季节冻土区高等级公路路基土动态特性试验研究外文翻译资料

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季节冻土区高等级公路路基土动态特性试验研究

HongHuan Cui 1*, YuTao Ma 1, JianKun Liu 2, ZhiYang Wang 1

1.土木工程学院，河北建筑大学，张家口，河北075000，中国

2.土木工程学院，北京交通大学，北京100044，中国

摘 要

摘要针对季节性冻结地区高等级公路路基的冻结损伤，探讨了冻融循环下路基土的动力行为，并提出了参数的变化规律(包括动力强度、动态粘聚力、内摩擦角等);和动态弹性模量的高等级公路-次级土壤的冻融循环次数。这为高等级公路的运行和维护提供参考。结论:(1)在冻融循环后，动态强度呈下降趋势，3个周期后下降60%~70%，5 - 7个周期后保持稳定。(2)随着冻融循环次数的增加，内摩擦角在一定范围内波动，没有明显的变化规律，只呈现出下降趋势，动态内聚力明显下降了约20%~40%，经过7次冻融循环后，趋于稳定。(3)随着冻融循环次数的增加，动态弹性模量和最大动态弹性模量有明显减小的趋势。经过5次冻融循环后，前者下降了30%~40%，然后又恢复了稳定。与此同时，后者下跌了20%~40%。

关键词:季节性冰冻地区;冻融循环;动态行为;动三轴试验;高等级公路路基土

1介绍

路基作为高等级公路的重要组成部分，承载着车轮荷载的重量，支撑着路面结构(Khoury and Zaman, 2004;陈和苏,2011)。因此，在动力荷载作用下，次级土的强度和变形对公路的功能性能有直接影响。影响因素比较复杂，特别是在季节性冰冻地区(Solanki et al.， 2013;Salour et al .,2014)。

作为拥有大量冻土的前三个国家之一，中国北方的季节性冻土地区超过了全国一半的面积(王,2011)。在这些地区，冻融循环至少每年发生一次(Wu et al.， 2015)，重复冻融周期改变土壤的力学行为(Eigenbrod，1996)。当它结冰时，由于水的迁移(Hermansson和Guthrie, 2005)，冻胀发生了。熔融时，包括泥浆泵送在内的冻害现象;坡度坳陷，因为较低的土壤不完全溶解，上层土壤排水限制，导致路基土的承载能力较低(Kweon和Hwang,2013;Solanki et al .,2013)。这些现象在一定程度上影响了高速公路在建设过程中的施工和维护(Cui et al.， 2015)。因此，研究冻融循环对路基土力学性能的影响尤为重要。

中国的高速公路建设进入了一个新的时代，实施了京津冀协同发展的重大战略，并成功地申请了2022年冬季奥运会。同时，冬季和春季路基的冻结和融化将变得越来越明显，由于交通密度的增加、道路使用频率的增加以及温度的变化(Konrad和Nixon, 1994)会造成更严重的破坏。因此，应在建设高等级公路前提供施工和组织参考;研究路基土的动态特性和冻融特性也是十分必要的(He et al., 2010)。

早期对冻融循环土的力学性能的研究得到了长足发展，也取得了许多成果。 Berg et al. (1996)研究了不同细粒土和粗粒土的弹性模量，认为冻土弹性模量比未冻土的弹性模量大两到三个数量级;但未冻土的弹性模量受含水量和土壤类型的影响。Chang et al.(2014)研究冻融循环对青藏粉砂力学性能的影响之后发现冻融循环对粉砂力学性能的影响较大;其静强度、弹性模量和抗剪强度参数在7~9次冻融循环后达到最小值。

近年来，随着我国高等级高速公路和高速铁路在季节性冻土地区的快速发展，冻融循环下土壤的动态特性得到了越来越多的学者的研究。在对路基土进行了大量动态三轴试验后，Simonsen和Isacsson(2001)发现围压对弹性模量的影响很小。随后，Simonsen(2002)通过动态三轴试验研究了冻融循环下各种细粒和粗粒级土的弹性模量。结果表明:冻融循环后，两种类型土壤的弹性模量均有不同程度的降低。Wang et al.(2010)采用了托板法，在0~12次冻融循环下的弹性模量试验中测试了两种不同的路基土。结果表明，随着冻融循环次数的增加，土壤弹性模量随冻融循环次数的增加而减小，在六个周期后趋于稳定。Liu et al.(2011)选择了三种不同塑性极限的季节性冻土路基土，在0~7冻融循环后不同围压下进行三轴压缩试验。根据现场监测数据，Mao et al. (2014) 分析了季节性冻土区次生土壤温度场和水分场的变化规律。研究发现，路堤的最大冰冻深度约为1米，含水率的变化幅度约为5%~29%。将实验室试验与数值模拟相结合，获得了路基的变形规律。

