高溫–高含冰量凍土壓縮變形對路基穩定性的影響

1高溫和高含冰量多年凍土地區的路基沉降變形清溪至拉薩全長118公里，632公里。穿過永久性寒冷區域，其中275公里位于高溫冷土區（年平均溫度比1.0）。221公里通過高冰量凍土區（體積大于20%），高冰量-高冰量凍傷區的重疊段為134公里。青藏公路穿越的多年凍土中,年平均地溫高于-1.5℃的高溫凍土段為416km,占整個多年凍土長度的76%。近年來,青藏高原氣候變暖非常顯著,從1996~2001年,多年凍土上限處的地溫以0.08~0.01℃·a-1速率上升,高溫凍土區上限以6.6~2.6cm·a-1速率下降,6~8m處的地溫也以0.053~0.021℃·a-1的速率上升[3~5]。另外,IPCC2001年發布的預測稱“全球表面溫度預計在1990~2100年間升高1.4℃~5.8℃”;而“中國西部環境演變評估”報告則指出,50a后,青藏高原氣溫將升高2.2℃~2.6℃。青藏高原是全球變化的“啟動器”和“放大器”,其升溫更高于全球升溫的平均值。因此,如何保證既是高溫又是高含冰量多年凍土地區的路基穩定性是目前面臨的最大挑戰。高溫凍土的壓縮變形是一種非常復雜的物理、力學過程,這種過程受其所有成分——氣體、液體(未凍水)、黏塑性體(冰)及固體(礦物顆粒)的變形性及遷移作用所控制。1953年,H.A.崔托維奇通過試驗指出,高溫凍土在荷載作用下具有相當高的壓縮性。1982年,朱元林和張家懿通過青藏高原風火山亞黏土及蘭州中砂在凍結狀態下的壓縮試驗指出溫度是影響凍土壓縮系數的主要因素。此外,國內外大量的現場觀測資料也表明,即使在保持路基下多年凍土上限位置不變的情況下,地溫年變化深度范圍內的多年凍土層也會因路基填土及行車荷載的作用而產生較大的壓縮變形量。尤其在高溫凍土及路堤較高地段,其路基沉降變形具有可觀的量級[9~12]。為保證多年凍土區建筑物地基基礎的穩定性,國內外學者對凍土力學性質研究付出了堅持不懈的努力,但由于受當時試驗條件的限制,加之問題本身的復雜性,大量試驗均在較低的溫度條件下進行,對高溫–高含冰量凍土,尤其是溫度接近凍結溫度的研究甚少。同時,由于對問題缺乏認識,以往所有的壓縮試驗均以恒溫變載的方法進行,而工程實際中,在全球氣候變暖及工程活動的雙重作用下,路基下多年凍土的溫度普遍升高,其壓縮過程是一個恒載變溫的過程。高溫–高含冰量凍土在恒載變溫條件下,變形機制如何,變形速率量級如何確定以及這種變形能否在一定的時間內達到穩定,如果變形持續發展下去,是否會對道路的正常運行造成嚴重危害等,所有這些問題都亟待給出明確的回答。所以系統地開展高溫–高含冰量凍土力學性質研究,揭示高含冰量凍土在高溫劇烈相變區的變形特征及隨時間發展過程,對高溫–高含冰量凍土區路基穩定性有重要的現實意義。2試驗計劃2.1試驗系統組成高溫–高含冰量凍土恒載變溫壓縮試驗,對溫度控制精度要求高,利用實驗室現有的儀器不能滿足要求,并且試驗周期長,占用現有儀器極其不經濟,故針對試驗要求研制了自動控溫的高溫–高含冰量凍土壓縮試驗機。儀器主體裝置由制冷系統、控溫系統、加壓系統、數據采集系統及固結儀組成,如圖1所示。制冷系統主要指冰柜以及外部環境控溫的冷庫制冷空調,采用冰柜自身壓縮機進行制冷,中間放置一塊塑料泡沫保溫板,將冰柜內部分成兩部分,左邊放置試驗裝置主機,在其周圍再加一層保溫材料,使其溫度場保持穩定,不受原冰柜壁四周的影響,并且整個冰柜置于有冷庫制冷空調的房中,保持室溫恒定在18℃左右,以減少環境溫度波動對試驗造成影響。溫度控制系統主要由控溫探頭、數控儀、加熱絲、風扇等組成,利用加熱絲和風扇進行空氣對流,在數控儀控制下,得到所需的試驗溫度。加壓系統主要指傳力桿和標準砝碼等,采用標準砝碼直接進行加載。數據采集系統主要由位移傳感器、壓力傳感器、計算機組成,利用16通道(包括壓力、位移及溫度等)的數據采集儀和自行研制的數據采集系統軟件采集數據。固結儀采用南京土壤儀器廠生產的GJY型K0固結儀。2.2冰、水質量比的確定采用冰、水、土三種物質混合體的制樣方法,即根據一個壓縮試樣體積和容重計算出制備一個土樣所需的干土質量及水的質量,把水的質量分為水和冰兩部分,然后按照合適的比例混合,制成所需試樣。