李亞芹 王俊發(fā) 李曉霞 莊騰飛 邱新偉

道路堅(jiān)實(shí)冰雪三軸加載破壞特性試驗(yàn)

李亞芹 王俊發(fā) 李曉霞 莊騰飛 邱新偉

研究了道路堅(jiān)實(shí)冰雪的形成過(guò)程，分析了其微觀及宏觀特性。利用三軸加載破壞試驗(yàn)對(duì)自然融凍、行人踩踏、車(chē)輛行人共同碾壓堅(jiān)實(shí)冰雪的破壞特性進(jìn)行了研究，獲得了三種冰雪的軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，自然融凍、行人踩踏、車(chē)輛行人共同碾壓雪樣的軸向應(yīng)變值分別為14％、13％、12.5％時(shí)發(fā)生斷裂破壞，破壞的主應(yīng)力差值分別為38.5KPa、75KPa、280KPa。試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)冰雪孔隙度越大，受溫度影響越大，融化速率越大。

我國(guó)北方大部分地區(qū)冬季降雪期每年長(zhǎng)達(dá)3～5個(gè)月，一些高寒地區(qū)降雪期可持續(xù)5～6個(gè)月左右，降雪周期長(zhǎng)、雪量大、范圍廣。由于浮雪清除不及時(shí)，路面積雪形成了高密度、高硬度的堅(jiān)實(shí)冰雪。目前，冰雪清除機(jī)具種類(lèi)較多，其中清除浮雪的機(jī)械以鏟式、螺旋拋雪及清掃器為主，清除堅(jiān)實(shí)冰雪的機(jī)械按除雪關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及工作原理分為鏟式、滾壓式、錘式、振動(dòng)式、鏟剁式等。浮雪清除技術(shù)源自國(guó)外，相對(duì)成熟。但堅(jiān)實(shí)冰雪清除技術(shù)存在機(jī)器笨重、粗糙、作業(yè)速度及技術(shù)水平低、避障功能不理想、對(duì)機(jī)具及路面保護(hù)能力差等缺點(diǎn)。究其原因，主要是除雪機(jī)具研發(fā)過(guò)程中對(duì)冰雪特性研究不足，因而對(duì)冰雪破壞特性的研究對(duì)除雪機(jī)具的合理研發(fā)具有重要的參考意義。

堅(jiān)實(shí)冰雪形成過(guò)程

冬季路面積雪經(jīng)過(guò)車(chē)輛和行人的碾壓、溫度變化導(dǎo)致的反復(fù)融凍，密度小的積雪形成了密度大、硬度大、表面結(jié)冰、內(nèi)部含雜、質(zhì)地堅(jiān)硬且與路面粘結(jié)牢固的堅(jiān)實(shí)冰雪，一般密度大于450kg/m3的冰雪定義為堅(jiān)實(shí)冰雪，如圖1所示。在相同的時(shí)間歷程作用下，自然融凍、行人踩踏和車(chē)輛碾壓的堅(jiān)實(shí)冰雪所體現(xiàn)的狀態(tài)與特性不同，其宏觀與微觀形態(tài)也不同。

堅(jiān)實(shí)冰雪宏觀特性

宏觀角度分析認(rèn)為，堅(jiān)實(shí)冰雪的形成行人及車(chē)輛碾壓、汽車(chē)尾氣、溫度的綜合作用下，冰雪融化為含雜液體，經(jīng)低溫再凍結(jié)的過(guò)程。由于冰雪顆粒經(jīng)車(chē)輛、行人反復(fù)碾壓及外界溫度升高后產(chǎn)生融化現(xiàn)象，使堅(jiān)實(shí)冰雪內(nèi)部最初含有少量的過(guò)冷水，因而未完全凍實(shí)的堅(jiān)實(shí)冰雪由過(guò)冷水、雜質(zhì)、氣泡、冰雪顆粒組成。當(dāng)外界溫度繼續(xù)下降，這部分過(guò)冷水會(huì)在雜質(zhì)與冰雪晶體間緩慢流動(dòng)，經(jīng)過(guò)互溶及冷熱交換，流動(dòng)的過(guò)冷水逐層凍結(jié)，最終與雜質(zhì)、冰雪凍結(jié)成為一體。

