基于泊松效应抑制低液限粉土填料冻胀效果试验研究

沈宇鹏，张俞尧，左瑞芳，刘晓强，田亚护，刘建坤

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

我国幅员辽阔，气候迥异，形成了多种特殊的区域环境。地表冬季冻结、暖季融化的季节性冻土区遍及长江流域以北的整个区域。特别在冻结深度超过0.5 m以上的高寒地区，冻胀和融沉危害普遍存在，且颗粒粒径在0.05～0.005 mm的粉粒土类的冻胀更加显著[1]。一旦将粉土作为路基填料，铁路路基将会出现显著的冻胀病害。高寒季节性冻土区因铁路路基冻胀引起的破坏会造成巨大的经济和社会损失，如何缓解路基冻胀一直是工程技术人员的重大课题。近年来，国内外学者以改变冻胀产生的内外界因素为出发点，提出了诸多抑制冻胀危害的工程措施，如路基排水[2-4]、填料换填[5-8]和保温[9-13]等。但以利用泊松效应在冻胀过程中容许冻胀变形部分释放为出发点，抑制冻胀的工程措施的研究成果较少。

脆性围岩隧道的应力释放孔原理是利用泊松效应将掌子面上高地应力引起的竖向应变部分转换为应力释放孔中的径向应变，从而减弱掌子面附近围岩的应力集中[14-16]。本文将用于减弱隧道岩爆的应力释放孔引入季节性冻土区铁路路基中，通过室内单向冻结试验，开展路基中设置应力释放孔抑制粉土填料的冻胀效果研究。

1 试验简介

1.1 土样

表1 试验土体基本物理力学指标

图1 土体颗粒级配曲线

1.2 试验装置

单向冻结试验的试验装置如图2所示。

图2 单向冻结试验装置示意图

试验筒的材质为透明有机玻璃，整体规格为直径150 mm、高200 mm，外壁包裹保温棉保温绝热，确保单向冻结，试验筒侧壁预留有温度计插孔。试样筒上、下顶板为温度控制端，在上顶板设置高精度数显位移百分表，顶板与各自的冷浴循环系统相连接，控温精度为±0.01 ℃。

1.3 设置应力释放孔试样的制备

土样分5层压实填入试样筒，制成直径为100 mm、高为150 mm的冻结柱试样，并在试样中心处设置贯穿整个试样的应力释放孔，如图3所示。

图3 设置应力释放孔的冻结柱试样

试样选取2种压实系数0.89和0.93，同时考虑2种不同初始含水率22.6%和20.7%，考虑3种不同的孔洞率1%，2%和4%，具体见表2。

表2 试样

孔洞率α为应力释放孔截面积与试样总面积的比值，即

(1)

式中：r为孔洞半径，cm；R为试样半径，cm。

因此，应力释放孔孔径为10.00，14.14和20.00 mm分别代表试样孔洞率为1%，2%和4%。

1.4 试验方案

试样制备完成后，在距上顶板0，70和150 mm这3个位置，插入温度传感器测量试样温度。

开启冷浴循环系统及低温室温度控制系统，设定上、下顶板温度及低温室环境温度为1 ℃，待温度传感器测定试样温度均降至1 ℃稳定后开始冻结试验。将试样筒上顶板(冷端)温度设定为-3 ℃和下底板(暖端)设定1 ℃不变，低温室保持环境温度1 ℃，冻结过程持续48 h。

冻结过程中测试的物理量包括冻胀变形、试样温度和含水率。

3个温度传感器记录冻结过程试样的温度变化。上顶板放置的高精度数显位移百分表用于测量试样的冻胀变形量。冻结结束后，在低温室内拆除试样，每10 mm分层测定含水率，用于分析试样中水分最终迁移量。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

图4为设置应力释放孔的冻结柱试样冻结后的冰圈和冰隙。

从图4中可知，设置应力释放孔的土样在冻结过程中会沿着孔洞径向发生有效的横向冻胀变形，进而有效地减少了竖向的冻胀变形量。作用实质即为由于应力释放孔的存在，将常规冻胀会产生的单一的竖向冻胀变形转化为沿应力释放孔径向的横向收缩变形和部分竖向冻胀变形，利用这种泊松效应能有效达到抑制土体冻胀变形的效果。

图4 试样冻结后的冰圈和冰隙图

2.2 应力释放孔抑制冻胀效果

2.2.1 孔洞率对冻胀的影响

图5给出了未设置和设置不同孔洞率应力释放孔时不同压实系数试件的冻胀变形过程。由图5可以看出，不同试样的冻胀变形差别较大，但冻胀变形的增长变化趋势基本一致，且随着孔洞率的增大，试样的冻胀变形显著减小。

