基于泊松效应抑制低液限粉土填料冻胀效果试验研究

文章编号：1001-4632 (2018) 04-0022-06

CHINA RAILWAY SCIENCE

中国铁道科学

Vol. 39 No. 4

July, 2018

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)

摘

要：通过室内单向冻结试验，进行在路基中设置应力释放孔、利用泊松效应抑制低液限粉土填料冻胀

效果的研究。结果表明：应力释放孔能有效地抑制土体竖向冻胀，且抑制效果随孔洞率增大而更加显著，当初 始含水率为22. 6%时，孔洞率为1%, 2%和4%的试样对应的冻胀变形分别为3. 70, 2. 85和1.03 仅为未 设置应力释放孔试样冻胀变形的50. 48%，38. 88%和14 05%;初始含水率为20. 7%时，孔洞率为1%，2%和

4%的试样对应的冻胀变形分别为2. 81, 2. 05和0• 83

仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形的48. 36%，

35. 28%和14. 29%;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，土体的冻胀

变形越大；设置应力释放孔对土样冻结后水分迁移的影响较小，水分迁移规律基本与未设置应力释放孔试样 一致。

关键词：填料；低液限粉土；泊松效应；应力释放孔；冻胀；抑制效果；水分迁移

中图分类号：U213.14

文献标识码：A

doi： 10. 3969/j. issn. 1001-4632. 2018. 04. 04

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，且颗粒粒径在〇. 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。髙寒季节性冻 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M、填料换填[5 8]和保 温>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 应力释放孔引人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。

收稿日期：2017-08-10;修订日期：2018-05-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41772330, 41731281, 51578053)

第一作者：沈宇鹏（1977—)，男，浙江嵊州人，副教授，博士。E-mail: ypshen@bjtu.edu.cn

1试验简介

1.1 土样

试验所用土体取自神（木）朔（州）重载铁路 神池段（K222 + 800—K223 + 300)路基填料。依 据土工试验[17]，该土体的物理力学指标见表1，颗 粒级配曲线如图1所示。土体的最大粒径不超过2

mm，有效粒径屯为0. 011 2 mm，限制粒径c/6。为 0• 051 8 mm,占总质量30%的粒径631=

(表。<^1。）

=

0.175C1。由此可知，该土体粒径分布不匀，中间

粒径颗粒偏多，较小粒径颗粒偏少，属于级配不 良。由于小于0.075 mm的颗粒含量为71.92%， 塑性指数IP = 8. 0,参照TB 10077—2001《铁路工

表1试验土体基本物理力学指标

物理量

最大干密度(〇/(g • cm-3)液限Wi_/%塑限WP/%

量值1.86625.217.2

物理量

塑性指数如

颗粒比重&黏聚力C/kPa内摩擦角VO

量值

82.74538. 6819.4

第4期基于泊松效应抑制低液限粉土填料冻胀效果试验研究23

程岩土分类标准》[18]，该土体为低液限粉土。

1〇〇「 ■—*

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 10

土粒直径0.1/mm

0.010.001

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 置髙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±〇.〇1 °C。

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

种不同的孔洞率1%，2%和4%，具体见表2。

表2

试样

试样编号

压实系数

含水率/%

孔洞率/%

1

0

230. 8922. 6

12445

0

670. 9320. 7

128

4

孔洞率a为应力释放孔截面积与试样总面积的 比值，即

a —

X 100% = ^ X 100%

(1)

式中：r为孔洞半径，cm; i?为试样半径，cm。

因此，应力释放孔孔径为1〇.〇〇，14.14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，在距上顶板〇, 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°C，待温

度传感器测定试样温度均降至1 °C稳定后开始冻结 试验。将试样筒上顶板（冷端）温度设定为一 3 °C 和下底板（暖端）设定1°C不变，低温室保持环境 温度1 °C，冻结过程持续48h。

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，

24

中国铁道科学第39卷

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。

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 5.81mm，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 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。

12

243648

时间/h

(a)压实系数为0.89

〇 12

24

36 48

时间/h

(b)压实系数为0.93

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

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。

土体冻胀速率是单位时间内冻胀变形增 量，即

式中：A/i为冻胀变形增量，mm; A〖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，

⑷压实系数为0.89

图6不同压实系数和不同孔洞率试样冻胀速率变化过程

第4期基于泊松效应抑制低液限粉土填料冻胀效果试验研究25

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。

2.2.2初始含水率对冻账的影响

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 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彳[19]，即

79 =

100%

(3)

式中：A为总冻胀变形，mm; /i。为冻结深 度，mm〇

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

试验含水率/孔洞率/冻胀变

冻结深 冻胀率/编号%

%

形/mm度/mm%106. 2284. 947. 902322.613. 0582.383. 8422. 4184. 692. 93440. 8986. 191.04505.2189. 696. 17612. 4185. 722. 89720.721. 7886. 772.098

4

0. 76

91.40

0.84

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 髙，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，7jC 分将源源不断地向冻结缘迁移、聚集并结晶形成冰

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。

含水率/%

日0/鹋崦雜洱

1125

(a)压实系数为0.89

含水率/%

日3/鹧植雜洱

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

260. 83 _

中国铁道科学

第39卷

，仅为未设置应力释放孔试样冻胀变形 1.04%;初始含水率为20. 7%时，未设置应力释

48.36%，35. 28%和 14. 29%。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，7jC分迁移规律

⑵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

?1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

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。

参

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Experimental Study on Restraining Frost Heave of Silt Filler with

Low Liquid Limit Based on Poisson Effect

SHEN Yupeng, ZHANG Yuyao, ZUO Ruifang, LIU Xiaoqiang,

TIAN Yahu, LIU Jiankun

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing

100044，China)

Abstract： Through indoor unidirectional freezing tests, the effect of setting stress releasing holes in sub­

grade and using Poisson effect to restrain the frost heave of silt filler with low liquid limit was studied. Re­sults show that the stress releasing holes can effectively restrain the vertical frost heave of soil, and the effect is more significant with the increase of hole ratio. When the initial moisture content is 22. 6%, the corresponding frost heave deformation of the specimens with the hole ratios of 1%, 2% and 4% is 3. 70, 2. 85 and 1. 03 mm respectively, which is only 50. 48% 9 38. 88% and 14. 05% of the specimens without stress releasing holes. When the initial moisture content is 20. 7 %, the corresponding frost heave deforma­tion of the specimens with the hole ratios oi 1%9 2% and 4% is 2. 81, 2. 05 and 0. 83 mm respectively, which is only 48. 36%, 35. 28% and 14. 29% of the specimens without stress releasing holes. Moisture content is the most important factor affecting frost heave. When the hole ratio of specimen is certain, the higher the initial moisture content, the greater the frost heave deformation of soil. The stress releasing hole has little effect on moisture migration after soil freezing, and the law of moisture migration is basically the same as that of the specimen without stress releasing hole.

Keywords： Filler； Low liquid limit silt； Poisson effect； Stress releasing hole； Frost heave； Restraining

effect； Moisture migration

(责任编辑吴彬)