由于其对温度和水的敏感性，细粒土不能直接用作路基填料。因此，石灰(Akoto和Singh, 1986)，水泥(Parsons和Kneebone, 2004;王，2011)和其他材料(Arora和Aydilek, 2005)已经被一些学者研究。目前，对于高等级公路路基随冻融循环次数的增加的静态工作性能，国内外相关研究也取得了一定的成果。然而，由于实验的规模和所涉及的相对复杂的方法，对路基土的动态行为的研究仍不十分普遍。

在上述分析的基础上，本文着重研究了在冻融循环影响下，高等级公路次级土壤的动态行为。通过对冻融循环的动态三轴试验，探讨了冻融循环下路基土动力强度的影响;因此，参数的变化规律——包括动态行为、动态内聚力和内摩擦角;利用冻融循环的数量，建立了高等级公路的动态弹性模量。

2试验设计

试验选取张家口-承德高速公路崇利-古源段的路基土作为试验土样。针对公路工程土体的试验方法，进行了物理性能试验;因此，土壤被认为是淤泥质粘土。图1为土壤粒径分布曲线。表1展示了测试土壤的基本物理特性。

根据压实试验的最佳含水率进行，按《公路路基设计规范》要求，将土样压实至95％。采用分层压实法，保证土壤样品的压实度和高度一致，直径为39.1毫米，高度80毫米。所制备的土壤样品用保鲜膜密封，并在冻融循环中放置24小时。

100土壤的质量百分比小于某一特定粒径(%)

10 1 0.1 0.01土壤粒径(mm)

图1土壤粒径分布曲线

以往的研究表明，经过多次冻融循环后，土壤的强度和模量明显下降。然而，随着冻融温度的变化(Berg et al.， 1996)，力学性能的变化规律不同。根据环境的温度,土壤冻结温度设置为minus;10°C和解冻温度20°C。模拟单向冻结土壤中，将土壤样品放置在多孔泡沫聚乙烯板上;当土壤外部温度被设置为minus;10°C和20°C，土壤中央温度便被监控。研究发现，24小时后内部温度与外部温度一致，所以冻融时间设定为24小时。土壤样本被放置在一个minus;10°C的低温冰箱内,24小时后放入温度为20°C的标准养护室内。当土壤样品解冻时，整个周期被视为一个完整的冻融循环。

探讨冻融循环对参数的影响(包括动态强度、动态内聚力和内摩擦角）;选择0、1、3、5、7、11个冻融循环的土壤样品进行动态三轴试验，分别以20、60、100 kPa对其进行动态三轴试验。采用电液伺服加载系统的TAJ-20静力三轴试验机作为测试仪器。在实际荷载作用下，考虑了次级土的应力控制、单向循环荷载;加载波为半正弦波，频率为1hz。将动态失效准则设定为5%，作为所需的相关信息。然后sigma;d / 2偏量压力不排水条件下,和动态应力半正弦波振幅的sigma;施加动态加载。图2为动态三轴试验装置;图3为单向循环荷载的理论曲线.

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图2动态三轴试验仪。

图3单向循环荷载的理论曲线

3 试验结果

在选取了20、60、100 kPa的围压条件下，在室温条件下，分别选取1、3、5、7、11个冻融循环，进行动态三轴试验。在动态三轴试验后，根据加工数据，绘制了所有参数随冻融循环次数变化规律的变化规律。因此，可以对冻融循环下土壤的动力特性进行分析。

3.1冻融循环下动力强度的影响。

各向同性整合后,样品与不同数量的冻融循环NT受到不同的动态应力振幅sigma;d。根据现有的动态失效准则，可以确定每个样本的失效Nf的振动次数。在这里,sigma;d / 2是土壤的动态强度。然后,动态强度曲线可以得出,lgNf水平轴和垂直轴sigma;d / 2。表2给出了20,60和100kpa围压下的实验结果。

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