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2022-12-21 01:34:56張?zhí)镌讫?/span>
河南工程學院學報(自然科學版) 2022年4期
孫 磊，沈 露，張?zhí)镌讫?/p>
(宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000)
煤炭在我國能源消耗中長期占據(jù)主導地位，煤炭開采產(chǎn)生的大量煤矸石一般就近堆放在礦區(qū)周邊，不僅占用了寶貴的土地資源，而且會對周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的污染和破壞，嚴重危害人們的健康[1-2]。煤矸石作為煤炭開采的伴生或共生產(chǎn)物產(chǎn)量巨大，若合理利用勢必產(chǎn)生極大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。作為路基填料修筑道路是當前煤矸石綜合利用的重要方式之一，隨著我國道路交通建設事業(yè)的高速發(fā)展，這種綜合利用有著廣闊的應用前景[3-4]。但是，目前以煤矸石作為路基填料的道路在實際服役過程中路面開裂、破損等病害(圖1)較為突出，嚴重影響行車的舒適性和安全性。
圖1 煤矸石道路破壞情況
煤矸石與天然土體在粒度及組分上都存在較大差異，煤矸石中往往含有殘留的煤炭、有機質及軟巖等容易導致煤矸石發(fā)生變形和強度降低的成分，對路基的修筑極為不利[5]。因此，在路基修筑過程中，路基填料的壓實度對后期整個道路的服役性能來說至關重要。Michalski等[6]通過以不同類型煤矸石作為路基填料的現(xiàn)場模擬碾壓試驗表明，煤矸石的粒度分布(通常用不均勻系數(shù)Cu表征)與煤矸石的可壓實程度密切相關，Cu越大表明煤矸石越容易壓實。鑒于煤矸石粒度分布對其壓實程度的重要性，姜振泉等[7]進一步在煤矸石中摻入不同比例的粉煤灰和黏土等細粒成分后進行壓實和滲透試驗發(fā)現(xiàn)，適當增加細小顆粒的含量能夠有效改善煤矸石的壓實程度和水穩(wěn)性，說明粒度成分是影響煤矸石壓實性的重要因素。賀建清等[8]通過對煤矸石的路用工程力學特性及填筑技術的研究發(fā)現(xiàn)，摻入適量黏土同樣可以有效改善煤矸石的工程力學特性。然而目前大多數(shù)研究都從靜力學角度出發(fā)，忽略了路基土體不管是在施工過程中還是在服役階段都將長期承受車輛引起的動力響應這一工程實際，這也是目前無法準確預測和控制道路沉降導致道路病害的關鍵所在[9]。部分學者也嘗試通過動力加載試驗對摻土煤矸石的動力特性進行探究，然而他們關注的焦點多在于地震作用對其強度的影響[10-11]?？梢?，目前人們對交通循環(huán)荷載作用下?lián)酵撩喉肥坊盍献冃翁匦缘恼J知和理解還非常不足。鑒于此，本研究利用DSZ-2型電磁振動三軸儀開展了一系列模擬摻土煤矸石路基填料的循環(huán)加載試驗，探究了黏土摻量、動力加載參數(shù)等因素對試樣永久應變的影響，研究成果將有助于加深人們對煤矸石路基填料在交通循環(huán)荷載長期作用下變形特性的認知。
1 試驗部分
1.1 試驗設備
本研究采用如圖2所示的江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的DSZ-2型電磁振動三軸儀進行試驗，該設備主要由計算機(控制軟件)、主機(激振器和壓力室)、電氣柜(壓力控制柜和振動加載控制柜)及空氣壓縮機(供壓)等構成。該設備通過氣壓施加側向壓力與軸向壓力，采用電磁力作為振動力,可以通過施加正弦波、半正弦波、三角形波、方波及隨機波等不同波實現(xiàn)對地震作用、交通及風浪等循環(huán)荷載的模擬。
圖2 DSZ-2型電磁振動三軸儀
1.2 試樣的制備及試驗過程
本研究所用煤矸石取自宿州朱仙莊礦附近的煤矸石堆場，土樣則采用人工制備黏土(85%高嶺土與15%膨潤土混合，質量比)，以滿足試驗可重復性和規(guī)律性研究的需要。參照文獻[11]中模擬現(xiàn)場施工工藝的試樣制備方法，首先將風干后的煤矸石過5 mm的篩，然后按照0%、10%、20%、30%和50%的人工黏土摻入比(質量比w)進行配料混合，充分攪拌均勻后制成一定含水率的濕試樣，放置在保濕缸內浸潤4 d后測定其含水率，并按照最新的公路路基設計規(guī)范采用95%的壓實度標準控制干密度，最后利用三瓣膜分五層擊實，制成高度80 mm、直徑39.1 mm的標準三軸單元體試樣。
