升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究_温董瑶.pdf

引用格式：温董瑶，蒋宁山，刘成奎，等升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究安全与环境工程，（）：，y y d ，（）：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究温董瑶，蒋宁山，刘成奎，吕哲琦，李元勋（青海大学土木工程学院，青海 西宁 ；吉林建筑科技学院数字建造学院，吉林 长春 ；青海省建材科学研究院有限责任公司，青海 西宁 ；长春市市政工程设计研究院有限责任公司，吉林 长春 ）摘要：随着高原环境温度升高和道路负荷的加重，青海省冻土区公路病害频发，为提高冻土区公路使用寿命，以青海省 公路沿线冻土地区路基土为研究对象，通过在升温作用下对不同初始环境负温度、振动频率和围压的冻土进行动三轴试验，研究了冻土温度逐年升高对冻土区公路抗振陷能力产生的影响。结果表明：不同初始环境负温度直接升温至相同温度，升温冻土的最大动剪切模量明显大于恒温冻土，升温冻土振陷量随初始环境负温度的降低而增加；冻土由同一初始环境负温度梯度升温时，冻土振陷量随梯度升温值的增加而增大，冻土动剪切模量随梯度升温值的增大而减小，升温冻土间累积应变差值随梯度升温值的增加呈先增大后减小的趋势；振动频率和围压的升高均会增大冻土的动剪切模量，同时提高冻土的抗振陷能力。可见，升温作用和梯度升温值的增大均会降低冻土抗振陷能力，因此在冻土地区进行公路建设时要综合考虑初始环境负温度、梯度升温、振动频率和围压耦合作用的影响，这将有助于提高冻土区公路的使用寿命。关键词：梯度升温；寒区冻土；累积应变；围压；振动频率；路基沉降中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：青海省科技厅项目（）；青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室开放基金计划项目（）作者简介：温董瑶（），硕士研究生，主要研究方向为岩土与地下工程。：通讯作者：蒋宁山（），硕士，副教授，主要从事岩土与地下工程方面的研究工作。：o o o o o o o o o y ，（.，y，；.，d y，；.d .，d.，；.，d.，）：，y y y ，y y y y ，y y y ，；，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 y ，y ，；y y ，y y ，y y ，o ：；y；处于古丝绸南路的青海高海拔多年冻土分布广泛，近年来冻土工程性质急剧下降，冻土上限下降，冻土升温退化。出现冻土升温退化的原因有三个方面：受温室效应影响，全球气候变暖，青藏高原近 年增温速率要比全球同期升温速率高约倍；青海省工程建设发展迅猛，工程作用对冻土的扰动加剧；公路上运行的车辆多为辎重大的大型运输车辆，在冻土温度升高情况下由其引发的动静荷载使得公路变形加剧。因此，开展升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究十分必要。一些学者对不同条件下冻土的累积应变进行了研究，如不同加载振次和加载频率作用，长期循环荷载作 用，最 大 加 载 应 力、温 度 和 加 载 频 率 作用，不同温度、荷载、加载频率作用，加载频率、加载速率作用，机械和热荷载作用，动荷载作用，不同温度、加载频率作用，动应力比、初始孔隙率、固结围压、加载频率、排水条件作用，环境温度和行车振动耦合作用，振动作用 等。学者们通过对不同条件下冻土累积应变的研究，解释了冻土的变形破坏机理，并针对不同破坏机理建立相应的冻土沉降变形模型。