考虑冻融循环的季冻区高等级公路路基填土本构模型研究

第 36 卷第 8 期 2015 年 8 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2015.08.014
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 No.8 Aug. 2015
考虑冻融循环的季冻区高等级公路 路基填土本构模型研究
崔宏环 1, 2，刘建坤 1, 3，张立群 2，田亚护 1, 3
收稿日期：2014-12-18 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973 计划） ：青藏高原重大冻土工程的基础研究（No. 2012CB026104） ；国家自然科学基金：严寒高速铁路 级配碎石水热稳定性与变形控制（No. 51378057） 。 第一作者简介： 崔宏环， 女， 1974 年生， 博士研究生， 主要从事冻土基本性质与路基路面工程本构模型方面的研究工作。 E-mail： cuihonghuan729@
该黏性土的粒径级配累计曲线如图 1 所示。 2.2 试验说明 为了制备最优含水率下的试件，保证层间接触 良好没有薄弱接触面，以及每一层的密实度相等，
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测记孔隙水压力和体变管读数，再施加下一级围压 和反压力。计算每级围压引起的孔隙水压力增量， 当孔隙水压力增量与围压增量之比 u / 3 0.98 时，认为试样饱和。试样完全饱和后，每组在围压 100、200、300 kPa 下进行等压固结，固结完成以孔 隙水压力消散为 0 和排水量稳定为标准，固结时间 大约为 8 h。 固结完成后， 启动试验电机对试样进行 剪切， 剪切应变速率约为 0.012%/min， 剪切过程中， 在测读测力计、轴向位移计读数的同时读取排水管 水柱读数，剪切至轴向应变达 20%结束试验，由于 剪切速率慢，所以剪切过程约 24 h 后完成试验，在 试验过程中始终保证孔压为 0。
A constitutive model of subgrade in a seasonally frozen area with considering freeze-thaw cycles
CUI Hong-huan1, 2, LIU Jian-kun1, 3, ZHANG Li-qun2, TIAN Ya-hu1, 3
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引
言
力学性质影响研究主要集中在干密度、抗剪强度参 数的变化、应力、应变破坏行为、弹性模量衰减等 方面 [28] 。 Lee 等 [9]认为，当未冻土弹性模量大于 100 kPa 时， 经过冻融循环以后模量的变化超过 50% 以上；齐吉琳等[8]对细颗粒土进行了室内冻融循环 试验，研究发现，冻融循环作用强烈地改变了土体 的结构；杨成松等[10]研究了冻融循环对土体干密度 和含水率的影响，结果发现，冻融循环后的土体干 密度趋于某一定值， 且这一定值与土体的种类有关，
100 80 60 40 20 0 101 100 10 1
-
10 2
-
土粒直径/ mm
图 1 土体颗粒级配曲线 Fig.1 Grain size distribution curve of soil
且最后制作出来的试件的高度一致，本文采用河海 大学的专利击实仪进行击实。试件分 5 层击实，试 样高度为 8 cm，直径为 3.9 cm。 前期研究表明，1～5 次冻融循环，冻融对土体 强度的影响最为强烈，而后影响逐渐减小，趋于稳 定，因此，本文取 5 次冻融循环为试验条件，研究 冻融对土体强度的影响规律。根据高速公路路基土 样实际所处环境的气温资料将冷却温度设为
第8期
崔宏环等：考虑冻融循环的季冻区高等级公路路基填土本构模型研究
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等
[11]
以青藏公路沿线常遇到的青藏粉质黏土作为的土体含水率比初始含水率大；张世民 研究对象，分析了冻融前后试样的温度分布特征、 水分分布特征、冻融位移变化特征，结果表明：多 次冻融循环的冻结过程中，温度场分布更趋向均衡 和平稳；王大雁等[12]以青藏黏土为研究对象，通过 对室内制备的黏土试样在经历 0～21 次完整冻融循 环过程后，进行不同围压下三轴压缩试验，研究经 多次冻融作用后，高度、试样含水率、应力-应变行 为、破坏强度、弹性模量、抗剪强度指标等物理力 学性质的变化。在本构研究方面，宁建国等[13]从复 合材料的细观力学机制出发，建立了含损伤的冻土 弹性本构模型。用于计算在不同冰体积含量和不同 温度下的冻结砂土应力-应变关系， 并利用自主开发 的程序，分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温 度场、应力场 3 场耦合进行数值模拟，得到了比较 准确的结果； 李栋伟等[14]利用自行研制的 W3Z-200 型冻土三轴压缩蠕变仪，对淮南地区深层冻土进行 了三轴蠕变试验。根据试验结果，提出以标准黏弹 塑性模型为基础，并耦合温度自由度，应用抛物线 型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进，建立了 新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的 蠕变变形特征。齐吉林等[8]考虑冻融过程中土结构 受冷生作用的影响，可导致其工程性质发生变化， 重点研究了冻融作用对超固结土强度的影响，并对 其变化提出了新的机制解释。综上所述，冻融循环 对于土体物理力学性质改变的理论与试验研究现阶 段成果颇多，而从本构模型的角度来看，目前考虑 冻融循环后融土的本构模型的成果颇为少见，本文 着眼于经历不同冻融循环次数的土体本构模型研 究， 在进行大量三轴 CD 试验的基础上， 以椭圆方程 描述体变屈服面，抛物线方程描述剪切屈服面，进 而得出考虑冻融循环影响的土体弹塑性本构模型。
