动荷载下土体温度和孔隙水压力的变化规律

张 坤，张 泽，史向阳，3，李四海，肖东辉,3

1) 甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州730070；2) 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000；3) 中国科学院大学，北京 100049；4) 青海省盐业股份有限公司茶卡制盐分公司，青海海西 817101

冻融作用作为一种强风化过程，能够改变土的结构性，进而对土的物理力学性质产生影响，成为寒区工程产生病害的主要原因之一[1-2]. CHAMBERLAIN等[3]研究了冻融作用对细颗粒土的影响，通过对4种细颗粒土冻融循环试验，发现冻融循环改变了细颗粒土的结构性，随着冻融过程的发展出现较多的多边形结构，同时裂隙宽度和深度都有增加的趋势，其渗透性亦会随冻融作用的发展而有所增强. 研究表明，冻融循环使得土体孔隙比增大，渗透系数增大，而土体塑限、含水率和密度减小，其抗剪强度指标，如黏聚力和内摩擦角略有减小，无侧限抗压强度也呈现出减小趋势[4-5].

针对砂土液化的研究表明，砂土的应力状态和孔隙水压力发展存在密切关系，其中，剪胀和卸荷体缩是孔隙水压力发展的主要影响因素[6]. 在冻融循环过程中，土体内部孔隙水压力受土体自身性质的影响，同时受温度和冻结速率的影响，冻融循环对孔隙水压力的影响具有累积作用，即土体内部孔隙水压力与冻融循环次数呈现出一定的相关性[7-8]. 土体内部孔隙水压力随冻融过程发生变化，当土体温度降到冰点以下时，孔隙水压力为负值，反之当土体处于正温状态时，孔隙水压力为正值[9-10]. 冻融过程循环进行，相应的土体内部孔隙水压力状态随土体温度不断变化. 正冻过程中，TABER[11]发现分凝冰锋面处孔隙水压力下降是水分迁移的主要原因. 在有外荷载情况下，未冻土中孔隙水压力往往能够立即达到峰值，而在冻土中，则需要一定的时间才能够达到峰值，相比于未冻土，孔隙水压力对外荷载的响应存在一定的滞后性[12-14].

目前，冻融过程中土体内部孔隙水压力的研究多是针对无荷载或均匀受力的小土样试验，而大土样模型试验研究则鲜有涉及. 本研究基于小比例尺模型试验，研究在冻结和融化作用下，无荷载及动荷载条件下土体孔隙水压力的变化过程及规律. 以期对动荷载作用下冻融过程中土体内部孔隙水压力变化有进一步认识.

1 试验方案

1.1 试验用土基本物理参数

试验选用兰州黄土，采样地点海拔约1 600 m，属于典型的季节冻土区. 按现行土工试验规程对所采集用土进行基本物理参数试验，其中，土体中水的质量分数为11.7%，干密度为1.35 g/cm3，最大干密度为2.62 g/cm3，塑限为19%，液限为27%. 进行颗粒分析试验，绘制粒径级配累积曲线，如图1所示. 根据土样的基本物理力学试验结果，判断试验用土为粉土.

图1 土样粒径级配累积曲线Fig.1 The diameters distribution of soil particles

1.2 模型试验设计方案

本试验利用冻土工程国家重点实验室的小型环境模型试验箱完成了物理模型试验. 如图2所示，模型试验系统主要包括保温环境箱体、温度控制系统、保温小模型试验箱、动荷载加载系统、温度孔压传感器及其配套的数采设备等.

以兰州地区气温条件为背景，取每月平均温度，输入环境模型试验箱，输入温度在-7.7～15.3 ℃近似正弦函数呈周期性波动，根据冻土模型试验相似原理[15]，在满足相似理论的情况下，用24 h模拟全年温度变化，视为一个冻融周期，输入控制曲线如图3所示.

