冻融作用对松浦大桥段岸坡土体压缩性的影响

韩　雪,　高子睿

(黑龙江科技学院 建筑工程学院, 哈尔滨 150027)



冻融作用对松浦大桥段岸坡土体压缩性的影响

韩雪,高子睿

(黑龙江科技学院 建筑工程学院, 哈尔滨 150027)

为了研究冻融作用对松浦大桥段岸坡土压缩性的影响，对该段岸坡土进行了基本物理参数测试、冻融实验和标准固结实验。结果表明，试样在冻融后孔隙比均有大幅度增加。相同固结压力作用下，孔隙比随冻结温度的下降而增大；相同冻结温度条件下，固结压力较小时，试样孔隙比随着冻融循环次数的增加同比增大，随着压力的增加，冻融循环次数对孔隙比的影响不尽明显；试样的压缩性随冻结温度的降低和冻融循环次数的增加而增大；试样的压缩模量随冻结温度的下降和冻融循环次数的增加而逐渐减小，试样压缩变形逐渐增大。

松浦大桥段岸坡土; 冻融作用; 压缩性

土作为非均匀非连续各向异性的固体、液体、气体三相混合介质,工程性质受冻融作用的影响极大,因此,冻融对土性质的影响成为重要的研究课题[1-4]。松浦大桥段岸坡位于黑龙江省哈尔滨市,地处东经125°42′～130°10′,北纬44°04′～46°40′,受中温带大陆性季风气候影响,四季分明,且冬季时间较长,夏季时间较短。历史极端最高气温为37.8 ℃,最低气温为-42.6 ℃,冬季最低温度集中在1月份。近年来,由于受全球气候大幅度变化的影响,极端天气的出现频率大幅度增加。该岸坡土属于季节性冻土,冻融循环与江水水位,均可导致岸坡土体的整体稳定性失衡[5-9]。笔者针对冻融致该区段岸坡土体压缩性质的变化问题,进行了不同冻结温度下冻融与相同冻结温度下冻融循环后侧限压缩实验研究,揭示松浦大桥段岸坡土体压缩性的冻融效应及规律,可为维护该岸坡工程稳定决策提供科学依据。

1　冻融与压缩实验

1.1实验设备

冻融实验采用无锡市华南实验仪器有限公司制造的DB-2B冻融实验箱,温控范围为-40～+50 ℃。压缩实验采用南京土壤仪器厂有限公司制造的WG型单杠杆三联低压固结仪。试样面积30 cm2，杠杆比为1 ∶12,可施加的垂直压力范围为12.5～1 600.0 kPa。

1.2试样制备

1.2.1制备与分组

为研究冻融对该区段岸坡土压缩性产生的影响,实验采用原状土样。所有试样均依照GBT 50123—1999《土工试验方法标准》中环刀法现场取样。环刀直径61.8 mm,高20 mm。取样地点为松花江北岸松浦大桥桥东200 m处地表下20～30 cm土层。制备试样16个,分成两大组,即单次冻融循环组与多次冻融循环组。其中,单次冻融循环组按不同冻结温度划分为未冻土、-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃冻土四组，每组设置两个试样进行平行测试。多次冻融循环组将冻结温度设置为-10 ℃,按冻融循环次数划分为未冻土、一次冻融循环、二次冻融循环、三次冻融循环四组,每组设置两个试样进行平行测试。

1.2.2试样基本物理性质指标

依照GBT 50123—1999进行试样基本物理指标测试,含水率(w)测试采用的是烘干法,天然密度(ρ)测试采用的是环刀法,体积质量 (ρ′)测试采用的是比重瓶法,测试结果见表1,其中e为天然孔隙比。