具體方法如下:假設試樣總含水量為w,質量為m(實際制樣時質量稍大于m,確保試樣制備過程中的損耗),則所需干土的質量為水的質量為冰的質量為式中:ww為制樣時的含水量,其值隨總含水量的改變而改變。當w=40%時,取ww=25%;當w=80%時,取ww=33%;當w=120%時,取ww=40%。試樣中冰、水都采用純凈水。試樣制備過程為:首先在冰柜中凍結冰塊供制樣用,然后在溫度為-6℃左右的低溫實驗室中將冰砸碎,過0.5cm的土樣篩,取冰粒并稱所需質量。把冰粒和預先置于低溫實驗室的干土混合并攪拌均勻,將預先冷卻的0℃水倒入冰土混合物中充分攪拌均勻。然后將配制好的土體裝入預先冷卻的環刀中,分兩層壓密。為了防止水分喪失,在兩端加上保鮮膜后再放入冰柜中凍結,待凍結48h后,用試驗機將試樣頂出,并用保鮮膜封好,至此試樣制作完畢。2.3試驗設備及加載試驗用土采用青藏鐵路北麓河重塑黏土,其主要物理參數:塑限pW=18.8%,液限LW=36.5%,凍結溫度與含水量的關系如圖2所示。試驗前,預先將壓縮試樣在高溫–高含冰量凍土壓縮試驗裝置中恒溫24h,然后采用實物加載方式進行加載。根據土體凍結溫度及青藏鐵路實際路基高度對下伏凍土的附加應力情況,對載荷為0.1,0.2,0.3MPa,含水量為40%,80%,120%的各種組合,分別進行試驗,溫度主要經歷-1.5℃,-1.0℃,-0.5℃,-0.3℃等4個階段。試樣尺寸為φ61.8mm×40.0mm。試驗以恒載變溫方式進行。試驗時,在每一級溫度荷載下,當壓縮變形趨于穩定后,調節溫度進行下一級溫度荷載試驗,直到試驗結束。以壓縮變形速率小于0.01mm/h為穩定標準。但為了方便試驗結果的分析,先在-1.5℃溫度下進行試驗24h,然后在-1.0℃,-0.5℃,-0.3℃溫度下各進行48h。從試驗結果來看,按上述方案進行試驗時,在各級溫度荷載下的壓縮變形速率均滿足穩定標準。3凍土試樣壓縮特性圖3為典型恒載變溫壓縮過程曲線,從圖中可以看出,在溫度為-1.5℃,-1.0℃時,應變發展過程曲線比較平緩,在這兩級溫度荷載下,變形趨于穩定后,試樣應變不超過1.5%,而當溫度由-1.0℃變為-0.5℃時,應變量與變形速率急劇增加,變形趨于穩定后,其應變增加達2.5%,而當溫度由-0.5℃變為-0.3℃時,其應變速率相比前階段變化不大。在-0.5℃,-0.3℃這兩級溫度荷載作用下,試樣的應變量占總應變量的70%以上。表明高含冰量凍土在劇烈相變區內,溫度的極小變化,會引起凍土應變量的急劇增加,其力學性質會發生很大的變化,特別是當溫度接近土體凍結溫度時,其變化尤為明顯。圖4~6為不同含水量試樣在各級溫度下的壓縮量,由圖可知:在溫度相對較低的-1.5℃,-1.0℃下,凍土的壓縮量較小,然后隨著溫度的升高,在-0.5℃這一級溫度荷載下的壓縮量達到最大值,而當溫度升到-0.3℃時,壓縮量又變小。產生這種現象的主要原因是:(1)冰在壓力作用下要部分發生融化及隨之而產生的未凍水遷移、滲濾和重結晶,再加上固態冰和礦物顆粒在壓力與溫度作用下的壓密和位移,導致凍土在壓縮過程中體積和結構的變化;(2)恒載變溫壓縮過程是一個非常復雜的物理力學過程,隨著溫度升高,凍土試樣中未凍水含量發生巨大變化。由圖7可知:在-1.5℃,-1.0℃時,凍土中的未凍水含量較小,此時凍土的結構性相對較好,顆粒之間存在一定黏聚力,從而使凍土在-1.5℃,-1.0℃溫度荷載下的壓縮變形量較小,然后隨著溫度的升高,凍土中的未凍水含水量增加,在溫度與外力的影響下,凍土結構受到一定的破壞,且部分未凍水從試樣中排出,凍土發生固結變形,導致較大的壓縮量,而當溫度進一步升高時,由于部分未凍水已經排出,凍土部分固結,未凍水含量相對減小,所以在-0.3℃溫度荷載下產生的壓縮量比在-0.5℃溫度荷載下產生的壓縮量小。壓縮性是凍土的重要力學性質之一,本文所討論的壓縮性為壓縮系數αΣ系指凍土試樣在恒載變溫作用下壓縮變形穩定后的總相對壓縮系數,可由下式計算:式中:h為試樣高度,P為載荷,∑S∞為在恒載變溫條件下變形穩定后的累加壓縮量。