冻融循环对路基土时效性影响试验分析

于庆斌

(中铁十九局集团 第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

随着国家经济的快速发展，基础设施建设也随之快速推进.公路作为基础设施的重要组成部分，是推动区域经济快速发展的关键.随着国家重新对东北老工业基地的关注，东北地区的公路网建设再次迎来新的机遇.然而在建设过程难免会遇到一些技术难题，比如冻融循环作用.一直以来，路基土的冻融循环作用备受关注.

近年来，我国学者针对高速公路路基冻融循环问题进行了大量研究，成果颇丰.何菲等基于低温动态三轴试验机对青藏铁路路基土进行了低温冻结试验研究，分析了动回弹模量、阻尼系数等力学参数与冻融循环次数之间的关系[1].普毅等通过共振柱试验对季冻区路基土的剪切模量随冻融循环和含水率的变化规律进行了研究[2].张宜洛等对内蒙古东部的2种典型路基土进行了三轴试验研究，分析了动回弹模量在不同荷载及含水率下的变化规律，并根据试验结果给出了动回弹模量的取值区间[3].张莎莎等对粗粒硫酸盐渍土中的水分迁移进行了研究，分析了土中水分与冻融循环之间的关系[4].杜海民等对含冰量较高的冻结粉砂土进行了三轴循环加卸载试验研究，分析此种状态下粉砂土的能量耗散情况和剪切模量变化情况[5].张向东等通过室内冻土动态三轴试验仪对二灰改良的风积砂土进行了冻融循环试验研究，给出改良风积砂土最佳掺配百分比为30%～40%[6].牛笑笛等使用化学固化方法对受冻融循环作用后的路基土进行研究，从微观方面对其强度变形机理进行了研究[7].熊红强等基于GDS三轴试验系统对冻融循环作用后的粉砂土进行了三轴试验研究，分析了动回弹模量、阻尼比随冻融次数和围压的分布规律[8].张玉芝等针对高速铁路路基受冻融循环作用的影响，研究了一种能够追踪冻融循环作用下路基内水分迁移的装置[9].

综上研究可知，前人对于路基土在时效性方面研究较少，研究成果相对单一.因此本文结合东北地区某在建公路的工程实际对冻融循环作用下的路基土进行单轴蠕变试验研究，为寒区路基土的力学特性作进一步补充.

1 冻融循环蠕变试验设计

1.1 试验设备与试样制备

本文冻融循环试验在中国建科院自行研制的CABR-HDK9A型快速冻融试验机上完成，温度变化范围在-40～40 ℃，温控精度为±0.2 ℃，满足本文试验要求.冻融循环作用后的路基土三轴蠕变试验在GDS多功能三轴试验机上完成，试验材料取自东北地区某在建高速公路路基.地质勘查资料显示，该路基为粉质黏土.依据《公路土工试验规程》对该路基土进行了基本物理性质分析，结果见表1.将取回的土体按岩土三轴试验标准制成直径39.1 mm、高80 mm的圆柱试样，以备后续试验使用.

表1 材料的物理性质

1.2 冻融循环蠕变试验方案

将制备好的路基土试件放入冷冻箱内冷冻48 h，冷冻箱温度设置为-20 ℃，然后将试件取出在恒室内环境中存放48 h，此为1个完整的冻融循环过程.本文将冻融循环试验分为4组，设置冻融循环次数分别为0、5、10、15次，每组包含2个试件.本文蠕变试验在恒温室内进行，以天然含水状态下试样的单轴抗压强度作为分级加载的依据，初级荷载为峰值抗压强度的40%，每级荷载增量为10 kPa，每级荷载施加时间为24 h，采样间隔为0.2 s.荷载分级水平如表2所示.

表2 荷载分级水平

2 试验结果分析

2.1 路基土变形分析

通过Boltzmann叠加原理对不同冻融循环次数下路基土试样的试验数据进行处理，得到的最终轴向蠕变曲线如图1所示.

图1 不同冻融循环次数下路基土蠕变曲线

路基土试件在轴向荷载施加瞬间会产生瞬时变形，且试样在荷载的长期作用下会产生蠕变变形.在第1级荷载水平作用下，试样的蠕变变形量较大，随着荷载水平的逐渐增大，曲线斜率逐渐递增，试样的蠕变特性越来越显著；在破坏荷载前，试样的蠕变曲线主要分为2个阶段，即衰减蠕变和等速蠕变，蠕变速率逐渐由0增大至某一恒定值，并保持不变；当荷载水平施加至最后一级时，试样的变形量快速增大，曲线斜率开始加速增大，试样表现出显著的蠕变三阶段特征，即衰减、等速和加速蠕变阶段，并最终在加速阶段失稳破坏.同一荷载水平下，随着冻融循环次数的增多，试样的瞬时变形量、蠕变变形量和曲线斜率均呈逐渐递增趋势.