(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. School of Civil Engineering, Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering, Zhangjiakou, Hebei, 075000, China; 3. Qinghai Research and Observation Base, Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Permafrost Region, Qinghai Research Institute of Transportation, Xining, Qinghai, 810000)
在我国，季节冻土主要分布于北方地区，包括 贺兰山－哀牢山一线以西的广大地区，以及此线以 东的秦岭－淮河以北地区[1]。季冻区高等级公路修 成运营后，随着气候变化，每年都要经历一次冻融 循环。也就是说每年这些土体都要经过一次结构破 坏，一年年地冻融循环也就是土体结构反复被破坏 而又反复组合的过程。国内外针对冻融循环对土体
10℃。冻结融化时间的确定：本试验采用了高精
度的热敏电阻，并且在试验前对热敏电阻进行了标 定，然后分别在土样内部和边界处埋设传感器，测 试 10℃土样的冻结时间，并结合冻胀试验中试样 的冷却时间，将三向冻结方式下的冻结时间确定为 10 h， 同时考虑试验条件的限制和温度的变化过程， 将冻结时间统一确定为 12 h。在冻结稳定后，将试 样放置室温下融化，经过监测，融化 10 h 后，基本 都己完全融化， 即达到融化稳定状态。 所以确定 10 h 为融化稳定时间，同时考虑试验条件的限制和温度 的变化过程，将冻结时间确定为 12 h。冻结 12 h 后 取出试件，在室温下融化，融化时间也取为 12 h。 将击实好的试件裹上保鲜膜后静置 12 h，而后 按照冻融循环次数 n 0、1、3、5 将试件放入冰柜 中进行冻融循环试验。 由于要测定剪切时的体变，所以本次三轴试验 全部采用固结排水条件（CD） 。在三轴仪上装样完 成后，对试样进行反压饱和。调节孔隙水压力等于 大气压力，关闭孔隙水压力阀、反压力阀、体变管 阀。开周围压力阀，先对试样施加 20 kPa 的周围压 力，开孔隙水压力阀，待孔隙水压力变化稳定，测 记读数，关孔隙水压力阀。反压应分级施加，同时 分级施加围压，以尽量减少对试样的扰动。围压和 反压力的每级增量为 30 kPa，开体变管阀和反压力 阀，同时施加围压和反压力，缓慢打开孔隙水压力 阀，检查孔隙水压力增量，待孔隙水压力稳定后，
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试验设计
试验所用土料取自张承高速崇礼到沽源段公路
2.1 土的基本物理性质指标 沿线，根据土工试验规程[15]将其定为粉质黏土，利 用光电式液塑限联合测定仪测得其液限为 29%，塑 限为 13%， 最优含水率为 14.5% ， 压实度采用 0.9，
3 最大干密为 2.12 g/cm （路基填筑密度为 2.12 g/cm3） 。
Abstract: The freeze-thaw cycle tests were conducted on the remoulded soil samples taken from a highway subgrade in a seasonally frozen area. The triaxial compression tests under the consolidated-drained condition were carried out on the remoulded samples subjected to freeze-thaw cycle, and stress-strain data were obtained. Based on the experimental results and the theory of elastoplasticity, an elliptic equation is proposed to fit the yield surface in the p-q coordinate system, while a parabolic equation is proposed to fit shear yield surface, from which an elastic-plastic constitutive equation was developed following an associated flow rule with considering freeze-thaw cycles. By comparing the theoretical calculation with the experimental data, it is shown that the proposed double-yield surface constitutive model can accurately predict the frozen soil stress-strain relationship. The model provides a theoretical basis for long-term stability analysis and engineering prediction of subgrade soil in seasonally frozen areas. Keywords: constitutive model; freeze-thaw cycle; hardening rules; shear strain; volumetric strain; yield function