鄒團結， 周德泉， 栗小祜， 鄧　超

(1.湖南省永龍高速公路建設開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙　410114；　3.長沙理工大學 巖土工程施工災變防控與環(huán)境修復技術協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖南 長沙　410114)

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隧道棄碴壓實變形規(guī)律試驗研究

鄒團結1， 周德泉2，3， 栗小祜1， 鄧超2

(1.湖南省永龍高速公路建設開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.長沙理工大學 土木與建筑學院， 湖南 長沙410114；3.長沙理工大學 巖土工程施工災變防控與環(huán)境修復技術協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖南 長沙410114)

[摘要]隧道棄渣形成的土石混合體作為路基填料，壓實控制比較困難。從湖南省龍永高速公路大壩隧道棄渣填筑體取樣，開展土石混填路基壓實工藝室內模擬試驗。結果表明： ①土石混合體壓縮曲線整體上呈上凸型，回彈曲線平緩圓滑、均呈微下凹型。第i+1次壓縮回彈曲線均位于第i次曲線下方，線形相似。超壓曲線具有記憶效應。 ②分級加載比1次加載產(chǎn)生的變形大；循環(huán)荷載和加載次數(shù)增加，累積總變形和累積塑性變形增大。分級總變形量和分級塑性變形量隨加載次數(shù)增加而減小，減小率也不斷減小。循環(huán)荷載較大時，分級彈性變形隨加載次數(shù)增加而減小。 ③工地碾壓過程中，采用高噸位壓路機或者輕重機具組合多次碾壓，能有效提高土石混合體的壓實度。

[關鍵詞]隧道棄渣； 土石混合體； 壓實； 模型試驗

山區(qū)高速公路橋隧比例高，隧道開挖山體產(chǎn)生大量的棄渣。隧道棄渣的綜合利用可以有效減少棄渣產(chǎn)生的危害[1]。隧道棄渣填埋處理不當[2，3]，會導致生態(tài)破壞、經(jīng)濟損失、安全事故等，具體表現(xiàn)為：棄渣填埋占用耕地、林地，破壞生物棲息地，污染水源，破壞環(huán)境，造成水土流失，誘發(fā)次生災害(土壤侵蝕加劇、泥石流、滑坡、減小過水斷面誘發(fā)洪災)。山區(qū)高速公路建設實踐[4]表明，隧道棄渣越來越多的被用來作為路基的填筑材料[5-7]，作為路基填筑材料一般不超過棄渣總量的50%[8]。隧道棄渣實際是一種土石混合體，物理力學特性比較復雜。土石混合體填筑路基的研究主要集中于壓實度檢測方法和變形特性研究。張獻民[9]、曹文貴等[10，11]提出了土石混填路基的壓實度檢測新方法，對土石混填路基進行方便、快捷、準確的全面連續(xù)檢測，控制壓實質量。王明慧[12]、梁承祥[13]、徐文杰等[14]、劉麗萍等[15]。對土石混填路基的沉降特性進行了研究，提出土石混填路基填筑質量的控制方法。這些研究[9-14]趨向于施工后質量控制，缺少施工前質量控制的研究，特別是，巖石種類不同、風化程度各異，各隧道穿越的巖土條件千差萬別，實際土石混合體的工程特性并不十分清楚，土石混填路基的填筑質量沒有得到有效保證。本文通過對湖南省龍永高速公路大壩隧道棄渣填筑體現(xiàn)場取樣，進行室內模型試驗，研究石灰?guī)r中開挖隧道形成的土石混合體筑路特性，為控制龍永高速公路24標段(隧橋連接段)土石混填路基施工質量提供依據(jù)。

