冻融循环作用下黄土动态回弹模量研究_唐鑫.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023冻融循环作用下黄土动态回弹模量研究唐鑫1，2，张吾渝1，2，何蓓1，2，董超凡1，2，刘成奎3，4(1青海大学 土木工程学院，西宁 810016;2 青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，西宁 810016;3青海省建筑建材科学研究院有限责任公司，西宁 810008;4 青海省高原绿色建筑生态社区重点实验室，西宁 810008)摘要:动态回弹模量是计算路基承载力的重要指标。为揭示冻融循环作用下路基黄土动态回弹模量的变化规律，对西宁地区路基黄土开展动态回弹模量试验研究。结果表明:增大围压和减小动偏应力可显著提高试样的动态回弹模量;动态回弹模量随冻融循环次数的增加不断衰减;动态回弹模量在相邻梯度含水率的衰减趋势近似线性变化;随着冻结温度的降低，试样的动态回弹模量出现先增长后下降的趋势。通过方差分析，各因素对动态回弹模量的影响由高到低依次为冻融循环次数、含水率和冻结温度，基于试验数据分别采用 NCHP1-28A 模型和 Ni 模型进行拟合，发现 Ni 模型拟合效果较好。研究成果可为季冻区路基黄土动态回弹模量范围选取提供参考依据。关键词:路基黄土;动态回弹模量;动三轴试验;冻融循环;预测模型中图分类号:TU444文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0456-09Study on Dynamic esilience Modulus of Loessunder FreezeThaw CyclesTang Xin1，2，Zhang Wuyu1，2，He Bei1，2，Dong Chaofan1，2，Liu Chengkui3，4(1School of Civil Engineering，Qinghai University，Xining 810016，P China;2 Qinghai Province Key Laboratory ofBuilding Energy-Saving Materials and Engineering Safety，Xining 810016，P China;3 Qinghai Building and Materials esearch Co，Ltd，Xining 810008，P China;4 Qinghai Provincial KeyLaboratory of Plateau Green Building and Eco-Community，Xining 810008，P China)Abstract:Dynamic resilience modulus is an important index to calculate the bearing capacity of subgrade Inorder to reveal the changing law of dynamic resilience modulus of subgrade loess under the action of freeze-thaw cycles，an experimental study on dynamic resilience modulus of subgrade loess in Xining area was carried outThe results show that increasing the confining pressure and decreasing the dynamic deviatoric stress can significantlyimprove the dynamic elastic modulus of the sample;the dynamic elastic modulus decreases continuously with theincrease of the number of freeze-thaw cycles;The decay trend of the rate changes approximately linearly;as thefreezing temperature decreases，the dynamic elastic modulus of the sample first increases and then decreases Throughvariance analysis，the influence of each factor on the dynamic resilience modulus from high to low is the number offreeze-thaw cycles，water content and freezing temperature The fitting effect is better The research results canprovide a reference for the selection of the dynamic elastic modulus range of subgrade loess in seasonally frozen areasKeywords:subgrade loess;dynamic elastic modulus;dynamic triaxial test;freeze-thaw cycle;prediction model收稿日期:2023-01-12(修改稿)作者简介:唐鑫(1998)，男，广东东莞人，硕士生，主要从事岩土及地下工程研究。E-mail:tx1998thomp 163com通讯作者:张吾渝(1969)，女，河南荥阳人，硕士，教授，主要从事岩土及地下工程研究。