孫 磊，張?zhí)镌讫垼跻婪?，陳志航，?瑕

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

我國以煤炭為主要能源形式的格局在短時間內(nèi)難以打破，因此，日益增長的煤炭能源需求與其產(chǎn)生的環(huán)境污染問題之間的矛盾將長期存在。煤炭開采產(chǎn)生的煤矸石山不僅侵占大量的土地資源而且嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。隨著我國對生態(tài)環(huán)境的日益重視，加快推進(jìn)煤矸石的資源化利用已上升為國家戰(zhàn)略，于國于民都意義重大[1]。

煤矸石的資源化利用形式主要涉及煤矸石發(fā)電、有用礦物提取、生產(chǎn)建筑材料(如水泥、磚等)、采空區(qū)充填以及筑路等[2]。由于路基對填料的要求相對較低，將煤矸石用于路基填筑一方面可以實現(xiàn)其最大程度的資源化利用，另一方面也可以有效緩解我國道路交通工程建設(shè)對土石等原材料的巨大需求[3-4]。目前，煤矸石大多用于低等級道路路基的填筑工程，尤其當(dāng)煤矸石道路修建于煤炭采空區(qū)附近時，在交通車輛的反復(fù)加載作用下極易發(fā)生路基開裂、路面破損等病害，對行車安全極為不利[5]。

煤矸石作為路基填料是道路結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其在道路的整個服役過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著煤矸石在道路工程中的不斷應(yīng)用，許多專家學(xué)者針對煤矸石的路用性能開展了大量的研究工作，劉松玉等[6]通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)煤矸石中殘留的煤炭、有機(jī)質(zhì)以及軟巖等成分不利于路基的填筑，容易引發(fā)煤矸石路基沉降問題。結(jié)合現(xiàn)場碾壓模擬試驗Michalski等[7]指出煤矸石的粒度分布是影響煤矸石壓實度的重要因素之一。于保陽等[6]從無強(qiáng)度、抗凍以及溫縮性能等方面探究了遼寧地區(qū)煤矸石的路用性能，建議采用石灰和水泥對煤矸石進(jìn)行改良后作為路基的基層材料。鄔俊等[8]通過室內(nèi)大三軸靜態(tài)加載試驗研究了圍壓、級配以及壓實度等參數(shù)對煤矸石強(qiáng)度和變形特性的影響，發(fā)現(xiàn)煤矸石的最佳壓實度為93%，并利用雙曲線模型對煤矸石應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了擬合分析。然而，上述研究中均未考慮交通車輛反復(fù)加載這一導(dǎo)致路基沉降的重要因素。盡管已有部分學(xué)者嘗試?yán)脛尤S對煤矸石路基填料開展動力特性測試，但大多模擬煤矸石在地震作用下的動強(qiáng)度、模量或阻尼等動力特性，關(guān)于交通車輛反復(fù)加載下煤矸石路基填料的變形特性的認(rèn)知和理解還比較匱乏[9-11]。鑒于此，以宿州朱仙莊煤礦的煤矸石為研究對象，借助DSZ-2型電磁振動三軸加載設(shè)備進(jìn)行了一系列的煤矸石路基填料循環(huán)加載試驗，試驗過程中綜合考慮了圍壓、頻率以及動應(yīng)力水平等因素對煤矸石應(yīng)變累積特性的影響。研究成果能夠為煤矸石在道路工程中的應(yīng)用提供更加堅實的理論依據(jù)并推進(jìn)煤矸石在道路路基工程中的廣泛應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗儀器

本文試驗采用的動力加載設(shè)備為江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的振動三軸儀(DSZ-2型)，如圖1所示，圖中從左至右依次為計算機(jī)(控制軟件)、振動加載控制柜、主機(jī)(激振器和壓力室)、壓力控制柜(圍壓、反壓及軸壓)以及空壓機(jī)(供壓)等核心部件。該設(shè)備自帶動力加載控制軟件，可以實現(xiàn)不同頻率(1～10Hz)、不同波形(方波、三角波、正弦波、半正弦波)的動力加載試驗。

圖1 DSZ-2型電磁振動三軸儀

1.2 試驗材料及試樣制備

本文試驗所用煤矸石材料取自宿州朱仙莊煤礦附件的矸石山，受三軸試樣尺寸限制，本試驗采用煤矸石細(xì)料進(jìn)行試驗。通過土工試驗測定，煤矸石細(xì)顆粒的液塑限分別為23.57%和17.25%，塑性指數(shù)IP=6.32。進(jìn)一步通過擊實試驗獲得煤矸石細(xì)粒料的最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.92g/cm3和8.83%，按照鄔俊等人[8]研究中建議的93%的壓實度以及三軸試樣的尺寸(高80mm，直徑39.1mm)計算出所需煤矸石細(xì)料的質(zhì)量，然后按照10%的含水率制成一定含水率的濕試樣并在密封袋中浸潤2天，并利用如圖2所示的靜壓模具分五層制備成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體三軸試樣。

