基于泊松效應抑制低液限粉土填料凍脹效果試驗研究

沈宇鵬，張俞堯，左瑞芳，劉曉強，田亞護，劉建坤

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

我國幅員遼闊，氣候迥異，形成了多種特殊的區域環境。地表冬季凍結、暖季融化的季節性凍土區遍及長江流域以北的整個區域。特別在凍結深度超過0.5 m以上的高寒地區，凍脹和融沉危害普遍存在，且顆粒粒徑在0.05～0.005 mm的粉粒土類的凍脹更加顯著[1]。一旦將粉土作為路基填料，鐵路路基將會出現顯著的凍脹病害。高寒季節性凍土區因鐵路路基凍脹引起的破壞會造成巨大的經濟和社會損失，如何緩解路基凍脹一直是工程技術人員的重大課題。近年來，國內外學者以改變凍脹產生的內外界因素為出發點，提出了諸多抑制凍脹危害的工程措施，如路基排水[2-4]、填料換填[5-8]和保溫[9-13]等。但以利用泊松效應在凍脹過程中容許凍脹變形部分釋放為出發點，抑制凍脹的工程措施的研究成果較少。

脆性圍巖隧道的應力釋放孔原理是利用泊松效應將掌子面上高地應力引起的豎向應變部分轉換為應力釋放孔中的徑向應變，從而減弱掌子面附近圍巖的應力集中[14-16]。本文將用于減弱隧道巖爆的應力釋放孔引入季節性凍土區鐵路路基中，通過室內單向凍結試驗，開展路基中設置應力釋放孔抑制粉土填料的凍脹效果研究。

1 試驗簡介

1.1 土樣

表1 試驗土體基本物理力學指標

圖1 土體顆粒級配曲線

1.2 試驗裝置

單向凍結試驗的試驗裝置如圖2所示。

圖2 單向凍結試驗裝置示意圖

試驗筒的材質為透明有機玻璃，整體規格為直徑150 mm、高200 mm，外壁包裹保溫棉保溫絕熱，確保單向凍結，試驗筒側壁預留有溫度計插孔。試樣筒上、下頂板為溫度控制端，在上頂板設置高精度數顯位移百分表，頂板與各自的冷浴循環系統相連接，控溫精度為±0.01 ℃。

1.3 設置應力釋放孔試樣的制備

土樣分5層壓實填入試樣筒，制成直徑為100 mm、高為150 mm的凍結柱試樣，并在試樣中心處設置貫穿整個試樣的應力釋放孔，如圖3所示。

圖3 設置應力釋放孔的凍結柱試樣

試樣選取2種壓實系數0.89和0.93，同時考慮2種不同初始含水率22.6%和20.7%，考慮3種不同的孔洞率1%，2%和4%，具體見表2。

表2 試樣

孔洞率α為應力釋放孔截面積與試樣總面積的比值，即

(1)

式中：r為孔洞半徑，cm；R為試樣半徑，cm。

因此，應力釋放孔孔徑為10.00，14.14和20.00 mm分別代表試樣孔洞率為1%，2%和4%。

1.4 試驗方案

試樣制備完成后，在距上頂板0，70和150 mm這3個位置，插入溫度傳感器測量試樣溫度。

開啟冷浴循環系統及低溫室溫度控制系統，設定上、下頂板溫度及低溫室環境溫度為1 ℃，待溫度傳感器測定試樣溫度均降至1 ℃穩定后開始凍結試驗。將試樣筒上頂板(冷端)溫度設定為-3 ℃和下底板(暖端)設定1 ℃不變，低溫室保持環境溫度1 ℃，凍結過程持續48 h。

凍結過程中測試的物理量包括凍脹變形、試樣溫度和含水率。

3個溫度傳感器記錄凍結過程試樣的溫度變化。上頂板放置的高精度數顯位移百分表用于測量試樣的凍脹變形量。凍結結束后，在低溫室內拆除試樣，每10 mm分層測定含水率，用于分析試樣中水分最終遷移量。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

圖4為設置應力釋放孔的凍結柱試樣凍結后的冰圈和冰隙。

從圖4中可知，設置應力釋放孔的土樣在凍結過程中會沿著孔洞徑向發生有效的橫向凍脹變形，進而有效地減少了豎向的凍脹變形量。作用實質即為由于應力釋放孔的存在，將常規凍脹會產生的單一的豎向凍脹變形轉化為沿應力釋放孔徑向的橫向收縮變形和部分豎向凍脹變形，利用這種泊松效應能有效達到抑制土體凍脹變形的效果。

圖4 試樣凍結后的冰圈和冰隙圖

2.2 應力釋放孔抑制凍脹效果

2.2.1 孔洞率對凍脹的影響

圖5給出了未設置和設置不同孔洞率應力釋放孔時不同壓實系數試件的凍脹變形過程。由圖5可以看出，不同試樣的凍脹變形差別較大，但凍脹變形的增長變化趨勢基本一致，且隨著孔洞率的增大，試樣的凍脹變形顯著減小。