但是这些研究大多集中在恒温冻土的变形特性研究，而针对升温后在动荷载作用下冻土沉降变形的研究较少。然而，在温室效应的影响下，冻土升温退化，冻土对温度变化的敏感性使其在升温后动荷载作用下的变形振陷更大。因此，本文以青海省 公路沿线冻土路基土为研究对象，通过对梯度升温、直接升温及恒温的冻土进行室内动三轴试验，较真实地模拟了升温作用对冻土动力学特性的影响，分析了不同升温作用下冻土累积应变和最大动剪切模量的变化规律，以为青海省冻土地区的公路设计与施工提供参考。冻土室内动三轴试验1.1试验仪器与方案冻土室内动三轴试验采用 动三轴试验系统，试验装置如图所示。该试验系统由动力控制系统、反压控制系统、围压控制系统、数字控制系统、温度控制系统和计算机控制系统个子系统组成，能够精准地控制轴向力及轴向位移，轴向位移测量分辨率为 ，轴向力测量分辨率大于 。试验过程中，使用应力控制加载方式，每隔 采集试样测量数据一次；温控箱的设置温度精确度可达到 ，温控范围在 至 ，同时为了确保试样温度的一致性，采用浙江大立热红外成像仪（）测量冻土试样的温度。的测温范围为 ，热灵敏度小于 ，具有测温迅速、精确、便捷等特点，能精准地测定压力室中冻土试样温度的一致性。机图 动三轴试验系统 y y 第期温董瑶等：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究冻土试样为等压固结，在等压固结的条件下对冻土试样进行升温处理，可以更真实地模拟升温退化后冻土试样累积应变的变化规律。围压大小根据取土深度和有效重度确定：（）式中：为 围 压（）；为 覆 盖 层 平 均 密 度（）；为 重 力 加 速 度（），通 常 取 ；为冻土的埋深（）。当冻土的埋深为、时，围压分别为 、。振动频率依据汽车荷载对公路路面产生的振动确定，取振动频率为、。本文统计分析了 年青海省达日县累计月平均地温，如图所示。为了使冻土室内动三轴试验研究条件最大程度地接近实际条件，根据 年近 年青海省达日县冬季（月、月、月、月、月、月）累计月平均最低地温，确定了 组 冻 土 冻 结 温 度，即 、。-2.6-0.637.211.113.816.115.812.97.52-1.6-12-9-4.50.34.37.69.895.90.3-6.7-11.4-19.8-16.4-10.6-5.2-12.84.63.61.1-4.5-13.1-19.1201510505101520-012345678910 11 12月份累计月平均最低地温累计月平均最高地温累计月平均地温地温/图 年青海省达日县累计月平均地温 y y，本试验探究了主要控制变量（温度）和次要控制变量（围压和振动频率）对冻土累积应变的影响。主要控制变量分为两组，即恒温对照组和升温组（包括梯度升温和直接升温）：恒温对照组是对在初始环境负温度下冻结完成后的冻土直接进行室内动荷载试验，起对照作用；升温组是对在初始环境负温度下冻结完成后的冻土通过梯度升温或直接升温进行室内动荷载试验。本试验动荷载采用动态循环加载方式，荷载波形为正弦波，每级振动次数为 次，每 记录一次试验数据，每级加载起点处为d处。试验停止的标准为冻土试样累积变形（土样累积高度变化与原高度之比）达到 或振动次数达到 次。具体试验方案见表至表。表梯度升温组与恒温对照组冻土试验方案 恒温对照组冻土温度 梯度升温组冻土温度 围压 振动频率 表直接升温组与恒温对照组冻土试验方案 恒温对照组冻土温度 直接升温组冻土温度 围压 振动频率 表冻土围压试验方案 冻土温度围压 冻土温度围压 、表冻土振动频率试验方案 y 冻土温度振动频率 冻土温度振动频率 、1.2冻土试样的制备与养护本试验所用的冻土试样采自青海省海南藏族自治州达日县 公路沿线冻土路基土，采样点海拔为 ，公路沿线出现冻胀开裂等公路病害，冻土试样土质类别为粉质黏土，呈棕黄色，土颗粒较小且土体颗粒级配良好（如图），其基本物理性质指标见表。