(1.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.三明市交通建設(shè)集團公司, 福建 三明 365000)

基于臨界動應(yīng)力的公路路床層黏土改良填料可靠性驗證

蔡俊華1，2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.三明市交通建設(shè)集團公司, 福建 三明 365000)

隨著公路運輸超載現(xiàn)象的日益普遍，采用工程性質(zhì)不良的黏土作為路床填料將容易導(dǎo)致沉降快速增長甚至動力破壞，而在黏土中摻入砂、礫成為了工程中常用的填料改良手段。針對黏土改良填料進(jìn)行了一系列大型動三軸試驗，分析了圍壓和含水率對累積塑性變形增長的影響，根據(jù)塑性變形增長的特點將試樣分為了穩(wěn)定試樣和破壞試樣，由此得出了臨界動應(yīng)力的表達(dá)公式，結(jié)合公路現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，探討了不同軸載下路床動力破壞的可能性。研究表明：當(dāng)路床含水率接近9%時，標(biāo)準(zhǔn)軸載下的實測動應(yīng)力超過了黏土改良填料的臨界動應(yīng)力，路床容易發(fā)生動力破壞；而當(dāng)路床含水率處于6.0%和7.5%時，在標(biāo)準(zhǔn)軸載下，路床可保持較好的穩(wěn)定性，但在超載情況下，路床仍有可能發(fā)生動力破壞。

路床； 黏土改良填料； 大型動三軸試驗； 臨界動應(yīng)力； 累積塑性變形

0 引言

黏土在我國分布廣泛，是路基填筑時普遍采用的一種填料。當(dāng)黏土處于暴雨或浸水情況下時，會因為接近于飽和狀態(tài)而具有含水率高、壓縮性大等不良工程性質(zhì)；加之目前公路超載現(xiàn)象普遍，而路床層位于整個路基的上部，這意味著車輛運行將對黏土路床產(chǎn)生的動力作用明顯增大，易導(dǎo)致路床層的累積塑性變形快速增長，引起路面的不均勻沉降、開裂等[1]。為了改善黏土的不良工程性質(zhì)，在采用黏土進(jìn)行公路路基路床層填筑時，往往對其進(jìn)行物理改良(添加砂、礫)[2,3]，而確保黏土改良填料填筑的路床具有可靠的動力穩(wěn)定性成為了工程技術(shù)人員較為關(guān)心的問題。

臨界應(yīng)力狀態(tài)是路基設(shè)計中一個非常重要的技術(shù)參數(shù)，為防止土體產(chǎn)生過大的累積塑性變形，在設(shè)計時首先應(yīng)避免其所處的動應(yīng)力水平超過其臨界動應(yīng)力。蔡英[4]發(fā)現(xiàn)成都路基土的累積塑性應(yīng)變與振次的關(guān)系曲線存在一種臨界形態(tài)，其斜率時大時小，并提出將土體受到的動應(yīng)力與土體的臨界動應(yīng)力之比定義為動應(yīng)力水平，并指出為了控制路基的永久變形，實際工程中應(yīng)將路基動應(yīng)力降低至路基土臨界動應(yīng)力以下。張勇、孔令偉等[5]指出，循環(huán)荷載下飽和重塑軟黏土的臨界動應(yīng)力大體上隨著圍壓的增加而線性增大。劉曉紅[6]研究了循環(huán)荷載作用下原狀結(jié)構(gòu)紅黏土動應(yīng)變隨振次的變化規(guī)律，通過分析得出：當(dāng)采用等壓固結(jié)時，臨界動應(yīng)力隨圍壓的增大而遞增，兩者近似呈線性關(guān)系，而且遞增速率與含水率大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

