道路坚实冰雪三轴加载破坏特性试验

李亚芹 王俊发 李晓霞 庄腾飞 邱新伟

道路坚实冰雪三轴加载破坏特性试验

李亚芹 王俊发 李晓霞 庄腾飞 邱新伟

研究了道路坚实冰雪的形成过程，分析了其微观及宏观特性。利用三轴加载破坏试验对自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压坚实冰雪的破坏特性进行了研究，获得了三种冰雪的轴向应变与主应力差的关系曲线。试验结果表明，自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压雪样的轴向应变值分别为14％、13％、12.5％时发生断裂破坏，破坏的主应力差值分别为38.5KPa、75KPa、280KPa。试验分析发现冰雪孔隙度越大，受温度影响越大，融化速率越大。

我国北方大部分地区冬季降雪期每年长达3～5个月，一些高寒地区降雪期可持续5～6个月左右，降雪周期长、雪量大、范围广。由于浮雪清除不及时，路面积雪形成了高密度、高硬度的坚实冰雪。目前，冰雪清除机具种类较多，其中清除浮雪的机械以铲式、螺旋抛雪及清扫器为主，清除坚实冰雪的机械按除雪关键部件的结构及工作原理分为铲式、滚压式、锤式、振动式、铲剁式等。浮雪清除技术源自国外，相对成熟。但坚实冰雪清除技术存在机器笨重、粗糙、作业速度及技术水平低、避障功能不理想、对机具及路面保护能力差等缺点。究其原因，主要是除雪机具研发过程中对冰雪特性研究不足，因而对冰雪破坏特性的研究对除雪机具的合理研发具有重要的参考意义。

坚实冰雪形成过程

冬季路面积雪经过车辆和行人的碾压、温度变化导致的反复融冻，密度小的积雪形成了密度大、硬度大、表面结冰、内部含杂、质地坚硬且与路面粘结牢固的坚实冰雪，一般密度大于450kg/m3的冰雪定义为坚实冰雪，如图1所示。在相同的时间历程作用下，自然融冻、行人踩踏和车辆碾压的坚实冰雪所体现的状态与特性不同，其宏观与微观形态也不同。

坚实冰雪宏观特性

宏观角度分析认为，坚实冰雪的形成行人及车辆碾压、汽车尾气、温度的综合作用下，冰雪融化为含杂液体，经低温再冻结的过程。由于冰雪颗粒经车辆、行人反复碾压及外界温度升高后产生融化现象，使坚实冰雪内部最初含有少量的过冷水，因而未完全冻实的坚实冰雪由过冷水、杂质、气泡、冰雪颗粒组成。当外界温度继续下降，这部分过冷水会在杂质与冰雪晶体间缓慢流动，经过互溶及冷热交换，流动的过冷水逐层冻结，最终与杂质、冰雪冻结成为一体。

坚实冰雪微观特性

微观角度观察认为，坚实冰雪的形成随温度降低过冷水中出现大于临界尺寸的冰核，且冰核在过冷水中慢慢长大的过程。坚实冰雪在车辆、行人压实功能作用下，克服粒子间的阻力，产生位移，粒子重新排列组合，冰雪粒子间、冰雪与杂质粒子间的孔隙体积减小、密度增加。当温度下降至过冷水结冰时，互融的过冷水中部分原子自发的按一定规律排列聚集起来形成晶核，使未冻结的过冷水原子以此晶核为依附基体继续聚集排列，同时流动的过冷水遇到冰雪颗粒也循此规律蔓延、冻结，最终生长成冰雪晶粒。在晶粒缝隙间过冷水的作用下，循此规律，若干含冰雪晶粒和含杂质的晶粒聚集、粘结到一起形成了宏观的坚实冰雪。

图1 佳木斯市向阳区学府路面坚实冰雪断面（2014年12月29日）

图2所示为坚实冰雪微融状态下通过SteREO Discovery.V12体视显微镜放大200倍后观察到的结果。图2观察发现，在微融状态下，坚实冰雪试样中含有大量气泡及少量流动的过冷水。在对试样进行降温处理后，流动的过冷水可再次冻结，有大量的气泡被困在雪粒中，气泡聚集处强度较弱，易破坏。

坚实冰雪三轴加载破坏试验

为研究坚实冰雪破坏特性，对坚实冰雪进行三轴加载试验。通过冰雪加载试验可近似模拟冰雪路面承载时冰雪性能变化情况，分析冰雪承载时应力-应变特性，有助于探索冰雪清除机理，为建立冰雪清除理论提供参考。试验采用不固结不排水法。