1試驗概況

在長沙理工大學結構試驗中心反力架下加工圍擋、形成方便施加荷載的模型槽(見圖1(a))，尺寸為1.5 m×1.4 m×0.8 m(長×寬×高)，模型槽內充填大壩隧道棄渣填筑體樣品作為模型土。通過室內小型平板載荷試驗模擬現(xiàn)場壓實施工過程，分別對二處測點(A、B)土石混合料進行不同額定荷載下的1次預加壓+4次循環(huán)荷載+1次超載試驗，探究實際土石混合體不同加載過程中荷載-變形曲線特征、壓縮變形與加載次數(shù)的關系，以指導現(xiàn)場壓實控制。加載過程見表1。

具體方案如下：

① 準備工作。自制模型槽，并保證模型槽滿足試驗要求，考慮攤鋪厚度及槽底混凝土底板與施工現(xiàn)場實際碾壓時的差別，預鋪壓土石混合料10 cm，標記槽壁四周刻度，精準攤鋪厚度30 cm的試驗土石混合料。同時加固反力梁、標定壓力傳感器、千斤頂。

圖1　模型槽布置圖Figure 1　Arrangement of model tank

表1 加載過程Table1 LoadingprocessofexperimentkPa試驗點1次預壓4次循環(huán)加載1次超載A100200300B300400500

② 設置荷載平臺。采用實驗室內反力梁、反力墩作為荷載施加的反力裝置，經(jīng)估算可用反力約95 kN。

③ 安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測點處放置中部預留孔洞的φ400 mm的承壓板、千斤頂、壓力傳感器，其間隙根據(jù)實際情況加減墊塊、傳力墩進行調節(jié)。在左右兩側對稱設置兩個大量程百分表，并與承壓板保持垂直，且保持獨立，不受試驗加載及讀數(shù)的擾動。

④ 加卸載，讀取數(shù)據(jù)。荷載由已標定的壓力傳感器和千斤頂施加，通過DN-1型數(shù)顯儀控制荷載的大小，沉降量通過百分表獲得。

2試驗結果與分析

2.1土石混合料級配特征

圖2　土石混合料路基工地現(xiàn)場照片F(xiàn)igure 2　Field photo of soil-rock roadbed

圖3　土石混合料顆粒級配曲線Figure 3　Grain-size distribution curve of soil-rock samples

2.2不同加載過程中荷載-變形曲線特征

不同荷載下土石混合體經(jīng)歷1次預壓+4次循環(huán)加載+1次超載的壓縮-回彈曲線如圖4所示，其中，圖4(a)表示試驗點A經(jīng)歷1次100 kPa預壓+4次200 kPa循環(huán)加載+1次超載至300 kPa的壓縮-回彈曲線，圖4(b)表示試驗點B經(jīng)歷1次300 kPa預壓+4次400 kPa循環(huán)加載+1次超載至500 kPa的壓縮-回彈曲線。從圖4中可以看出：

① 土石混合體壓縮曲線整體上呈上凸型，經(jīng)預壓和第1次加載之后產(chǎn)生了明顯的沉降；回彈曲線平緩圓滑、均呈微下凹型，卸載完畢時無法回到加載前的水平，這說明土石混合體為非理想彈性體，在荷載作用下產(chǎn)生的變形由彈性變形和塑性變形2部分組成；第i+1次壓縮回彈曲線均位于第i次曲線下方，線形相似；當?shù)?次加載超過預壓荷載、超載超過第4次加載時，加壓曲線將回歸到前次壓縮曲線的延伸，即具有記憶效應。

② 預壓越大(圖4(b))，變形就越大；分2級加載達到200 kPa產(chǎn)生的變形(圖4(a))比1次加載達到200 kPa產(chǎn)生的變形(圖4(b))大。說明工地碾壓過程中，采用高噸位壓路機或者輕重機具組合碾壓，能明顯提高土體的壓實度。

