冉 武 平， 陳 慧 敏， 黃 建 軍, 李 玲， 艾 賢 臣

(1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆土木工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047；3.烏魯木齊城建設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

粗粒土作為一種優(yōu)良填料常被用于路基的修筑，在我國(guó)季節(jié)性冰凍區(qū)由于氣候環(huán)境因素致使粗粒土路基出現(xiàn)不同程度的損傷和性能劣化，路基強(qiáng)度衰變引起的道路結(jié)構(gòu)整體性能衰變，導(dǎo)致路面出現(xiàn)局部龜裂和破碎以及縱向不均勻沉降和變形等[1-3].這些病害直接影響到行車(chē)的安全性及舒適性，因此有必要開(kāi)展凍融循環(huán)作用對(duì)路基強(qiáng)度衰變規(guī)律影響的深入研究.動(dòng)回彈模量不僅是道路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，同時(shí)也是道路結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)解析的關(guān)鍵參數(shù).故本文以動(dòng)回彈模量為指標(biāo)研究粗粒土在凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度衰變規(guī)律.

目前關(guān)于凍融循環(huán)對(duì)路基力學(xué)特性的影響研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從宏觀角度和微觀角度展開(kāi)了分析.胡曉[4]在粗粒土填料中摻入不同含量的細(xì)粒土，進(jìn)行了凍融和凍脹量試驗(yàn).張互助[5]利用室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)研究分析了路基黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、抗剪強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)在凍融、濕度、圍壓等因素作用下的演化規(guī)律.宋金華等[6]對(duì)凍融循環(huán)后的石灰改良土動(dòng)力特性進(jìn)行研究，分析了動(dòng)應(yīng)力幅值、凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓等因素對(duì)土體累積塑性變形的影響并建立了相關(guān)因素的預(yù)估模型.冉武平等[7]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了16種應(yīng)力路徑、3個(gè)壓實(shí)度和4種含水率狀態(tài)下重塑黃土的動(dòng)回彈特性.化晉創(chuàng)[8]通過(guò)大量文獻(xiàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，開(kāi)展了凍融循環(huán)條件下粗粒土填料的靜、動(dòng)力特性研究.劉暉等[9]對(duì)含砂粉土三軸試驗(yàn)結(jié)果的影響因素進(jìn)行顯著性分析，得出圍壓、含水率、壓實(shí)度、凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試件破壞強(qiáng)度和彈性模量影響.Liu等[10]探究了不同壓實(shí)度及不同含水率下紅黏土動(dòng)回彈模量和塑性變形規(guī)律.陳忠達(dá)等[11]研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不同含水率粗粒土靜動(dòng)回彈模量的影響.Chen等[12]開(kāi)展了凍融循環(huán)對(duì)巖石力學(xué)特性影響的室內(nèi)試驗(yàn)，提出巖石在凍融循環(huán)作用下力學(xué)特性衰變表達(dá)式.Chamberlain等[13]采用土力學(xué)中常用的分析方法，提出凍融循環(huán)作用對(duì)土力學(xué)性質(zhì)改變的機(jī)理.

也有眾多學(xué)者從微觀角度分析凍融循環(huán)對(duì)路基填料力學(xué)特性的損傷機(jī)制.王瀚霖[14]采用單元體試驗(yàn)，在制備6種粗粒土中摻入不同含量細(xì)粒土，通過(guò)CT掃描試驗(yàn)及靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究粗顆粒含量對(duì)土體力學(xué)參數(shù)的影響，提出特征粗顆粒體積分?jǐn)?shù)fv-cha，并提出fv≤fv-cha土體力學(xué)性能受細(xì)顆?？刂?，反之受粗顆粒控制.房建宏等[15]研究了在不同凍融循環(huán)作用下紅黏土粒度成分和物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明顆粒在凍融循環(huán)次數(shù)N≤10時(shí)，粒徑向小于0.01 mm及0.01～0.05 mm富集；當(dāng)N>10時(shí)，粒徑在0.002～0.005 mm富集.戎虎仁等[16]研究了單孔砂巖在凍融循環(huán)作用下力學(xué)性能的弱化機(jī)理.李杰林等[17]利用核磁共振成像了經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后花崗巖孔隙的發(fā)育和擴(kuò)展特性，動(dòng)態(tài)地顯示巖石的凍融損傷過(guò)程.