图3 正弦温度变化曲线Fig.3 The sine curve of temperature

振动系统由振动底板、空气锤、电磁阀、继电器和空压机组成，空气锤固定在振动底板上，振动底板为18 cm×18 cm的正方形，振动底板和空气锤的总质量为16.2 kg，空气锤的最大冲击力为9.6 kg·m/s. 空气锤的振动频率按照兰州绕城高速车流量计算得到，设置为0.164 Hz. 假设车辆行驶速度为60 km/h，则行驶轴距长的距离需要用时0.4 s，即模型试验中动荷载的加载周期为6.1 s，加载时间0.4 s，卸载时间为5.7 s. 土样进行干燥破碎后，用2 mm孔径的筛子进行过筛，其后进行拌合，试验含水量控制在12.6 %，最后称重装箱，装箱干密度控制在1.6 g/cm3.

试验用传感器采用热敏电阻传感器和HC-25孔隙水压力传感器. 孔隙水压力传感其工作温度范围为-20～80 ℃，压力量程-100～200 kPa，电流输出4～20 mA. 该孔隙水压力传感器输出的电流信号即可转化为孔隙水压力值，在使用中无需进行标定. 将其置于空气中时，其值在0～0.5 kPa之间，表明能满足试验要求.

孔隙水压力传感器和温度传感器、荷载作用位置如图4所示. 为方便，对传感器按其在土中的位置进行编号. 其中，a和b代表位于模型左侧23.3和11.7 cm位置处，相应的e和d代表位于模型右侧23.3和11.7 cm位置，c为模型箱中心线位置；数字表示距土体表面的距离，编号1、2、3和4表示土表以下5、10、20和30 cm，字母和数字组合使用表示传感器在土中的位置.动荷载采用空气锤施加，位于土体表面正中位置. 模型试验箱内部填土均匀，因此在模型试验箱中心断面上布置孔隙水压力传感器和温度传感器，两者沿中轴线对称布置，左侧布置温度传感器，右侧布置孔隙水压力传感器，在空气锤下方土体内部同时布置温度和孔隙水压力传感器. 孔隙水压力传感器均埋置于土体内部，温度传感器在土体内部和表面及空气锤上方空气中均有所布设.

图4 传感器及荷载设置示意图(单位：cm)Fig.4 The location of sensors and load(unit：cm)

2 试验结果分析

2.1 温度变化

模型试验环境温度设定为-7.7～15.3 ℃. 冻融及动荷载条件下土体内部的温度变化如图5所示. 从图5可见，当环境温度为最高温度或者最低温度时，土体上部温度变化较大，而底部温度变化不大. 在升温过程中，环境中的热量进入土体，导致土体温度升高；在降温过程中，底部土体的热量向上传递，下部土体热量向环境耗散.

当环境温度达到最高值时，振动底板下方0～10 cm和底板两侧0～5 cm的土体等温线密集，土体底部(20～40 cm)的等温线则较为密集，土体中上部5～20 cm深度处的等温线则较稀疏. 振动底板下方土体温度密集区域的深度大于底板两侧下方土体的原因是振动底板为钢质材料，导热性能远大于空气，导致振动底板下方土体接收外界热量越多，土体温度越高，等温线越密集. 土体中上部(5～20 cm)的等温线稀疏与土体的导热性能有关. 另外，从图5还可以发现，随着冻融循环次数的增加，土体内部温度由高变低，说明在冻融过程中，土体内部吸收热量小于耗散热量，即降温过程中释放的热量大于升温过程中吸收的热量.

