冻融循环作用下路基黏土小应变剪切模量试验研究

林 波，刘 磊，谢文博

(保利长大海外工程有限公司 广州市 510623)

0 引言

冻融循环作用是指冻土地区的土体在大气温度周期性变化过程中内部液态水、固态冰与气态水相互转变，并与外部环境不断进行物质和能量交换的一种物理风化现象[1]。冻融循环作用对路基造成的破坏主要表现为冻胀、融沉、翻浆、不均匀沉降等季冻区特有病害，继而对路面结构的稳定性造成巨大影响，致使交通设施不能发挥应有的便捷、安全、舒适等功能[2]。冻融作用对土体性能影响的研究进展持续百年，研究成果十分丰富，用来评估冻融作用影响的考察指标多达数十种[3]。在众多的考察指标中，小应变剪切模量对试验条件的反应十分敏感，是评估冻融作用对土体力学性能影响的重要指标之一[4-6]。所谓小应变剪切模量，是指大于0.001%而小于1%的应变[7]，快速有效的获取土体的小应变剪切模量是岩土工程领域的研究热点。弯曲元剪切波速试验是一种快速且无损的检测手段，可获取应变小于10-6下土体的剪切模量[8]，所测得的剪切模量被称为小应变剪切模量Gmax。

以小应变剪切模量作为考察指标，以弯曲元剪切波速试验为考察手段，调查不同冻融循环次数后路基黏土的性能变化规律，定量地评价路基土小应变剪切模量的演化规律，研究结论有助于从不同的角度揭示冻融循环作用对土体结构性能的影响。

1 弯曲元剪切波速试验系统

弯曲元剪切波速测试试验原理简明、操作简单，技术细节可参考文献[8]的系统研究。简单而言，弯曲元分为发射元和接收元两部分。发射元在激振信号下产生剪切波，通过试件之后被接收元接受，这一过程被示波器显示并储存，分析获取剪切波在试件内部的传播时间，由于试件的尺寸已知，通过计算即可得到剪切波速。进一步地，再利用如式(1)所示转换关系得到小应变剪切模量Gmax。

(1)

式中：ρ为土体密度，单位kg/m3，取为冻融循环作用后试件的整体密度；νs为剪切波速，单位m/s。剪切波速测试系统如图1所示。

2 冻融循环试验

冻融作用对土体性能的影响程度取决于土的粒径分布、孔隙形态以及初始含水率[3]。据此将研究变量选定为初始压实度和冻融循环次数，方案见表1所示。试件的高度为125mm、直径为61.8mm。90%、94%和98%初始压实度下饱和试件的含水率依次为32.4%、26.3%和21.9%，初始密度分别为1.94g/cm3、1.95g/cm3和1.97g/cm3。冻融循环次数选定为0、1、3、5和7次，其中94%压实度的额外进行了第9、第11次冻融。

表1 剪切波速试验方案

试验过程中记录每次冻融循环后试件的体积和质量，以便获取试件在不同冻融次数之后的真实密度。

弯曲元的测点布置见图2所示，每完成一次冻融循环后对试件进行剪切波速测试。将试件沿着高度方向五等分得到4个分界点，再取中间两个分界点的中点为第5个分界点，并保证这5个分界点处于同一条垂线上，以此获取了5组水平截面，从上往下依次记作第1、第2、第3、第4、第5平面。在每个分界点上布置一个弯曲元发射端，在与其同水平面的对称点上布置弯曲元的接收端，如此构成一组测试点。a1和c1即为第一组对称的测试点。沿着试件高度方向自上而下得到另外4组测点，依次为a2和c2、a3和c3、a4和c4以及a5和c5，分配这5组测试点用来测试振动方向垂直于对应水平面的剪切波波速。在与a1c1c5a5平面垂直的平面上相应位置布置另外5组测试点，用来测试振动方向平行于对应水平面的剪切波波速。同时，在试件顶、底面中心处布置一组测试点e1和e2用来测试振动方向平行于该垂直截面的剪切波波速。

图2 测点的布局图(单位：mm)

3 试验结果及分析

本试验采用频率为100Hz、幅值为1.5V的方波作为输入波，将频率小于500Hz且大于60000Hz的接收波进行过滤，能够获取理想的试验结果。利用初达波法[8]确定上述剪切波的传播时间Δt为951.2μs，Δt=Δt1+Δt2，其中Δt1为剪切波在土体中传播的真实时间，Δt2为剪切波在测试系统中的延滞时间。将发射元和接收元接触而不产生挤压，即令Δt1=0获取Δt2为8.2μs。据此得到剪切波在土体中传播的真实时间Δt1为Δt-8.2μs。表2为各个工况下剪切波速测试结果。

表2 剪切波速测试结果 m/s

利用式(1)将表2所示的剪切波速进行转换，即可得到试件内部不同断面上小应变剪切模量Gmax，将其与冻融循环次数画图，分析二者的演化规律。

3.1 小应变剪切模量Ghh演化规律

图3中Ghh-1指的是图2所示第一个水平面(a1b1c1d1)上的水平剪切模量，Ghh-2指的是第二个水平面(a2b2c2d2)上的水平剪切模量，以此类推。饱和黏土的小应变剪切模量Ghh随着冻融循环次数的增加呈现出先急剧降低、随后缓慢降低的趋势。相对于0次冻融循环，7次冻融循环之后90%、94%和98%初始压实度试件的小应变剪切模量Ghh分别损失60.4%、49.7%、46.8%。

图3 Ghh与冻融循环次数的关系

3.2 小应变剪切模量Ghv演化规律

图4中Ghv-1指的是图2所示第一个水平面(a1b1c1d1)上的垂直剪切模量。Ghv随着冻融循环次数增加呈现出先急剧降低、随后缓慢降低的趋势。相对于0次冻融循环，7次冻融循环之后90%、94%和98%初始压实度试件的小应变剪切模量Ghv分别损失57.7%、48.9%、50.5%。

图4 Ghv与冻融循环次数的关系

3.3 小应变剪切模量Gvh演化规律

图5中Gvh指的是图2所示垂直面上的水平剪切模量。Gvh与冻融循环次数的增减关系与Ghh和Ghv相同。相对于0次冻融循环，7次冻融循环之后90%、94%和98%初始压实度试件的小应变剪切模量Gvh分别损失56.1%、51.1%、55.0%。

图5 Gvh与冻融循环次数的关系

4 结论

小应变剪切模量可较好地反映冻融循环作用下饱和路基黏土强度衰减的特性。总体而言，随着冻融循环次数的增加，路基黏土的小应变剪切模量降低，当循环次数达到7次以后，冻融的影响将趋于平缓。趋于平缓后的试件小应变剪切模量损失量约为未发生冻融时的46.8%～60.4%不等。从冻融作用的机理来看，冻结过程中土体孔隙内部的水分凝结成冰，体积增加十分之一，势必会对土颗粒之间原有的胶结、联结状态造成破坏，从而引起土体结构发生改变，由于饱和黏土具有较高的塑性，这种结构改变并不可逆，综合表现为试件的小应变剪切模量发生衰减，而且含水率越高，试件结构受冻融循环作用的影响越明显。本研究结论有助于加深冻融循环作用对土体结构影响的理解。