture contents and compactness. After setting freeze-thaw cycles，the unconfined compressive resilient modulus of the soil samples were tested respectively. For the same kind of soil under the different influencing conditions, the experiment results show that the influence of different factors are as following: moisture content>freeze-thaw cycles>compactness. With the increase of themoisture content, the embankment soil strength decreases linearly; with the increase of freeze-thaw cycles, the embankment soil strength decreases, the first and second cycles create a greater impact on embankment soil strength. With the increase of compactness, the embankment soil strength increases, but increasing percentage is small. According to the indoor experiment data, the exponential function is adopted for multiple nonlinear fitting that deliver good results.

seasonally frozen region; low embankment; soil subgrade strength; influencing factors;Jilin Province;plasticity indices

10.13278/j.cnki.jjuese.201503201.

2014-08-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308256)；吉林省交通運(yùn)輸科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011103)

戰(zhàn)高峰(1964--)，男，教授，博士，主要從事路基路面方面的研究工作，E-mail:zhangaofeng@tom.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201503201

TU411.6

A

戰(zhàn)高峰，朱福，董偉智,等.季凍區(qū)低路堤土基強(qiáng)度與影響因素相關(guān)性.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(3):869-875.

Zhan Gaofeng，Zhu Fu，Dong Weizhi,et al.Influencing Factors of Low Embankment Soil Subgrade Strength in Seasonally Frozen Region.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(3):869-875.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201503201.