凍融循環(huán)作用下路基土蠕變研究

高 志

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

我國東北地區(qū)和西北地區(qū)均屬于季節(jié)性凍土區(qū)，在此兩地區(qū)的基礎設施建設在快速推進，而在此過程中不可避免地都會遇到凍土問題。基礎設施中如路基、隧道圍巖、邊坡等均受到長期荷載的作用，因此，有必要對凍土在長期荷載作用下的蠕變變形問題進行研究。

當前，國內外學者對于凍土的研究成果頗豐，張宜洛等[1]對內蒙古東部的兩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)試驗結果給出了動回彈模量的取值區(qū)間。熊紅強等[2]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。何菲等[3]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試驗研究，分析了動回彈模量、阻尼系數(shù)等力學參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關系。張向東等[4]通過室內凍土動態(tài)三軸試驗儀對二灰改良的風積砂土進行了凍融循環(huán)試驗研究，得出改良風積砂最佳摻配百分比為30%～40%。杜海民等[5]對含冰量較高的凍結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)下的粉砂土的能量耗散情況和剪切模量變化情況。

綜上可知，對于凍土的研究多停留在凍土的三軸或單軸力學特性的基礎上，而對于凍土在長期荷載作用下蠕變變形研究相對較少，基于此，本文通過GDS多功能三軸試驗儀對凍土進行蠕變試驗研究，通過分析凍土的軸向蠕變變形和徑向蠕變變形來揭示凍融循環(huán)對土體在長期荷載下的影響，為季凍區(qū)路基施工提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗部分

試驗方法：采用逐級加載的方式對試樣進行加載。雖然該方法會受加載歷史的影響，對最后的試驗結果產生誤差，但通過疊加計算方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理后可有效地減小這種誤差，且這種誤差遠小于單試件分別加載方式。因此本文選用逐級加載方式進行凍土的蠕變試驗研究。

試驗方案：首先將現(xiàn)場取來的土樣制成標準圓柱試件，圓柱試件制備時應按照分層填筑、分層振實原則，之后將制備好的試件放入冷凍箱內冷凍48 h，冷凍箱溫度設置為-20 ℃，然后將試件取出在室內環(huán)境中48 h，此為一個完整的凍融循環(huán)過程。本文設置四組凍融循環(huán)試件。根據(jù)對應條件下三軸試驗的峰值強度來確定蠕變試驗的荷載水平，分為四個等級，其中第一級的荷載水平為對應三軸試驗峰值強度的50%，之后每級荷載水平增加對應試驗條件的相同變化值，其中蠕變進入下一級荷載施加的控制條件為試樣蠕變進入穩(wěn)定蠕變階段，且蠕變速率小于0.002 mm/s，以此施加荷載，直至試樣破壞為止。本文凍融循環(huán)路基土三軸蠕變試驗均在多功能巖土三軸試驗機上完成，見圖1。詳細步驟如下：

(1)首先在試樣端部涂抹試驗用的凡士林，試樣外部采用熱塑膜進行包裹，并在熱塑膜外安裝軸向、徑向位移引伸計；將安裝好的試樣放在三軸試驗儀的試驗臺上，該過程應確保試驗機壓力裝置的軸心與試樣的軸心保持在同一條直線上；最后通過試驗機自帶系統(tǒng)調節(jié)軸向、徑向引伸計在規(guī)范取值范圍內；

(2)采用力控制的方式對試樣施加圍壓至預定值，然后通過位移控制方式對試樣施加軸向荷載，設置加載速率為0.002 mm/s，直至試樣變形穩(wěn)定后(徑向變形小于0.03 mm/48 h)，再進入下一級荷載的施加；

(3)一個試樣試驗完成后，直接從系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)記錄軟件內導出試驗數(shù)據(jù)，然后開始卸載，切記先卸軸壓、再卸圍壓，取出破壞后的試樣，清理試驗臺，然后進行下一組試驗。

不同凍融循環(huán)次數(shù)下對試樣施加的荷載水平如表1所示。

圖1 GDS巖土三軸試驗機

表1 凍土蠕變試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 蠕變曲線

通過上述試驗過程，采用單試件逐級增量施加荷載的方式獲取不同凍結溫度作用下凍土土樣的常規(guī)三軸蠕變歷時曲線如圖2所示，為節(jié)省篇幅，僅列出凍融循環(huán)0次和12次的蠕變試驗曲線。后文分析軸向蠕變、徑向蠕變。

從圖2中可以看出，試樣在凍融循環(huán)0次和12次的蠕變曲線分布規(guī)律大體相同，均為蠕變應變隨荷載增加逐漸遞增；試樣的最終蠕變量隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸減小，試樣的蠕變時間隨凍融循環(huán)次數(shù)逐漸縮短，其原因是由于受凍融循環(huán)作用后，土體的內部結構發(fā)生破壞，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣的損傷破壞程度越來越嚴重，致使試樣在外荷載的作用下抗變形能力逐漸減弱，蠕變時間明顯縮短；在最后一級荷載水平作用下，蠕變進入加速階段的時間隨凍融循環(huán)次數(shù)顯著縮短，進一步表明凍融循環(huán)作用能夠對土體造成損傷；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，當凍融循環(huán)8次時，其最終蠕變變形量和凍融循環(huán)12次幾乎相同，表明凍融循環(huán)達到一定次數(shù)之后，對土體的損傷作用不再增大，而是保持某一恒定值，本文結論為8次凍融循環(huán)之后，土樣因凍融產生的破壞基本穩(wěn)定。