可以看出，目前土體臨界動應(yīng)力研究多局限于軟土、粉土、黏土等細(xì)顆粒土的范圍，而黏土改良填料屬于粗粒土的范疇，根據(jù)三軸試驗的粒徑效應(yīng)，研究該類土的動力性質(zhì)時需要采用大型三軸儀器，但由于大型三軸試驗過程復(fù)雜、試驗成本高等原因，相關(guān)研究開展較少。本文利用大型動三軸儀，針對公路路床層黏土改良填料開展了持續(xù)振動試驗，獲取了不同應(yīng)力狀態(tài)和含水率下填料累積塑性應(yīng)變的增長曲線，根據(jù)曲線特點對試樣類型進(jìn)行了劃分，并進(jìn)一步得出了臨界動應(yīng)力的經(jīng)驗公式，最終結(jié)合公路現(xiàn)場實測動應(yīng)力資料探討了各種軸載下路床發(fā)生動力破壞的可能性，研究成果可為采用黏土改良填料填筑路基的相關(guān)工程提供借鑒。

1 試樣和試驗方案

1.1 試樣

為了模擬黏土改良填料，從某路基現(xiàn)場獲取了黏土，根據(jù)常用物理改良配比方案，向其中添加砂土、圓礫石進(jìn)行拌合制成散狀土(圖1)，其中砂土、圓礫石、黏土具有1∶1∶0.35的質(zhì)量比例關(guān)系，其級配曲線如圖2所示。填料最大干密度ρdmax=2.15 g/cm3，飽和含水率wsat≈9.0%，最優(yōu)含水率wopt≈6.0%。

圖1 試驗用改良黏土填料

圖2 試驗用填料級配曲線

1.2 試驗方案

按照公路路床層壓實系數(shù)(K=0.96)和已測定的最大干密度，將配置好的散狀黏土改良填料壓實制成尺寸為φ300 mm×600 mm的圓柱體試樣。為確保試樣顆粒的均勻分布，分6層進(jìn)行擊實，每層重量為試樣總重量的1/6。試樣壓實完畢后通過水頭飽和使其孔隙水壓力系數(shù)B達(dá)到95%以上，整個飽和過程通常需要36 h以上；制作非飽和試樣時，可以省去以上過程，根據(jù)所控制的含水率對散狀填料加入所需水量進(jìn)行拌合，為防止水量損失，加水后馬上對散狀填料進(jìn)行壓實制樣，經(jīng)過測定，因制樣造成的含水率相對變化率在3%以內(nèi)。

本文暫不考慮初始應(yīng)力狀態(tài)在路基內(nèi)的差異，統(tǒng)一采用各向等壓的初始應(yīng)力狀態(tài)，動應(yīng)力波形為正弦函數(shù)，動應(yīng)力大小σd即波峰與波谷的差值，所有試樣的含水率、圍壓和施加的動應(yīng)力見表1，其中動應(yīng)力范圍為20～100 kPa，圍壓σ3范圍為10～50 kPa，應(yīng)力的加載范圍參考了文獻(xiàn)[7]的研究成果。停止試驗的標(biāo)準(zhǔn)為：若振動次數(shù)超過50000次后累積塑性變形的增長趨勢趨于平緩，遞增速率不足0.5 mm/h，則視試樣處于動力穩(wěn)定狀態(tài)，停止試驗；若累積塑性變形遞增速率較大，相應(yīng)的應(yīng)變值在50000振次以內(nèi)達(dá)到5%，則視試樣發(fā)生動力破壞，停止試驗。值得指出的是，該值已經(jīng)遠(yuǎn)超工程上允許接受的應(yīng)變限值，選擇該值只是僅僅作為三軸試驗中試樣破壞的依據(jù)。由于本次試驗沒有測試孔隙水壓力和孔隙氣壓力，因此動應(yīng)力分析是基于總應(yīng)力。

表1 試樣的試驗參數(shù)編號含水率w/%圍壓σ3/kPa動應(yīng)力σd/kPa19010202901030390104049010505901060690107079030208903030990304010903050119030601290307013905020149050301590504016905050179050601890507019601040206010502160106022601070236030702460307525603080266050702760508028605090296050100307550703175509032754090

