劉 群 劉 麗
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴州 550081)
含水率對砂質(zhì)板巖粗粒土蠕變特性影響試驗(yàn)研究
劉群劉麗
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴州550081)
摘要粗粒土在公路、鐵路路基工程中應(yīng)用廣泛,其蠕變特性是影響高填方路堤長期沉降的重要因素。通過單軸壓縮蠕變試驗(yàn)研究含水率對粗粒土蠕變的影響規(guī)律,分析砂質(zhì)板巖粗粒土在不同含水狀態(tài)下的蠕變特性,并基于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的H-K蠕變模型探討含水率、應(yīng)力與蠕變參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明,含水率是影響粗粒土蠕變特性的重要因素,提出使用干燥或飽和含水態(tài)的粗粒土填料以控制路堤長期沉降。
關(guān)鍵詞含水率粗粒土單軸試驗(yàn)蠕變特性
隨著我國交通設(shè)施的快速發(fā)展,鐵路建設(shè)不斷向山區(qū)延伸,受地形條件限制,大量高填方路堤不斷涌現(xiàn)。粗顆粒土具有壓實(shí)性能好、抗剪強(qiáng)度高等特點(diǎn),在山區(qū)鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。粗粒土高填路堤的蠕變變形是眾多因素綜合作用的結(jié)果,包括土的類別、含水率、填土高度等。過去對蠕變影響因素的研究多集中在巖石[1]、軟土[2-3]、黃土[4]、膨脹土[5]等,而涉及粗粒土的研究較少?;谇叭说难芯炕A(chǔ),通過大型單軸蠕變試驗(yàn),以含水率為控制指標(biāo),研究滬昆客運(yùn)專線砂質(zhì)板巖粗粒土填料的蠕變特性。
1單軸蠕變試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析
砂質(zhì)板巖粗粒土的干密度為2.10g/cm3,顆粒密度為2.70 g/cm3,人工配制4組含水率分別為0.07%,1.29%,4.86%,8.12%的試樣,對應(yīng)干燥、天然、非飽和、飽和含水狀態(tài),顆粒級配情況見圖1,可知粗粒土級配良好。
圖1 砂質(zhì)板巖粗粒土級配曲線
選取直徑280mm×230mm的單軸固結(jié)儀,采用50→100→200→400→800kPa的分級加載方式進(jìn)行蠕變試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖2。
根據(jù)粗顆粒填料的干密度與含水率關(guān)系曲線有2個(gè)峰值的特點(diǎn),施工中當(dāng)填料為干燥狀態(tài)(含水率接近0)、干密度較大時(shí),不需加水;當(dāng)填料處于潮濕狀態(tài)時(shí),需加水改變含水率接近谷點(diǎn)的不利狀態(tài),增加壓實(shí)效果。
3結(jié)語
本文根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)規(guī)范和國內(nèi)外學(xué)者的研究成果,對高速鐵路高填路基無黏性粗顆粒填料進(jìn)行了篩分試驗(yàn)和振動擊實(shí)試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:
(1) 砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料是級配良好的填料,振動擊實(shí)試驗(yàn)曲線呈波浪形,即隨含水率的增大,干密度先減小后增大,曲線出現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象。
(2) 砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料在干燥狀態(tài)或飽和含水狀態(tài)時(shí)干密度較大,最大干密度為2.21g/cm3。
(3) 建議在實(shí)際工程中當(dāng)砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料為干燥狀態(tài)時(shí),碾壓填料不需或少量灑水;當(dāng)填料處于潮濕狀態(tài)時(shí),需加水改變含水率接近谷點(diǎn)的不利狀態(tài),以此增加壓實(shí)效果。
參考文獻(xiàn)
[1]陳宏偉.粗粒土壓實(shí)試驗(yàn)研究[D].西安:長安大學(xué),2004.
[2]TB10102-2010鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2010.
[3]郭慶國.無黏聚性粗粒土的壓實(shí)特性與壓實(shí)參數(shù)[J].大壩觀測與土工測試,1984(1):41-49.
[4]郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社,1998.