堅(jiān)實(shí)冰雪微觀特性

微觀角度觀察認(rèn)為，堅(jiān)實(shí)冰雪的形成隨溫度降低過(guò)冷水中出現(xiàn)大于臨界尺寸的冰核，且冰核在過(guò)冷水中慢慢長(zhǎng)大的過(guò)程。堅(jiān)實(shí)冰雪在車(chē)輛、行人壓實(shí)功能作用下，克服粒子間的阻力，產(chǎn)生位移，粒子重新排列組合，冰雪粒子間、冰雪與雜質(zhì)粒子間的孔隙體積減小、密度增加。當(dāng)溫度下降至過(guò)冷水結(jié)冰時(shí)，互融的過(guò)冷水中部分原子自發(fā)的按一定規(guī)律排列聚集起來(lái)形成晶核，使未凍結(jié)的過(guò)冷水原子以此晶核為依附基體繼續(xù)聚集排列，同時(shí)流動(dòng)的過(guò)冷水遇到冰雪顆粒也循此規(guī)律蔓延、凍結(jié)，最終生長(zhǎng)成冰雪晶粒。在晶?？p隙間過(guò)冷水的作用下，循此規(guī)律，若干含冰雪晶粒和含雜質(zhì)的晶粒聚集、粘結(jié)到一起形成了宏觀的堅(jiān)實(shí)冰雪。

圖1 佳木斯市向陽(yáng)區(qū)學(xué)府路面堅(jiān)實(shí)冰雪斷面（2014年12月29日）

圖2所示為堅(jiān)實(shí)冰雪微融狀態(tài)下通過(guò)SteREO Discovery.V12體視顯微鏡放大200倍后觀察到的結(jié)果。圖2觀察發(fā)現(xiàn)，在微融狀態(tài)下，堅(jiān)實(shí)冰雪試樣中含有大量氣泡及少量流動(dòng)的過(guò)冷水。在對(duì)試樣進(jìn)行降溫處理后，流動(dòng)的過(guò)冷水可再次凍結(jié)，有大量的氣泡被困在雪粒中，氣泡聚集處強(qiáng)度較弱，易破壞。

堅(jiān)實(shí)冰雪三軸加載破壞試驗(yàn)

為研究堅(jiān)實(shí)冰雪破壞特性，對(duì)堅(jiān)實(shí)冰雪進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)。通過(guò)冰雪加載試驗(yàn)可近似模擬冰雪路面承載時(shí)冰雪性能變化情況，分析冰雪承載時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變特性，有助于探索冰雪清除機(jī)理，為建立冰雪清除理論提供參考。試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水法。

圖2 堅(jiān)實(shí)冰雪內(nèi)部融化結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用YYW—Ⅱ型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀，該儀器由壓力室、周?chē)鷫毫ο到y(tǒng)、軸向加壓系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)儀器

試樣制備

在實(shí)測(cè)氣溫-25℃、濕度40％的條件下，選取吉林大學(xué)南嶺校區(qū)校園內(nèi)的道路冰雪，分為自然融凍、行人踩踏、車(chē)輛行人共同碾壓三種類(lèi)型冰雪進(jìn)行取樣，測(cè)得冰雪的平均密度分別為375kg/m3、637kg/m3、839kg/m3。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程取冰雪試樣直徑為39.1mm，因而制樣工具采用內(nèi)徑為40mm鉆頭的手持水鉆，如圖4所示。試樣選自不同路段、不同堅(jiān)實(shí)度的冰雪，為滿足試驗(yàn)要求將試樣修整為兩端整齊、高度80 mm，獲得試驗(yàn)試樣如圖5所示。

圖4 試樣制備工具

圖5 試驗(yàn)中選取的試樣

試驗(yàn)結(jié)果及分析

將自然融凍、行人踩踏、車(chē)輛行人共同碾壓的堅(jiān)實(shí)冰雪制備多組，選取試驗(yàn)所測(cè)得的10組數(shù)據(jù)，如表1所示。

利用式（1）～（3）計(jì)算出三種試樣的軸向應(yīng)變、試樣校正面積、主應(yīng)力差。其中主應(yīng)力差Δσ為剪切破壞時(shí)由傳力桿加在試件上的豎向壓應(yīng)力。