当环境温度达到最低值时，土体内部出现零温度线. 在冻融初期，振动底板下方的零温度线深度大于底板两侧，随着冻融循环次数的继续增加，底板下方的零温度线埋深大致相同且与底板平行. 零温度线产生这种变化的原因有3点：① 控温条件，试验控温条件的平均温度为正温，具有典型季节冻土区的气温特点，且冻结期较之融化期时间短，冻融循环作用下，外部环境对土体整体表现为降温和对表层土体周期性冻结的作用，因此在本研究涉及的环境温度下，负温对土体温度场的影响不及正温，因此环境最低温度时，冻深随冻融循环次数增加变化不大，即0 ℃等温线埋深大致相同；② 边界温度，从第1周期低温时可看出振动底板下方0 ℃等温线埋深较大，可见振动底板对表层土体温度场具有一定程度的影响，振动底板材质为钢材，导热性能良好，其作用于土体表面，导致土体与空气界面和土体与振动底板界面温度出现差异，负温环境下表现为加快表层土体热量向环境释放；③ 水分迁移，在冻融和动荷载双重作用下，振动底板下方表层土体含水量出现一定的升高，冻结作用下，土中水相变释放大量相变潜热，土体含水量的升高减缓了冻结锋面向下发展的趋势. 综上，控温条件决定了冻结深度，即0 ℃等温线的埋深，振动底板加速土体热量向环境释放，而其下部土体含水量升高减缓了冻结锋面向下发展，两者综合作用导致零度等温线随冻融次数增加趋于与振动底板平行.

2.2 孔隙水压力变化

2.2.1 无荷载条件下孔隙水压力变化

无荷载条件下，土体内部孔隙水压力变化，如图6所示. 由于探头数量限制，在0～11.7 cm和58.3～70.0 cm内没有埋设传感器，因此仅在11.7～58.3 cm埋深内分析土体内部孔隙水压力的变化规律. 图6是环境高温时孔隙水压力云图．从图6可见，随着冻融循环次数的增加，负孔隙水压力面积在土体内部逐渐减小，而正孔隙水压力面积逐渐增大. 在第1、5和15个冻融周期时，土中孔隙水压力以负孔隙水压力为主，沿试验箱中心线对称分布有两个面积较大的负孔隙水压力区域，从第15个冻融周期来看，负孔隙水压力区域较之第5周期有了一定的减小，尤其底部土体负孔隙水压力减小明显，在冻融循环25次后，土体内部以正孔隙水压力为主.

图6 无荷载条件下土体内部孔隙水压力变化Fig.6 (Color online) The changing of pore water pressure in soil without load

对表层土体而言，周期性冻融作用能够改变表层土体的结构性，进而影响到土体的物理力学性质. 其中，在冻结过程中，孔隙水压力下降，有效应力增加，从而导致土体在正冻过程中发生固结，同时冻结锋面的移动过程中，负孔隙水压力表现为吸力，土体内部水分向冻结锋面迁移，致使表层土体负孔隙水压力的面积逐渐减小，而正孔隙水压力的面积逐渐增大. 正冻过程引起表层土体含水量增高，而在融化过程中，由于试验填土处于非饱和状态，土体孔隙未完全被水分填充，因此表层土体孔隙水压力将随冻融过程的反复进行而逐渐增大. 土体内部负孔隙水压力面积减小的原因与试验箱有常水头水分补给有关，基质吸力作用下，水分从下部向上迁移，因此基质吸力引起的水分向上迁移将直接导致土体内部含水量增大. 结合孔隙水压力测试结果来看，在一定冻融循环范围内，土体中孔隙水压力呈现出负值，而在冻融初期模型箱侧壁土体孔隙水压力表现为正值，在侧壁与土体界面处水分迁移更为强烈，有压力增高，面积增大的趋势，沿水平方向对中心处土体产生影响. 可见土体与模型箱侧壁界面的水分迁移与冻融作用关系并不密切，仅与土体与模型箱侧壁的界面效应有关. 因此孔隙水压力沿竖向发生变化的主要原因是表层土体的冻融作用和下部未受冻融影响的非饱和土体的基质吸力共同作用所引起的水分迁移，而水平向土体内部孔隙水变化主要由于土体与模型箱界面的水分迁移.

2.2.2 动荷载条件下孔隙水压力变化

冻融及动荷载条件下，土体内部孔隙水压力变化规律如图7所示. 与无荷载条件下相同，仅在11.7～58.3 cm内分析孔隙水压力的变化规律. 从图7可见在冻融初期，只有振动底板下方有正孔隙水压力，而其他区域均为负孔隙水压力. 随着冻融循环次数的增加，负孔隙水压力面积在土体内部也逐渐减小，振动底板下方的正孔隙水压力面积变大，且在20 cm深度线上出现正孔隙水压力. 随着冻融循环次数的继续增加，在振动底板下方大约20 cm深度处出现高孔隙水压力区域.

