年 迪,楊三強(qiáng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

礫石戈壁地區(qū)由于降雨少，路基會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間處于干燥狀態(tài)。與戈壁地區(qū)相比，綠洲灌區(qū)、湖濱平原等地區(qū)地表水較多，地下水位較高，部分土壤為粉質(zhì)土或鹽漬土，因此，路基通常處于中濕或潮濕狀態(tài)。受季節(jié)和溫度變化、土壤類(lèi)型等因素影響，盆地邊緣公路易發(fā)生水毀、凍脹、翻漿等病害，盆地腹部公路易發(fā)生沙埋、風(fēng)蝕等病害[1-3]。

國(guó)外研究人員對(duì)不同土質(zhì)下的路基強(qiáng)度變化進(jìn)行分析。Zhao等[4]用數(shù)值分析描述了飽和多孔介質(zhì)耦合流體動(dòng)力框架與廣義塑性模型，檢驗(yàn)軟土地基的循環(huán)加載響應(yīng)，并通過(guò)不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果表明，隨加載周期的增加，移動(dòng)荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)力路徑呈現(xiàn)出一系列心形包絡(luò)線，沿該包絡(luò)線的偏應(yīng)力和平均有效應(yīng)力均逐漸減小。當(dāng)列車(chē)速度接近飽和路基的臨界速度時(shí)，孔隙水壓力的累積和相關(guān)的土壤變形會(huì)加劇。Niu等[5]提出了一種能夠控制土樣含鹽量和溫度，且能動(dòng)態(tài)研究土樣變形和彈性模量等力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)裝置，從不同公路工程現(xiàn)場(chǎng)采集樣品彈性模量，最后得出在多次干濕循環(huán)后，土樣的彈性模量減弱，高可溶性鹽含量土樣的剛度低于相同初始可溶性鹽含量土樣的剛度。Han等[6]對(duì)加拿大7種不同壓實(shí)路基土的循環(huán)模量、靜態(tài)模量和強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并考慮壓實(shí)后的含水率變化，進(jìn)行了循環(huán)三軸試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，測(cè)定土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)和礦物學(xué)組成及土水特征。Da Silva等[7]評(píng)估了應(yīng)力比效應(yīng)以及壓實(shí)含水量變化對(duì)路基土永久變形的影響，估算土壤塑性應(yīng)變模型；對(duì)紅土砂土進(jìn)行了三軸反復(fù)加載試驗(yàn)，獲得了永久變形和安定參數(shù)。研究結(jié)果表明:在規(guī)定的壓實(shí)含水量范圍內(nèi)，應(yīng)力比在永久變形中普遍存在；塑性應(yīng)變率分析表明：壓實(shí)含水率較應(yīng)力比對(duì)永久變形的影響更大，主要發(fā)生在壓實(shí)含水率范圍較寬的情況下。Zhang等[8]采用凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分析鹽、水和溫度的變化對(duì)鹽漬土膨脹變形的影響；經(jīng)過(guò)7次凍融沉淀實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，含1.5%可溶鹽試樣的變形量相較含3.0%可溶鹽試樣的變形量高32%，在降水影響下，高可溶性鹽含量并不一定促進(jìn)膨脹粗粒硫酸鹽土的變形，水、鹽和溫度具有復(fù)雜的耦合效應(yīng)。

目前，我國(guó)許多工程師和學(xué)者結(jié)合公路工程的交通荷載條件、地質(zhì)水文特征、長(zhǎng)期性能保障措施等開(kāi)展了路基結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)研究，分別針對(duì)路基宏觀結(jié)構(gòu)、中觀材料參數(shù)、微觀土水動(dòng)力學(xué)特性等方面做了大量的模擬分析與試驗(yàn)研究[9-16]，并在現(xiàn)行規(guī)范中給出了適應(yīng)中國(guó)公路建設(shè)條件的土基回彈模量建議值范圍[17-18]，但國(guó)內(nèi)對(duì)戈壁地區(qū)路基土強(qiáng)度的研究并不多見(jiàn)。文中對(duì)路基回彈模量的影響因素進(jìn)行分析，探究隨著含水量、應(yīng)力、壓實(shí)度的改變，路基土回彈模量的變化規(guī)律。

