冻融循环对粉质粘土动力性能损伤数学模型的研究.pdfVIP

冻融循环对粉质粘土动力性能损伤的数学模型研究1 刘寒冰，魏海斌 吉林大学，长春（130022 ） 摘 要：通过粉质粘土冻融循环后的动三轴试验，研究了粉质粘土作为路基填料的动力特 性，得出了动强度和循环荷载次数及冻融循环次数的数量关系，动模量与冻融循环次数的 关系曲线及动模量损伤数学模型，能够反映每一次冻融循环后的动强度和最大动模量，与 试验对比，预测模型具有较高的精度，可以用来评估冻融循环对粉质粘土路基使用寿命的 影响。 关键词：粉质粘土，冻融循环，动强度，动模量，预测模型 1. 引言 在东北季节性冻土地区，路基的底基层大部分为粉质粘土，在建设初期粉质粘土的强 度较好，但经过几次冻融作用，其强度下降明显，主要原因是，冻融过程使土的含水量、 密实度、结构及其承载能力发生变化，在冻结的土中，由于累积的水份转移成冰透镜体， 从而产生冻胀现象。在融化时，土基含水量增加，但此时土基下层还没有完全溶解，故排 水性失灵，其承载力显著降低，在频繁的荷载作用下，使路面破坏，形成纵、横向裂纹， 在东北季节性冻土地区明显多于 恒温地区。目前的防治方法与措施主要有改良加固法和药 剂法。特别是沥青路面主要依靠基层来满足,这就要求基层材料应具有足够的强度, 以承受路 面荷载作用。而加固材料的冻稳定性对材料的强度影响较大,基层材料多为有孔隙材料,这类 材料在受到冻融循环时,其孔隙内壁受到水冻胀产生附加内力的挤压和松弛的反复作用,在 多次冻融循环作用下,材料强度会全部或部分损失，影响工程使用寿命。冻土是由土颗粒、 水、冰和气体组成的多相物质，土颗粒的分散和压密性、冰的流变性和热力学不稳定性、 水的渗透性等决定了冻土力学性质的复杂性。前人做了大量的试验及理论研究工作，对冻 土力学性质的研究从不同的侧面都有了较为深入的发展[2,3,5]，但是仍有部分领域没有得到 深入地研究。如冻土强度机理及其与流变性的关系、冻土冻融过程的结构性数学模型以及 冻融循环对冻土的力学性质的影响等方面，目前还没有较为系统化、理性化的认识[1] 。为 此，本文试图利用大量的室内试验以及特殊环境下的试验，并利用一定的数学手段对冻融 循环对冻土的力学性质影响、冻土冻融过程的结构性数学模型以及冻土的无冻土的力学性 质，即强度和变形性质，是冻土力学最主要的研究内容，也是寒区工程建设中地基和基础 设计的基本依据。 [8] 20 世纪 70 年代瑞典学者 Fagerlund 提出了抗冻性新的评定方法——极限充水程度法 , 他认为各种材料都有一极限充水程度 Scr,当材料含水量小于极限充水程度时,则冻融循环产 生的破坏极小,而大于极限充水程度时材料的内部结构极易遭受冻融循环破坏,材料的极限 充水程度就成为混凝土抗冻性优劣的关键参数，但是粉质粘土的孔隙水冰点较低且数量多， 检测困难，本文是直接测得粉质粘土在每次冻融循环后的残余动模量，用相对动模量损失 率表示，相应的模型称为动模量冻融损伤模型，其优点是：经冻融循环后粉质粘土在循环 荷载作用下的动力性能直接可获得，损伤度基本能够反映粉质粘土结构的损伤状态，且不 要求过多试件，能方便测试损伤过程，它接近实际情况。 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20030183025 ）的资助。 -1- 2. 试样制备及试验方法 2.1 试样制备 试样选用长春市南岭取土场，其物理性质指标见表 1 表 1 基本物理性质指标 Table 1 Basic physical properities of specimen 塑限 液限 塑性指数 最佳含水率 最大干密度 22.4% 34% 11.6% 21% 1.63