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冻融路基土和基底材料的变形特性
Gichul Kweon * and Taikjean Hwang **
收于2011年10月4日/ 2012年7月10日修订/ 2012年11月9日接受
摘要
当在具有低水位的路基土壤中没有冻结时，不存在防冻层。在这种情况下，没有外部供水时，这样的路基土和基底材料可能会发生冻融循环。韩国的路基土和基底材料的形变特征通过在封闭冻融循环系统下的冲击共振试验来确定，其中在测试期间没有引入外部水源。所有测试的路基土和基底材料在冻融循环之前和之后的模量存在非常小的差异。这意味着在封闭的供水系统下，没有发生路基土和基底材料的解冻弱化。这表明，当路基土无冻胀冻结时，不需要考虑路基土的解冻弱化。此外，阻尼比在冷冻开始时稍微增加，然后在冷冻过程中迅速减小。这个相同的模式是为所有进行的样品和试验建立的。此外，解冻阶段的阻尼比略微大于冷冻前的阻尼比，而阻尼比降低并且建立在冷冻前几乎相同的值。
关键词：变形特性，解冻弱化，路基土，基底材料，冻胀，冲击共振试验
- 简介
韩国是一个季节性霜冻地区，四季分明。自然地面和路面每年冻结和解冻到一定的冻结深度。当易受影响的路基土壤在冻结深度内并且可以获得供水时，路面系统中的路基土壤的冻结和解冻弱化会发生。这样的影响是，它导致在路面系统中的早期损坏即霜冻损伤。
为了防止在韩国的路面的霜冻损害，在1970年引入了防冻层。近年来，当填土高度超过2m或者路基土是不易受霜冻影响的材料如岩石时，不需要使用防冻层。(Park et al., 2009).
此外，当由于低水位而路基土中没有冻胀时也不需要使用防冻层。在这种情况下，当没有外部水源时，路基土和基底材料会经受冻融循环。在这种情况下，路基土壤中的冻胀在冻结期间由于水不足而具有非常小的效果。然而，如果在解冻期间发生路基土壤的解冻弱化，则路面系统将过早地损坏。
已经进行了各种研究来估计在冻融循环下路面材料和路基土的刚度变化（Kweon，2004; Nam et al。，2002; Guymon et al。，1993; Konrad，1999; Vincent et al，1996; Bing et等人，1997）。 在这些以前的研究中，在冰冻循环期间的模量在特定阶段测量，例如在冷冻之前，在冰点和解冻不同的样品。
在本研究中，韩国的路基土和基底材料的变形特性通过在冻融循环期间的IR测试在封闭系统中连续测定，在测试期间没有外部水供应引入样品。在韩国的实际路面地点收集了五个代表性的样本路基土。路基试样的含水量和密度不同。评估每个变量对解冻弱化的影响。 还使用解冻弱化的相同特性测试和评估了五个代表性的底基材料。
- 冷冻和解冻的冲击共振试验
2.1测试设备
冲击共振（IR）试验在ASTM C215中描述为基于混凝土试样对冲击载荷的共振响应确定波特兰水泥混凝土的弹性性质的手段。 该试验方法也广泛用于确定小应变水平下土壤的弹性模量和阻尼比（Kim等人，1997; Menq，2003）。在岩土工程领域，这种测试方法被称为自由共振柱测试（FFRC）。
所使用的IR测试配置如图1所示。 IR测试设置包括信号激励器（本研究中的钢球），加速度计（PCB 353B15）和波形分析仪（GRAPHTEC WR1000）。 基本操作原理是通过使用小钢球冲击试样的一端而在试样中诱导激发，然后在另一端监测试样的加速度响应。 记录来自加速度计的输出信号，并且通过使用快速傅里叶变换（FFT）算法将时间历史传送到频域中来获得频率响应曲线。 杨氏模量E和阻尼比可以分别根据谐振频率和来自半功率带宽方法的响应曲线来确定。
测试在温度室中进行以评价作为冻融的函数的路基土壤和底层材料的变化模量。 将样品放置在木质支撑框架上，如图1所示。 边界条件在两端是自由的。 放置周围的膜和相关的端盖以通过真空施加限制压力。 使用由Vaghela和Stokoe（1995）建议的程序，在波速计算中进行附接到自由样品的端盖的校正。
图一：IR设置示意图
2.2试验材料
从已建成投入运行的实际路面工程收集了5个路基土和5个基底材料。 表1和表2给出了测试土壤的基本性质。 在韩国，实际使用的路基土壤大多是非塑性的，可塑性指数通常小于10％（Kweon等人，2000）。