1 戈壁填料路基主要病害類(lèi)型與特點(diǎn)

以我國(guó)準(zhǔn)格爾盆地的古爾班通古特沙漠和塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠為例，前者年降水量約為100～800 mm，年蒸發(fā)量約為1 600 mm以上；后者年降水量約30 mm，年蒸發(fā)量超過(guò)2 000 mm，屬極端干旱地區(qū)?；哪范握{(diào)查情況如表1所示。當(dāng)路塹深度≤1.5 m時(shí)，路塹風(fēng)沙危害表現(xiàn)為背風(fēng)塹坡的沙沉積和迎風(fēng)塹坡的風(fēng)蝕兩個(gè)方面，路塹越深、塹坡越陡，風(fēng)沙危害也越大。當(dāng)路堤高度<1 m時(shí)，無(wú)論采用怎樣的橫坡度，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)起沙風(fēng)后，就會(huì)發(fā)生風(fēng)蝕，路基高度越大、邊坡度越陡，風(fēng)蝕就越嚴(yán)重。由于移動(dòng)沙源較少，所以沙埋影響可以忽略不計(jì)，路基高度和風(fēng)蝕深度的關(guān)系總結(jié)如圖1所示。調(diào)查路段出現(xiàn)的病害問(wèn)題普遍較小，部分路段會(huì)產(chǎn)生輕微的路基側(cè)向變形和路基壓縮下沉現(xiàn)象，發(fā)生的原因可歸納為以下兩方面：一方面，路基邊坡會(huì)在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下發(fā)生變形，向外側(cè)歪斜，路基行車(chē)道部分發(fā)生凹陷，形成路基側(cè)向變形；另一方面，由于路基施工時(shí)壓實(shí)度不足，在行車(chē)荷載與路基自重作用下，顆?？障侗贿M(jìn)一步壓密，相應(yīng)密度增加，導(dǎo)致路基產(chǎn)生壓縮下沉。

圖1 路基高度和風(fēng)蝕深度的關(guān)系

2 戈壁填料分布特征與物理力學(xué)參數(shù)

2.1 戈壁填料分布特征

我國(guó)各類(lèi)型沙漠面積分別為：流動(dòng)型為44.74萬(wàn)km2；半流動(dòng)型為10.58萬(wàn)km2；固定型為10.3萬(wàn)km2。第四系松散堆積物的各種土類(lèi)分布在我國(guó)塔里木和準(zhǔn)格爾兩大盆地及山間盆地。戈壁天然砂礫石主要為巨粒土和粗粒土，大部分分布在盆地邊緣，細(xì)粒土主要分布在綠洲和沙漠,風(fēng)積沙廣泛分布在盆地腹部[19-20]。

在我國(guó)戈壁地區(qū)公路建設(shè)中，以塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠公路為例：天然砂礫土主要分布在準(zhǔn)噶爾和塔里木兩大盆地邊緣；粉質(zhì)土多分布于山前傾斜平原、河流尾閭湖下部和湖萎縮形成的湖積平原下部以及綠洲平原區(qū)；風(fēng)積沙多形成于塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地的戈壁沙漠區(qū)[21]。部分地區(qū)還存在特殊土。

2.2 戈壁填料的物理力學(xué)參數(shù)

為合理反映我國(guó)戈壁地區(qū)代表性土質(zhì)的強(qiáng)度指標(biāo)，為土基強(qiáng)度劃分提供依據(jù)，需要對(duì)戈壁地區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行分析。所選取的代表性土質(zhì)主要有鹽漬土、低液限粉土及天然砂礫(礫石土)3種土質(zhì)。表2為土質(zhì)的工程物理特性。

表2 戈壁填料代表性土質(zhì)工程物理特性

所取土質(zhì)的物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 土質(zhì)的物理性質(zhì)指標(biāo)

