冻融循环对严寒地区路堤最大填土高度的影响

2018-11-26王丽霞张云龙

吉林建筑大学学报 2018年5期

王丽霞孙爽王静吕翔张云龙

(吉林建筑大学,长春 130118)

0 引言

严寒地区路基土不可避免要经历冬季冻胀、春季融沉的往复冻融循环作用,土体的力学性质及路基整体稳定性也会受到显著影响[1-3].现有研究集中于对非冻土路基边坡稳定性的研究.如张鲁渝等[4]研究分析了坡高、坡角、粘聚力与摩擦角等参数对非冻土路基边坡稳定性的影响;Leroueil等[5-9]提出了非冻结条件下多种路堤临界高度数值计算方法;Carreira等[10]研究提出通过增加土工织物提高路堤临界填高的数值计算方法;朱福等[11]基于极坐标系下的弗拉曼公式和统一强度理论,考虑中间主应力σz对地基承载力的影响,提出了路堤临界高度数值计算方法.冻融作用对路基稳定性影响问题已经受到有关学者关注,但对严寒地区路堤整体稳定性研究尚少见报道.本文针对我国严寒地区路堤稳定性关键问题,重点选取了严寒地区3种不同类型典型路基土,研究了冻融作用下冻土路基最大填土高度,为严寒地区实际道路工程设计提供参考.

1 试验土样和试验方案

1.1 试验土样

试验土样选自吉林省3种典型路基土即粉砂土、粉质粘土和粘土,用符号S1,S2,S3表示.试验土样的物性参数及各粒径占比百分数分析见表1～表2.

表1 试验土样的物性参数Table 1 Physical parameters of test soil samples

表2 试验土样的各粒径占比百分数分析Table 2 Analysis on percentages of different particle diameters of test soil samples (%)

含水量是土中实际含水多少的指标,土中含水的水重量与干燥土重量的百分数,称为重量含水量,土中含水的水体积与包括空隙在内的干土体积的百分数,称为体积含水量.土在一定击实功作用下,因其含水量不同,密实度也不相同.在工程实践中常把最能符合工程技术要求的,使土能获得最大密实状态的含水量,称为最佳含水量,而此时土的干密度称为最大干密度.路基填土的控制含水量一般为“最佳含水量±2%”,但含水量较大时更为不利,且因天气及其他因素影响,实际工程中的含水量通常偏大,故本文在取值时,只对比最优含水量大2%的含水量进行了分析,并将其定义为本文中的控制含水量.由3种土样击实试验得出最佳含水量wopt,并以wopt+2%为控制含水量,制作静三轴试验试件.试件直径39.1mm,高80 mm,压实度大于95%.

1.2 试验方案

图1 TSZ-1B型全自动三轴仪Fig.1 TSZ-1B automatic tri-axial instrument

试验采用TSZ-1B型全自动三轴仪,见图1.冻结温度为-20℃,融化温度为20℃,冻融时间为48 h(冻融循环1次意指冻结24h 、融化24h),将试件分别进行0～16次冻融循环,然后对经历冻融作用后的试件进行静三轴试验,围压分别取为100kPa,200kPa和300kPa,竖向应变剪切速率取为每分钟0.8.

2 静三轴试验结果分析

2.1 冻融作用对粘聚力的影响分析

在最佳含水量和控制含水量条件下,不同冻融次数对粘聚力c影响规律如图2所示.由图2(a)可见,wopt时,随着冻融次数的增加,粘聚力总体呈降低趋势,且在8～12次趋于稳定;由图2(b)可见,wopt+2%时，粘聚力也呈降低趋势.粘聚力c均减小的原因可能是由于土体经历反复冻融作用后,土体中水分迁移,颗粒间胶结作用减弱所致.比较图2(a)和图2(b)发现,在冻融次数相同时,同一试样在wopt+2%时的粘聚力明显低于wopt时的粘聚力,其原因是随着含水量的增加,薄膜水变厚,土体中自由水增加,致使土颗粒间距增大,同时某些起胶结作用的可溶盐溶解,胶结物质逐渐软化,颗粒间胶结力显著降低.

2.2 冻融作用对内摩擦角的影响分析

在wopt和wopt+2%时,冻融作用对试样内摩擦角φ的影响规律见图3所示.由图3可见,同一试样的内摩擦角随冻融次数增加变化不明显.随含水量增多,内摩擦角总体呈降低趋势.这是由于冻融后孔隙水聚集,孔隙比变化,颗粒间接触摩擦力减小所致.比较图3(a)和图3(b)发现,冻融次数相同时,同一试样在wopt+2%时内摩擦角明显小于wopt时内摩擦角,这是因为较高含水量的试样中,反复冻融使水聚集,起到了润滑作用,土体内摩擦角减小.

