北麓河地区冻土的力学特性试验

Ｎ０２．２００７　试验技术与试验机　Ｊｕｎｅ　２００７　北麓河地区冻土的力学特性试验　左小晗　，姜忠宇　，黄炜　（１．合肥工业大学土木建筑学院，安徽舍肥２３０００９；２．安徽工程科技学院机械工程系，安徽芜湖２４１０００）　摘要；对青藏铁路的调查显示，融沉是路基破坏的主要因素，除此以外还有路基填料的冻胀和压密。本文通过对　北麓河典型土样的室内试验，对与多年冻土冻融变形密切相关的冻土物性、力学特性进行了研究。　关键词：青藏铁路；多年冻土；土工试验；力学特性　中图分类号：ＴＵ４１１．２　文献标识码：Ｂ　Ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ｔｅｓｔ　ｏｆ　Ｆｒｏｚｅｎ　Ｓｏｉｌ　ａｔ　Ｂｅｉｌｕｈｅ　Ａｒｅａ　Ｚｕｏ　Ｘｉａｏｈａｎ　，Ｊ　ｉａｎｇ　Ｚｈｏｎｇｙ￣，Ｈｕａｎｇ　Ｗｅｉ２　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｈｕｉ　Ｈｅｆｅｉ　２３０００９；　２．Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇｎ，．Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，，Ａｎｈｕｉ　Ｗｕｈｕ　２４１０００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｌｏｎｇ　Ｑｉｎｇｈａｉ—Ｔｉｂｅｔａｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅ—　ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｔｈａｗ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ｆｉｌｌ　ｍｕｓｔ　ａｌｓｏ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｈｅ　Ｂｅｉｌｕｈｅ＇ｓ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｓｏｉｌ　ｓａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ　ｐａ—　ｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｃｌｏｓｅｌｙ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔ　ｈｅａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈａｗ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｑｉｎｇｈａｉ—ｔｉｂｅｔａｎ　ｒａｉｌｗａｙ；ｐｅｒｅｎｎｉａｌ　ｆｒｏｚｅｎ　ｓｏｉｌ；ｓｏｉｌ　ｔｅｓｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　冲沟发育。目前完成的青藏铁路北麓河试验段的冻　１　引言　土勘察工作表明，该试验段的土层以富含厚层地下　冰的细粒土为主，试验段地下水丰富，全段高温与低　青藏铁路通过地段内延长近５５４　ｋｍ的高原多　温多年冻土都有分布，冻土上限深度一般为２～３　年冻土区，是铁路建设遇到的最主要的技术难题。　ｍ。综合上述特征，该试验段综合评价为不良和极　青藏铁路通过地区的工程地质条件错综复杂、千变　差冻土工程地质地段。　万化［１，２］。因此，针对冻土段路基结构的设计要求，　必须对多年冻土物理力学性质、强度和变形等特征　２试验过程及结果　有深入的认识ｌ３］。　本文针对青藏铁路典型路段的冻土特性，选择　本次室内试验根据研究内容严格按照《铁路工　试验段包括秀水河、北麓河滩地及阶地，海拔高程４　程土工试验规程｝（ＴＢ１０１０２—２００４）为标准。土样为　５００　ｍ，属冲、洪积高平原地貌。地形略有起伏，低　技术人员在青藏铁路施工现场取样并托运至实验　丘与洼地相问，冲沟发育，地表植被稀疏。局部分布　室，由于在托运过程中土样的含水量等发生了变化，　沙丘、沙地。北麓河地形地貌为高准平原区，略有起　大部分试验按扰动土模拟现场实际情况进行　。　伏，地面横坡３～１０　ｍ，相对高差２～１５　ｍ，其问小　［收稿日期］２００７—０６—０７　［基金项目］安徽省校青年教师科研资助计划项目（２００６ｉｑｌ１５４）　［作者简介］左小晗（１９８１一），男，硕士，安徽庐江人。研究方向：防震减灾工程，冻土工程。　维普资讯 http://www.cqvip.com ＮＯ２．２００７　左小晗，等：北麓河地区冻土的力学特性试验　３３　术／辱如　梨磉窖　球　２．１北麓河地基土的颗粒组成　∞５｛的　∞∞∞∞∞ｍ　Ｏ　一一缛件同归缛ｌ　土样的不均匀系数为：　一一‘　，＿，一　ｄ６一　＿Ａｏ一　一１３．３２（１）　１０　一●　ｒ　曲率系数为：　－　，，　Ｃｃ一　（ｄ３‘ｄ１０×ｄｏ　）２６０　．一丽０　　３×．０１等２　０　　＿ｚ１６３　８＿ｏ－‘２…　　／／　，　．一Ｊ　一（２）　１Ｏ　１２　１４　１８　２０　２２　２４　北麓河地基土颗粒级配曲线见图１。