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 塑性變形增長規(guī)律

圖3為同圍壓下飽和黏土改良填料軸向累積塑性應(yīng)變εa與加載次數(shù)N的關(guān)系曲線，各個試樣的εa～N曲線呈現(xiàn)不同的趨勢特征。以圍壓σ3=30 kPa為例(圖3b)，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd=20、30 kPa時，循環(huán)加載初期εa遞增速率較快，但隨著N的增加，應(yīng)變遞增速率逐漸減小，當(dāng)振次N達(dá)到一定次數(shù)后(約2000次)，累積塑性應(yīng)變趨于收斂，此應(yīng)力條件下的試樣可判定為穩(wěn)定試樣。當(dāng)動應(yīng)力幅值σd增加至40 kPa以上時，累積塑性應(yīng)變隨加載次數(shù)的遞增明顯，對應(yīng)于同一N，施加的動應(yīng)力越大，試驗產(chǎn)生的εa也越大。當(dāng)σd=70 kPa時，加載次數(shù)在2000次左右εa就超過了5%，此應(yīng)力條件下的試樣可判定為破壞試樣。

圖3 飽和填料試樣塑性應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系

總體來看，隨動應(yīng)力水平的逐漸增大，試樣的累積塑性應(yīng)變逐漸增大，εa～N曲線走勢由平緩、波動向斜線上升變化。

非飽和填料(w=6.0%)的試驗結(jié)果見圖4，可以看出隨著圍壓的增大，試樣發(fā)生破壞所需的動應(yīng)力也逐漸增大，如在σ3=10 kPa條件下(圖4a)，使試樣發(fā)生破壞的動應(yīng)力為60 kPa；而當(dāng)σ3=30 kPa時(圖4b)，使試樣發(fā)生破壞的動應(yīng)力達(dá)到了75 kPa；當(dāng)σ3=50 kPa時(圖4c)，即使動應(yīng)力達(dá)到100 kPa也不足以使試樣發(fā)生破壞，該應(yīng)力條件下試樣的累積塑性應(yīng)變在增長至3%左右后趨于穩(wěn)定。對比圖3和圖4，可知含水率對黏土改良填料的動力穩(wěn)定性有較大影響，非飽和試樣的累積塑性應(yīng)變的增長相較飽和條件下更加困難，需要更大的動應(yīng)力才能使試樣發(fā)生破壞。

圖4 非飽和填料試樣塑性應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系

2.2 臨界動應(yīng)力

為了確定不同條件下使試樣發(fā)生破壞的動應(yīng)力閥值，定義動應(yīng)力比為σd/(2σ3)，將所有試樣對應(yīng)的動應(yīng)力比及含水率繪制于圖5，并可大致得出一條直線作為穩(wěn)定試樣和破壞試樣的分界線，該直線即為該類改良黏土的臨界動應(yīng)力比線(K=0.96)，其表達(dá)式如式(1)所示。在圖5上，少數(shù)坐標(biāo)點同時存在穩(wěn)定試樣和破壞試樣，這可能是由于試驗誤差導(dǎo)致的，為提高臨界動應(yīng)力比線的安全性，統(tǒng)一將該類坐標(biāo)點對應(yīng)的試樣視為破壞試樣?？梢钥闯?，圍壓的增大促使填料顆粒之間的接觸與咬合更加緊密，顆粒的相對移動更加困難，因而使填料抵抗變形的能力得到了提高，臨界動應(yīng)力相應(yīng)上升；而水可在顆粒相對移動時起到潤滑作用，因此含水率的上升將使填料的變形更加容易發(fā)生，對路床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利。

圖5 黏土改良填料動應(yīng)力比與含水率的關(guān)系

σd/(2σ3)=-0.289w+3.183

(1)