图2 坚实冰雪内部融化结构

试验设备

试验选用YYW—Ⅱ型应变控制式无侧限压力仪，该仪器由压力室、周围压力系统、轴向加压系统等组成，如图3所示。

图3 试验仪器

试样制备

在实测气温-25℃、湿度40％的条件下，选取吉林大学南岭校区校园内的道路冰雪，分为自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压三种类型冰雪进行取样，测得冰雪的平均密度分别为375kg/m3、637kg/m3、839kg/m3。根据土工试验规程取冰雪试样直径为39.1mm，因而制样工具采用内径为40mm钻头的手持水钻，如图4所示。试样选自不同路段、不同坚实度的冰雪，为满足试验要求将试样修整为两端整齐、高度80 mm，获得试验试样如图5所示。

图4 试样制备工具

图5 试验中选取的试样

试验结果及分析

将自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压的坚实冰雪制备多组，选取试验所测得的10组数据，如表1所示。

利用式（1）～（3）计算出三种试样的轴向应变、试样校正面积、主应力差。其中主应力差Δσ为剪切破坏时由传力杆加在试件上的竖向压应力。

式中，Δh——试件高度变化，mm h0——试样原高度，mm

ε1——轴向应变，％ A0——试件原始面积，cm2

Aa——试件校正面积，cm2C——测力计率定系数，取2.7

R——量力环读数，1/100mm σ1——最大主应力，kgf/cm3

表1 试验数据表

σ3——最小主应力，kgf/cm3

将试验数据代入式（1）～（3）整理后，以轴向应变为横坐标，主应力差为纵坐标，利用Origin 6.0软件得到围压150KPa、速度3mm/min时轴向应变与主应力差的关系曲线，如图6所示。

图6中曲线1表示为车辆行人共同碾压后的坚实冰雪试样曲线；曲线2表示为行人碾压后坚实冰雪试样曲线；曲线3表示为自然融冻后的坚实冰雪试验曲线。三条曲线的轴向应变与主应力差的初始阶段均出现了反弯，这种反弯现象在传统静三轴仪中较为常见，多为传力轴和试样不良接触造成。赖勇建议反向延长应力应变关系的直线段至横坐标轴，去掉反弯段应变来进行修正。图6曲线分析发现，随轴向应变的增加，主应力差呈先增大后减小，后趋于平稳的趋势，这种变化趋势使轴向应变逐渐增大的过程中存在主应力差最大值，即临界破坏值。分析得到了如表2所示的自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压的三种雪样轴向应变值与主应力差值。

表2 数据分析结果

图6 雪样的轴向应变与主应力差的关系曲线

表2所示的结果表明，车辆行人共同碾压的雪样的主应力差高于另外两种雪样。主要原因为两方面：第一是由于冰雪坚实过程不同，三种雪样的孔隙度各不相同，孔隙度大小关系为：自然融冻＞行人踩踏＞车辆行人共同碾压；第二孔隙度越大，雪样受外界温度影响就越大，冰雪越易融化。试验中压力室的温度高于雪样自身温度，从而导致自然融冻与行人踩踏过的雪样融化速度加快，使得轴向应变增加，主应力差减小。

结语

（1）分析了道路坚实冰雪的特性，从宏观及微观角度分析了坚实冰雪的形成过程。分析发现，冰雪破坏过程为微观冰雪颗粒受到拉伸、压缩、剪切等载荷作用，发生轴向应变、剪应变、颗粒间滑动、沿颗粒边界滑动，最终表现为宏观的断裂破坏。

（2）以自然融冻、行人踩踏、车辆行人共同碾压的三种不同状态的坚实冰雪为研究对象进行了三轴加载破坏试验，获得了三种坚实冰雪轴向应变与主应力差的关系曲线。试验结果表明，导致主应力差值较大原因是三种试样孔隙度不同，温度升高后，其融化速率不同。孔隙度越大，受温度影响越大，融化速率越大。

李亚芹 王俊发 李晓霞 庄腾飞 邱新伟

佳木斯大学机械工程学院

李亚芹（1978-）女，博士，副教授. 研究方向：农业机械与装备；王俊发（1958-）男，博士，教 授. 研究方向：农业机械与装备。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.004

国家自然科学基金项目（51175226）；黑龙江省自然科学基金项目（E201465）；佳木斯大学青年基金项目（Lq2012-34）；佳木斯大学研究生科技创新项目（LZZ2014_009）