E-mail:qdzwy 163com基金项目:国家自然科学基金(52168054);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(KLKF-2021-007)0引言黄土是一种广泛分布于青海地区的特殊土类，因其大孔隙和遇水湿陷的特点，易发生地裂、震陷、滑坡等自然灾害1-2。近年来随着国家“一带一路”战略的推进，青海作为“丝绸之路经济带”的重要支点，沿线高速公路与铁路工程蓬勃发展。然而在道路建设过程中，青海位于季节性冻土区，需考虑冻融循环对路基土力学强度产生的劣化影响;同时青海地处欧亚地震带交界处，地震频发，如最近2021 年 5 月 22 日玛多县发生 74 级地震和 2022年 1 月 28 日门源县发生 69 级地震，均对青海地区经济发展及生产生活产生较大冲击。因此，在青海黄土路基建设过程中，需考虑冻融循环和动荷载耦合作用对路基土体造成的劣化影响。动三轴试验是分析土体动力学参数指标的重要手段，目前已有大量学者开展试验研究冻融前后土体动力特性的变化趋势。Tian 等3、Fan 等4 发现黏土的累积塑性应变随冻融循环次数的增加迅速上升，在高围压条件下土体破坏形式演变为脆性断裂。苏永奇等5-6 基于冻融循环下粉质黏土剪应力应变曲线的研究，发现含水率显著影响土体的动力特性，随着含水率增加，阻尼比增大且动剪切模量比减小。徐永丽等7 以石灰改良盐渍土为研究对象，分析试验温度和冻融循环次数对土体动力参数的影响规律，发现劣化作用在6 和 3 次冻融循环后出现转折。孙静等8 通过研究发现粉砂土动弹性模量随着冻融循环次数的增加呈先减小后稳定的趋势。上述研究成果针对季冻区环境特点阐述了冻融循环作用下土体动力参数和变形参数的演变规律，在路基工程设计中具有一定的指导作用，然而在涉及冻融循环和冻结温度条件下路基土动态回弹模量的研究相对较少。因路面回弹变形与路面性能密切相关，动态回弹模量在柔性路面力学经验设计方法中，是表征路基土力学特性的重要参数9-11。基于动三轴试验，国内外学者关于路基土体动态回弹模量的影响因素分析进行了大量研究。Lin 等12 分析了冻融循环、循环应力幅值、围压和加载频率对融化饱和融土动态回弹模量的影响，建立了考虑多因素的回弹模量预测模型。Zhao 等13 考虑冻结过程中地下水对路基土的补给，在此基础上考虑冻融循环次数和含水率等因素与土体动态回弹模量的联系。冉武平等14-15 探究了盐分含量对硫酸盐渍土和氯盐渍土动态回弹模量的影响，发现动态回弹模量预估模型的拟合参数与含盐量存在线性关系。刘维正等16 研究了不同基质吸力情况下土体回弹模量变化趋势。综上所述，路基土动态回弹模量的研究主要有围压、动偏应力、含水率和土的类型等，考虑试验温度对土体动态回弹模量的研究相对较少。根据青海地区复杂的气温变化，本文以西宁地区路基黄土为研究对象，分析应力状态、冻融循环次数、含水率和冻结温度对黄土动态回弹模量的影响规律。基于试验结果选择最优的动态回弹模量模型，以期为寒区的路基工程设计、路基承载力计算提供理论依据。1试验概况11试样制备试验用土取自青海省西宁市城北区海湖大道某公路沿线的路基黄土，根据土工试验方法标准(GB/T50 1232019)对其进行基本物理性质指标测定17，结果见表 1。通过粒度分析试验测得土样的粒径区间及累积级配曲线如图 1 所示，土样粒径小于 0075 mm 的累积含量达到 878%，土质命名为低液限黏土。由于天然土样中存在少量植物根系，因此需先将土中的杂物剔除，再对其进行碾碎、烘干并过 2 mm 孔径筛。为分析土体动态回弹模量在不同含水率条件下的变化规律，以 2%含水率为梯度，分别制备 9%、11%、13%、15%含水率的筛下土，平铺于不吸水的托盘中，用保鲜膜密封保存 24 h，保证水分在土样中分布均匀。依据公路土工试验规程:JTG 3 4302020 规定18，本试验试样尺寸高 200 mm，直径 100 mm，并统一控制试样的压实度为 95%，将制备好的土料分 5层逐层击实，并对每层表面进行刮毛处理，每组制备 3 个力学性质相同的平行试样。试样制备完成后用保鲜膜包裹，并用密封袋进行密封，防止水分挥发。12试验方案121冻融循环试验冻融循环试验设备为 N30 微电脑冷冻控制器，温度控制精度为 01，制冷最低温度为40，能高精度满足试验所需冻结温度的要求。依据西宁地区近 10 年来最低气温变化趋势(如图7542023 年第 2 期唐鑫，等:冻融循环作用下黄土动态回弹模量研究2 所示)19，结合 公路土工试验规程:JTG 3 4302020 中给出的关于季冻区划分和冻结温度建议值，设定试验冻结温度为5、10、15 和20。融化过程选择的温度与室温相同，在恒定温度 条 件 下 解 冻 12 h。据 现 有 研 究 成 果 表明19-20，该地区重塑黄土经历 6 次冻融循环周期后力学性质的改变不再明显，因此本试验选择冻融循环的次数分别为 0、2、4、6 和 8 次，具体的试验方案如表 2 所示。表 1黄土物理性质指标Table 1Physical properties of loess天然含水率/%比重Gs液限WL/%塑限Wp/%最大干密度 dmax/(gcm3)最优含水率op/%7912712465 14191841309图 1土样粒径区间及累积级配曲线Fig1Soil particle size interval and cumulativegradation curve图 2西宁近 10 年最低气温Fig2The lowest temperature in Xining in thepast 10 years122动态回弹模量试验动态回弹模量试验采用英国 GDS 双向动态三轴试验系统如图 3 所示，试验设备配置有通道动态控制系统、压力控制系统、加载系统和软件系统组成，仪器可施加的最大动荷载为 20 kN，可施加的荷载频率范围为 010 Hz，通过连接 GDSLAB 软件设定参数和操控试验。根据 NCHP1-28