已有的研究結(jié)果表明，在凍融循環(huán)條件下，含水率、凍融循環(huán)次數(shù)、動(dòng)應(yīng)力幅值、應(yīng)力加載路徑等都會(huì)對(duì)路基土力學(xué)性能的衰變產(chǎn)生影響.不同土質(zhì)的路基填料在微觀試驗(yàn)分析下其力學(xué)特性的衰變機(jī)理各不相同.通過(guò)大量的文獻(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)廣泛使用的粗粒土路基填料目前缺乏在凍融循環(huán)條件下動(dòng)回彈模量衰變規(guī)律的研究，基于此本文以新疆典型級(jí)配組成的粗粒土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析3種含水率、8種應(yīng)力加載路徑及5種凍融循環(huán)次數(shù)下粗粒土路基動(dòng)回彈模量，深入研究粗粒土動(dòng)回彈模量衰變規(guī)律及機(jī)理，并對(duì)典型路基應(yīng)力狀況下的動(dòng)回彈模量衰變規(guī)律進(jìn)行擬合，得到擬合度較高的模量衰變方程及不同影響條件下動(dòng)回彈模量的調(diào)整系數(shù)，從而為粗粒土路基設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自烏魯木齊市新醫(yī)路西延典型路基填料，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40—2007)試驗(yàn)方法得到土樣的顆粒篩分曲線，如圖1所示.并根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到土樣的最佳含水率為5%，最大干密度為2.4 g/cm3.通過(guò)計(jì)算得到不均勻系數(shù)Cu=17.5，大于5，Cc=1.39，大于1且小于3，為級(jí)配良好的粗粒土.

圖1 試驗(yàn)土樣級(jí)配篩分曲線

1.2 試驗(yàn)方案

為得到不同含水率的粗粒土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)回彈模量衰變規(guī)律，考慮了應(yīng)力狀況、含水率和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)動(dòng)回彈模量的影響，分別開(kāi)展了凍融循環(huán)試驗(yàn)和動(dòng)三軸試驗(yàn).含水率選取原則根據(jù)粗粒土試驗(yàn)路段路基濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合粗粒土成型試探試驗(yàn)可知含水率3%時(shí)試件難以成型及含水率7%的試件出現(xiàn)脫模困難和汲泥現(xiàn)象，故最終取4%、5%和6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))3種含水率，其中含水率5%為最佳含水率.壓實(shí)度以實(shí)際道路路基施工控制為原則設(shè)置為96%.凍融循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)N分別為0、1、3、5、7.溫度借鑒季節(jié)性冰凍區(qū)公路路基工作區(qū)在凍融循環(huán)期內(nèi)溫度變化范圍[18]及新疆地區(qū)路基溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最終確定凍融循環(huán)溫度為-20～20 ℃.每種工況制作4個(gè)平行試件.

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1)擊實(shí)樣的制備

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)擊實(shí)法制備三軸試樣，試樣直徑100 mm，高度為200 mm.試件按含水率4%、5%、6%制備，根據(jù)壓實(shí)度96%，稱(chēng)取所需不同含水率粗粒土的質(zhì)量，將土樣分6層裝入三瓣飽和器中分層擊實(shí).各層土料質(zhì)量相等，每層擊實(shí)至要求高度后，將表面刨毛，然后再加第2層土料，如此進(jìn)行直至最后一層，控制各組試樣的密度差值小于0.02 g/cm3.將制好的試件密封保存并進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).試件一次凍融循環(huán)時(shí)間為24 h，其中凍12 h，融12 h.

(2)荷載加載

粗粒土動(dòng)回彈模量采用2～10 Hz動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(DYNTTS)進(jìn)行測(cè)試，如圖2所示.

圖2 試件制作及加載系統(tǒng)

試驗(yàn)參數(shù)及應(yīng)力加載序列如表1所示，參考陳聲凱等[19]和羅志剛[20]相關(guān)研究取值.采用半正弦波荷載波形，動(dòng)載頻率為1 Hz，荷載間歇時(shí)間取0.8 s，持載時(shí)間為2 s，試驗(yàn)圍壓為氣壓加載.為了消除試件在重復(fù)加載初期產(chǎn)生的較大永久應(yīng)變，在正式測(cè)試模量前，需采用較大的軸向應(yīng)力對(duì)試件進(jìn)行多次重復(fù)加載預(yù)處理，當(dāng)豎向永久應(yīng)變達(dá)到5%，預(yù)壓停止.預(yù)載循環(huán)加載次數(shù)為1 000，其他加載序列循環(huán)次數(shù)均為100，待軸向應(yīng)變穩(wěn)定后，取最后5次回彈應(yīng)變的平均值，計(jì)算動(dòng)回彈模量.

