应力释放孔缓解细颗粒填料冻胀效果研究

杨宝庆

(吉林东煤建筑基础工程公司，吉林 长春 130061)

1 概述

冻土是指温度不大于0 ℃，且含有冰的特殊土体[1-2]。地表上多年冻土、季节性冻土和短时冻土约占全球陆地面积的50%，其中季节性冻土面积约占陆地面积的20%，大约有35%公路和铁路线路运营于季节冻土区。在中国，大约有53.5%的面积属于季节性冻土，大约30%的交通线路运营于深季节性冻土地区，75%的交通线路运营于季节性冻土地区和短时冻土地区[3-4]。而季冻区常见的病害，例如冻胀融沉[5-6]、翻浆冒泥[7-8]、道砟陷槽[9]、下沉外挤[10]等，常常限制了铁路线路的正常运营，甚至威胁到行车的安全性。虽然目前学者专家已经针对性地提出了诸多有效的处治措施，但是由于冻胀的不均匀性，对于路基土体的冻胀处治仍然有待研究。本文基于室内单向冻结试验，通过在土体中设置应力释放孔，开展缓解土体冻胀的效果研究，拟为处治季冻区路基冻胀提出一种新思路。

2 试验设计

2.1 土样的物理特性

本文试验土体取自中国山西神木—朔州重载铁路里程K222+800～K223+300路基段，该路段冻害较为严重，如图1所示。

试验土体为低液限粉土，土样成暗黄色，为冻胀敏感性土，具有一定的代表性，其颗粒分布曲线如图2所示。试验土样的物性参数如表1所示。

表1 填料的物理力学参数

2.2 试验过程及方法

研究在开放补水条件下共进行了7组单向冻结试验，具体的试验方案见表2。将制得的土样放置在恒温为1 ℃的低温室中6 h后，开启补水系统，同时调节冷浴系统，设置顶板(冷端)温度为-5 ℃，顶板(暖端)温度为1 ℃。试样规格为直径×高度=150 mm×150 mm。补水系统是由橡胶软管连接马氏瓶与底板补水孔来完成，应力释放孔通过PVC管在土样中心取土得到。试验共进行了土样的冻胀量和含水量测量，其中，通过设置在冷端顶板的高精度位移百分表实时监测土样冻结过程中的冻胀量变化，试验结束后自暖端按10 mm每层测得土体的含水量变化。

表2 试验设计方案

表2中孔洞率为应力释放孔截面积与土样截面积的比值。计算式为：

孔洞率=[(π·r2)/(π·R2)]×100%

(1)

其中，r为孔洞的半径，mm；R为土样的半径，mm，如图3所示。

两种填充材料的组成及配比方案如表3，表4所示。

表3 聚苯乙烯(EPS)为骨架的填充材料及配比

表4 橡胶颗粒(Rubber)为骨架的填充材料及配比

3 试验结果分析

3.1 填充材料对土体冻胀的影响

图4为应力释放孔内填充不同材料下冻胀变形的变化过程，可以知道，土样在冻结过程中的变形规律基本相同，存在较明显的阶段性特征，主要可以阐述为冻胀迅速发展阶段、冻胀减缓阶段和冻胀稳定阶段。但是相较于对照组，土体在有应力释放孔的条件下，土体的冻胀变形量明显小于对照组，冻胀发展也存在较为明显的滞后，试验组的土体在冻结发生约12 h～16 h后开始出现显著冻胀变形增长，进入冻胀迅速发展阶段。

经过72 h的冻结后，对照组的冻胀量达到了6.89 mm，而10%EPS，15%EPS，20%EPS三种工况下的冻胀量为4.49 mm，3.82 mm，3.25 mm，仅为对照组的0.472～0.653，75%Rubber，80%Rubber，85%Rubber工况下的冻胀量为4.15 mm，3.09 mm，2.53 mm，仅为对照组的0.368～0.603，试验结果说明应力释放孔的存在能够有效地缓解土体冻胀变形的，并且其缓解冻胀变形的效果与孔内填充材料的配比有较大的关系，骨架材料含量越高，效果越佳。同时，骨架材料的类型也对效果有着一定的影响，由图4可知，橡胶类材料较聚苯乙烯类材料要更优。

由土样冻胀速率变化过程图(如图5所示)可知，试验组较对照组冻胀速率的变化幅度小，这是因为应力释放孔的存在，使得土体在冻结过程中沿孔洞方向发生横向冻胀位移，从而减小了土体竖向冻胀位移量，因而冻结速率变化较小。

3.2 填充材料对水分迁移的影响

图6为土样冻结后的含水率分布图，从图6中可以看出，冻结后的土样水分发生了明显的迁移现象，在冻结区域的含水量高于初始含水量，且在冻结缘位置的水分迁移量大，在未冻结区域的含水量低于初始含水量，这是因为土体在冻结过程中，水分持续不断地从未冻结区域向冻结缘迁移导致。试验组由于应力释放孔的存在，冻结缘处的水分迁移量明显高于对照组，这说明在实际工程中，需要考虑应力释放孔与地下水位高度的关系。

4 讨论

表5为7组冻结试验结束后的试验结果，可以看出，填充材料的灌入借助其自身孔隙比土体大的优势，能够在土体冻结过程中，通过自身的挤密收缩来适应应力释放孔的径向收缩变形，从而有效地抑制土体的冻胀作用。同时，从表5中可以知道，橡胶材料较聚苯乙烯材料为骨架的填充物，缓解冻胀效果更佳。

表5 各土样的试验结果

5 结语

为了研究应力释放孔缓解土体冻胀的效果，本文开展了开放系统下单向冻结柱试验，初步得到如下几点结论：

1)在土体中设置应力释放孔能够有效地缓解土体冻胀，且效果较为明显；在土体冻结过程中，冻胀变形及水分迁移规律基本一致，设置应力释放孔的土体水分迁移作用增强。

2)应力释放孔中的填充材料对土体的冻胀效果有较大影响，由试验结果可知，以橡胶材料为骨架的填充物比聚苯乙烯材料为骨架的填充物，缓解土体冻胀的效果更佳。

3)由于应力释放孔的存在，土体冻结过程中的水分迁移作用有增强，这需要注意的是，考虑到实际工程中水侵害的问题，应力释放孔的大小及深度需要严格控制，以避免地下水侵入孔内。