表1试样基本物理指标

Table 1Basic physical indicators of sample

1.3实验方法

1.3.1冻融实验

单次冻融循环的冻融时间设置为48 h,其中,冻结与融化时间各为24 h,冻结温度分别为-10、-20和-30 ℃,融化温度为20 ℃。多次冻融循环的一次冻融时间同样为48 h,其中,冻结与融化时间各为24 h,冻结温度为-10 ℃,融化温度为20 ℃,对试样进行一次冻融循环、二次冻融循环和三次冻融循环。为防止水分在冻融过程中流失而使实验结果产生较大偏差,环刀上下均用玻璃片滑入密封。

1.3.2压缩实验

压缩实验依照GBT 50123—1999中标准固结实验方法进行。根据试样的软硬程度,固结压力等级设置为50、100、200和300 kPa,将每级压力作用24 h后的试样高度变化作为稳定标准。实验中通过TWJ-1数据采集系统进行数据采集。

2　结果分析

2.1不同冻结温度下单次冻融后土的压缩性

2.1.1e-p曲线特性

试样未冻土和经不同冻结温度冻融后的初始孔隙比ed及各级固结压力作用下压缩稳定后的孔隙比ej见表2,其中,a1-2为压缩系数;Es为压缩模量。各组两试样平均值所绘制的e-p曲线如图1所示。

由图1可见,随着冻结温度的降低,冻融后试样体积增大导致冻融后初始孔隙比大幅度增长,这主要是由于冻结后试样中水分体积膨胀,而导致孔隙体积增大。随着压力的增加,孔隙比逐渐降低,图中所有曲线形状基本一致,说明压缩过程中,未冻土与经不同冻结温度下冻融后试样孔隙比降低速率基本相同;相同固结压力下,孔隙比随冻结温度的降低而增大。

表2单次冻融循环实验结果

Table 2Test results of single freeze-thaw cycle

图1　单次冻融作用e-p曲线Fig. 1　e-p curves of single freeze-thaw effect

2.1.2压缩变形参数特征

研究单次冻融作用压缩变形参数特征主要考虑压缩系数、压缩模量与冻结温度的关系。

(1)压缩系数

从图2单次冻融作用压缩系数(a1-2)与冻结温度(t)关系曲线可以看出,试样的压缩系数随着冻结温度的降低而增大,表明试样的压缩性随着冻结温度的降低而升高。

从表2中实验数据可知,未冻土和不同冻结温度单次冻融作用压缩系数在0.145～0.220之间,试样属中压缩性土。与未冻融试样相比,冻结温度下降至-10 ℃时,压缩系数增大幅度为27.5%。冻结温度下降至-30 ℃时,土压缩系数增大幅度可达51.7%。

图2　单次冻融作用a1-2-t曲线Fig. 2　a1-2-t curve of single freeze-thaw effect

(2)压缩模量

从图3单次冻融作用压缩模量(Es)与冻结温度(t)关系曲线中看出,试样经单次冻融作用,压缩模量随着冻结温度的下降而逐渐减小,表明试样的压缩变形随着冻结温度的降低而增大。

图3　单次冻融作用Es-t曲线Fig. 3　Es- t curve of single freeze-thaw effect

结合表2进一步分析得知,与未冻融试样相比, 冻结温度下降至-10 ℃时,压缩模量降低幅度为18.3%。冻结温度下降至-30 ℃时,压缩模量降低幅度可达30.1%。

2.2相同温度条件下多次冻融循环后土的压缩性

2.2.1e-p曲线特性

试样未冻土和经相同冻结温度多次冻融循环后冻土的初始孔隙比及其各级固结压力作用下压缩稳定后的孔隙比值见表3。各组两试样平均值所绘制的e-p曲线见图4。

图4显示:试样经冻融后孔隙比均有大幅度增加,相同固结应力作用下未冻融土的孔隙比最小。固结压力较小时,试样孔隙比随着冻融循环次数的增加同比增大,随着压力的增大,冻融循环次数对孔隙比的影响不尽明显。