圖4　不同加載過程中荷載-變形曲線Figure 4　Load-deformation curves in different loading process

2.3加載次數(shù)與壓縮變形的關系

圖4中，等載(200 kPa和400 kPa)循環(huán)加卸載過程等效為壓縮-回彈過程，與壓路機碾壓1遍十分相似。

2.3.1加載次數(shù)與累積壓縮變形的關系

圖4中，4次等載(200 kPa和400 kPa)循環(huán)加卸載之后分別經(jīng)受了1次超載(分別為300 kPa和500 kPa)，所以，試驗點A經(jīng)受了5次200 kPa壓力，試驗點B經(jīng)受了5次400 kPa壓力，產(chǎn)生了5次累積沉降和4次累積塑性變形。累積沉降-加載次數(shù)曲線見圖5(a)，累積塑性變形-加載次數(shù)曲線見圖5(b)。圖4～圖5(a)表明：

① 循環(huán)加卸載過程中，隨著加載次數(shù)增加，土石混合體累積沉降(總變形)和累積塑性變形增大，壓實度提高。

② 循環(huán)荷載越大，土石混合體累積沉降(總變形)和累積塑性變形也越大，壓實度越高。循環(huán)加卸載1～4次，隨著加載次數(shù)增加，累積沉降(總變形)和累積塑性變形的增長率也越高(曲線斜率越高)。

圖5　累積沉降—加載次數(shù)和累積塑性變形—加載次數(shù)曲線Figure 5　Relationship curves between accumulative settlement and loading times & accumulative plastic deformation and loading times

2.3.2加載次數(shù)與分級壓縮變形的關系

圖4中，每次等載壓縮-回彈曲線都揭示了總變形、塑性變形和彈性變形。為了便于辯析，將等載循環(huán)加卸載階段每次等載壓縮-回彈過程擬定為每級。獲得的分級沉降(總變形)、分級塑性變形和分級彈性變形與加載次數(shù)的關系見圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)：

圖6　分級沉降-加載次數(shù)，分級塑性變形—加載次數(shù)和分級彈性變形—加載次數(shù)曲線Figure 6　Relationship curves between classification settlement and loading times, classified plastic deformation and loading times & classified elastic deformation and loading times

① 加載次數(shù)增加，分級沉降量和分級塑性變形量隨之減小，減小率也不斷減小。加載到第5次，分級沉降量仍在減小，與全風化泥質砂巖[16]和花崗巖殘積土[17]循環(huán)加卸載3次趨于穩(wěn)定明顯不同。第1次加載400 kPa產(chǎn)生的分級沉降量和分級塑性變形量較小，是因為預壓較大。

② 循環(huán)荷載較大時，分級彈性變形隨加載次數(shù)增加而減小，這對于工地壓實是有利的；循環(huán)荷載較小時，分級彈性變形隨加載次數(shù)增加而增大，這對于工地壓實是不利的。再次說明選擇高噸位壓路機能明顯提高土體的壓實度。

3結論

① 土石混合體壓縮曲線整體上呈上凸型，回彈曲線平緩圓滑、均呈微下凹型，說明土石混合體為非理想彈性體；第i+1次壓縮回彈曲線均位于第i次曲線下方，線形相似；超壓曲線具有記憶效應。

② 分級加載比1次加載產(chǎn)生的變形大；循環(huán)荷載和加載次數(shù)增加，累積總變形和累積塑性變形增大。分級總變形量和分級塑性變形量隨加載次數(shù)增加而減小，減小率也不斷減小。循環(huán)荷載較大時，分級彈性變形隨加載次數(shù)增加而減小。

③ 工地碾壓過程中，采用高噸位壓路機或者輕重機具組合多次碾壓，能有效提高土石混合體的壓實度。

[參考文獻]

[1]王健，倪棟.山區(qū)公路隧道建設棄渣綜合利用研究[J].公路交通科技：應用技術版，2012(6)：344-345.

[2]沈振武.山區(qū)長大隧道工程環(huán)境問題的研究[J].華東交通大學學報，2013，20(5)：35-38.

[3]李文銀，趙萬廣.寧靜鐵路上鸞橋隧道棄渣案件的處理與反思[J].中國水土保持，1994(11)：14.

