1、引用格式：温董瑶，蒋宁山，刘成奎，等升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究安全与环境工程，（）：，y y d ，（）：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究温董瑶，蒋宁山，刘成奎，吕哲琦，李元勋（青海大学土木工程学院，青海 西宁 ；吉林建筑科技学院数字建造学院，吉林 长春 ；青海省建材科学研究院有限责任公司，青海 西宁 ；长春市市政工程设计研究院有限责任公司，吉林 长春 ）摘要：随着高原环境温度升高和道路负荷的加重，青海省冻土区公路病害频发，为提高冻土区公路使用寿命，以青海省 公路沿线冻土地区路基土为研究对象，通过在升温作用下对不同初始环境负温度、振动频率和围压的冻土进行动三轴试验，研究了
2、冻土温度逐年升高对冻土区公路抗振陷能力产生的影响。结果表明：不同初始环境负温度直接升温至相同温度，升温冻土的最大动剪切模量明显大于恒温冻土，升温冻土振陷量随初始环境负温度的降低而增加；冻土由同一初始环境负温度梯度升温时，冻土振陷量随梯度升温值的增加而增大，冻土动剪切模量随梯度升温值的增大而减小，升温冻土间累积应变差值随梯度升温值的增加呈先增大后减小的趋势；振动频率和围压的升高均会增大冻土的动剪切模量，同时提高冻土的抗振陷能力。可见，升温作用和梯度升温值的增大均会降低冻土抗振陷能力，因此在冻土地区进行公路建设时要综合考虑初始环境负温度、梯度升温、振动频率和围压耦合作用的影响，这将有助于提高冻土区
3、公路的使用寿命。关键词：梯度升温；寒区冻土；累积应变；围压；振动频率；路基沉降中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：青海省科技厅项目（）；青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室开放基金计划项目（）作者简介：温董瑶（），硕士研究生，主要研究方向为岩土与地下工程。：通讯作者：蒋宁山（），硕士，副教授，主要从事岩土与地下工程方面的研究工作。：o o o o o o o o o y ，（.，y，；.，d y，；.d .，d.，；.，d.，）：，y y y ，y y y y ，y y y ，；，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 y ，y ，；y y ，
4、y y ，y y ，o ：；y；处于古丝绸南路的青海高海拔多年冻土分布广泛，近年来冻土工程性质急剧下降，冻土上限下降，冻土升温退化。出现冻土升温退化的原因有三个方面：受温室效应影响，全球气候变暖，青藏高原近 年增温速率要比全球同期升温速率高约倍；青海省工程建设发展迅猛，工程作用对冻土的扰动加剧；公路上运行的车辆多为辎重大的大型运输车辆，在冻土温度升高情况下由其引发的动静荷载使得公路变形加剧。因此，开展升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究十分必要。一些学者对不同条件下冻土的累积应变进行了研究，如不同加载振次和加载频率作用，长期循环荷载作 用，最 大 加 载 应 力、温 度 和 加 载 频 率
5、 作用，不同温度、荷载、加载频率作用，加载频率、加载速率作用，机械和热荷载作用，动荷载作用，不同温度、加载频率作用，动应力比、初始孔隙率、固结围压、加载频率、排水条件作用，环境温度和行车振动耦合作用，振动作用 等。学者们通过对不同条件下冻土累积应变的研究，解释了冻土的变形破坏机理，并针对不同破坏机理建立相应的冻土沉降变形模型。但是这些研究大多集中在恒温冻土的变形特性研究，而针对升温后在动荷载作用下冻土沉降变形的研究较少。然而，在温室效应的影响下，冻土升温退化，冻土对温度变化的敏感性使其在升温后动荷载作用下的变形振陷更大。因此，本文以青海省 公路沿线冻土路基土为研究对象，通过对梯度升温、直接升温