式中，Δh——試件高度變化，mm h0——試樣原高度，mm

ε1——軸向應(yīng)變，％ A0——試件原始面積，cm2

Aa——試件校正面積，cm2C——測(cè)力計(jì)率定系數(shù)，取2.7

R——量力環(huán)讀數(shù)，1/100mm σ1——最大主應(yīng)力，kgf/cm3

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

σ3——最小主應(yīng)力，kgf/cm3

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（1）～（3）整理后，以軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，主應(yīng)力差為縱坐標(biāo)，利用Origin 6.0軟件得到圍壓150KPa、速度3mm/min時(shí)軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6中曲線1表示為車(chē)輛行人共同碾壓后的堅(jiān)實(shí)冰雪試樣曲線；曲線2表示為行人碾壓后堅(jiān)實(shí)冰雪試樣曲線；曲線3表示為自然融凍后的堅(jiān)實(shí)冰雪試驗(yàn)曲線。三條曲線的軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的初始階段均出現(xiàn)了反彎，這種反彎現(xiàn)象在傳統(tǒng)靜三軸儀中較為常見(jiàn)，多為傳力軸和試樣不良接觸造成。賴(lài)勇建議反向延長(zhǎng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的直線段至橫坐標(biāo)軸，去掉反彎段應(yīng)變來(lái)進(jìn)行修正。圖6曲線分析發(fā)現(xiàn)，隨軸向應(yīng)變的增加，主應(yīng)力差呈先增大后減小，后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)使軸向應(yīng)變逐漸增大的過(guò)程中存在主應(yīng)力差最大值，即臨界破壞值。分析得到了如表2所示的自然融凍、行人踩踏、車(chē)輛行人共同碾壓的三種雪樣軸向應(yīng)變值與主應(yīng)力差值。

表2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖6 雪樣的軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系曲線

表2所示的結(jié)果表明，車(chē)輛行人共同碾壓的雪樣的主應(yīng)力差高于另外兩種雪樣。主要原因?yàn)閮煞矫妫旱谝皇怯捎诒﹫?jiān)實(shí)過(guò)程不同，三種雪樣的孔隙度各不相同，孔隙度大小關(guān)系為：自然融凍＞行人踩踏＞車(chē)輛行人共同碾壓；第二孔隙度越大，雪樣受外界溫度影響就越大，冰雪越易融化。試驗(yàn)中壓力室的溫度高于雪樣自身溫度，從而導(dǎo)致自然融凍與行人踩踏過(guò)的雪樣融化速度加快，使得軸向應(yīng)變?cè)黾樱鲬?yīng)力差減小。

結(jié)語(yǔ)

（1）分析了道路堅(jiān)實(shí)冰雪的特性，從宏觀及微觀角度分析了堅(jiān)實(shí)冰雪的形成過(guò)程。分析發(fā)現(xiàn)，冰雪破壞過(guò)程為微觀冰雪顆粒受到拉伸、壓縮、剪切等載荷作用，發(fā)生軸向應(yīng)變、剪應(yīng)變、顆粒間滑動(dòng)、沿顆粒邊界滑動(dòng)，最終表現(xiàn)為宏觀的斷裂破壞。

（2）以自然融凍、行人踩踏、車(chē)輛行人共同碾壓的三種不同狀態(tài)的堅(jiān)實(shí)冰雪為研究對(duì)象進(jìn)行了三軸加載破壞試驗(yàn)，獲得了三種堅(jiān)實(shí)冰雪軸向應(yīng)變與主應(yīng)力差的關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致主應(yīng)力差值較大原因是三種試樣孔隙度不同，溫度升高后，其融化速率不同?？紫抖仍酱?，受溫度影響越大，融化速率越大。

李亞芹 王俊發(fā) 李曉霞 莊騰飛 邱新偉

佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

李亞芹（1978-）女，博士，副教授. 研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備；王俊發(fā)（1958-）男，博士，教 授. 研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.004

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175226）；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E201465）；佳木斯大學(xué)青年基金項(xiàng)目（Lq2012-34）；佳木斯大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（LZZ2014_009）