基于泊松效應(yīng)抑制低液限粉土填料凍脹效果試驗(yàn)研究

沈宇鵬，張俞堯，左瑞芳，劉曉強(qiáng)，田亞護(hù)，劉建坤

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

我國(guó)幅員遼闊，氣候迥異，形成了多種特殊的區(qū)域環(huán)境。地表冬季凍結(jié)、暖季融化的季節(jié)性凍土區(qū)遍及長(zhǎng)江流域以北的整個(gè)區(qū)域。特別在凍結(jié)深度超過(guò)0.5 m以上的高寒地區(qū)，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(huì)出現(xiàn)顯著的凍脹病害。高寒季節(jié)性凍土區(qū)因鐵路路基凍脹引起的破壞會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，如何緩解路基凍脹一直是工程技術(shù)人員的重大課題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以改變凍脹產(chǎn)生的內(nèi)外界因素為出發(fā)點(diǎn)，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(yīng)在凍脹過(guò)程中容許凍脹變形部分釋放為出發(fā)點(diǎn)，抑制凍脹的工程措施的研究成果較少。

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

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 土樣

表1 試驗(yàn)土體基本物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 土體顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)裝置

單向凍結(jié)試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 單向凍結(jié)試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)筒的材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃，整體規(guī)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(jié)，試驗(yàn)筒側(cè)壁預(yù)留有溫度計(jì)插孔。試樣筒上、下頂板為溫度控制端，在上頂板設(shè)置高精度數(shù)顯位移百分表，頂板與各自的冷浴循環(huán)系統(tǒng)相連接，控溫精度為±0.01 ℃。

1.3 設(shè)置應(yīng)力釋放孔試樣的制備

土樣分5層壓實(shí)填入試樣筒，制成直徑為100 mm、高為150 mm的凍結(jié)柱試樣，并在試樣中心處設(shè)置貫穿整個(gè)試樣的應(yīng)力釋放孔，如圖3所示。

圖3 設(shè)置應(yīng)力釋放孔的凍結(jié)柱試樣

試樣選取2種壓實(shí)系數(shù)0.89和0.93，同時(shí)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(jiàn)表2。

表2 試樣

孔洞率α為應(yīng)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(yīng)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(yàn)方案

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

開(kāi)啟冷浴循環(huán)系統(tǒng)及低溫室溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定上、下頂板溫度及低溫室環(huán)境溫度為1 ℃，待溫度傳感器測(cè)定試樣溫度均降至1 ℃穩(wěn)定后開(kāi)始凍結(jié)試驗(yàn)。將試樣筒上頂板(冷端)溫度設(shè)定為-3 ℃和下底板(暖端)設(shè)定1 ℃不變，低溫室保持環(huán)境溫度1 ℃，凍結(jié)過(guò)程持續(xù)48 h。

凍結(jié)過(guò)程中測(cè)試的物理量包括凍脹變形、試樣溫度和含水率。

3個(gè)溫度傳感器記錄凍結(jié)過(guò)程試樣的溫度變化。上頂板放置的高精度數(shù)顯位移百分表用于測(cè)量試樣的凍脹變形量。凍結(jié)結(jié)束后，在低溫室內(nèi)拆除試樣，每10 mm分層測(cè)定含水率，用于分析試樣中水分最終遷移量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖4為設(shè)置應(yīng)力釋放孔的凍結(jié)柱試樣凍結(jié)后的冰圈和冰隙。

從圖4中可知，設(shè)置應(yīng)力釋放孔的土樣在凍結(jié)過(guò)程中會(huì)沿著孔洞徑向發(fā)生有效的橫向凍脹變形，進(jìn)而有效地減少了豎向的凍脹變形量。作用實(shí)質(zhì)即為由于應(yīng)力釋放孔的存在，將常規(guī)凍脹會(huì)產(chǎn)生的單一的豎向凍脹變形轉(zhuǎn)化為沿應(yīng)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(yīng)能有效達(dá)到抑制土體凍脹變形的效果。

圖4 試樣凍結(jié)后的冰圈和冰隙圖

2.2 應(yīng)力釋放孔抑制凍脹效果

2.2.1 孔洞率對(duì)凍脹的影響

圖5給出了未設(shè)置和設(shè)置不同孔洞率應(yīng)力釋放孔時(shí)不同壓實(shí)系數(shù)試件的凍脹變形過(guò)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(zhǎng)變化趨勢(shì)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(shí)系數(shù)和不同孔洞率試樣的凍脹變形過(guò)程