6、及恒温的冻土进行室内动三轴试验，较真实地模拟了升温作用对冻土动力学特性的影响，分析了不同升温作用下冻土累积应变和最大动剪切模量的变化规律，以为青海省冻土地区的公路设计与施工提供参考。冻土室内动三轴试验1.1试验仪器与方案冻土室内动三轴试验采用 动三轴试验系统，试验装置如图所示。该试验系统由动力控制系统、反压控制系统、围压控制系统、数字控制系统、温度控制系统和计算机控制系统个子系统组成，能够精准地控制轴向力及轴向位移，轴向位移测量分辨率为 ，轴向力测量分辨率大于 。试验过程中，使用应力控制加载方式，每隔 采集试样测量数据一次；温控箱的设置温度精确度可达到 ，温控范围在 至 ，同时为了确保试样温度
7、的一致性，采用浙江大立热红外成像仪（）测量冻土试样的温度。的测温范围为 ，热灵敏度小于 ，具有测温迅速、精确、便捷等特点，能精准地测定压力室中冻土试样温度的一致性。机图 动三轴试验系统 y y 第期温董瑶等：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究冻土试样为等压固结，在等压固结的条件下对冻土试样进行升温处理，可以更真实地模拟升温退化后冻土试样累积应变的变化规律。围压大小根据取土深度和有效重度确定：（）式中：为 围 压（）；为 覆 盖 层 平 均 密 度（）；为 重 力 加 速 度（），通 常 取 ；为冻土的埋深（）。当冻土的埋深为、时，围压分别为 、。振动频率依据汽车荷载对公路路面产生的振动确
8、定，取振动频率为、。本文统计分析了 年青海省达日县累计月平均地温，如图所示。为了使冻土室内动三轴试验研究条件最大程度地接近实际条件，根据 年近 年青海省达日县冬季（月、月、月、月、月、月）累计月平均最低地温，确定了 组 冻 土 冻 结 温 度，即 、。-2.6-0.637.211.113.816.115.812.97.52-1.6-12-9-4.50.34.37.69.895.90.3-6.7-11.4-19.8-16.4-10.6-5.2-12.84.63.61.1-4.5-13.1-19.1201510505101520-012345678910 11 12月份累计月平均最低地温累计月平均
9、最高地温累计月平均地温地温/图 年青海省达日县累计月平均地温 y y，本试验探究了主要控制变量（温度）和次要控制变量（围压和振动频率）对冻土累积应变的影响。主要控制变量分为两组，即恒温对照组和升温组（包括梯度升温和直接升温）：恒温对照组是对在初始环境负温度下冻结完成后的冻土直接进行室内动荷载试验，起对照作用；升温组是对在初始环境负温度下冻结完成后的冻土通过梯度升温或直接升温进行室内动荷载试验。本试验动荷载采用动态循环加载方式，荷载波形为正弦波，每级振动次数为 次，每 记录一次试验数据，每级加载起点处为d处。试验停止的标准为冻土试样累积变形（土样累积高度变化与原高度之比）达到 或振动次数达到 次
10、。具体试验方案见表至表。表梯度升温组与恒温对照组冻土试验方案 恒温对照组冻土温度 梯度升温组冻土温度 围压 振动频率 表直接升温组与恒温对照组冻土试验方案 恒温对照组冻土温度 直接升温组冻土温度 围压 振动频率 表冻土围压试验方案 冻土温度围压 冻土温度围压 、表冻土振动频率试验方案 y 冻土温度振动频率 冻土温度振动频率 、1.2冻土试样的制备与养护本试验所用的冻土试样采自青海省海南藏族自治州达日县 公路沿线冻土路基土，采样点海拔为 ，公路沿线出现冻胀开裂等公路病害，冻土试样土质类别为粉质黏土，呈棕黄色，土颗粒较小且土体颗粒级配良好（如图），其基本物理性质指标见表。首先，对所取冻土试样进行烘
11、干、碾压、筛分，过 筛，取 以下部分作为试验用土，并按照 土工试验方法标准（）制备最优含水率为 的重塑土样，重塑土样为高度、直径 的圆柱体；然后，将冷冻箱中温度调至试验所确定的初始环境负温度，将冻土试样置于冷冻箱中冷藏（经试验测定 的冷藏时间能够使冻土试样内外温度保持一致）后装入 动三轴仪器中，冻土试样置于 动三轴仪器之前安全与环境工程 ：第 卷需将温控箱温度设置为试验初始温度，并在初始环境负温度下固结，保持围压不变，调整温控箱温度对冻土试样进行升温处理，待试样温度稳定后，对试样进行动荷载试验，直至冻土试样达到破坏标准。1008060402001001010.10.010.001冻土试样颗粒粒