圖6為湖南省某高速公路路基動應(yīng)力實測結(jié)果與改良黏土填料臨界動應(yīng)力的對比圖，圖中的實線為不同胎壓車輛(速度為100 km/h)運行下路基各個深度的動應(yīng)力峰值，虛線為不同深度填料的臨界動應(yīng)力值，該值由路基面以下深度h換算成σ3后再代入式(1)中計算得出。由圖可知，路基動應(yīng)力隨著胎壓的增大而上升，并隨著深度增加而衰減。當(dāng)路床含水率處于7.5%和6.0%的狀態(tài)時，若黏土改良填料路床的壓實度達(dá)到了0.96，則在標(biāo)準(zhǔn)軸載(胎壓≈700 kPa)下路床可保持足夠的動力穩(wěn)定性，但當(dāng)車輛超載時(胎壓為1001 kPa)，路床所受的動應(yīng)力已經(jīng)超過了填料的臨界動應(yīng)力，根據(jù)本文的試驗研究，在此條件下路床的累積塑性變形可能快速增長，路床易發(fā)生動力破壞。當(dāng)路床處于飽和狀態(tài)時，即使在標(biāo)準(zhǔn)軸載條件下，路床動應(yīng)力也超過了填料的臨界動應(yīng)力，路床僅可能在軸載偏低(胎壓≈315 kPa)時保持較好的動力穩(wěn)定性，由此可見，在保證填料類型和壓實程度的基礎(chǔ)上，應(yīng)足夠重視路床的防排水。

圖6 不同胎壓下路基動應(yīng)力峰值與填料臨界動應(yīng)力對比

3 結(jié)論

1) 在循環(huán)動應(yīng)力作用下，對于壓實度為0.96的路床黏土改良填料，累積塑性應(yīng)變的增長速率與圍壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與含水率呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)不同含水率、圍壓試樣的累積塑性應(yīng)變增長曲線特點，可以得出臨界動應(yīng)力的經(jīng)驗公式，當(dāng)實際動應(yīng)力大于臨界動應(yīng)力值時，填料易發(fā)生動力破壞，反之則將保持動力穩(wěn)定。

2) 當(dāng)路床接近飽和狀態(tài)時，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的路床實測動應(yīng)力超過了黏土改良填料的臨界動應(yīng)力，可能導(dǎo)致路床累積塑性應(yīng)變在運營期短時間內(nèi)快速增長，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視，必要時可在合理位置設(shè)置排水墊層、排水管以減少水分進(jìn)入路床。

3) 當(dāng)路基含水率處于最優(yōu)含水率6.0%和7.5%時，在標(biāo)準(zhǔn)軸載下，路床可保持較好的穩(wěn)定性，但在超載情況下，路床仍有可能發(fā)生動力破壞，因此針對公路超載現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，有必要進(jìn)一步對改良黏土填筑的路床進(jìn)行加固以延長其使用壽命。

[1] 肖軍華.循環(huán)荷載下路基壓實粉土的臨界應(yīng)力與應(yīng)變水平[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(5):61-66.

[2] 周德泉,楊帆,周毅.路基病害處治技術(shù)與應(yīng)用[J].中外公路,2010,30(6):17-20.

[3] 宋楊,魏連雨,馮雷.基于車輛動荷載條件下的半剛性路面路基工作區(qū)深度研究[J].中外公路,2015,35(6):47-52.

[4] 蔡英,曹新文.重復(fù)加載下路基填土的臨界動應(yīng)力和永久變形初探[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,1996,31(1):1-5.

[5] 張勇,孔令偉,郭愛國,等. 循環(huán)荷載下飽和軟黏土的累積塑性應(yīng)變試驗研究[J]. 巖土力學(xué),2009,30(6)：1542-1548.

[6] 劉曉紅,楊果林,方薇. 紅黏土臨界動應(yīng)力與高鐵無碴軌道路塹基床換填厚度[J]. 巖土工程學(xué)報,2011,33(3):348-353.

[7] 凌建明,蘇華才,謝華昌,等.路基土動態(tài)回彈模量的試驗研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報,2010,6(5):920-925.

1008-844X(2017)03-0028-04

U 416.03

A

2017-08-16

蔡俊華(1976-)，男，高級工程師，主要從事公路工程項目建設(shè)管理及科研工作。