图5 不同压实系数和不同孔洞率试样的冻胀变形过程

经过48 h冻结后，压实系数为0.89的未设置应力释放孔试样的冻胀变形为7.33 mm，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀变形分别为3.70，2.85和1.03 mm，仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形的50.48%，38.88%和14.05%；压实系数为0.93的未设置应力释放孔试样的冻胀变形为5.81 mm，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀变形分别为2.81，2.05和0.83 mm，仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形的48.36%，35.28%和14.29%。说明土样在冻结过程中，竖向冻胀应变逐渐向应力释放孔转移，且孔洞率越大，应力释放效果越显著，相应土样的竖向冻胀变形也就越小，达到了抑制冻胀的效果，且效果显著。

土体冻胀速率Vη是单位时间内冻胀变形增量，即

(2)

式中：Δh为冻胀变形增量，mm；Δt为冻结时间增量，h。

土体冻胀速率可反映土体冻胀的变化发展趋势。图6给出了试验试样冻胀速率随时间的变化情况。从图6可以看出：各试样的冻胀速率变化规律差别不大，都随时间延长逐渐减小，最后趋于零；试样的冻胀速率在冻结开始时达到最大后迅速减小，但是在冻结初期，各试样的冻胀速率有较大差别，设置应力释放孔试样的初始冻胀速率较未设置应力释放孔试样要小很多，且不同孔洞率试样的冻胀速率也相差不小，孔洞率越大，冻胀速率越小。

图6 不同压实系数和不同孔洞率试样冻胀速率变化过程

2.2.2 初始含水率对冻胀的影响

工程上常采用总冻胀变形与冻结深度(不包括冻胀变形)的比值表示土体冻胀率η[19]，即

(3)

式中：h为总冻胀变形，mm；h0为冻结深度，mm。

根据温度数据确定的各试样的冻结深度、冻胀变形及冻胀率见表3。从表3可以看出，初始含水率为22.6%时，未设置应力释放孔试样的冻胀率为7.90%，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀率分别为3.84%，2.93%和1.04%；初始含水率为20.7%时，未设置应力释放孔试样的冻胀率为6.17%，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀率为2.89%，2.09%和0.84%。初始含水率为20.7%试样的冻胀率均小于含水率为22.6%的试样，说明当土体在孔洞率一定时，土体的冻胀率随初始含水率的增加而增大，这是因为封闭系统中初始含水量越高，冻结过程中可迁移的水分越多，冻胀效果更加显著。

表3 试样冻胀试验结果

2.3 孔洞率对试样水分迁移的影响

水分迁移聚冰是产生路基冻胀病害的最主要原因。在土体冻胀过程中，当温度降到冻结温度以下时，将形成一个冻土与非冻土区域，即为冻结缘。当孔隙中自由水发生冻结，将在冻结缘生成冰晶体，导致土体中未冻水含量降低，土颗粒周围水膜厚度变小，土水势绝对值增大；而暖端未冻水含量高，土颗粒周围水膜厚度大，土水势绝对值小，这种土水势的存在使土体水分自暖端向冷端迁移，水分将源源不断地向冻结缘迁移、聚集并结晶形成冰透镜体，使得土体冻胀变形逐渐加大。

图7给出了未设置和设置不同孔洞率试样冻结48 h后的含水率变化过程。由图7可以看出：冻结48 h后试样水分出现了明显迁移现象，已冻结区域土样含水率高于初始含水率，而未冻结区域的含水率低于初始含水率，且含水率最大值基本均位于第8～9土层(距冷端80～90 mm)，说明在本试验温度梯度作用下，冻结稳定时的冻结缘发生于该位置，这与计算得到的冻结深度值基本吻合。同时，由图7可知，同一饱和条件下，不同孔洞率的土样水分迁移规律基本一致，且沿土样深度方向的含水率差异不大，说明设置应力释放孔不会改变试样的水分分布。

图7 冻结48 h后土样中含水率变化

3 结 论

(1)应力释放孔对试样冻胀缓解效果明显且抑制效果随孔洞率的增加而更加显著。初始含水率为22.6%时，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀变形分别为3.70，2.85和1.03 mm，仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形50.48%，38.88%和14.05%；初始含水率为20.7%时，孔洞率为1%，2%和4%的试样冻胀变形分别为2.81，2.05和0.83 mm，仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形48.36%，35.28%和14.29%。

(2)含水率是影响冻胀的最主要因素，当试样的孔洞率一定时，初始含水率越高，试样的冻胀率越大。初始含水率为22.6%时，未设置应力释放孔试样的冻胀率为7.90%，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀率分别为 3.84%，2.93%和1.04%；初始含水率为20.7%时，未设置应力释放孔试样的冻胀率为6.17%，孔洞率为1%，2%和4%试样的冻胀率为2.89%，2.09%和0.84%。

(3)试样在设置应力释放孔时，水分迁移规律与未设置孔洞试样基本一致，设置应力释放孔不会改变试样水分分布。