3 戈壁料路基強(qiáng)度性能試驗(yàn)與變化規(guī)律

3.1 試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

土的類(lèi)型不同，其工程性質(zhì)各異。選取我國(guó)輪臺(tái)、伊犁、哈密和烏拉泊的路基土質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，含水量與干密度曲線如圖2所示，測(cè)得4種土質(zhì)的基本性質(zhì)參數(shù)如表4所示。為方便，將取自輪臺(tái)、伊犁、哈密以及烏拉泊的土質(zhì)進(jìn)行編號(hào)，分別為1#、2#、3#、4#。

圖2 4種土質(zhì)含水量與干密度曲線

表4 典型路基土的性質(zhì)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方案

回彈模量試驗(yàn)考慮了應(yīng)力狀況、含水量和壓實(shí)度3個(gè)影響因素。應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試水平反映在應(yīng)力加載順序上，其余2個(gè)因素的試驗(yàn)水平安排如表5所示，每種工況要求3個(gè)平行試件。

按照RLT(重復(fù)加載三軸試驗(yàn))方法測(cè)試土基回彈模量。所取4種材料的具體模量試驗(yàn)方案如表6所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)選定的4種土質(zhì)的回彈模量進(jìn)行測(cè)試，得到路基在含水量和壓實(shí)度變化下的回彈模量值，形成MR(回彈模量)散點(diǎn)圖。

1)1#的模量測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從以下4個(gè)散點(diǎn)圖中可以看出：當(dāng)圍壓應(yīng)力、壓實(shí)度增加，同時(shí),含水量減少時(shí)，回彈模量顯著增長(zhǎng)；當(dāng)含水量較低時(shí)，偏應(yīng)力和體應(yīng)力發(fā)生變化，回彈模量的反應(yīng)并不敏銳；當(dāng)含水量較高時(shí)，伴隨偏應(yīng)力和體應(yīng)力的增加，回彈模量顯著下降。

表5 各材料的兩種試驗(yàn)水平安排

表6 回彈模量試驗(yàn)方案

圖3 1#回彈模量變化曲線(輪臺(tái)土質(zhì))

2)2#的模量測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從以下4個(gè)散點(diǎn)圖中可以看出：當(dāng)圍壓應(yīng)力、壓實(shí)度增加時(shí)，回彈模量增長(zhǎng)，此時(shí)隨著含水量的增加，壓實(shí)度對(duì)回彈模量的影響逐漸減弱；當(dāng)含水量達(dá)到最佳值時(shí)，回彈模量處于最大狀態(tài)；當(dāng)含水量較低時(shí)，隨著偏應(yīng)力和體應(yīng)力的增加，回彈模量先呈緩慢減小趨勢(shì)，隨后略有提高或無(wú)明顯變化；當(dāng)含水量較高時(shí)，隨著偏應(yīng)力和體應(yīng)力的增加，回彈模量降低。

由圖2可以看出，文獻(xiàn)[10]的蟻群遺傳算法及本文改進(jìn)的遺傳算法收斂于全局最優(yōu)解的速度均快于基本遺傳算法，雖然本文提出的算法在授課數(shù)較少時(shí)未能比文獻(xiàn)[10]的蟻群遺傳算法有明顯優(yōu)勢(shì)，但隨著授課數(shù)的增加，則有一定程度的改善，且更加穩(wěn)定。圖3中兩種改進(jìn)的算法中個(gè)體的適應(yīng)度值也是明顯高于基本遺傳算法，本文改進(jìn)的遺傳算法對(duì)于文獻(xiàn)[10]的蟻群遺傳算法略有提高。

3)3#模量的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從2個(gè)散點(diǎn)圖可以看出：觀察曲線的整體趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，回彈模量隨著圍壓應(yīng)力和體應(yīng)力的增加而顯著增大；回彈模量隨偏應(yīng)力的增加呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；回彈模量隨含水量的減少而增大。

4)4#的模量測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從2個(gè)散點(diǎn)圖可以看出：隨著圍壓應(yīng)力和體應(yīng)力的增加，回彈模量增大；隨著偏應(yīng)力的增加，回彈模量緩慢增大，但處于低應(yīng)力時(shí)，回彈模量的大小呈先略有下降再緩慢增加趨勢(shì)；隨著含水量的增加，回彈模量降低。

