林 波，劉 磊，謝文博

(保利長大海外工程有限公司 廣州市 510623)

0 引言

凍融循環(huán)作用是指凍土地區(qū)的土體在大氣溫度周期性變化過程中內部液態(tài)水、固態(tài)冰與氣態(tài)水相互轉變，并與外部環(huán)境不斷進行物質和能量交換的一種物理風化現(xiàn)象[1]。凍融循環(huán)作用對路基造成的破壞主要表現(xiàn)為凍脹、融沉、翻漿、不均勻沉降等季凍區(qū)特有病害，繼而對路面結構的穩(wěn)定性造成巨大影響，致使交通設施不能發(fā)揮應有的便捷、安全、舒適等功能[2]。凍融作用對土體性能影響的研究進展持續(xù)百年，研究成果十分豐富，用來評估凍融作用影響的考察指標多達數(shù)十種[3]。在眾多的考察指標中，小應變剪切模量對試驗條件的反應十分敏感，是評估凍融作用對土體力學性能影響的重要指標之一[4-6]。所謂小應變剪切模量，是指大于0.001%而小于1%的應變[7]，快速有效的獲取土體的小應變剪切模量是巖土工程領域的研究熱點。彎曲元剪切波速試驗是一種快速且無損的檢測手段，可獲取應變小于10-6下土體的剪切模量[8]，所測得的剪切模量被稱為小應變剪切模量Gmax。

以小應變剪切模量作為考察指標，以彎曲元剪切波速試驗為考察手段，調查不同凍融循環(huán)次數(shù)后路基黏土的性能變化規(guī)律，定量地評價路基土小應變剪切模量的演化規(guī)律，研究結論有助于從不同的角度揭示凍融循環(huán)作用對土體結構性能的影響。

1 彎曲元剪切波速試驗系統(tǒng)

彎曲元剪切波速測試試驗原理簡明、操作簡單，技術細節(jié)可參考文獻[8]的系統(tǒng)研究。簡單而言，彎曲元分為發(fā)射元和接收元兩部分。發(fā)射元在激振信號下產生剪切波，通過試件之后被接收元接受，這一過程被示波器顯示并儲存，分析獲取剪切波在試件內部的傳播時間，由于試件的尺寸已知，通過計算即可得到剪切波速。進一步地，再利用如式(1)所示轉換關系得到小應變剪切模量Gmax。

(1)

式中：ρ為土體密度，單位kg/m3，取為凍融循環(huán)作用后試件的整體密度；νs為剪切波速，單位m/s。剪切波速測試系統(tǒng)如圖1所示。

2 凍融循環(huán)試驗

凍融作用對土體性能的影響程度取決于土的粒徑分布、孔隙形態(tài)以及初始含水率[3]。據(jù)此將研究變量選定為初始壓實度和凍融循環(huán)次數(shù)，方案見表1所示。試件的高度為125mm、直徑為61.8mm。90%、94%和98%初始壓實度下飽和試件的含水率依次為32.4%、26.3%和21.9%，初始密度分別為1.94g/cm3、1.95g/cm3和1.97g/cm3。凍融循環(huán)次數(shù)選定為0、1、3、5和7次，其中94%壓實度的額外進行了第9、第11次凍融。

表1 剪切波速試驗方案

試驗過程中記錄每次凍融循環(huán)后試件的體積和質量，以便獲取試件在不同凍融次數(shù)之后的真實密度。

彎曲元的測點布置見圖2所示，每完成一次凍融循環(huán)后對試件進行剪切波速測試。將試件沿著高度方向五等分得到4個分界點，再取中間兩個分界點的中點為第5個分界點，并保證這5個分界點處于同一條垂線上，以此獲取了5組水平截面，從上往下依次記作第1、第2、第3、第4、第5平面。在每個分界點上布置一個彎曲元發(fā)射端，在與其同水平面的對稱點上布置彎曲元的接收端，如此構成一組測試點。a1和c1即為第一組對稱的測試點。沿著試件高度方向自上而下得到另外4組測點，依次為a2和c2、a3和c3、a4和c4以及a5和c5，分配這5組測試點用來測試振動方向垂直于對應水平面的剪切波波速。在與a1c1c5a5平面垂直的平面上相應位置布置另外5組測試點，用來測試振動方向平行于對應水平面的剪切波波速。同時，在試件頂、底面中心處布置一組測試點e1和e2用來測試振動方向平行于該垂直截面的剪切波波速。