表1 應(yīng)力加載序列

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)粗粒土動(dòng)回彈模量Mr的影響

圍壓的施加對(duì)土樣的側(cè)向變形具有約束作用，故可以提高動(dòng)回彈模量.偏應(yīng)力的施加對(duì)粗粒土動(dòng)回彈模量的影響存在兩種情況，有些粗粒土動(dòng)回彈模量不受偏應(yīng)力的影響，而有些粗粒土動(dòng)回彈模量隨著偏應(yīng)力的增加有較大減小[21].圖3為含水率ω分別是4%、5%、6%的試件經(jīng)過(guò)0次和7次凍融循環(huán)后Mr和偏應(yīng)力σd關(guān)系圖.由圖3可知：(1)偏應(yīng)力相同，凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，圍壓σ3越大對(duì)應(yīng)的動(dòng)回彈模量越大，圍壓從15 kPa增加到30 kPa，含水率4%的試件動(dòng)回彈模量增加了12.7%～18.2%，含水率5%的試件增加了10.5%～13.8%，含水率6%的試件增加了14.15%～14.28%；凍融循環(huán)次數(shù)N=7時(shí)，圍壓σ3與動(dòng)回彈模量也呈正相關(guān)，圍壓從15 kPa增加到30 kPa，含水率4%的試件動(dòng)回彈模量增加了15.4%～16.1%，含水率5%的試件增加了15.4%～16.1%，含水率6%的試件增加了16.5%～13.51%.(2)圍壓相同時(shí)，偏應(yīng)力σd越大對(duì)應(yīng)的動(dòng)回彈模量越小.當(dāng)σ3=15 kPa時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)N=0時(shí)，σd從8 kPa增加到30 kPa，含水率4%的試件動(dòng)回彈模量降低了14.9%，含水率5%的試件降低了11.4%，含水率6%的試件降低了10.6%；凍融循環(huán)次數(shù)N=7時(shí)含水率4%的試件動(dòng)回彈模量降低了14.4%，含水率5%的試件降低了15.2%，含水率6%的試件降低了11.1%.當(dāng)σ3=30 kPa時(shí)，σd從15 kPa增加到60 kPa，凍融循環(huán)次數(shù)N=0，對(duì)應(yīng)含水率4%的試件動(dòng)回彈模量降低了18.65%，含水率5%的試件降低了15.1%，含水率6%的降低了16.9%；凍融循環(huán)次數(shù)N=7時(shí)，含水率4%的試件降低了19.1%，含水率5%的降低了15.2%，含水率6%的降低了13.5%.通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)結(jié)果可知凍融循環(huán)次數(shù)N=0和N=7對(duì)應(yīng)的動(dòng)回彈模量不同，但圍壓和偏應(yīng)力對(duì)動(dòng)回彈模量的影響仍然遵從著相同的變化規(guī)律，不會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng).

圖3 應(yīng)力水平與動(dòng)回彈模量關(guān)系

2.2 含水率對(duì)動(dòng)回彈模量的影響

土中的水分可以分為礦物結(jié)合水和孔隙水，土中孔隙水按其所呈現(xiàn)狀態(tài)和性質(zhì)及其對(duì)土的影響，分為結(jié)合水和非結(jié)合水兩種類(lèi)型.結(jié)合水又可以分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，在粗粒土中細(xì)粒土含量極少，故結(jié)合水對(duì)粗粒土的影響可以忽略不計(jì).非結(jié)合水是指土?？紫吨谐鐾亮１砻骒o電引力作用范圍的普通液態(tài)水.主要受重力作用控制，能傳壓導(dǎo)電，溶解鹽分，在0 ℃結(jié)冰，其典型代表是重力水.介于重力水和結(jié)合水之間的過(guò)渡類(lèi)型水為毛細(xì)水.毛細(xì)水主要存在于直徑為0.002～0.500 mm的毛細(xì)孔隙中.故毛細(xì)水主要存在于粉細(xì)砂、粉土和粉質(zhì)黏土中.粗大的孔隙，毛細(xì)力極弱，難以形成毛細(xì)水[22].通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)以及篩分試驗(yàn)可知不同含水率的粗粒土試件水分主要以重力水的形式存在.

