高温–高含冰量冻土压缩变形对路基稳定性的影响

高温–高含冰量冻土压缩变形对路基稳定性的影响

1高温和高含冰量多年冻土地区的路基沉降变形清溪至拉萨全长118公里，632公里。穿过永久性寒冷区域，其中275公里位于高温冷土区（年平均温度比1.0）。221公里通过高冰量冻土区（体积大于20%），高冰量-高冰量冻伤区的重叠段为134公里。青藏公路穿越的多年冻土中,年平均地温高于-1.5℃的高温冻土段为416km,占整个多年冻土长度的76%。近年来,青藏高原气候变暖非常显著,从1996~2001年,多年冻土上限处的地温以0.08~0.01℃·a-1速率上升,高温冻土区上限以6.6~2.6cm·a-1速率下降,6~8m处的地温也以0.053~0.021℃·a-1的速率上升[3~5]。另外,IPCC2001年发布的预测称“全球表面温度预计在1990~2100年间升高1.4℃~5.8℃”;而“中国西部环境演变评估”报告则指出,50a后,青藏高原气温将升高2.2℃~2.6℃。青藏高原是全球变化的“启动器”和“放大器”,其升温更高于全球升温的平均值。因此,如何保证既是高温又是高含冰量多年冻土地区的路基稳定性是目前面临的最大挑战。高温冻土的压缩变形是一种非常复杂的物理、力学过程,这种过程受其所有成分——气体、液体(未冻水)、黏塑性体(冰)及固体(矿物颗粒)的变形性及迁移作用所控制。1953年,H.A.崔托维奇通过试验指出,高温冻土在荷载作用下具有相当高的压缩性。1982年,朱元林和张家懿通过青藏高原风火山亚黏土及兰州中砂在冻结状态下的压缩试验指出温度是影响冻土压缩系数的主要因素。此外,国内外大量的现场观测资料也表明,即使在保持路基下多年冻土上限位置不变的情况下,地温年变化深度范围内的多年冻土层也会因路基填土及行车荷载的作用而产生较大的压缩变形量。尤其在高温冻土及路堤较高地段,其路基沉降变形具有可观的量级[9~12]。为保证多年冻土区建筑物地基基础的稳定性,国内外学者对冻土力学性质研究付出了坚持不懈的努力,但由于受当时试验条件的限制,加之问题本身的复杂性,大量试验均在较低的温度条件下进行,对高温–高含冰量冻土,尤其是温度接近冻结温度的研究甚少。同时,由于对问题缺乏认识,以往所有的压缩试验均以恒温变载的方法进行,而工程实际中,在全球气候变暖及工程活动的双重作用下,路基下多年冻土的温度普遍升高,其压缩过程是一个恒载变温的过程。高温–高含冰量冻土在恒载变温条件下,变形机制如何,变形速率量级如何确定以及这种变形能否在一定的时间内达到稳定,如果变形持续发展下去,是否会对道路的正常运行造成严重危害等,所有这些问题都亟待给出明确的回答。所以系统地开展高温–高含冰量冻土力学性质研究,揭示高含冰量冻土在高温剧烈相变区的变形特征及随时间发展过程,对高温–高含冰量冻土区路基稳定性有重要的现实意义。2试验计划2.1试验系统组成高温–高含冰量冻土恒载变温压缩试验,对温度控制精度要求高,利用实验室现有的仪器不能满足要求,并且试验周期长,占用现有仪器极其不经济,故针对试验要求研制了自动控温的高温–高含冰量冻土压缩试验机。仪器主体装置由制冷系统、控温系统、加压系统、数据采集系统及固结仪组成,如图1所示。制冷系统主要指冰柜以及外部环境控温的冷库制冷空调,采用冰柜自身压缩机进行制冷,中间放置一块塑料泡沫保温板,将冰柜内部分成两部分,左边放置试验装置主机,在其周围再加一层保温材料,使其温度场保持稳定,不受原冰柜壁四周的影响,并且整个冰柜置于有冷库制冷空调的房中,保持室温恒定在18℃左右,以减少环境温度波动对试验造成影响。温度控制系统主要由控温探头、数控仪、加热丝、风扇等组成,利用加热丝和风扇进行空气对流,在数控仪控制下,得到所需的试验温度。加压系统主要指传力杆和标准砝码等,采用标准砝码直接进行加载。数据采集系统主要由位移传感器、压力传感器、计算机组成,利用16通道(包括压力、位移及温度等)的数据采集仪和自行研制的数据采集系统软件采集数据。固结仪采用南京土壤仪器厂生产的GJY型K0固结仪。