于慶斌

(中鐵十九局集團 第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也隨之快速推進.公路作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是推動區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展的關(guān)鍵.隨著國家重新對東北老工業(yè)基地的關(guān)注，東北地區(qū)的公路網(wǎng)建設(shè)再次迎來新的機遇.然而在建設(shè)過程難免會遇到一些技術(shù)難題，比如凍融循環(huán)作用.一直以來，路基土的凍融循環(huán)作用備受關(guān)注.

近年來，我國學(xué)者針對高速公路路基凍融循環(huán)問題進行了大量研究，成果頗豐.何菲等基于低溫動態(tài)三軸試驗機對青藏鐵路路基土進行了低溫凍結(jié)試驗研究，分析了動回彈模量、阻尼系數(shù)等力學(xué)參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系[1].普毅等通過共振柱試驗對季凍區(qū)路基土的剪切模量隨凍融循環(huán)和含水率的變化規(guī)律進行了研究[2].張宜洛等對內(nèi)蒙古東部的2種典型路基土進行了三軸試驗研究，分析了動回彈模量在不同荷載及含水率下的變化規(guī)律，并根據(jù)試驗結(jié)果給出了動回彈模量的取值區(qū)間[3].張莎莎等對粗粒硫酸鹽漬土中的水分遷移進行了研究，分析了土中水分與凍融循環(huán)之間的關(guān)系[4].杜海民等對含冰量較高的凍結(jié)粉砂土進行了三軸循環(huán)加卸載試驗研究，分析此種狀態(tài)下粉砂土的能量耗散情況和剪切模量變化情況[5].張向東等通過室內(nèi)凍土動態(tài)三軸試驗儀對二灰改良的風(fēng)積砂土進行了凍融循環(huán)試驗研究，給出改良風(fēng)積砂土最佳摻配百分比為30%～40%[6].牛笑笛等使用化學(xué)固化方法對受凍融循環(huán)作用后的路基土進行研究，從微觀方面對其強度變形機理進行了研究[7].熊紅強等基于GDS三軸試驗系統(tǒng)對凍融循環(huán)作用后的粉砂土進行了三軸試驗研究，分析了動回彈模量、阻尼比隨凍融次數(shù)和圍壓的分布規(guī)律[8].張玉芝等針對高速鐵路路基受凍融循環(huán)作用的影響，研究了一種能夠追蹤凍融循環(huán)作用下路基內(nèi)水分遷移的裝置[9].

綜上研究可知，前人對于路基土在時效性方面研究較少，研究成果相對單一.因此本文結(jié)合東北地區(qū)某在建公路的工程實際對凍融循環(huán)作用下的路基土進行單軸蠕變試驗研究，為寒區(qū)路基土的力學(xué)特性作進一步補充.

1 凍融循環(huán)蠕變試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備與試樣制備

本文凍融循環(huán)試驗在中國建科院自行研制的CABR-HDK9A型快速凍融試驗機上完成，溫度變化范圍在-40～40 ℃，溫控精度為±0.2 ℃，滿足本文試驗要求.凍融循環(huán)作用后的路基土三軸蠕變試驗在GDS多功能三軸試驗機上完成，試驗材料取自東北地區(qū)某在建高速公路路基.地質(zhì)勘查資料顯示，該路基為粉質(zhì)黏土.依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》對該路基土進行了基本物理性質(zhì)分析，結(jié)果見表1.將取回的土體按巖土三軸試驗標(biāo)準(zhǔn)制成直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱試樣，以備后續(xù)試驗使用.

表1 材料的物理性質(zhì)

1.2 凍融循環(huán)蠕變試驗方案

將制備好的路基土試件放入冷凍箱內(nèi)冷凍48 h，冷凍箱溫度設(shè)置為-20 ℃，然后將試件取出在恒室內(nèi)環(huán)境中存放48 h，此為1個完整的凍融循環(huán)過程.本文將凍融循環(huán)試驗分為4組，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、5、10、15次，每組包含2個試件.本文蠕變試驗在恒溫室內(nèi)進行，以天然含水狀態(tài)下試樣的單軸抗壓強度作為分級加載的依據(jù)，初級荷載為峰值抗壓強度的40%，每級荷載增量為10 kPa，每級荷載施加時間為24 h，采樣間隔為0.2 s.荷載分級水平如表2所示.

表2 荷載分級水平

2 試驗結(jié)果分析

2.1 路基土變形分析

通過Boltzmann疊加原理對不同凍融循環(huán)次數(shù)下路基土試樣的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到的最終軸向蠕變曲線如圖1所示.

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下路基土蠕變曲線

路基土試件在軸向荷載施加瞬間會產(chǎn)生瞬時變形，且試樣在荷載的長期作用下會產(chǎn)生蠕變變形.在第1級荷載水平作用下，試樣的蠕變變形量較大，隨著荷載水平的逐漸增大，曲線斜率逐漸遞增，試樣的蠕變特性越來越顯著；在破壞荷載前，試樣的蠕變曲線主要分為2個階段，即衰減蠕變和等速蠕變，蠕變速率逐漸由0增大至某一恒定值，并保持不變；當(dāng)荷載水平施加至最后一級時，試樣的變形量快速增大，曲線斜率開始加速增大，試樣表現(xiàn)出顯著的蠕變?nèi)A段特征，即衰減、等速和加速蠕變階段，并最終在加速階段失穩(wěn)破壞.同一荷載水平下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的瞬時變形量、蠕變變形量和曲線斜率均呈逐漸遞增趨勢.