[4]楊紅軍，周德泉.新理念下山區(qū)高速公路建設實踐[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5]朱正旺.隧道棄渣在填石路基中的施工技術[J].路基工程，2004(6)：64-66.

[6]王仲錦，張千里，葉陌開.鐵路路基填料分類化研究[J].中國鐵道科學，2012，33(2)：13-20.

[7]趙磊.蘭渝鐵路清水隧道棄渣用作路基填料的試驗研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2012.

[8]李克.路基填料設計探討[J].交通標準化，2011(19)：92-93.

[9]張獻民，呂耀志，董倩，等.基于彈性波理論的土石混填路基壓實質量評價研究[J].巖土工程學報，2015(11)：2051-2057.

[10]曹文貴，伍丹，趙明華，等.基于靜力貫入的土石混填路基壓實度確定方法[J].中國公路學報，2010，23(5)：8-15.

[11]曹文貴，羅宏，張竣淞，等.基于Duncan-Chang模型的靜力貫入路基壓實度的確定方法[J].中國公路學報，2013，26(5)：1-8.

[12]王明慧，邱立群，陳榮山，等.渝萬鐵路長壽—墊江段改良土填料路基施工質量控制[J].鐵道建筑，2015(11)：65-68.

[13]梁承祥，尹建軍.壟茶高速公路土石混填路基沉降特性分析[J].公路工程，2014，39(5)：270-273.

[14]徐文杰，胡瑞林.循環(huán)荷載下土石混合體力學特性野外試驗研究[J].工程地質學報，2008(16)：63-69.

[15]劉麗萍，折學森.土石混合料壓實特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25(1)：206-210.

[16]周德泉，肖宏宇，雷鳴，等.重復加卸載條件下全風化泥質砂巖累積變形與濕化規(guī)律試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013(03)：465-473.

[17]周德泉，譚煥杰，徐一鳴，等.循環(huán)荷載作用下花崗巖殘積土累積變形與濕化特性試驗研究[J].中南大學學報：自然科學版，2013，44(4)：1657-1665

Experimental Study of Compression Deformation For Tunnel Waste Slag

ZOU Tuanjie1， ZHOU Dequan2，3， LI Xiaohu1, DENG Chao2

(1.Hunan Provincial Yonglon Expressway Construction and DevelopmentCo.Ltd， Yongshun, Hunan 416700, China；2.School of Civil Engineering and Architecture， Changsha University of Science & Technology， Changsha, Hunan 410114, China；3.Collaborative Innovation Centre of Disaster Prevention and Environmental Restoration Technology for Geotechnical Engineering Construction， Changsha University of Science & Technology， Changsha, Hunan 410114, China)

[Abstract]The soil rock mixture formed by the tunnelwaste slag is used as roadbed filler，and the compaction control is more difficult.Sampleswere obtained from the daba tunnel of the yonglon expressway，and model tests of soil rock mixture compacted were carried out.The study results are shown as follows： ①The compression curves of soil rock mixture are overallconvex type in plate loading test，therebound curves are smooth and slightlyconcave type.The(i+1)-th compression-rebound curve is located below the i-th curve，and has the similar linearity.The overpressure curvehas memory effect. ②The deformation caused by the step loading is larger than that of the 1 loading.The cumulative total deformation and cumulative plastic deformation increase with the increase of cyclic loading and loading times.The classification total and plastic deformation are decreased with the increase of loading times，and the decreasing rate is also decreased.When the cyclic load is large，the classification elastic deformation decreases with the increase of the loading times. ③In the site rolling process，the use of high tonnage roller and the combination rolling of light and weight equipment can effectively improve the compaction degree of soil rock mixture.

[Key words]tunnel waste slag； soil rock mixture； compaction； model test

[中圖分類號]TU 413； U 451+.5

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0191—05

[作者簡介]鄒團結(1974—)，男，湖南邵陽人，高級工程師，從事高速公路建設與管理工作。

[基金項目]湖南省交通運輸廳科技項目(No.201304)

[收稿日期]2016—02—17