在试验条件相同的情况下，对比分析无荷载和动荷载条件下孔隙水压力，可以看出动荷载作用下负孔隙水压力分布区域面积较大，土表动荷载对内部孔隙水压力影响明显. 在冻融初期，动荷载就对内部孔隙水压力产生较大影响，较之无荷载条件下，形成面积较大且贯通的负孔隙水压力区域，随着冻融次数的增加，在振动底板下方形成负孔隙水压力区域. 振动底板下方薄层土体在振动荷载作用下，发生压密和固结，孔隙面积减小，因此该薄层2～4 cm内孔隙水压力变化随时间变化并不大，呈“马鞍”形. 而冻融和动荷载双重作用下，负孔隙水压力面积持续减小，从第15和第25个冻融周期来看，其形态呈“哑铃”状，同时振动底板下方20 cm位置处出现高孔隙水压力区域，这与动荷载应力水平和影响范围有关.

在动荷载作用下，土颗粒间出现小范围的相对滑动与滚动，在不同的时刻与不同的区域，体缩与体胀交替出现. 当荷载与土体表面接触时，土体孔隙受挤压，土体产生弹性体应变，孔隙受挤压变形，导致孔隙率减小，孔隙内水分排出，孔隙水压力增大；当荷载与土体表面不接触时，土体的弹性应变回弹，此时孔隙由收缩状态转为膨胀状态，在此过程中产生膨胀吸力，导致水分快速向原体缩位置迁移. 在动荷载作用时，土体产生弹性体应变，同时产生部分塑性体应变，而这部分体应变不可恢复，随着动荷载的累积作用，塑性体应变不断积累，由此导致孔隙水压力逐渐增大. 冻融和动荷载作用下，上部土体在经历一定周期冻融循环后负孔隙水压力分布呈“哑铃”状，与动荷载作用下土体内部应力分布有关. “哑铃”状负孔隙水压力分布区域内土体发生反复加载和卸载，相应的土体孔隙的膨胀和体缩反复进行，水分亦存在反复吸入和挤出. 由于动荷载引起的孔隙周期性变化，土体孔隙结构和大小发生变化，但是孔隙始终存在. 因而冻融和动荷载综合作用下，动荷载影响范围内土体负孔隙水压力分布面积随冻融过程的发展而减小，但动荷载对孔隙水压力的影响并不会消失.

图7 动荷载条件下土体内部孔隙水压力变化Fig.7 (Color online) The changing of pore water pressure in soil under the load

3 结 论

1)随着冻融循环次数的增加，土体内部释放热量大于吸收热量，土体内部温度整体降低. 振动底板较之土体导热性能良好，对其下方一定范围内土体产生影响，导致底板下方0～5 cm土体的等温线较密集，温度梯度较大.

2)无荷载条件下，在外部冻融条件和土体自身基质吸力对水分迁移的驱动作用下，孔隙水压力随冻融循环次数的增加而增大，孔隙水压力自下而上增大，负孔隙水压力面积减小，正孔隙水压力面积增大.

3)动荷载条件下，受土体内部孔隙水压力随着冻融循环次数的增加而逐渐增大，振动底板以下20 cm位置处先出现高孔隙水压力区域，负孔隙水压力区域分别向土体上部和底部延伸，振动底板以下负孔隙水压力区域呈“哑铃”状分布.

4)与无荷载条件下相比，动荷载对土中孔隙水压力分布产生较大影响，在冻融初期便在土体中形成面积较大的负孔隙水压力区域，并且这种影响累积发生，负孔隙水压力面积随冻融作用减小，呈现出一定的规律性.

5)冻融和动荷载双重作用下对土体孔隙水压力影响较大，进一步影响到土体内部水分分布，该结果对季节冻土区路基设计和病害整治具有一定的借鉴意义.

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