首先，对所取冻土试样进行烘干、碾压、筛分，过 筛，取 以下部分作为试验用土，并按照 土工试验方法标准（）制备最优含水率为 的重塑土样，重塑土样为高度、直径 的圆柱体；然后，将冷冻箱中温度调至试验所确定的初始环境负温度，将冻土试样置于冷冻箱中冷藏（经试验测定 的冷藏时间能够使冻土试样内外温度保持一致）后装入 动三轴仪器中，冻土试样置于 动三轴仪器之前安全与环境工程 ：第 卷需将温控箱温度设置为试验初始温度，并在初始环境负温度下固结，保持围压不变，调整温控箱温度对冻土试样进行升温处理，待试样温度稳定后，对试样进行动荷载试验，直至冻土试样达到破坏标准。1008060402001001010.10.010.001冻土试样颗粒粒径/mm小于该粒径质量百分/%图冻土试样颗粒粒径级配曲线 表冻土的基本物理性质指标 y 冻土名称塑限液限最大干密度（）不均匀系数现场实测地温粉质黏土 试验结果与分析本试验主要研究温度、振动频率和围压作用对冻土抗振陷特性的影响。2.1温度对冻土沉降变形的影响 不同初始环境负温度下直接升温对冻土沉降变形的影响不同初始环境负温度下恒温对照组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线见图，不同初始环境负25201510501 0002 0003 0004 000冻土试样/试颗粒径小/%0 于百百百百5101520于于于于图不同初始环境负温度下恒温对照组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线 温度下直接升温组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线和直接升温对冻土最大动剪切模量的影响曲线见图和图。0 冻土试样颗粒径小百 50冻于 冻该质量试粒径小百 100冻于 冻该质量试粒径小百 150冻于 冻该质量试粒径小百 200冻于 冻该质量试粒径小百百 百百 百1015102010冻土试样颗粒径小冻于冻该质量试粒径小冻于冻该质量试粒径小152015百百 百冻土试样颗粒径小冻于冻该质量试粒径小20151051614121086428765432121百分/变/%百分/变/%百分/变/%百分/变/%01 0002 0003 0004 000振动次数/次01 0002 0003 0004 000振动次数/次01 0002 0003 0004 000振动次数/次01 0002 0003 0004 000振动次数/次小 于该质量试至 冻a0小 于b 该质量试至冻百 5小 c于该质量试至冻百10小 于d 该质量试至冻百 15105155205土试样颗粒径小冻于冻该质量试粒径小冻于冻该质量试粒径小冻于冻该质量试粒径小百 5 冻百 百百 百百 百图不同初始环境负温度下直接升温组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线 由图、图和图可知：（）温度大于 时，恒温对照组冻土累积第期温董瑶等：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究-20-15-10-50温度/最大动剪切模量/MPa2001601208040-2020520102015冻土-接/温至冻土-接/温至冻土-接/温至冻土恒温对照组冻土-接/温至 0图直接升温对冻土最大动剪切模量的影响曲线 y 变形曲线呈指数关系；温度小于 时，恒温对照组冻土累积变形曲线呈线性关系（见图）。（）温度变化对冻土累积应变和最大动剪切模量的影响十分明显。