相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下的路基土試樣的蠕應(yīng)變平均增幅Δε可表示為

(1)

式中：εi、εj分別為凍融循環(huán)次數(shù)是i、j次時的蠕應(yīng)變值，當(dāng)i取5、10、15時，j取0、5、10.

圖2為不同荷載水平下路基土試件的蠕應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，不同荷載水平下試樣的蠕應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)之間的變化規(guī)律基本一致.在第1級荷載水平作用下，試樣的蠕應(yīng)變效應(yīng)顯著，原因是路基土制樣過程中內(nèi)部存在大量孔隙，當(dāng)試樣受到外部荷載作用時，這些孔隙會逐漸閉合，進而表現(xiàn)出較大的蠕應(yīng)變.

圖2 不同荷載水平下試樣蠕應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

表3為相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下蠕應(yīng)變的平均增幅，由表3可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長，路基土試樣的蠕應(yīng)變逐漸增大，相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的平均蠕應(yīng)變增幅大小依次為0～5次、5～10次、10～15次；其中0～5次的蠕應(yīng)變平均增幅為51.27%，5～10次的平均增幅為10.32%，10～15次的平均增幅為6.18%，表明凍融循環(huán)初期對路基土的影響較大。說明5次凍融循環(huán)后路基土的蠕應(yīng)變增幅較大.

表3 相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下路基土蠕應(yīng)變平均增幅

由表3和圖2還可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同荷載水平下路基土試樣的最大蠕應(yīng)變與最小蠕應(yīng)變的差值逐漸增大；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時，試樣的最大蠕應(yīng)變與最小蠕應(yīng)變的差值為1.63×10-4；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別為5、10、15次時，試樣的蠕應(yīng)變差值較凍融循環(huán)0次時分別增長了11.11%、24.31%、43.65%.原因是凍融循環(huán)使試樣內(nèi)部的水分反復(fù)凍結(jié)融化，致使土顆粒間的骨架結(jié)構(gòu)承載能力減弱，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這種劣化作用越強，進而使試樣的變形量逐漸增大.

圖3為不同荷載水平下路基土試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，可以看出:不同荷載水平下試樣穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的分布規(guī)律基本一致，即穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大.相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率增幅見表4，由表4可知穩(wěn)態(tài)蠕變速率的平均增幅大小依次為：0～5次、5～10次、10～15次.

圖3 路基土軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

表4 相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下路基土試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率平均增幅

2.2 路基土加速蠕變階段分析

加速蠕變階段的應(yīng)變和應(yīng)變率隨時間的變化曲線如圖4所示，可以看出：在最后一級荷載水平的作用下，試樣經(jīng)歷衰減蠕變、等速蠕變后，進入加速蠕變，且衰減蠕變階段和加速蠕變階段持續(xù)時間較短，等速蠕變階段持續(xù)時間較長，不同凍融循環(huán)次數(shù)下均出現(xiàn)加速蠕變，即試樣均發(fā)生破壞.對比不同凍融循環(huán)次數(shù)下的破壞荷載和蠕變曲線發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的破壞荷載和蠕變歷時均呈逐漸減小趨勢，當(dāng)凍融循環(huán)0次時，試樣的破壞荷載為106.06 kPa，蠕變歷時為7.42 h；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為15次時，試樣破壞荷載為95.96 kPa，蠕變歷時為4.47 h；可見凍融循環(huán)次數(shù)增加導(dǎo)致試樣的損傷劣化加重，承載能力和承載時間顯著下滑.由圖4還可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的蠕變速率均為下降—穩(wěn)定—上升的變化趨勢，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，穩(wěn)定階段逐漸縮短.

(a) 凍融循環(huán)0次

(b) 凍融循環(huán)5次

(c) 凍融循環(huán)10次

(d) 凍融循環(huán)15次圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下路基土加速蠕變階段應(yīng)變及應(yīng)變速率與時間的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1) 受凍融循環(huán)作用影響，路基土的瞬時應(yīng)變和蠕應(yīng)變均出現(xiàn)明顯增大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)劣化程度更為嚴重，試樣的變形能力逐漸增強，承載能力逐漸減弱.

2) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同荷載水平下路基的蠕變變形量的最大值與最小值之差逐漸增大，原因是凍融循環(huán)使試樣內(nèi)部水分反復(fù)凍結(jié)融化，致使土顆粒間的骨架承載能力降低，最終導(dǎo)致蠕變變形量增大.

3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的平均蠕應(yīng)變增幅逐漸減小，其中凍融循環(huán)0～5次內(nèi)應(yīng)變增幅最大，10～15次內(nèi)應(yīng)變增幅最小；相鄰凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的穩(wěn)態(tài)蠕變速率同樣逐漸減小.

4) 加速蠕變階段，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，試樣的破壞荷載和蠕變歷時均呈逐漸減小趨勢.