經(jīng)過(guò)48 h凍結(jié)后，壓實(shí)系數(shù)為0.89的未設(shè)置應(yīng)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(shè)置應(yīng)力釋放孔試樣凍脹變形的50.48%，38.88%和14.05%；壓實(shí)系數(shù)為0.93的未設(shè)置應(yīng)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(shè)置應(yīng)力釋放孔試樣凍脹變形的48.36%，35.28%和14.29%。說(shuō)明土樣在凍結(jié)過(guò)程中，豎向凍脹應(yīng)變逐漸向應(yīng)力釋放孔轉(zhuǎn)移，且孔洞率越大，應(yīng)力釋放效果越顯著，相應(yīng)土樣的豎向凍脹變形也就越小，達(dá)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(shí)間內(nèi)凍脹變形增量，即

(2)

式中：Δh為凍脹變形增量，mm；Δt為凍結(jié)時(shí)間增量，h。

土體凍脹速率可反映土體凍脹的變化發(fā)展趨勢(shì)。圖6給出了試驗(yàn)試樣凍脹速率隨時(shí)間的變化情況。從圖6可以看出：各試樣的凍脹速率變化規(guī)律差別不大，都隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減小，最后趨于零；試樣的凍脹速率在凍結(jié)開(kāi)始時(shí)達(dá)到最大后迅速減小，但是在凍結(jié)初期，各試樣的凍脹速率有較大差別，設(shè)置應(yīng)力釋放孔試樣的初始凍脹速率較未設(shè)置應(yīng)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(shí)系數(shù)和不同孔洞率試樣凍脹速率變化過(guò)程

2.2.2 初始含水率對(duì)凍脹的影響

工程上常采用總凍脹變形與凍結(jié)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(jié)深度，mm。

根據(jù)溫度數(shù)據(jù)確定的各試樣的凍結(jié)深度、凍脹變形及凍脹率見(jiàn)表3。從表3可以看出，初始含水率為22.6%時(shí)，未設(shè)置應(yīng)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(shí)，未設(shè)置應(yīng)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(shuō)明當(dāng)土體在孔洞率一定時(shí)，土體的凍脹率隨初始含水率的增加而增大，這是因?yàn)榉忾]系統(tǒng)中初始含水量越高，凍結(jié)過(guò)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(yàn)結(jié)果

2.3 孔洞率對(duì)試樣水分遷移的影響

水分遷移聚冰是產(chǎn)生路基凍脹病害的最主要原因。在土體凍脹過(guò)程中，當(dāng)溫度降到凍結(jié)溫度以下時(shí)，將形成一個(gè)凍土與非凍土區(qū)域，即為凍結(jié)緣。當(dāng)孔隙中自由水發(fā)生凍結(jié)，將在凍結(jié)緣生成冰晶體，導(dǎo)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(shì)絕對(duì)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(shì)絕對(duì)值小，這種土水勢(shì)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(jié)緣遷移、聚集并結(jié)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(shè)置和設(shè)置不同孔洞率試樣凍結(jié)48 h后的含水率變化過(guò)程。由圖7可以看出：凍結(jié)48 h后試樣水分出現(xiàn)了明顯遷移現(xiàn)象，已凍結(jié)區(qū)域土樣含水率高于初始含水率，而未凍結(jié)區(qū)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(shuō)明在本試驗(yàn)溫度梯度作用下，凍結(jié)穩(wěn)定時(shí)的凍結(jié)緣發(fā)生于該位置，這與計(jì)算得到的凍結(jié)深度值基本吻合。同時(shí)，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(guī)律基本一致，且沿土樣深度方向的含水率差異不大，說(shuō)明設(shè)置應(yīng)力釋放孔不會(huì)改變?cè)嚇拥乃址植肌?/p>

圖7 凍結(jié)48 h后土樣中含水率變化

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)力釋放孔對(duì)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(shí)，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(shè)置應(yīng)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(shí)，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(shè)置應(yīng)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(dāng)試樣的孔洞率一定時(shí)，初始含水率越高，試樣的凍脹率越大。初始含水率為22.6%時(shí)，未設(shè)置應(yīng)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(shí)，未設(shè)置應(yīng)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(shè)置應(yīng)力釋放孔時(shí)，水分遷移規(guī)律與未設(shè)置孔洞試樣基本一致，設(shè)置應(yīng)力釋放孔不會(huì)改變?cè)嚇铀址植肌?/p>