圖4分別為凍融循環(huán)次數(shù)N=0和N=7的條件下，不同含水率粗粒土Mr與應(yīng)力加載路徑的關(guān)系圖，由圖可知：相同壓實(shí)度條件下，含水率為4%的試件動(dòng)回彈模量整體上高于含水率為5%和6%的試件，主要是由于含水率的增大導(dǎo)致水膜的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，土顆粒之間的摩阻力減小，試件在加載過(guò)程中應(yīng)變?cè)龃?，因此Mr減?。粚?duì)比圖4(a)和圖4(b)可以看出凍融循環(huán)作用導(dǎo)致粗粒土試件的動(dòng)回彈模量整體降低，說(shuō)明土體在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，土的密實(shí)度、空隙率、顆粒分布等都會(huì)發(fā)生不同程度的變化，物理性質(zhì)的變化引起土體力學(xué)性質(zhì)的變化，造成土體在凍融循環(huán)后強(qiáng)度的衰減；對(duì)比圖4(c)和圖4(d)可得不同含水率之間的Mr差值在凍融循環(huán)作用前后不會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng).

圖4 不同含水率條件下Mr和應(yīng)力路徑關(guān)系圖

2.3 凍融循環(huán)作用對(duì)Mr的影響

圖5為不同含水率條件下粗粒土Mr與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系，由圖可知：Mr隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加整體呈衰減趨勢(shì)，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的本質(zhì)在于溫度的變化引起了內(nèi)部孔隙水分在固相與液相之間重復(fù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行遷移和重分布.當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，孔隙中的自由水凍結(jié)呈固態(tài)，往往以冰夾層、冰透鏡體、細(xì)小的冰晶體等形式存在于土中.冰在土中起暫時(shí)膠結(jié)作用，提高了土的動(dòng)回彈模量，但解凍后，土體的動(dòng)回彈模量反而會(huì)降低，液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)水時(shí)，體積膨脹，使土中孔隙增大，解凍后土的結(jié)構(gòu)變得松散，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的變化導(dǎo)致動(dòng)回彈模量衰減.

由圖5可知不同含水率試件動(dòng)回彈模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加大致可分為3個(gè)變化階段：快速衰減階段(N=0～3)，緩慢衰減階段(N=3～5)，衰減停止階段(N=5～7).對(duì)比不同含水率可知，含水率為4%和5%的試件在第一和第二階段的衰變速率小于含水率為6%的試件.原因在于當(dāng)含水率較大時(shí)，凍結(jié)作用下水變成冰的體積膨脹量大，對(duì)土體結(jié)構(gòu)的破壞顯著，因此在前期凍融循環(huán)作用下高含水率的土體結(jié)構(gòu)的衰減速率較快且衰減幅度大.反復(fù)凍融循環(huán)后，土體結(jié)構(gòu)不再隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而發(fā)生變化，故動(dòng)回彈模量趨于穩(wěn)定.圖5(a)中含水率6%和圖5(b)中含水率5%的試件衰變曲線未收斂可能是由于土樣顆粒間空隙較大，沒(méi)有細(xì)粒土的黏聚力，較小的土顆粒容易在振搗過(guò)程移動(dòng)，使得每次制樣都不一樣，同時(shí)在取料時(shí)的不均勻性，增大了三軸試驗(yàn)結(jié)果的離散性.

圖5 不同含水率條件下Mr和N的關(guān)系

圖6為不同凍融循環(huán)次數(shù)下粗粒土Mr與偏應(yīng)力σd的關(guān)系圖，通過(guò)對(duì)比不同折線之間在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的豎向距離可以得到動(dòng)回彈模量在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的變化量.折線N=0與N=1之間的豎向間距最大說(shuō)明第一次凍融循環(huán)作用在多次凍融循環(huán)作用中對(duì)動(dòng)回彈模量造成損傷的程度占比最大；折線N=5與N=7之間的豎向間距最小說(shuō)明試樣在經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后動(dòng)回彈模量趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生較大幅度的變化.