(a)At the optimum water content (b) At the control water content图2 冻融作用对3种试样粘聚力的影响Fig.2 Effect of freezing and thawing on the cohesion of three samples

(a)At the optimum water content (b)At the control water content图3 冻融作用对3种试样内摩擦角的影响Fig.3 Effect of freezing and thawing on the internal friction angle of three samples

3 路堤填土高度研究

3.1 计算模型

路堤临界填土高度是指在天然地基上不作任何处理时,在不控制填土施工速率情况下地基所能承担的填土高度[12].当路堤填高小于路基临界填高时,路基的变形和稳定性可得到有效控制[13];当填高超过路基所能承受的临界高度时,路基就会发生滑移、崩塌破坏.本文所研究的路堤最大填土高度是土体在特定含水量时,不控制施工速率时地基所能承受的填高.由于ANSYS数值模拟法具有不用事先假定滑移面,且可直接根据各点应力状态来计算路基各点安全系数并进行路堤边坡安全性评价[14]的优点而被广泛应用.因此,本文选用ANSYS分析软件,采用强度折减有限元法[15]进行边坡整体稳定性分析,分析所用计算模型见图4所示.

3.2 计算参数

图4 ANSYS路基模型每层赋材料情况Fig.4 ANSYS sub-grade model materials assigned to each layer

分析边坡稳定性的关键是边坡破坏临界状态的判定.本文按照分层、从外到内逐次冻融原则,假定无外界水源补给,第一次冻融深度为30cm,其后每冻融一次深度增加20cm,直至达到最大冻深1.7m为止,根据上述土样分别在wopt和wopt+2%时,将经历冻融作用所测得c，φ参数,代入计算模型.模型中道路结构层分为3层,依次为沥青、二灰碎石、石灰土,并将其参数值依次定义为材料1、材料2和材料3,材料赋值为该材料的标准值.将汽车荷载换算成等代土层作用在道路结构层上,并将其参数值定义为材料4.路堤最外两层选用wopt+2%的c，φ值,其他层均选用wopt的c，φ值,由外到内依次将参数值定义为材料5至材料12,最后将wopt时未冻土的参数值定义为材料13,每层赋材料情况见图4.

计算模型选用 plane 82 单元,选取Drucker—prager土体屈服准则,因为Drucker—prager 屈服准则既可考虑围压对屈服特性的影响,又能反映剪切引起膨胀的性质[16].进行路堤边坡稳定性分析时,控制路堤坡度恒为1∶1.5,逐步提高路堤高度,用不同冻融次数时的强度指标计算其最危险点稳定系数,直到稳定系数等于1.0,此时计算出的高度即为该土样在1∶1.5坡度下对应的路堤临界高度,即路堤最大填高.由于路基属于轴对称平面应变问题,所以在建立ANSYS模型时,选择建立半幅路堤(6m宽)进行分析.土样S2的ANSYS模型参数c，φ值及每种材料赋参数值情况详见表3～表4.S1，S3的ANSYS模型及每种材料赋参数情况同S2,限于篇幅,文中未列.

表3 S2土样冻融循环后静三轴试验结果Table 3 The static tri-axial test results of S2 samples expending different freeze-thaw cycles

表4 每种材料参数赋值情况Table 4 Parameter values assigned to each material

续表4

3.3 计算结果

按上述方法对每种材料赋参数值后,采用ANSYS层状路基模型进行计算,得出S2路堤填土在冻融前后的塑性应变云图分别见图5、图6.由图5可知:冻融前,路堤填土的破裂面近似呈圆弧型,这是因为冻融前,坡脚单元首先进入塑性区,产生塑性应变,但此时周围单元仍处于弹性状态,限制了塑性应变的发展,应力向周围单元转移,塑性区向上发展并贯通,融滑破裂面呈圆弧型.由图6可知:冻融后,土体的融滑破裂面近似为直线型,这是因为春融时节,表层土融化时,强度已经降低,而其下部土体依旧处于冻结状态,强度较高,在软硬交界面处,融滑破裂面呈直线型.S1，S3路基填土在冻融前后的塑性应变云图形状与S2类似.

(a)Stable state (b)Instability state图5 冻融前S2土样的塑性应变云图Fig.5 Plastic deformation of S2 sample before freezing and thawing

(a)Stable state (b)Instability state图6 冻融后S2土样的塑性应变云图Fig.6 Plastic deformation of S2 sample after freezing and thawing

考虑到实际设计与应用情况,应取安全系数为2所对应最大填土高度进行设计取值.S1，S2，S3在1∶1.5边坡坡度时,对应的路堤最大填土高度详见表5和图7.

表5 3种试样填筑路堤的最大填土高度Table 5 The maximum filling height of subgrade filled with three kinds of samples

将表5中3种土样路基最大填充高度及其最小值绘制成曲线图,见图7(a)，图7(b)所示.

(a) (b)图7 考虑冻融循环作用后路堤的最大填土高度Fig.7 The maximum filling height of sub-grade considering the freeze-thaw cycles

由表5可知,随冻融次数的增加,3种试样的最大填土高度基本呈降低趋势,最终趋于稳定.最大填土高度降低是因为多次冻融使土体反复膨胀、收缩,土体抗剪强度指标有所折减.由图7(b)可知,随塑性指数的增加,路堤最大填高先增后减;以S2为填土,最大填高最大,说明冻融作用下,粉质粘土作为路堤填土的工程性质最好;以S1为填土,最大填高最小,说明粉砂土作为路堤填土的工程性质较差,不宜直接选用作为路堤填土,需经过改良,以保证路堤获得更好的稳定性.