12、径/mm小于该粒径质量百分/%图冻土试样颗粒粒径级配曲线 表冻土的基本物理性质指标 y 冻土名称塑限液限最大干密度（）不均匀系数现场实测地温粉质黏土 试验结果与分析本试验主要研究温度、振动频率和围压作用对冻土抗振陷特性的影响。2.1温度对冻土沉降变形的影响 不同初始环境负温度下直接升温对冻土沉降变形的影响不同初始环境负温度下恒温对照组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线见图，不同初始环境负25201510501 0002 0003 0004 000冻土试样/试颗粒径小/%0 于百百百百5101520于于于于图不同初始环境负温度下恒温对照组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线 温度下直接升温组冻土的
13、累积应变随振动次数的变化曲线和直接升温对冻土最大动剪切模量的影响曲线见图和图。0 冻土试样颗粒径小百 50冻于 冻该质量试粒径小百 100冻于 冻该质量试粒径小百 150冻于 冻该质量试粒径小百 200冻于 冻该质量试粒径小百百 百百 百1015102010冻土试样颗粒径小冻于冻该质量试粒径小冻于冻该质量试粒径小152015百百 百冻土试样颗粒径小冻于冻该质量试粒径小20151051614121086428765432121百分/变/%百分/变/%百分/变/%百分/变/%01 0002 0003 0004 000振动次数/次01 0002 0003 0004 000振动次数/次01 0002
14、0003 0004 000振动次数/次01 0002 0003 0004 000振动次数/次小 于该质量试至 冻a0小 于b 该质量试至冻百 5小 c于该质量试至冻百10小 于d 该质量试至冻百 15105155205土试样颗粒径小冻于冻该质量试粒径小冻于冻该质量试粒径小冻于冻该质量试粒径小百 5 冻百 百百 百百 百图不同初始环境负温度下直接升温组冻土的累积应变随振动次数的变化曲线 由图、图和图可知：（）温度大于 时，恒温对照组冻土累积第期温董瑶等：升温作用对寒区冻土振动沉降影响的试验研究-20-15-10-50温度/最大动剪切模量/MPa2001601208040-202052010201
15、5冻土-接/温至冻土-接/温至冻土-接/温至冻土恒温对照组冻土-接/温至 0图直接升温对冻土最大动剪切模量的影响曲线 y 变形曲线呈指数关系；温度小于 时，恒温对照组冻土累积变形曲线呈线性关系（见图）。（）温度变化对冻土累积应变和最大动剪切模量的影响十分明显。与恒温对照组冻土相比，直接升温组冻土的最大动剪切模量和累积变形明显小于恒温对照组冻土，对冻土施加相同大小的动荷载，同一振动次数下恒温对照组冻土的累积变形小于直接升温组冻土，且随着振动次数的增大恒温对照组冻土与直接升温组冻土的累积变形差值有增大的趋势（见图和图）。以升温至为例，重塑冻土试样分别由 、升温至时，同一振次次数下初始环境负温度越低
16、，冻土的最大动剪切模量越小，冻土的最大动剪切模量是 冻土的最大动剪切模量的 倍，且冻土累积变形量越大，达到极限变形状态所需的时间越短。产生这种现象的原因是：恒温对照组冻土内部冰晶分子在长期低温作用下形成了稳定的结构骨架，对土体起支撑作用，土体刚度大、动剪切模量较大；在升温作用下，直接升温组冻土中对温度极其敏感的冰晶分子发生冰水相变，冰晶分子形成的冰骨架逐渐消融，对土体的支撑作用减弱，土体动剪切模量较小，因此同温度的直接升温组冻土比恒温对照组冻土更容易振陷；由于相同含水率的冻土中含冰量主要受温度的影响，因此不同初始环境负温度的冻土内部冰晶含量不同，温度低的冻土冰晶含量高于温度较高的冻土，这是因为温度升高土颗粒间冰晶分子间分子键断裂，联结各土颗粒的能力减弱，初始环境负温度越低，分子键断裂越多，对土骨架的支撑作用及联结作用越弱，因此升温至同一温度时，初始环境负温度较低的冻土强度更低，更易振陷。在全球变暖的背景下，冻土温度逐渐上升，升温后的冻土动强度远小于未升温冻土，即同温度下升温冻土的抗振陷能力较弱。不同初始环境负温度下梯度升温对冻土沉降变形的影响不同初始环境负温度下梯度升温组冻土的累积应变