相邻冻融循环次数下的路基土试样的蠕应变平均增幅Δε可表示为

(1)

式中：εi、εj分别为冻融循环次数是i、j次时的蠕应变值，当i取5、10、15时，j取0、5、10.

图2为不同荷载水平下路基土试件的蠕应变随冻融循环次数的变化曲线，不同荷载水平下试样的蠕应变与冻融循环次数之间的变化规律基本一致.在第1级荷载水平作用下，试样的蠕应变效应显著，原因是路基土制样过程中内部存在大量孔隙，当试样受到外部荷载作用时，这些孔隙会逐渐闭合，进而表现出较大的蠕应变.

图2 不同荷载水平下试样蠕应变与冻融循环次数关系曲线

表3为相邻冻融循环次数下蠕应变的平均增幅，由表3可知：随着冻融循环次数的增长，路基土试样的蠕应变逐渐增大，相邻冻融循环次数下试样的平均蠕应变增幅大小依次为0～5次、5～10次、10～15次；其中0～5次的蠕应变平均增幅为51.27%，5～10次的平均增幅为10.32%，10～15次的平均增幅为6.18%，表明冻融循环初期对路基土的影响较大。说明5次冻融循环后路基土的蠕应变增幅较大.

表3 相邻冻融循环次数下路基土蠕应变平均增幅

由表3和图2还可以看出：随着冻融循环次数的增加，不同荷载水平下路基土试样的最大蠕应变与最小蠕应变的差值逐渐增大；当冻融循环次数为0时，试样的最大蠕应变与最小蠕应变的差值为1.63×10-4；当冻融循环次数分别为5、10、15次时，试样的蠕应变差值较冻融循环0次时分别增长了11.11%、24.31%、43.65%.原因是冻融循环使试样内部的水分反复冻结融化，致使土颗粒间的骨架结构承载能力减弱，且随着冻融循环次数的增加，这种劣化作用越强，进而使试样的变形量逐渐增大.

图3为不同荷载水平下路基土试样的稳态蠕变速率随冻融循环次数的变化曲线，可以看出:不同荷载水平下试样稳态蠕变速率随冻融循环次数的分布规律基本一致，即稳态蠕变应变率随冻融循环次数的增多而增大.相邻冻融循环次数下试样的稳态蠕变速率增幅见表4，由表4可知稳态蠕变速率的平均增幅大小依次为：0～5次、5～10次、10～15次.

图3 路基土轴向稳态蠕变速率与冻融循环次数关系曲线

表4 相邻冻融循环次数下路基土试样的稳态蠕变速率平均增幅

2.2 路基土加速蠕变阶段分析

加速蠕变阶段的应变和应变率随时间的变化曲线如图4所示，可以看出：在最后一级荷载水平的作用下，试样经历衰减蠕变、等速蠕变后，进入加速蠕变，且衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段持续时间较短，等速蠕变阶段持续时间较长，不同冻融循环次数下均出现加速蠕变，即试样均发生破坏.对比不同冻融循环次数下的破坏荷载和蠕变曲线发现，随着冻融循环次数的增多，试样的破坏荷载和蠕变历时均呈逐渐减小趋势，当冻融循环0次时，试样的破坏荷载为106.06 kPa，蠕变历时为7.42 h；当冻融循环次数为15次时，试样破坏荷载为95.96 kPa，蠕变历时为4.47 h；可见冻融循环次数增加导致试样的损伤劣化加重，承载能力和承载时间显著下滑.由图4还可以看出，不同冻融循环次数下的蠕变速率均为下降—稳定—上升的变化趋势，且随着冻融循环次数的增大，稳定阶段逐渐缩短.

(a) 冻融循环0次

(b) 冻融循环5次

(c) 冻融循环10次

(d) 冻融循环15次图4 不同冻融循环次数下路基土加速蠕变阶段应变及应变速率与时间的关系曲线

3 结论

1) 受冻融循环作用影响，路基土的瞬时应变和蠕应变均出现明显增大，随着冻融循环次数的增多，试样内部骨架结构劣化程度更为严重，试样的变形能力逐渐增强，承载能力逐渐减弱.

2) 随着冻融循环次数的增多，不同荷载水平下路基的蠕变变形量的最大值与最小值之差逐渐增大，原因是冻融循环使试样内部水分反复冻结融化，致使土颗粒间的骨架承载能力降低，最终导致蠕变变形量增大.

3) 随着冻融循环次数的增加，相邻冻融循环次数下试样的平均蠕应变增幅逐渐减小，其中冻融循环0～5次内应变增幅最大，10～15次内应变增幅最小；相邻冻融循环次数下试样的稳态蠕变速率同样逐渐减小.

4) 加速蠕变阶段，随着冻融循环次数的逐渐增多，试样的破坏荷载和蠕变历时均呈逐渐减小趋势.