圖2 三軸制樣模具

1.3 試驗方法及方案

受試驗儀器的限制，所有試樣均在飽和狀態(tài)下進(jìn)行動力加載試驗，因此，首先將制備好的試樣利用真空飽和缸進(jìn)行抽真空飽和，其次將真空飽和后的試樣取出并在其周邊及上下端貼上濾紙，最后將試樣用橡皮膜包裹并裝入三軸壓力室，具體流程如圖3所示。

待試樣安裝完畢之后將壓力室外罩固定好并對所有電氣設(shè)備進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)，然后打開進(jìn)水閥門往壓力室內(nèi)注水約漫過試樣頂1cm后關(guān)閉。根據(jù)儀器自帶壓力平衡表，首先對試樣施加20kPa的初始圍壓和200kPa的反壓對試樣進(jìn)行二次飽和，以保證試樣處于完全飽和狀態(tài)(通常以B值大于0.95為準(zhǔn))。反壓飽和完成之后保持反壓不變繼續(xù)增大圍壓到設(shè)定值，然后對試樣進(jìn)行固結(jié)，本文從路基土體的真實工況以及規(guī)律性研究兩方面綜合考慮選取圍壓(P0)分別為30kPa、60kPa和100kPa。待試樣固結(jié)完成之后關(guān)閉排水閥門，利用設(shè)備自帶的動力測試軟件對試樣進(jìn)行不排水循環(huán)加載試驗，選擇半正弦波模擬交通循環(huán)荷載(如圖4所示)，加載頻率分別選取1.0Hz和5.0Hz模擬慢車和快車兩種運(yùn)行狀況，試驗過程中通過設(shè)定不同的動應(yīng)力幅值(qampl)模擬交通循環(huán)荷載對路基土體的影響。試驗終止的標(biāo)準(zhǔn)為循環(huán)10 000次或達(dá)到設(shè)定加載次數(shù)之前試樣提前破壞(應(yīng)變大于10%)。具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案設(shè)計

2 試驗結(jié)果分析

2.1 煤矸石填料應(yīng)變累積特性分析

圖5給出了所有試樣在循環(huán)荷載作用下軸向累積應(yīng)變(εa)隨循環(huán)加載次數(shù)(N)的變化曲線，其中圖5(a)為低頻加載情況(1Hz)，圖5(b)為高頻加載情況(5Hz)。比較圖5(a)和(b)中的軸向應(yīng)變發(fā)展曲線可以看出，試樣在不同的加載頻率、動應(yīng)力水平以及圍壓等試驗條件下的軸向累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同，在循環(huán)加載初期軸向應(yīng)變快速累積，然后應(yīng)變累積速率逐漸降低。從圖5中還可以看出，在相同的加載頻率以及循環(huán)加載次數(shù)下，試驗施加的動應(yīng)力幅值越大，試樣產(chǎn)生的累積應(yīng)變就越大，這主要是隨著動應(yīng)力幅值的不斷增大，試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性逐漸喪失的結(jié)果。根據(jù)循環(huán)安定理論可近似將試樣的軸向應(yīng)變累積曲線劃分為塑性安定(M-1、M-2、M-5、M-6、M-7、K-1、K-2、K-5、K-6、K-7)和塑性蠕變兩種狀態(tài)(M-3、M-4、K-3、K-4)[13]，在這兩種狀態(tài)下，試樣的變形發(fā)展均處在可控狀態(tài)，但是一旦動應(yīng)力幅值繼續(xù)增大并隨著荷載循環(huán)的持續(xù)作用，試樣則會由塑性蠕變狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵隽克苄云茐臓顟B(tài)，加速試樣應(yīng)變的發(fā)展和破壞，在道路結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)避免這種情況的發(fā)生，因此，在交通路基結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，嚴(yán)格控制由交通車輛反復(fù)加載所產(chǎn)生的路基結(jié)構(gòu)中的附加動應(yīng)力水平是決定路基填料在該動應(yīng)力長期作用下能否達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

(a)f=1Hz

2.2 循環(huán)動應(yīng)力水平的影響

從圖5(a)和(b)中可以看出，當(dāng)加載頻率和圍壓一定時，施加較大的動應(yīng)力幅值將導(dǎo)致試樣在相同循環(huán)次數(shù)下產(chǎn)生較大的軸向累積應(yīng)變。當(dāng)施加的動應(yīng)力幅值較低時(M-1、M-2、K-1、K-2),試樣的軸向累積應(yīng)變在經(jīng)歷加載初期的快速增長階段后增長速率逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定。試樣的大部分應(yīng)變累積主要在前2000次循環(huán)內(nèi)完成。隨著循環(huán)動應(yīng)力幅值的增大(M-3、M-4、K-3、K-4)，試樣的軸向應(yīng)變累積速率雖然在經(jīng)歷早期快速增長階段后有所變緩，但是在加載結(jié)束之前并沒有趨于穩(wěn)定而是呈現(xiàn)繼續(xù)緩慢累積的狀態(tài)。根據(jù)散體材料的安定理論，上述兩種情況分別對應(yīng)塑性安定和塑性蠕變兩種狀態(tài)[12]。