2.2冰、水质量比的确定采用冰、水、土三种物质混合体的制样方法,即根据一个压缩试样体积和容重计算出制备一个土样所需的干土质量及水的质量,把水的质量分为水和冰两部分,然后按照合适的比例混合,制成所需试样。具体方法如下:假设试样总含水量为w,质量为m(实际制样时质量稍大于m,确保试样制备过程中的损耗),则所需干土的质量为水的质量为冰的质量为式中:ww为制样时的含水量,其值随总含水量的改变而改变。当w=40%时,取ww=25%;当w=80%时,取ww=33%;当w=120%时,取ww=40%。试样中冰、水都采用纯净水。试样制备过程为:首先在冰柜中冻结冰块供制样用,然后在温度为-6℃左右的低温实验室中将冰砸碎,过0.5cm的土样筛,取冰粒并称所需质量。把冰粒和预先置于低温实验室的干土混合并搅拌均匀,将预先冷却的0℃水倒入冰土混合物中充分搅拌均匀。然后将配制好的土体装入预先冷却的环刀中,分两层压密。为了防止水分丧失,在两端加上保鲜膜后再放入冰柜中冻结,待冻结48h后,用试验机将试样顶出,并用保鲜膜封好,至此试样制作完毕。2.3试验设备及加载试验用土采用青藏铁路北麓河重塑黏土,其主要物理参数:塑限pW=18.8%,液限LW=36.5%,冻结温度与含水量的关系如图2所示。试验前,预先将压缩试样在高温–高含冰量冻土压缩试验装置中恒温24h,然后采用实物加载方式进行加载。根据土体冻结温度及青藏铁路实际路基高度对下伏冻土的附加应力情况,对载荷为0.1,0.2,0.3MPa,含水量为40%,80%,120%的各种组合,分别进行试验,温度主要经历-1.5℃,-1.0℃,-0.5℃,-0.3℃等4个阶段。试样尺寸为φ61.8mm×40.0mm。试验以恒载变温方式进行。试验时,在每一级温度荷载下,当压缩变形趋于稳定后,调节温度进行下一级温度荷载试验,直到试验结束。以压缩变形速率小于0.01mm/h为稳定标准。但为了方便试验结果的分析,先在-1.5℃温度下进行试验24h,然后在-1.0℃,-0.5℃,-0.3℃温度下各进行48h。从试验结果来看,按上述方案进行试验时,在各级温度荷载下的压缩变形速率均满足稳定标准。3冻土试样压缩特性图3为典型恒载变温压缩过程曲线,从图中可以看出,在温度为-1.5℃,-1.0℃时,应变发展过程曲线比较平缓,在这两级温度荷载下,变形趋于稳定后,试样应变不超过1.5%,而当温度由-1.0℃变为-0.5℃时,应变量与变形速率急剧增加,变形趋于稳定后,其应变增加达2.5%,而当温度由-0.5℃变为-0.3℃时,其应变速率相比前阶段变化不大。在-0.5℃,-0.3℃这两级温度荷载作用下,试样的应变量占总应变量的70%以上。表明高含冰量冻土在剧烈相变区内,温度的极小变化,会引起冻土应变量的急剧增加,其力学性质会发生很大的变化,特别是当温度接近土体冻结温度时,其变化尤为明显。图4~6为不同含水量试样在各级温度下的压缩量,由图可知:在温度相对较低的-1.5℃,-1.0℃下,冻土的压缩量较小,然后随着温度的升高,在-0.5℃这一级温度荷载下的压缩量达到最大值,而当温度升到-0.3℃时,压缩量又变小。产生这种现象的主要原因是:(1)冰在压力作用下要部分发生融化及随之而产生的未冻水迁移、渗滤和重结晶,再加上固态冰和矿物颗粒在压力与温度作用下的压密和位移,导致冻土在压缩过程中体积和结构的变化;(2)恒载变温压缩过程是一个非常复杂的物理力学过程,随着温度升高,冻土试样中未冻水含量发生巨大变化。由图7可知:在-1.5℃,-1.0℃时,冻土中的未冻水含量较小,此时冻土的结构性相对较好,颗粒之间存在一定黏聚力,从而使冻土在-1.5℃,-1.0℃温度荷载下的压缩变形量较小,然后随着温度的升高,冻土中的未冻水含水量增加,在温度与外力的影响下,冻土结构受到一定的破坏,且部分未冻水从试样中排出,冻土发生固结变形,导致较大的压缩量,而当温度进一步升高时,由于部分未冻水已经排出,冻土部分固结,未冻水含量相对减小,所以在-0.3℃温度荷载下产生的压缩量比在-0.5℃温度荷载下产生的压缩量小。压缩性是冻土的重要力学性质之一,本文所讨论的压缩性为压缩系数αΣ系指冻土试样在恒载变温作用下压缩变形稳定后的总相对压缩系数,可由下式计算:式中:h为试样高度,P为载荷,∑S∞为在恒载变温条件下变形稳定后的累加压缩量。