對(duì)表7試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到1#、2#、3#、4#土質(zhì)的含水率與回彈模量的相關(guān)關(guān)系,算式為

E0=3.543ω2+84.525ω-

259.193，R2=0.894 05

(1)

E0=2.941ω2+81.147ω-

434.313，R2=0.832 37

(2)

圖4 2#回彈模量變化曲線(伊梨土質(zhì))

圖5 3#回彈模量變化曲線(哈密土質(zhì))

E0=-1.864ω2+14.239ω-93.579，

R2=0.920 44

(3)

E0=-0.913ω2-5.635ω+145.378，

(4)

從圖7可以看出，4種土質(zhì)的含水率和土基回彈模量具有較好的線性關(guān)系，其中低液限粉土隨著含水量的增加，土基回彈模量先增加到最大值，然后開(kāi)始減??；而粉質(zhì)中液限黏土、低液限粉土、含細(xì)粒土礫3種土質(zhì)的回彈模量隨含水率增加而減小。從式(1)-式(4)的擬合度可以發(fā)現(xiàn)，二次項(xiàng)回歸的效果較好。

表7 土質(zhì)MR、ω試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 含水率與回彈模量的關(guān)系曲線

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與分析可知，土壤類(lèi)型、應(yīng)力狀況、含水量和壓實(shí)度等對(duì)路基模量均有顯著影響。就應(yīng)力狀況而言，圍壓應(yīng)力對(duì)粉質(zhì)中液限黏土、低液限粉土、級(jí)配良好礫石土的回彈模量影響力要高于偏應(yīng)力，而對(duì)含細(xì)粒土礫的回彈模量影響力要低于偏應(yīng)力；就圍壓應(yīng)力的敏感度而言，粉質(zhì)中液限黏土與低液限粉土的敏感度相仿，良好級(jí)配礫石土與含細(xì)粒土礫相仿，但前兩者的敏感度明顯小于后兩者。

4 結(jié) 論

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，通過(guò)不同土質(zhì)的類(lèi)型、濕度狀態(tài)變化對(duì)粒料回彈模量進(jìn)行影響方面的研究，得到以下結(jié)論：

1)粉質(zhì)中液限黏土、低液限粉土、級(jí)配良好礫石土、含細(xì)粒土的礫石土4種土的含水率與回彈模量的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.8，擬合程度較好，即二者相關(guān)性較好。

2)受環(huán)境影響，粉質(zhì)中液限黏土的含水率達(dá)到最佳，當(dāng)密實(shí)度降低5%時(shí)，模量衰減幅度超過(guò)13%；含水率增大3%、密實(shí)度不變時(shí)，模量衰減幅度超過(guò)50%。

3)低液限粉土作為路基土含水率達(dá)到最佳，當(dāng)密實(shí)度降低5%時(shí)，模量衰減幅度超過(guò)16%；受環(huán)境影響含水率增大3%，密實(shí)度不變的情況下，模量衰減幅度超過(guò)40%。

4)級(jí)配良好礫和含細(xì)粒土礫作為路基土?xí)r，受環(huán)境影響路基濕度增大2%，在密實(shí)度不變情況下，模量衰減幅度超過(guò)15%。

5)新疆粉質(zhì)土具有砂的部分特性，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)一旦超過(guò)最佳含水量，干密度會(huì)急劇下降。

文中試驗(yàn)主要針對(duì)戈壁地區(qū)不同土質(zhì)的回彈模量與壓實(shí)度、含水率、圍壓應(yīng)力關(guān)系，為進(jìn)一步完善路基強(qiáng)度變化規(guī)律，未來(lái)研究中對(duì)不同土質(zhì)土體本身開(kāi)展深入研究，如在靜荷載和循環(huán)荷載作用下，對(duì)粗粒土的應(yīng)力變化做具體分析，測(cè)試土體的抗變形能力，爭(zhēng)取為路基施工中的填料選擇提供充足的室內(nèi)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。