圖2 測點的布局圖(單位：mm)

3 試驗結果及分析

本試驗采用頻率為100Hz、幅值為1.5V的方波作為輸入波，將頻率小于500Hz且大于60000Hz的接收波進行過濾，能夠獲取理想的試驗結果。利用初達波法[8]確定上述剪切波的傳播時間Δt為951.2μs，Δt=Δt1+Δt2，其中Δt1為剪切波在土體中傳播的真實時間，Δt2為剪切波在測試系統(tǒng)中的延滯時間。將發(fā)射元和接收元接觸而不產生擠壓，即令Δt1=0獲取Δt2為8.2μs。據(jù)此得到剪切波在土體中傳播的真實時間Δt1為Δt-8.2μs。表2為各個工況下剪切波速測試結果。

表2 剪切波速測試結果 m/s

利用式(1)將表2所示的剪切波速進行轉換，即可得到試件內部不同斷面上小應變剪切模量Gmax，將其與凍融循環(huán)次數(shù)畫圖，分析二者的演化規(guī)律。

3.1 小應變剪切模量Ghh演化規(guī)律

圖3中Ghh-1指的是圖2所示第一個水平面(a1b1c1d1)上的水平剪切模量，Ghh-2指的是第二個水平面(a2b2c2d2)上的水平剪切模量，以此類推。飽和黏土的小應變剪切模量Ghh隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先急劇降低、隨后緩慢降低的趨勢。相對于0次凍融循環(huán)，7次凍融循環(huán)之后90%、94%和98%初始壓實度試件的小應變剪切模量Ghh分別損失60.4%、49.7%、46.8%。

圖3 Ghh與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

3.2 小應變剪切模量Ghv演化規(guī)律

圖4中Ghv-1指的是圖2所示第一個水平面(a1b1c1d1)上的垂直剪切模量。Ghv隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)出先急劇降低、隨后緩慢降低的趨勢。相對于0次凍融循環(huán)，7次凍融循環(huán)之后90%、94%和98%初始壓實度試件的小應變剪切模量Ghv分別損失57.7%、48.9%、50.5%。

圖4 Ghv與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

3.3 小應變剪切模量Gvh演化規(guī)律

圖5中Gvh指的是圖2所示垂直面上的水平剪切模量。Gvh與凍融循環(huán)次數(shù)的增減關系與Ghh和Ghv相同。相對于0次凍融循環(huán)，7次凍融循環(huán)之后90%、94%和98%初始壓實度試件的小應變剪切模量Gvh分別損失56.1%、51.1%、55.0%。

圖5 Gvh與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

4 結論

小應變剪切模量可較好地反映凍融循環(huán)作用下飽和路基黏土強度衰減的特性。總體而言，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，路基黏土的小應變剪切模量降低，當循環(huán)次數(shù)達到7次以后，凍融的影響將趨于平緩。趨于平緩后的試件小應變剪切模量損失量約為未發(fā)生凍融時的46.8%～60.4%不等。從凍融作用的機理來看，凍結過程中土體孔隙內部的水分凝結成冰，體積增加十分之一，勢必會對土顆粒之間原有的膠結、聯(lián)結狀態(tài)造成破壞，從而引起土體結構發(fā)生改變，由于飽和黏土具有較高的塑性，這種結構改變并不可逆，綜合表現(xiàn)為試件的小應變剪切模量發(fā)生衰減，而且含水率越高，試件結構受凍融循環(huán)作用的影響越明顯。本研究結論有助于加深凍融循環(huán)作用對土體結構影響的理解。