圖8~10為不同含水量條件下試樣壓縮系數與溫度的關系曲線,由圖可知,在高溫區(-1.5℃~-0.3℃)內,當含水量分別為40%,80%,120%時,溫度為-1.5℃時,壓縮系數分別為0.04,0.03,0.04MPa-1;溫度為-0.3℃時,壓縮系數分別為0.27,0.29,0.29MPa-1。可見凍土壓縮系數與含水量的關系不大,主要與溫度有關。壓縮系數隨溫度的升高而顯著增大,溫度是影響凍土壓縮系數的主要因素,其變化規律可近似地用指數方程描述:式中:T為凍土負溫絕對值;a,b為試驗參數,主要取決于土質,含水量及壓力等。4路堤下土層的熱物理參數根據張建明等提出的凍土路基沉降變形計算模型(式6),采用含水量為80%時的凍土壓縮系數曲線(圖9)進行計算。式中:S為路基總沉降變形量;1S為凍土融化產生的變形量;S2為凍土融化后的壓縮變形量;S3為高溫凍土的壓縮變形量;iA為凍土的融沉系數;ih,hj為計算分層厚度;αi為凍土的融化壓縮系數;iP,Pj為計算土層所受壓力;?αjΣ為凍土因溫度升高而引起的壓縮系數的變化。參照現場實際情況,計算幾何模型中路面寬度取為10m,路堤邊坡坡率取為1∶1.5,路基兩側計算寬度為路堤坡腳各向外延伸30m,計算深度為天然地面以下30m,路堤高度取1,2,3,4,5,6m六種情況。計算區域按土的巖性分為5層:卵石土(路堤填土),碎石亞砂土(0~0.5m),礫砂(0.5~2.0m),亞黏土(2.0~8.0m),砂巖夾泥巖(8.0~30m),如圖11所示,各層土熱學參數如表1。計算中取有效壓縮層為天然地面以下2~8m的凍土層。融沉系數A=0.084,融化壓縮系數α=0.45MPa-1,路基中心位置土層所受的壓力按P=ρgh計算,ρ為計算土層上覆土的平均天然密度(取ρ=2100kg/m3),h為路面至計算土層的深度。根據路基土層地溫剖面計算精度,變形計算的分層厚度取h=0.25m。計算區域上邊界溫度條件采用下式:式中:0T為下附面層底的年平均地溫,計算中取-0.5℃,-1.0℃兩種情況,按照“附面層”原理,對應路堤表面0T的取值見表2;α為未來50a內由全球升溫引起的上邊界年平均溫度的增溫率,取值2℃/(50a);t為路基的運行時間(h);A為上邊界溫度的年振幅,對天然地表:A=11.5℃;對砂礫路面:A=14.5℃,π/2為計算的初始相位(對應一年中上邊界溫度最高的時刻)。計算區域兩側設為絕熱邊界,下部邊界條件取溫度梯度0.03℃/m。考慮到路基兩側選取的計算寬度較大,且模型以路堤中心線為對稱,故取其一半進行計算,如圖12所示。將上述邊界條件、初始條件及土層的熱物理參數代入模型中進行有限元計算可得路基沉降變形隨時間發展的過程曲線,圖13,14為年平均地溫分別為-1.0℃,-0.5℃時不同路堤高度條件下凍土路基沉降變形過程曲線。從圖中可以看出,對于砂礫路面,當路堤高度大于臨界高度時,沉降變形隨路堤高度的增大而增大,在未來50a內路基的最大沉降量約為20cm,路基變形符合鐵路穩定性要求,路基結構是穩定的;而當路堤高度小于臨界高度時,路基下凍土隨著時間的延長會發生融化,產生融沉變形,導致路基變形急劇增大,造成路基失穩。如此表明,融沉變形是路基失穩的主要原因。所以對于多年凍土區路基穩定性而言,保證其熱穩定性是第一位的,當路基熱穩定性能滿足設計要求時,路基將不會發生失穩破壞。5偏溫下凍土壓縮系數隨溫度變化的規律通過室內高溫–高含冰量凍土壓縮試驗及路基沉降變形計算,可得出以下結論:(1)恒載變溫過程中,凍土在溫度相對較低的-1.5℃,-1.0℃下,變形趨于穩定后,凍土的壓縮量較小,在-0.5℃溫度荷載下,變形趨于穩定時,凍土的壓縮量達到最大值,而在-0.3℃荷載下,當變形趨于穩定時,凍土的壓縮量又變小。在-0.5℃,-0.3℃兩級溫度荷載下的壓縮量約占總壓縮量的70%以上。(2)溫度對高溫–高含冰量凍土的壓縮系數影響很大,是影響壓縮系數的主要因素,在高溫區內,壓縮系數隨溫度的升高而顯著增大,其變化規律可近似地用指