经计算发现，　含水　％　此土样的不均匀系数较大，粒径分布较广，但曲率系　图２圆锥入土深度与含水率关系曲线　数偏小，在图上也明显可以看到曲线有台阶，级配不　连续，这种土在土中水发生渗流时的渗流稳定性差，　２．４击实试验　也属于级配不良土。　击实曲线如图３所示，由图可得最大干密度为　２．１８　ｇ／ｃｍ。，最优含水率为７．１　。　１　吡，　＝ｌ＝　蟮围　ｌ　…　’｝　ｈ　’　、　Ｉ　ｌ　２　２　２　加　｝　２　２　｝…１　　＼Ｉ　　｛●　：２　ｍ　　Ｉ＝ｇ　∞　…翻　ＩⅢ　｛＼　｝　ｌＨ－　｝　／　●　…　一＼　～　｛　　ｌ　ｌ、　一－－＿一　｛　‘　ｌ　图１北麓河地基土颗粒级配曲线图　含水率，％　粒径大于０．０７５　１ＴＩ１ＴＩ的颗粒含量不超过总质量　北麓河地基土击实曲线　５Ｏ　的土属于细粒土。细粒土可划分为粉土和粘性　土二大类，粘性土又可分为粉质粘土和粘土二大类。　２．５地基土的压缩性质　该土粒径大于０．０７５　ｍｍ的颗粒含量是４９．９　，满　初始孑Ｌ隙比ｅｏ一０．５９。当含水量为７．１　时，　足细粒土要求。同时粒径小于０．００５　ｍｍ的颗粒含　所得压缩系数口　为０．０８５　ＭＰａ＿。，其压缩系数小于　量为１．６　，符合砂质粉土的粒径小于０．００５　ＩＴｌｒｎ　０．１　ＭＰａ＿。，属于低压缩性土。当含水量为９．６　的颗粒含量小于等于总质量的１Ｏ　的要求［ｓ－。　时，所得压缩系数口　为０．１７　ＭＰａ＿。，当含水量为　１２．５　时，所得压缩系数口　为０．２６　ＭＰａ＿。，其压缩　２．２界限含水量　系数均在０．１～０．５　ＭＰａ　之间，属于中等压缩性　圆锥入土深度与含水率关系曲线，见图２。由　土。　图可知，ＷＰ一１２．５　，ＷＬ一２０．５　，ＩＰ一８＜１０，属　表２北麓河地基土压缩参数统计表　于粉土的塑性指数范围。　２．３土粒比重　平均土粒比重为２．６２４　０　ｇ／ｃｍ。，属于砂土的比　重范围。　表１北麓河路基土土粒比重计算表　项　目　土样一土样二土样三土样四　土粒比重（ｇ／ｃｌｎ３）　２・７０６６　２・４２４０　２．６９６８　２．６６８４　２．６　地基土抗剪强度　平均土粒比重（ｇ／ｃｍ３）　２．６２４０　在０．９的压实度下，分别在２５　ｋＰａ、５０　ｋＰａ、１００　维普资讯 http://www.cqvip.com ３４　试验技术与试验机　ｋＰａ、１５０　ｋＰａ，四种围压下进行静三轴试验，根据所　做数据绘制应力一应变曲线，如图４。　根据试验资料对指标内摩擦角　和粘聚力ｃ通　过变量代换，进行线性回归嘲。求得试样的抗剪强　能力弱，容易产生变形，是线路结构中最薄弱也是最　不稳定的环节。路基过去是以强度控制设计，现在　强度已不是主要问题了，因为一般来讲，在达到强度　破坏前，可能已经出现了不能容许的过量变形。因　度指标　ｃ，见表３。　辎　轴向应变，％　图４北麓河地基土三轴试验应力一应变曲线　表３北麓河地基土三轴试验结果表　１７１（ｋＰａ）０＂３（ｋＰａ）　、Ｃ　３结束语　在利用多年冻土作为建筑物地基或材料时，冻　土物理性质的变化及其变形的极限数值、冻土层沿　深度变形的不均匀性及其它力学性质指标受其冻结　和融化状态时变形、压密沉降的影响。作为轨下基　础的道床和路基是由散体材料组成的，抵抗振动的　此总结归纳典型工点路基土的基本物理力学性质，　为路基变形计算提供参数是相当重要的［７］。　本课题通过对青藏铁路北麓河地段的路基土，　进行了包括颗粒分析试验、土粒比重试验、击实试　验、压缩试验、抗剪强度试验等在内的多种室内土工　实验，并对典型工点路基土的物理力学特性进行了　研究，得出了一些有益的结论和成果，可为现场路基　施工和路基沉降变形监测及分析提供参考。　参考文献　Ｅ１３章金钊等．青藏公路冻土路基设计研究ＥＪ］．高速，　２０００，２２（１）：１３～１７．　Ｅ２－１铁道部第三勘察设计院编著．冻土工程ＥＭ３．北京：中　国铁道出版社，１９９４．　［３］Ｗｕ　Ｑｉｎｇｂａｉ，Ｌｉｕ　Ｙｏｎｇｚｈｉ，Ｚｈｏｎｇ　Ｊｉａｍｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｒｅ—　ｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｒｅｃｅｎｔ　Ｓｏｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　Ｒｅｇｉｏｎｓ　Ａｌｏｎｇ　Ｑｉｎｇｈａｉ－Ｔｉｂｅｔ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅ　Ｊ　３．Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ　ａｎｄ　Ｐｅｒｉｇｌａｅｉａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，２００２，１３（３）：１９９￣２０５．　Ｅ４３袁聚云．土工试验与原理［Ｍ］．上海：同济大学出版社，　２００３．　Ｅ５３　Ｈ．Ａ崔托维奇．冻土力学［Ｍ］．北京：科学出版社，　１９８５．　［－６－１李昆，王长生，陈湘生．三轴试验中深部冻土固结问题　ＥＪ３．冰川冻土，１９９３，１５（２）：３２２￣３２４．　ＥＴ－Ｉ窦明健等．多年冻土地区路基设计原则及其应用ＥＪ３．　冰川冻土，２００１，２３（４）：４０３￣４０６．