图8~10为不同含水量条件下试样压缩系数与温度的关系曲线,由图可知,在高温区(-1.5℃~-0.3℃)内,当含水量分别为40%,80%,120%时,温度为-1.5℃时,压缩系数分别为0.04,0.03,0.04MPa-1;温度为-0.3℃时,压缩系数分别为0.27,0.29,0.29MPa-1。可见冻土压缩系数与含水量的关系不大,主要与温度有关。压缩系数随温度的升高而显著增大,温度是影响冻土压缩系数的主要因素,其变化规律可近似地用指数方程描述:式中:T为冻土负温绝对值;a,b为试验参数,主要取决于土质,含水量及压力等。4路堤下土层的热物理参数根据张建明等提出的冻土路基沉降变形计算模型(式6),采用含水量为80%时的冻土压缩系数曲线(图9)进行计算。式中:S为路基总沉降变形量;1S为冻土融化产生的变形量;S2为冻土融化后的压缩变形量;S3为高温冻土的压缩变形量;iA为冻土的融沉系数;ih,hj为计算分层厚度;αi为冻土的融化压缩系数;iP,Pj为计算土层所受压力;∆αjΣ为冻土因温度升高而引起的压缩系数的变化。参照现场实际情况,计算几何模型中路面宽度取为10m,路堤边坡坡率取为1∶1.5,路基两侧计算宽度为路堤坡脚各向外延伸30m,计算深度为天然地面以下30m,路堤高度取1,2,3,4,5,6m六种情况。计算区域按土的岩性分为5层:卵石土(路堤填土),碎石亚砂土(0~0.5m),砾砂(0.5~2.0m),亚黏土(2.0~8.0m),砂岩夹泥岩(8.0~30m),如图11所示,各层土热学参数如表1。计算中取有效压缩层为天然地面以下2~8m的冻土层。融沉系数A=0.084,融化压缩系数α=0.45MPa-1,路基中心位置土层所受的压力按P=ρgh计算,ρ为计算土层上覆土的平均天然密度(取ρ=2100kg/m3),h为路面至计算土层的深度。根据路基土层地温剖面计算精度,变形计算的分层厚度取h=0.25m。计算区域上边界温度条件采用下式:式中:0T为下附面层底的年平均地温,计算中取-0.5℃,-1.0℃两种情况,按照“附面层”原理,对应路堤表面0T的取值见表2;α为未来50a内由全球升温引起的上边界年平均温度的增温率,取值2℃/(50a);t为路基的运行时间(h);A为上边界温度的年振幅,对天然地表:A=11.5℃;对砂砾路面:A=14.5℃,π/2为计算的初始相位(对应一年中上边界温度最高的时刻)。计算区域两侧设为绝热边界,下部边界条件取温度梯度0.03℃/m。考虑到路基两侧选取的计算宽度较大,且模型以路堤中心线为对称,故取其一半进行计算,如图12所示。将上述边界条件、初始条件及土层的热物理参数代入模型中进行有限元计算可得路基沉降变形随时间发展的过程曲线,图13,14为年平均地温分别为-1.0℃,-0.5℃时不同路堤高度条件下冻土路基沉降变形过程曲线。从图中可以看出,对于砂砾路面,当路堤高度大于临界高度时,沉降变形随路堤高度的增大而增大,在未来50a内路基的最大沉降量约为20cm,路基变形符合铁路稳定性要求,路基结构是稳定的;而当路堤高度小于临界高度时,路基下冻土随着时间的延长会发生融化,产生融沉变形,导致路基变形急剧增大,造成路基失稳。如此表明,融沉变形是路基失稳的主要原因。所以对于多年冻土区路基稳定性而言,保证其热稳定性是第一位的,当路基热稳定性能满足设计要求时,路基将不会发生失稳破坏。5偏温下冻土压缩系数随温度变化的规律通过室内高温–高含冰量冻土压缩试验及路基沉降变形计算,可得出以下结论:(1)恒载变温过程中,冻土在温度相对较低的-1.5℃,-1.0℃下,变形趋于稳定后,冻土的压缩量较小,在-0.5℃温度荷载下,变形趋于稳定时,冻土的压缩量达到最大值,而在-0.3℃荷载下,当变形趋于稳定时,冻土的压缩量又变小。在-0.5℃,-0.3℃两级温度荷载下的压缩量约占总压缩量的70%以上。(2)温度对高温–高含冰量冻土的压缩系数影响很大,是影响压缩系数的主要因素,在高温区内,压缩系数随温度的升高而显著增大,其变化规律可近似地用指