表3多次冻融循环实验结果

Table 3Test results of multiple freeze-thaw cycle

图4　多次冻融循环作用e-p曲线Fig. 4　e-p curves of multiple freeze-thaw cycle effects

2.2.2压缩变形参数特征

为研究多次冻融循环作用下土的压缩变形参数特征,考虑压缩系数、压缩模量与循环次数的关系。

(1)压缩系数

从图5多次冻融循环压缩系数(a1-2)曲线可以看出,试样的压缩系数随着冻融循环次数(n)的增加而增大,表明试样的压缩性随着冻融循环次数的增加而升高。

图5　多次冻融循环土压缩系数曲线

Fig. 5Soil compressibility curve of multiple freeze-thaw cycle effects

结合表3中实验数据计算得知,原状土经过多次冻融循环作用后,其压缩系数会有一定幅度的增大。试样经过一次冻融后压缩系数变化幅度为25.6%,其后每增加一次冻融循环,压缩系数就增大一次,其幅度为7.0%～10.3%。与未冻融试样相比,经过三次冻融循环的试样,压缩系数累计增大幅度可达42.0%。

(2)压缩模量

从图6多次冻融循环压缩模量(Es)曲线可以看出,试样的压缩模量随着冻融循环次数的增加而减小,表明试样压缩变形随着冻融循环次数的增加而加大。

图6　多次冻融循环压缩模量曲线

Fig. 6Compression modulus curve of multiple freeze-thaw cycle effects

结合表3中实验数据计算得知,原状土经过多次冻融作用后,其压缩模量会有一定幅度的降低。平均每次冻融,压缩模量降低幅度在6.6%左右。与未冻融试样相比,经过三次冻融循环的试样,压缩模量累计减小幅度可达19.7%。

3　结　论

一系列冻融、压缩实验及实验数据分析,揭示了松花江松浦大桥段岸坡土压缩性与冻融作用的相关规律。

(1)试样冻融后孔隙比均有大幅度增加。相同固结压力作用下,孔隙比随冻结温度的下降而增长,随着固结压力的增加,未冻土与经不同冻结温度下冻融后试样孔隙比降低速率基本相同。在相同冻结温度下,固结压力较小时,试样孔隙比随着冻融循环次数的增加同比增大,固结压力较大时,冻融循环次数对孔隙比的影响不尽明显。

(2)试样的压缩系数随冻结温度的降低和冻融循环次数的增加而增大,表明试样的压缩性随冻结温度的下降和冻融循环次数的增加而增大。

(3)试样的压缩模量随冻结温度的下降和冻融循环次数的增加而减小,表明试样压缩变形随冻结温度的下降和冻融循环次数的增加而加大。

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(编辑晁晓筠)

Effects of freeze-thaw on soil compressibility in bank slope in Songpu bridge section of Songhua River

HANXue,GAOZirui

(College of Civil Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

This paper is an attempt to investigate the effects of freeze-thaw on soil compressibility in the bank slope in Songpu bridge section of Songhua River, by testing basic physical parameter, freeze-thaw and standard consolidation. The investigation shows that freeze-thaw is followed by a substantial increase in the void ratio of sample. The void ratio, acted on by the same consolidation pressure, tends to increase with the decline of freezing temperature. The smaller consolidation pressure occurring in the same condition of freezing temperature means that the greater number of freeze-thaw cycle results in the bigger void ratio of sample. The increase in pressure is accompanied by the absence of obvious effects of the number of freeze-thaw cycle on the void ratio. The decreased freezing temperature and increased number of freeze-thaw cycle produce increased compressibility of sample and gradually decreased compression modulus, and gradually increased compression deformation of sample.

soil in bank slope in Songpu bridge section; freeze-thaw effects; compressibility

1671-0118(2012)03-0315-05

2012-05-04

黑龙江省教育厅科学技术研究面上项目(12511484)；黑龙江省研究生科研创新项目(YJSCX2011-169HLJ)

韩雪(1969-)，男，吉林省榆树人，教授，博士，研究方向：岩土工程减灾，E-mail：hanxue 69@yahoo.cn。

TU411.5

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