a)試驗(yàn)曲線-模型曲線Db)試驗(yàn)曲線-模型曲線N
c)試驗(yàn)曲線-模型曲線Ud)試驗(yàn)曲線-模型曲線S
D-干燥態(tài);N-天然態(tài);U-非飽和態(tài);S-飽和態(tài)
圖2砂質(zhì)板巖粗粒土試驗(yàn)曲線與模型曲線對比圖
利用H-K模型描述粗粒土的蠕變性,一維常應(yīng)力σ0作用下其蠕變方程為
(1)
式中:ε0為瞬時(shí)彈性變形;ε1為極限蠕變變形;E1為彈性模量;E2為黏彈性模量;β為黏性系數(shù)。
利用改進(jìn)的高斯-牛頓法,編制計(jì)算機(jī)程序Creep,求解H-K模型參數(shù),計(jì)算結(jié)果見表1,圖2中H-K模型蠕變曲線與實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)達(dá)到了很高的擬合精度,所得參數(shù)說明了不同含水狀態(tài)下泥質(zhì)板巖粗粒土的蠕變性態(tài)變化。
表1 H-K蠕變模型參數(shù)值
2不同含水狀態(tài)下粗粒土蠕變特性分析
2.1瞬時(shí)彈性應(yīng)變ε0和瞬時(shí)彈性模量E1
圖3為瞬時(shí)彈性應(yīng)變與含水率關(guān)系曲線。
圖3 瞬時(shí)彈性應(yīng)變與含水率關(guān)系曲線
由表1、圖3可見,隨含水率增大,瞬時(shí)彈性模量有增大的趨勢,瞬時(shí)彈性應(yīng)變有減小的趨勢,這是因?yàn)榭紤]含水率的蠕變與粗、細(xì)顆粒間的孔隙壓縮及孔隙水壓力等有關(guān)。當(dāng)含水率較低時(shí),孔隙中空氣比率相對較大,孔隙壓縮沒有受到太大的阻礙,產(chǎn)生較大的瞬時(shí)彈性應(yīng)變;當(dāng)含水率較大時(shí),由于水的壓縮系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣且對于瞬時(shí)變形孔隙水來不及擴(kuò)散,產(chǎn)生孔隙水壓力,孔隙壓縮受到阻礙,瞬時(shí)彈性變形較?。环擒浫跄噘|(zhì)板巖粗顆粒骨架的彈性模量隨含水率的增加而降低的幅度并不大,當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后,孔隙水壓力使彈性模量有較大的回彈,出現(xiàn)隨含水率增大瞬時(shí)彈性模量發(fā)生較小幅度增大的現(xiàn)象。
2.2極限蠕變應(yīng)變ε1和極限蠕變變形模量E2
圖4形象地反映了同一應(yīng)力水平下隨含水率增大,極限蠕變應(yīng)變ε1呈“先增加后減小”的變化規(guī)律,而極限蠕變變形模量E2先減小后增大(見表1),這說明粗粒土的蠕變受到含水率較明顯的影響。原因是當(dāng)含水率很小時(shí),可以認(rèn)為粗粒土由固-氣二相組成,瞬時(shí)加載產(chǎn)生較大的變形,細(xì)顆粒良好地填充粗顆粒骨架,孔隙壓縮更密實(shí),變形模量較大;隨含水率增大,加載產(chǎn)生的孔隙水壓力隨時(shí)間的延長、水四處擴(kuò)散而消減,水四處擴(kuò)散驅(qū)趕空氣,產(chǎn)生新的孔隙,阻礙細(xì)顆粒填充粗顆粒骨架,水慢慢被粗、細(xì)顆粒吸收,細(xì)顆粒填充新的粗顆粒骨架,使之密實(shí),并將部分水趕入骨架外的孔隙,在這不斷循環(huán)密實(shí)的過程中土體承載能力和彈性模量有所降低;當(dāng)含水率增大到飽和時(shí),土體看作是固-液二相,土顆粒間的孔隙充斥著水,加載產(chǎn)生孔隙水壓力,使變形模量回彈。
圖4 極限蠕變應(yīng)變與含水率的關(guān)系曲線
由圖4可見,天然、非飽和含水態(tài)的極限蠕變應(yīng)變明顯大于干燥、飽和含水態(tài),建議使用干燥或飽和含水態(tài)的泥質(zhì)板巖粗粒土填料來減小路堤長期沉降。
2.3趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α
趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α=E1/β,由式(1)可知,α越大,exp(-αt)衰減越快,ε達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短,反映了蠕變達(dá)到穩(wěn)定階段的快慢程度。圖5描述了不同含水狀態(tài)下試樣在不同應(yīng)力水平作用下的趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α值。
圖5 趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)與含水率的關(guān)系曲線
由圖5可見,同一應(yīng)力水平下隨含水率的增加,趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α值先是減小,當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后反而增加。這說明同應(yīng)力水平下,與干燥、飽和態(tài)相比,天然、非飽和含水狀態(tài)的粗粒土進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較長。
2.4蠕變的非線性
由表1可見,粗粒土試樣隨著加載應(yīng)力的不同及含水狀態(tài)的改變,蠕變參數(shù)E1,E2,β值發(fā)生很大的變化,說明E1,E2,β是應(yīng)力σ0和含水率ω的函數(shù),則有
(2)
式中:蠕變?nèi)崃縅是應(yīng)力和含水率的函數(shù),說明粗粒土具有非線性蠕變特性。
3結(jié)論
(1) 隨含水率的增加,砂質(zhì)板巖粗粒土的瞬時(shí)彈性應(yīng)變ε0減小,瞬時(shí)彈性模量E1增大。
(2) 隨含水率的增加,砂質(zhì)板巖粗粒土的極限蠕變應(yīng)變ε1先增大后減小,即同等其他條件下相比天然、非飽和態(tài),干燥、飽和態(tài)的粗粒土發(fā)生極限蠕變較??;極限蠕變變形模量E2和趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α呈相反規(guī)律,即天然、非飽和態(tài)的粗粒土達(dá)到穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較長。
(3) 為了減小路堤長期沉降,建議采用干燥或飽和含水狀態(tài)的砂質(zhì)板巖粗粒土填料。
[1]楊彩紅,王永巖,李劍光,等.含水率對巖石蠕變規(guī)律影響的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(7):695-699.
[2]胡華.含水率對軟土流變參數(shù)的影響特性及其機(jī)理分析[J].巖土工程技術(shù),2005,19(3):134-136.
[3]陳曉平,周秋娟,朱鴻鵠,等.軟土蠕變固結(jié)特性研究[J].巖土力學(xué),2007(28S):1-10.
[4]李廣冬.黃土的三軸蠕變特性試驗(yàn)研究[D].西安:西北農(nóng)林科技大學(xué),2011.
[5]邱平華.膨脹土直剪蠕變特性及長期強(qiáng)度研究[D].株洲:湖南工業(yè)大學(xué),2012.
收稿日期:2014-09-30
DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.046