表1：测试的路基土的基本性能概述
表2：测试的基底材料的基本性能概述
2.3测试程序
制备测试的路基土壤并在最佳水分含量（OMC），最佳（OMC-2％）的2％干重和最佳（OMC 2％）的2％湿度下压实以达到每个水含量压实的最大干密度的95％或100％。 压实水含量的范围是通过考虑韩国实际路面的路基土中水含量的变化来确定的。
路基土壤的水含量（OMC）在冬季保持低于最佳含水量是一个常见的现象（Kim等人，2001年）。 虽然冬季期间地基土壤的含水量增长超过最佳含水量，这是在韩国不超过OMC 2％的特殊地形条件所致。
相等重量的三层土壤通过捣固棒按照Kweon等人的建议被压实。 （2007）。 样品直径约100mm，高度200mm。 样品的含水量和干密度的误差公差为0.5％。
在测试之前，使用薄的水凝胶糊剂将每个样品灌浆到端盖，以实现样品和端盖之间的完美接触。 将外部橡胶膜放置在试样上并用O形环密封到两个端盖。 在室温下在温度室中进行测试之前，允许样品 - 水泥连接件固化过夜。 在室温条件（18℃至25℃）下，在施加21kPa的各向同性约束压力21小时后，通过真空进行IR试验。 通过平均10个信号获得谐振频率。
将温度室中的温度降至-10℃10小时，直到获得样品的完全冻结。 然后将样品加热至20℃5小时直至解冻。 此外，采取措施以防止在冷冻和解冻期间额外的水进入样品。
地下水位平均在地球表面以下7.6米，冬季人行道的冻结深度在韩国小于1.5米（Jo et al。，2002）。 因此，在大多数情况下，通过毛细管作用引入非常少量的额外的水来冻结路基土壤。 因此，结霜的量非常小。 这意味着，对于这项研究，封闭供水系统下的路基土壤和基底材料的冻结和解冻适应这个因素。
IR试验以15或30分钟的规则间隔进行。 在每个测试间隔，进行了10次重复IR测试。 通过对来自十个信号的谐振频率求平均来获得试样的谐振频率。 对于IR测试，温度室不可避免地打开。 通过制备相同尺寸的钢球并在15秒内进行10次IR测试，使该打开时间段最小化。
- 冷冻和解冻的杨氏模量的变化
路基土和路基材料在冻融条件下的模量变化如图2（a） 2（b）所示。 模量在冷冻开始时稍微增加，然后在冻结达到确定值时快速增加。 在解冻阶段，模量迅速下降并且自身恢复到与冷冻阶段几乎相同的值。
图2冻融模量的变化：（a）路基土（95％相对压实，OMC），（b）基底材料（相对压实95％，OMC）
在模量与冻融之间的变化和水的相变之间存在密切的联系。 当土壤中的水冻结转变成冰时，土壤中的冰强烈地粘附并粘附到土壤颗粒上。 这增加了由未冻结水量的减少引起的基质吸入。 结果，水向冰的相变导致模量的增加。 此外，模量变化的速率和水中的相变速率与其热导率和热容量有关。
冷冻点的模量高于冷冻前的模量，如图2所示。尽管冻结点处的模量取决于样品，但其足够高以支持流量负载。 在冰点处的样品与样品的模量差对于路面设计不是必需的。
众所周知，解冻时路基土的模量小于冷冻前的模量。 这被称为解冻弱化，如图3所示（Yoder等人，1975; AASHTO，2002）。路基土的解冻弱化的发生是由增大了孔隙率的冻胀以及土壤和其他颗粒的软化和重排引起的。
图3：模量和霜冻的季节变化示意图
图4显示了所有测试的路基土壤和底基材料在冷冻前和解冻后的模量之间的比较。 值之间的差为plusmn;10％。 考虑到每年的模量损失，同时考虑到韩国的水含量变化，这个差异很小，超过plusmn;150％（Park et al。，2009）。 因此，韩国封闭供水系统下的地基土和基底材料没有解冻削弱。
图4冷冻前和解冻后的模量比较
图5显示了冷冻后的模量，冷冻前的模量和样品的水含量之间的比较。 没有发现冷冻后的模量和冷冻前的模量之间的任何相关性，如图5（a）所示。 相反，如图5（b）所示，发现冷冻后的模量与样品的含水量之间存在相关性。
数据显示冻结后的模量随试样的水含量增加的效果。 然而，效果的大小取决于所使用的材料的类型。 图5（b）显示，尽管含水量影响了地基土壤冻结后的模量，但是含水量对于基底材料冻结后的模量具有更显着的影响。 这种效应在图5（b）中非常明显，其中斜率随着压实密度和含水量的增加而降低。