為了更好地評估循環(huán)動應(yīng)力水平對煤矸石試樣軸向累積應(yīng)變的影響，圖6進(jìn)一步給出了特定循環(huán)次數(shù)下(N=10、100、1 000、5 000和10 000)加載頻率與圍壓一定時，試樣軸向累積應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值增大的變化曲線。通過分析發(fā)現(xiàn)可以采用冪函數(shù)(y=axb)的形式對上述結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6(a)和(b)中的虛線所示。

(a)f=1Hz，P0=30kPa

2.3 固結(jié)圍壓的影響

比較圖5(a)和(b)中試樣在其他試驗條件相同，不同圍壓下的軸向應(yīng)變變化曲線可以看出，施加60kPa的循環(huán)偏應(yīng)力，試樣在不同圍壓下的軸向累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本相同，均在加載初期快速累積然后逐漸趨緩并最終達(dá)到塑性安定狀態(tài)。

(a)f=1Hz，qamp=60kPa

為了更好地分析圍壓對煤矸石試樣軸向累積應(yīng)變的影響，圖7進(jìn)一步給出了特定循環(huán)次數(shù)下(N=10、100、1 000、5 000和10 000)試樣軸向累積應(yīng)變隨固結(jié)圍壓增大的變化曲線。通過比較可以看出，當(dāng)加載頻率、偏應(yīng)力幅值以及循環(huán)次數(shù)等試驗條件一定時，試樣的軸向累積應(yīng)變隨著固結(jié)圍壓的增大逐漸降低，兩者之間近似呈負(fù)的冪函數(shù)關(guān)系(y=ax-b)。這主要是由于圍壓的增大能夠有效的提高土體的強(qiáng)度和剛度進(jìn)而限制土體在循環(huán)荷載作用下軸向應(yīng)變的發(fā)展[13]。

2.4 加載頻率的影響

進(jìn)一步對比圖5(a)和(b)中的累積應(yīng)變試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)固結(jié)圍壓、循環(huán)動應(yīng)力幅值以及循環(huán)次數(shù)等試驗條件相同時，煤矸石試樣在高頻(5Hz)加載下產(chǎn)生的軸向累積應(yīng)變低于低頻(1Hz)加載產(chǎn)生的量值。由于頻率與周期互為倒數(shù)，加載頻率為1Hz時，試樣循環(huán)一次歷時1s，加載頻率為5Hz時，試樣循環(huán)一次歷時0.2s，也就是說高頻(5Hz)循環(huán)一次相當(dāng)于低頻(1Hz)循環(huán)了5次，而試樣應(yīng)變的累積是需要時間的，因此試樣在低頻(1Hz)加載下的應(yīng)變累積相對高頻(5Hz)加載情況下的要大。

圖8和圖9分別給出了不同頻率下試樣經(jīng)歷10 000次循環(huán)加載后的軸向累積應(yīng)變隨循環(huán)動應(yīng)力幅值和固結(jié)圍壓的變化曲線。

圖8 不同頻率下試樣的軸向累積應(yīng)變與動應(yīng)力幅值之間的關(guān)系

圖9 不同頻率下試樣的軸向累積應(yīng)變與圍壓之間的關(guān)系

圖8和圖9中的結(jié)果表明加載頻率對試樣軸向累積應(yīng)變的影響與循環(huán)動應(yīng)力幅值以及固結(jié)圍壓有關(guān)。如圖8所示，隨著循環(huán)動應(yīng)力幅值的增大，加載頻率對試樣軸向累積應(yīng)變的影響程度越發(fā)顯著。然而在圖9中，固結(jié)圍壓對加載頻率則表現(xiàn)出與循環(huán)動應(yīng)力幅值截然相反的影響規(guī)律，即固結(jié)圍壓越大，加載頻率對試樣軸向累積應(yīng)變的影響程度越低。

3 結(jié)論

通過一系列低頻與高頻循單向三軸循環(huán)加載試驗，探究了煤矸石路基填料在車輛反復(fù)加載下的軸向應(yīng)變累積特性并得出以下結(jié)論：

(1)煤矸石路基填料在單向三軸循環(huán)加載下的軸向累積應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加近似呈兩階段增長模式，在加載初期快速累積然后累積速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定或繼續(xù)緩慢累積，達(dá)到塑性安定或塑性蠕變狀態(tài)。

(2)在其他試驗條件相同的情況下，循環(huán)動應(yīng)力幅值的增大將促進(jìn)煤矸石填料軸向應(yīng)變的累積，而固結(jié)圍壓及加載頻率的增大則會不同程度上限制其軸向應(yīng)變的發(fā)展。通過冪函數(shù)公式可以較好的表征給定循環(huán)次數(shù)與加載頻率條件下，煤矸石填料軸向累積應(yīng)變與循環(huán)動應(yīng)力幅值或固結(jié)圍壓之間的關(guān)系。

(3)受時間與試驗條件限制，本試驗并沒有考慮級配對煤矸石路基填料在車輛反復(fù)加載作用下的軸向應(yīng)變累積特性的影響，相關(guān)工作還有待進(jìn)一步的展開。