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下Mr和σd的關(guān)系

2.4 典型應(yīng)力路徑下Mr衰變規(guī)律擬合

根據(jù)文獻(xiàn)[19]統(tǒng)計(jì)的典型應(yīng)力水平，如圖7所示，選擇σ3=30 kPa，σd=15 kPa；σ3=30 kPa，σd=30 kPa；σ3=45 kPa，σd=23 kPa；σ3=45 kPa，σd=45 kPa應(yīng)力加載序列，針對(duì)含水率為5%和6%的動(dòng)回彈模量數(shù)據(jù)，對(duì)其衰變規(guī)律進(jìn)行擬合，其中5%的含水率擬合曲線代表最佳含水率狀況下粗粒土路基動(dòng)回彈模量衰變規(guī)律，6%的含水率模擬最不利路基濕度狀況下動(dòng)回彈模量的衰變規(guī)律.擬合曲線如圖7所示，通過(guò)計(jì)算得到平均相關(guān)系數(shù)R2≥0.95.擬合公式系數(shù)如表3所示.

圖7 動(dòng)回彈模量衰變規(guī)律擬合曲線

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下動(dòng)回彈模量擬合曲線

3 粗粒土Mr的調(diào)整系數(shù)

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可知：含水率、凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)粗粒土動(dòng)回彈模量有削弱作用，根據(jù)我國(guó)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 30—2015)中提出的動(dòng)回彈模量調(diào)整系數(shù)概念對(duì)粗粒土動(dòng)回彈模量調(diào)整系數(shù)DN(如式(1)所示)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸：

DN=MN/M0

(1)

式中：M0為未凍融粗粒土土樣在最佳含水率下的動(dòng)回彈模量，MPa；MN為經(jīng)過(guò)N次凍融循環(huán)作用下的動(dòng)回彈模量，MPa；N為凍融循環(huán)次數(shù).

表4和5分別為粗粒土在不同含水率、不同應(yīng)力水平及不同凍融循環(huán)次數(shù)下動(dòng)回彈模量的調(diào)整系數(shù)，表6為調(diào)整系數(shù)匯總表.根據(jù)本文對(duì)粗粒土應(yīng)力加載與動(dòng)回彈模量之間關(guān)系研究得出高圍壓、低偏應(yīng)力時(shí)調(diào)整系數(shù)取大值；低圍壓、高偏應(yīng)力時(shí)調(diào)整系數(shù)取小值；表中未列凍融循環(huán)次數(shù)條件可以通過(guò)線性插值法進(jìn)行取值.

表4 動(dòng)回彈模量調(diào)整系數(shù)(ω=5%)

表5 動(dòng)回彈模量調(diào)整系數(shù)(ω=6%)

表6 調(diào)整系數(shù)匯總表

4 結(jié) 論

(1)偏應(yīng)力一定時(shí)，圍壓越大對(duì)應(yīng)的動(dòng)回彈模量越大；圍壓一定時(shí)，偏應(yīng)力越大動(dòng)回彈模量反而減小.不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下圍壓和偏應(yīng)力對(duì)動(dòng)回彈模量的影響仍然遵從著相同的變化規(guī)律，不會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng).

(2)含水率為4%的試件動(dòng)回彈模量整體上高于含水率為5%和6%的試件.不同含水率之間的動(dòng)回彈模量差值在凍融循環(huán)作用后不會(huì)發(fā)生較大的變化.

(3)動(dòng)回彈模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加整體呈衰減趨勢(shì)，不同含水率試件動(dòng)回彈模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加可分為3個(gè)變化階段：快速衰減階段(N=0～3)、緩慢衰減階段(N=3～5)、衰減停止階段(N=5～7).

(4)凍融循環(huán)調(diào)整系數(shù)的擬合方程，為粗粒土路基強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)和檢測(cè)提供了參考依據(jù).

(5)凍融循環(huán)次數(shù)N=5～7時(shí)動(dòng)回彈模量已經(jīng)開(kāi)始穩(wěn)定，根據(jù)極限設(shè)計(jì)原則可取經(jīng)過(guò)7次凍融循環(huán)后的動(dòng)回彈模量作為粗粒土工程設(shè)計(jì)參考指標(biāo).

(6)最不利含水率ω=6%條件下，N=0時(shí)模量調(diào)整系數(shù)DN取0.86～0.94；N=1時(shí)，DN取0.78～0.81；N=3時(shí)，DN取0.68～0.77；N=5時(shí)，DN取0.68～0.74；N=7時(shí)，DN取0.65～0.71.