圖2 蠕變歷時曲線

表2 蠕變試驗結果

表2為凍融循環(huán)0次和12次的蠕變試驗結果，分析可知，隨著軸向施加荷載的逐漸增大，試樣的瞬時蠕變量、蠕應變量均呈逐漸遞減的變化趨勢，表明受荷土體的損傷是逐漸積累的，進而使后一級荷載土體的承載能力小于前一級。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，土樣初始瞬時應變也逐漸減小，這也說明了凍融循環(huán)次數(shù)越多，凍土土樣破壞越嚴重，土樣的承載力越小。

2.2 軸向蠕變分析

根據(jù)陳氏疊加原理對不同凍融循環(huán)次數(shù)下蠕變數(shù)據(jù)進行處理，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體試樣的軸向應變-時間曲線，如圖3所示。

圖3 軸向的應變-時間蠕變曲線

由圖3可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣的軸向蠕變曲線的分布規(guī)律大體相同。一般荷載水平相對較低情況下，試樣的蠕變曲線表現(xiàn)為水平直線變化趨勢，解釋為在衰變蠕變階段，試樣的蠕變速率逐漸減小到零，致使在相對較低的荷載水平作用下試樣的蠕變量值保持不變。在第一級荷載的作用下，試樣將產生相對較大的瞬時應變量，且隨著荷載水平的逐漸遞增，該瞬時應變值會逐漸增大，可解釋為試樣內部具有較多的初始孔隙缺陷以及因凍融作用所產生的冰晶顆粒，二者在受壓狀態(tài)下，缺陷被逐漸壓密，冰晶體被壓碎，破碎的冰晶體也將填充到原有空隙中，對瞬時應變的影響也將逐漸減弱，蠕應變將逐漸增大，即瞬時蠕變量與總蠕變量之間的比值將逐漸減小。在中等荷載水平作用下，試樣在經歷一段時間衰減蠕變之后，蠕變速率不會減小到零，而是保持某一恒定值，此時，蠕變曲線表現(xiàn)為具有一定斜率的直線；在中高等荷載水平作用下，經過一段時間的衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變之后，試樣進入加速蠕變，此時，蠕變速率快速增加，蠕變曲線近似呈指數(shù)形式增長。

2.3 徑向蠕變分析

同樣根據(jù)陳氏疊加原理，對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體試樣的徑向應變-時間曲線如圖4所示。

圖4 徑向的應變-時間蠕變曲線

由圖4可知，在第一級荷載水平作用下，試樣會產生相對較大的徑向瞬時應變值，且隨著荷載水平的逐漸遞增，該瞬時徑向應變值同樣呈逐漸遞增趨勢，可解釋為試樣自身具有空隙缺陷以及凍融作用所產生的冰晶體，在外荷載的作用下，試樣內部缺陷被逐漸壓密閉合，冰晶體被逐漸壓碎，并填充到初始缺陷中，瞬時徑向應變因此減小，徑向蠕變應變逐漸增大，即瞬時蠕變量與總蠕變量之比值也逐漸減小。在不同凍融循環(huán)次數(shù)的作用下，試樣的徑向蠕變曲線大體相同，一般在相對較低的荷載水平作用下，試樣的蠕變曲線近似呈水平直線變化，其原因是在衰變蠕變階段，試樣的蠕變速率逐漸衰減到零，致使在較低荷載水平下呈水平直線分布，在中等荷載水平作用下，經過一段時間的衰變蠕變后，試樣的蠕變速率不會衰減到零，而是保持某一恒定值，此時的蠕變曲線表現(xiàn)為具有一定斜率的直線；在中高等應力作用下，經過一段時間的衰變蠕變和穩(wěn)定的蠕變后，試樣開始加速蠕變，蠕變速率將急劇增加，蠕變曲線近似呈指數(shù)函數(shù)增長。通過對蠕變時間和凍融循環(huán)次數(shù)之間的關系進行分析可知，凍融循環(huán)次數(shù)與蠕變時間之間呈負相關關系，即凍融循環(huán)次數(shù)越多，蠕變時間越短。

3 結論

(1)在不同凍融循環(huán)次數(shù)的作用下，試樣的蠕變曲線變化規(guī)律基本一致，隨著荷載水平的逐漸增大，試樣的最終蠕變量逐漸減小，蠕變時間顯著縮短；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，試樣內部的損傷程度逐漸加重。

(2)在第一級荷載水平作用下，試樣通常會產生相對較大的瞬時應變，隨著荷載水平的逐漸增大，該應變值亦隨之遞增；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，蠕應變量會逐漸增大，即瞬時蠕變量與總蠕變量之間的比值逐漸減小。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，試樣的蠕變破壞時間逐漸接近，表明當凍融循環(huán)次數(shù)達到一定值后，凍融對土體的損傷將不再加重，本文研究結果顯示為凍融循環(huán)8次之后對土體損傷基本保持不變。