图5.冷冻后模量的比较：（a）冷冻后和冷冻前模量的比较，（b）冷冻后模量与含水量的比较
- 冻结和解冻的阻尼比的变化
图6（a）和图6（b）中显示了路基土和路基材料冻融的阻尼比的变化。 这些图表示阻尼比在冷冻过程开始时稍微增加，然后在冻结到规定值时迅速减小。 在解冻阶段，阻尼比非常快速地增加和减小以建立与冻结前值类似的值。
当土壤中的水冻结时，它转化成冰晶体，并继续生长成更大的冰粒。土壤中的冰具有强的内聚效应，并且引起基质吸力的增加，如前所述。 在初始凝固点，冰晶或小冰粒在空隙中时，起到土壤颗粒的作用。 因此，这导致在初始冷冻时的阻尼比的轻微增加。 此外，随着这种冰粒子形成过程继续，这导致阻尼比迅速下降，同时冻结直至确定的值。 此外，在初始解冻时，从外表面熔融到内部的冰粒子像粘土颗粒一样易于浮起而失去粘附性。 因此，在解冻阶段，阻尼比迅速增大和减小，以建立与冻结前值类似的值。
图6.冻融的阻尼比的变化：（a）路基土，（b）基底材料
图7显示了干密度和含水量的阻尼比的典型变化。虽然，如图7所示，阻尼比随着水含量的增加和干密度的降低而略微增加，但没有发现值显著的变化。 据此认为，在实际意义上，水含量和干密度对阻尼比的影响是微不足道的。
图7.阻尼比与含水量和密度的典型变化（FSG-1）
图8显示了所有测试的路基土和底基材料在冷冻前和解冻后的阻尼比之间的比较。 解冻后的阻尼比是比冷冻前值稍小的值，平均值为冷冻前值的86％。
图8.冷冻前和解冻后阻尼比的比较
对于所有五个测试的路基土壤和五种基底材料，在小范围内确定阻尼比。 测定为冷冻前的10-15％（平均12.2％），冷冻后1.8％-3.4％（平均2.5％）和解冻后9.4％-13.5％（平均11.3％）。 据认为，如上所述，平均阻尼比值可用于韩国的路基土和底基材料的路面系统的动态分析。
- 结论
为了研究冻融对模量和阻尼比的影响，对韩国的5个路基土和5个基底材料进行了IR试验。基于水含量和密度的差异构建路基样本，并对这些变量对解冻弱化的影响进行了评估。将测试的样品在封闭的供水系统下冷冻和解冻材料，在IR测试期间没有外部水供应到样品中。 从这项研究可以得出以下结论：
所有测试的路基土和底基材料在冻融循环之前和之后的模量存在非常小的差异。 这表明在封闭的供水系统下，没有发生路基土和基底材料的解冻弱化。 因此，当路基土冻结而无冻胀时，没有理由考虑路基土的解冻弱化。
当水含量增加时，冷冻后的模量增加。 对于基底材料，冻结后的模量比含水量对地基土壤的影响更为显着。 对于路基土，水分含量对冻结后的模量的影响随着压实密度和含水量的增加而降低。
阻尼比在冷冻过程开始时稍微增加，但随着冷冻而迅速降低，最终对于所有样品建立几乎相同的值。 在解冻阶段，阻尼比增加到比凝固点之前的值稍大的值，并且最终降低到与冻结前值几乎相同的值。
对于所有测试的五种路基土壤和五种基底材料，阻尼比被确定在一个小范围内。冷冻前平均为12.2％，冷冻后平均为2.5％，解冻后平均为11.3％。 据认为，如上所述，平均阻尼比值可用于韩国的路基土和底基材料的路面系统的动态分析。
- 致谢
这项工作得到了韩国国土交通和海洋事务部的项目No 08-GISULHUKSIN-C01的支持，题为“防霜层的有效性评估及其建设标准的制定”。 作者非常感谢这种支持。 作者要感谢李昌菊先生对本研究中使用的实验数据的贡献。
参考文献
AASHTO (2002). AASHTO Guide for design of new and rehabilitated pavement structures, AASHTO, Washington, D.C., USA
Bing, L., Mustaque, H., and Andrew, J. G. (1997). “Seasonal variation of backcalculated subgrade moduli.” Transportation Research Record No. 1557, 1997 Annual Meeting, Washington, D.C., pp. 70-80.
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