与恒温对照组冻土相比，直接升温组冻土的最大动剪切模量和累积变形明显小于恒温对照组冻土，对冻土施加相同大小的动荷载，同一振动次数下恒温对照组冻土的累积变形小于直接升温组冻土，且随着振动次数的增大恒温对照组冻土与直接升温组冻土的累积变形差值有增大的趋势（见图和图）。以升温至为例，重塑冻土试样分别由 、升温至时，同一振次次数下初始环境负温度越低，冻土的最大动剪切模量越小，冻土的最大动剪切模量是 冻土的最大动剪切模量的 倍，且冻土累积变形量越大，达到极限变形状态所需的时间越短。产生这种现象的原因是：恒温对照组冻土内部冰晶分子在长期低温作用下形成了稳定的结构骨架，对土体起支撑作用，土体刚度大、动剪切模量较大；在升温作用下，直接升温组冻土中对温度极其敏感的冰晶分子发生冰水相变，冰晶分子形成的冰骨架逐渐消融，对土体的支撑作用减弱，土体动剪切模量较小，因此同温度的直接升温组冻土比恒温对照组冻土更容易振陷；由于相同含水率的冻土中含冰量主要受温度的影响，因此不同初始环境负温度的冻土内部冰晶含量不同，温度低的冻土冰晶含量高于温度较高的冻土，这是因为温度升高土颗粒间冰晶分子间分子键断裂，联结各土颗粒的能力减弱，初始环境负温度越低，分子键断裂越多，对土骨架的支撑作用及联结作用越弱，因此升温至同一温度时，初始环境负温度较低的冻土强度更低，更易振陷。在全球变暖的背景下，冻土温度逐渐上升，升温后的冻土动强度远小于未升温冻土，即同温度下升温冻土的抗振陷能力较弱。不同初始环境负温度下梯度升温对冻土沉降变形的影响不同初始环境负温度下梯度升温组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线见图，不同初始环境01 0002 0003 0004 000温度最/01 0002 0003 0004 000温度最/01 0002 0003 0004 000温度最/01 0002 0003 0004 000温度最/切 模大动剪切模量冻土a-5-切 模b 大动剪切模量冻土-10切 c模大动剪切模量冻土-15切 模d-2015-接冻/量至-恒对照组/%2018161412108642恒对照组/%恒对照组/%恒对照组/%16141210864220151052015105-5-恒量对照组冻土-直接/量组冻土-50-10105-恒量对照组冻土直接/量组冻土-直接/量组冻土-100-151551510-恒量对照组冻土直接/量组冻土-直接/量组冻土-直接/量组冻土-150-202020520102015-恒量对照组冻土直接/量组冻土-直接/量组冻土-直接/量组冻土-直接/量组冻土-0图不同初始环境负温度下梯度升温组冻土累积应变随振动次数的变化曲线 安全与环境工程 ：第 卷负温度下梯度升温组冻土在振动次数为 次时的累积变形曲线和梯度升温对冻土最大动剪切模量的影响曲线见图和图。302520151050累积变形/%-20 梯度升温至015010050冻土梯度升温至 冻土梯度升温至 冻土梯度升温至 冻土-温对/组冻土-20-15-10-50温度/图不同初始环境负温度下梯度升温组冻土在振动次数 次时的累积变形曲线 累积变形梯度/MPa2402001601208040-20-15-10-50升温/至-200至冻温土升-至对/至冻温土升-至对/至冻温土升-至对/至冻温土升-至对/组升对照组对/-15010050图梯度升温对冻土最大动剪切模量的影响曲线 y 由图、图、图可知：（）梯度升温组冻土的动剪切模量和累积应变受梯度升温值的影响明显，冻土升温后土体强度减弱，较之前更容易发生振陷；梯度升温组冻土的最大动剪切模量随梯度升温值的增大而减小，其累积应变随梯度升温值的增加而增大（如图和图）；升温值越大，冻土的动剪切模量越小、累积应变越大，达到极限变形状态所需的时间越短。（）在振动次数达到 次时，梯度升温组冻土振陷量差值随梯度升温值的增加呈先增大后减小的趋势。在同一升温值下，初始环境负温度越低，冻土的累积变形越大，动剪切模量越小（见图）。