圖5 不同壓實系數和不同孔洞率試樣的凍脹變形過程

經過48 h凍結后，壓實系數為0.89的未設置應力釋放孔試樣的凍脹變形為7.33 mm，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹變形分別為3.70，2.85和1.03 mm，僅為未設置應力釋放孔試樣凍脹變形的50.48%，38.88%和14.05%；壓實系數為0.93的未設置應力釋放孔試樣的凍脹變形為5.81 mm，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹變形分別為2.81，2.05和0.83 mm，僅為未設置應力釋放孔試樣凍脹變形的48.36%，35.28%和14.29%。說明土樣在凍結過程中，豎向凍脹應變逐漸向應力釋放孔轉移，且孔洞率越大，應力釋放效果越顯著，相應土樣的豎向凍脹變形也就越小，達到了抑制凍脹的效果，且效果顯著。

土體凍脹速率Vη是單位時間內凍脹變形增量，即

(2)

式中：Δh為凍脹變形增量，mm；Δt為凍結時間增量，h。

土體凍脹速率可反映土體凍脹的變化發展趨勢。圖6給出了試驗試樣凍脹速率隨時間的變化情況。從圖6可以看出：各試樣的凍脹速率變化規律差別不大，都隨時間延長逐漸減小，最后趨于零；試樣的凍脹速率在凍結開始時達到最大后迅速減小，但是在凍結初期，各試樣的凍脹速率有較大差別，設置應力釋放孔試樣的初始凍脹速率較未設置應力釋放孔試樣要小很多，且不同孔洞率試樣的凍脹速率也相差不小，孔洞率越大，凍脹速率越小。

圖6 不同壓實系數和不同孔洞率試樣凍脹速率變化過程

2.2.2 初始含水率對凍脹的影響

工程上常采用總凍脹變形與凍結深度(不包括凍脹變形)的比值表示土體凍脹率η[19]，即

(3)

式中：h為總凍脹變形，mm；h0為凍結深度，mm。

根據溫度數據確定的各試樣的凍結深度、凍脹變形及凍脹率見表3。從表3可以看出，初始含水率為22.6%時，未設置應力釋放孔試樣的凍脹率為7.90%，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹率分別為3.84%，2.93%和1.04%；初始含水率為20.7%時，未設置應力釋放孔試樣的凍脹率為6.17%，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹率為2.89%，2.09%和0.84%。初始含水率為20.7%試樣的凍脹率均小于含水率為22.6%的試樣，說明當土體在孔洞率一定時，土體的凍脹率隨初始含水率的增加而增大，這是因為封閉系統中初始含水量越高，凍結過程中可遷移的水分越多，凍脹效果更加顯著。

表3 試樣凍脹試驗結果

2.3 孔洞率對試樣水分遷移的影響

水分遷移聚冰是產生路基凍脹病害的最主要原因。在土體凍脹過程中，當溫度降到凍結溫度以下時，將形成一個凍土與非凍土區域，即為凍結緣。當孔隙中自由水發生凍結，將在凍結緣生成冰晶體，導致土體中未凍水含量降低，土顆粒周圍水膜厚度變小，土水勢絕對值增大；而暖端未凍水含量高，土顆粒周圍水膜厚度大，土水勢絕對值小，這種土水勢的存在使土體水分自暖端向冷端遷移，水分將源源不斷地向凍結緣遷移、聚集并結晶形成冰透鏡體，使得土體凍脹變形逐漸加大。

圖7給出了未設置和設置不同孔洞率試樣凍結48 h后的含水率變化過程。由圖7可以看出：凍結48 h后試樣水分出現了明顯遷移現象，已凍結區域土樣含水率高于初始含水率，而未凍結區域的含水率低于初始含水率，且含水率最大值基本均位于第8～9土層(距冷端80～90 mm)，說明在本試驗溫度梯度作用下，凍結穩定時的凍結緣發生于該位置，這與計算得到的凍結深度值基本吻合。同時，由圖7可知，同一飽和條件下，不同孔洞率的土樣水分遷移規律基本一致，且沿土樣深度方向的含水率差異不大，說明設置應力釋放孔不會改變試樣的水分分布。

圖7 凍結48 h后土樣中含水率變化

3 結 論

(1)應力釋放孔對試樣凍脹緩解效果明顯且抑制效果隨孔洞率的增加而更加顯著。初始含水率為22.6%時，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹變形分別為3.70，2.85和1.03 mm，僅為未設置應力釋放孔試樣凍脹變形50.48%，38.88%和14.05%；初始含水率為20.7%時，孔洞率為1%，2%和4%的試樣凍脹變形分別為2.81，2.05和0.83 mm，僅為未設置應力釋放孔試樣凍脹變形48.36%，35.28%和14.29%。

(2)含水率是影響凍脹的最主要因素，當試樣的孔洞率一定時，初始含水率越高，試樣的凍脹率越大。初始含水率為22.6%時，未設置應力釋放孔試樣的凍脹率為7.90%，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹率分別為 3.84%，2.93%和1.04%；初始含水率為20.7%時，未設置應力釋放孔試樣的凍脹率為6.17%，孔洞率為1%，2%和4%試樣的凍脹率為2.89%，2.09%和0.84%。

(3)試樣在設置應力釋放孔時，水分遷移規律與未設置孔洞試樣基本一致，設置應力釋放孔不會改變試樣水分分布。