产生这种现象的原因是：冻土在梯度升温的过程中，其累积应变的增大是孔隙冰逐渐消融的结果；由初始环境负温度进行升温时，土体中冰晶分子间分子键断裂，升温值越大，土体中冰晶分子间分子键断裂越多，土体内部冰晶分子的支撑作用减弱，颗粒间摩擦力及咬合力越弱，土体动剪切模量越小，产生的累积应变越大；最终温度大于 时，随着温度的增大，孔隙冰开始消融，冰水转换量逐渐增多，在短时间内土体中的水分增加，土体内部土颗粒与水的结合率增大，使得冻土内部部分土颗粒与水结合为泥浆，不能起到抵抗外部荷载的作用，产生较大的累积应变，因此在梯度升温的过程中冻土的强度逐渐丧失，抗振陷能力逐渐减弱。振动频率和围压对冻土累积应变和最大动剪切模量的影响振动频率和围压对冻土累积应变和最大动剪切模量的影响曲线，见图 和图。300250200150100累积变形梯度/MPa135升变温至/Hz(b)升变温至冻土-累积变形梯度对/组对照(a)升变温至冻土-组积应变对/组对照01 0002 0003 0004 000升变次数/次组积应变/%86421 Hz恒温冻照组土-恒温冻照组土-恒温冻照组土-梯度升温组土-梯度升温组土-梯度升温组土-3 Hz5 Hz1 Hz3 Hz5 Hz恒温冻照组梯度升温组土-土-图 振动频率对冻土累积应变和最大动剪切模量的影响曲线对比 y y 由图 可知：冻土的最大动剪切模量随振动频率减小而减小，其累积应变随振动频率的减小而增大，梯度升温组冻土的累积应变大于恒温对照组冻土。由图 可知：梯度升温组冻土的累积应变大于恒温对照组冻土，冻土的累积应变随围压的增大而减小，其最大动剪切模量随围压的增大而增大，这说明围压的增大能减弱冻土累积应变的增加，增大冻土的动强度。第期温董瑶等：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究432101 0002 0003 0004 000振动次数/次累积应变/%30025020015010050最大动剪切模量/MPa100200300/压/kPa恒温对照组梯度升温组冻土冻土100200300100 kPakPakPakPa200 kPa300 kPa升温组升温组升温组恒温对照组冻土恒温对照组冻土恒温对照组冻土冻土冻土冻土(a)/压对冻土累积应变的影响曲线(b)/压对冻土最大动剪切模量的影响曲线图 围压对冻土累积应变和最大动剪切模量的影响曲线对比图 y 产生这些现象的原因是：在不同振动频率和围压下对冻土进行梯度升温，升温作用使冻土结构更疏松，其强度较恒温对照组冻土弱，冻土累积应变更大；当土体受到不同程度的振动频率作用时，土体结构发生二次变化，土体在振动作用下做功产生的能量一部分转化为热量，孔隙冰进一步消融，土中水在土颗粒间积聚，形成较厚的黏滞水膜，在动荷载作用下冻土发生流变，振动频率越大，加载速率越快，冻土强度越大，累积应变越小；在较大围压下固结的冻土塑性和应变硬化能力更强，土颗粒间排列更紧密，颗粒间存在较大的咬合力和摩擦力；在相同动荷载作用下，较大围压下固结的冻土发生相同程度的变形需要更大的动剪应力；在循环动荷载持续作用时，冻土内部裂隙逐渐发育，最终达到破坏状态，而较大围压下固结的土体，由于土体内部土颗粒间孔隙较小，裂隙发育缓慢，因此其抗振陷能力强。为了进一步验证上述试验结果的可靠性，本文通过学者 建立的土体累积应变指数模型 对冻土累积应变与振动次数之间的关系进行了拟合，其表达式为d（）式中：d为冻土的累积应变（）；、为与冻土的性质和试验条件相关的系数；为振动次数（次），由试验确定。由式（）拟合得到的各试验条件下冻土累积应变与梯度升温值之间关系的拟合参数见表，不同梯度升温值下冻土累积应变与振动次数之间关系的拟合曲线见图。表冻土累积应变与梯度升温值之间关系的拟合参数 梯度升温值累积应变 201816141210864201 0002 0003 0004 000振动次数/次累积应变/%模 100最大 最剪切模量/压恒温对照组模 105最大 最剪切模量/压恒温对照组图 不同梯度升温值下冻土累积应变与振动次数之间关系的拟合曲线 从表和图 拟合结果来看，该指数模型能够对冻土累积应变与振动次数之间的关系进行拟合，且拟合优度高。结论与建议本文通过冻土动荷载试验，以更为实际的围压、固结和冻结方式，研究了冻土地区不同初始环境负温度、梯度升温、围压、振动频率对冻土累积应变累安全与环境工程 ：第 卷积变形和最大动剪切模量的影响，得出以下结论：（）直接升温和梯度升温后冻土的累积应变较未升温冻土明显增大，冻土的动剪切模量增大、承载力减弱。振动频率和围压的降低均使冻土更容易振陷。（）冻土的累积应变、最大动剪切模量与梯度升温值有关，梯度升温值的增大会增加土中冰水转化率，并且会减弱土中冰晶分子、冰融水、土颗粒之间的黏结力，使冻土的最大动剪切模量减小。（）受全球气候变暖的影响，冻土升温作用下土体易产生融沉，因此应重视公路建设、养护过程中对冻土路基进行保温处理，并对升温值进行测控，而在设计冻土地区路基承载力时，需根据当地温度和梯度升温等变化特点修正冻土地区路基承载力特征值。参考文献：程国栋，赵林，李韧，等青藏高原多年冻土特征、变化及影响科 学 通 报，（）：罗飞，赵淑萍，马巍，等 循环荷载下冻结兰州黄土变形性质的实验研究地下空间与工程学报，（）：赵淑萍，马巍，焦贵德，等长期动荷载作用下冻结粉土的变形和强度特征冰川冻土，（）：赵淑萍，何平，朱元林，等冻结砂土在动荷载下的蠕变特征冰川冻 土，（）：何平，朱元林，张家懿，等饱和冻结粉土的动弹模与动强度冰川冻土，（）：焦贵德，赵淑萍，马巍冻融循环后高温冻结粉土在循环荷载下的动力特性试 验 研 究 土 木工程学报，（）：，y d y，：y 李利飞，谢方媛，许道军，等 动荷载作用下路基沉降规律试验研究 河北工程大学学报（自然 科学版），（）：栗晓林，王红坚，邹少军，等 振动荷载作用下冻结砂土强度及破坏特性试验研究振动工程学报，（）：罗文俊，王海洋，马斌，等 单向循环荷载作用下饱和重塑红黏土的动力特性土木与环境工程学报（中英文），（）：蒋红光，李宜欣，迟浩然，等 高铁提速条件下路基不均匀沉降诱发的地基振动特性东南大学学报（自然科学版），（）：余雨薇，陈卫雄，郭继林，等温度与振动耦合作用下青藏铁路路基沉降可靠性分析铁道科学与工程学报，（）：孙业恒史南油田史深 块裂缝性砂岩油藏建模及数值模拟研究北京：中国矿业大学（北京），黄志福 交通循环荷载作用下粉土路堤动力特性试验研究天津：天津大学，（上接第 页）王正兴，缪林昌，王冉冉，等砂土中隧道施工引起土体内部沉降规律特征的室内模型试验研究土木工程学报，（）：，y y：y ，（）：孙玉永，周顺华，宫全美软土地区盾构掘进引起的深层位移场分布规律岩石力学与工程学报，（）：张坤勇，陈恕，王耀盾构地表沉降的数值分析及归一化模型建立 地下空间与工程学报，（）：卢健，姚爱军，郑轩，等 地铁双线隧道开挖地表沉降规律及计算方法研究 岩石力学与工程学报，（增刊）：宋克志，王梦恕，孙谋基于 公式的盾构隧道地表沉降的可靠性分析北方交通大学学报，（）：杨小强，欧尔峰兰州砂卵石地层盾构施工的 公式参数优化辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：陶思海 公式在软土地区类矩形盾构隧道施工中的应用路基工程，（）：姚爱军，赵强，管江，等基于北京地层地铁隧道施工的 公式的改进 地下空间与工程学报，（）：胡长明，冯超，梅源，等 西安富水砂层盾构施工 沉降预测公式改进 地下空间与工程学报，（）：第期温董瑶等：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究