近年來全球氣候多變且極端天氣頻發(fā)，為了模擬路基在遭遇極端暴雨天氣由于排水不暢處于雨水浸泡下的不利工況，所有試驗均采用飽和試樣。首先利用圖2中的真空飽和缸對試樣進行2 d的抽真空飽和，在試樣的安裝過程中將其周邊貼上濾紙作為排水路徑，并在安裝到三軸壓力室的過程中盡可能減少人為因素對試樣的擾動；然后待試樣安裝完畢且電氣設備檢查校準之后，利用壓力控制柜施加10 kPa的初始圍壓和200 kPa的反壓對試樣進行二次飽和，以確保試樣的飽和度B>0.97；最后待試樣完全飽和之后保持反壓繼續(xù)增大、有效圍壓為50 kPa對試樣進行固結，以模擬真實路基土體的初始應力狀態(tài)，待固結完成之后關閉排水閥門，利用設備自帶的控制軟件設置循環(huán)加載參數(shù)，加載波形選擇半正弦波，加載頻率設為1 Hz，加載終止條件為循環(huán)5 000次或達到設定振次之前試樣提前破壞(應變大于10%)。為了便于衡量循環(huán)動應力水平的影響，定義循環(huán)應力水平CSR=qampl/2p0′,其中p0′為有效固結圍壓50 kPa。詳細試驗方案如表1所示。
表1 參照循環(huán)三軸試驗方案
2 結果與分析
2.1 典型試驗結果
圖3 循環(huán)荷載作用下試樣的典型試驗結果
2.2 永久軸向應變的變化規(guī)律
圖4 永久軸向應變隨循環(huán)次數(shù)變化曲線
圖5 試樣經(jīng)歷5 000次循環(huán)后永久軸向應變與CSR和w的關系
3 結論
借助DSZ-2型電磁振動三軸儀，用半正弦波模擬交通荷載，探究了摻土煤矸石路基填料在交通荷載作用下的永久軸向應變累積特性。主要結論如下：
(1)在本試驗所施加的循環(huán)偏應力水平下，摻土煤矸石路基填料的永久軸向應變均隨著循環(huán)次數(shù)的增加先迅速累積，然后累積速率逐漸降低并趨于恒定。當黏土摻量一定時，試樣永久軸向應變值與施加的循環(huán)動應力水平正相關，循環(huán)應力水平值越大試樣產(chǎn)生的應變越大。而在給定的循環(huán)動應力水平下，試樣永久軸向應變值卻隨著黏土摻量的增加先變小后增大，證實了黏土最佳摻量的存在。
(2)分別利用線性函數(shù)和多項式函數(shù)構建了試樣經(jīng)歷5 000次循環(huán)后的永久軸向應變與循環(huán)應力水平和黏土摻量之間的定量關系，并通過求導得到了黏土的最佳摻量為22%，與前人的研究結論一致。
(3)由于時間和條件有限，加之影響交通荷載作用下路基填料變形特性的因素眾多，今后將在本研究的基礎上進一步拓展深度和廣度，比如將壓實度、初始應力狀態(tài)、超固結及交通循環(huán)荷載在路基土體中誘發(fā)的復雜應力路徑等因素納入其中，在構建路基填料應變累積經(jīng)驗模型的同時，結合安定理論確定適用于煤矸石道路路基沉降控制的循環(huán)動應力閾值。
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圖1 煤矸石道路破壞情況
煤矸石與天然土體在粒度及組分上都存在較大差異，煤矸石中往往含有殘留的煤炭、有機質及軟巖等容易導致煤矸石發(fā)生變形和強度降低的成分，對路基的修筑極為不利[5]。因此，在路基修筑過程中，路基填料的壓實度對后期整個道路的服役性能來說至關重要。Michalski等[6]通過以不同類型煤矸石作為路基填料的現(xiàn)場模擬碾壓試驗表明，煤矸石的粒度分布(通常用不均勻系數(shù)Cu表征)與煤矸石的可壓實程度密切相關，Cu越大表明煤矸石越容易壓實。鑒于煤矸石粒度分布對其壓實程度的重要性，姜振泉等[7]進一步在煤矸石中摻入不同比例的粉煤灰和黏土等細粒成分后進行壓實和滲透試驗發(fā)現(xiàn)，適當增加細小顆粒的含量能夠有效改善煤矸石的壓實程度和水穩(wěn)性，說明粒度成分是影響煤矸石壓實性的重要因素。賀建清等[8]通過對煤矸石的路用工程力學特性及填筑技術的研究發(fā)現(xiàn)，摻入適量黏土同樣可以有效改善煤矸石的工程力學特性。然而目前大多數(shù)研究都從靜力學角度出發(fā)，忽略了路基土體不管是在施工過程中還是在服役階段都將長期承受車輛引起的動力響應這一工程實際，這也是目前無法準確預測和控制道路沉降導致道路病害的關鍵所在[9]。部分學者也嘗試通過動力加載試驗對摻土煤矸石的動力特性進行探究，然而他們關注的焦點多在于地震作用對其強度的影響[10-11]?？梢?，目前人們對交通循環(huán)荷載作用下?lián)酵撩喉肥坊盍献冃翁匦缘恼J知和理解還非常不足。鑒于此，本研究利用DSZ-2型電磁振動三軸儀開展了一系列模擬摻土煤矸石路基填料的循環(huán)加載試驗，探究了黏土摻量、動力加載參數(shù)等因素對試樣永久應變的影響，研究成果將有助于加深人們對煤矸石路基填料在交通循環(huán)荷載長期作用下變形特性的認知。
1 試驗部分
1.1 試驗設備
本研究采用如圖2所示的江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的DSZ-2型電磁振動三軸儀進行試驗，該設備主要由計算機(控制軟件)、主機(激振器和壓力室)、電氣柜(壓力控制柜和振動加載控制柜)及空氣壓縮機(供壓)等構成。該設備通過氣壓施加側向壓力與軸向壓力，采用電磁力作為振動力,可以通過施加正弦波、半正弦波、三角形波、方波及隨機波等不同波實現(xiàn)對地震作用、交通及風浪等循環(huán)荷載的模擬。
圖2 DSZ-2型電磁振動三軸儀
1.2 試樣的制備及試驗過程
本研究所用煤矸石取自宿州朱仙莊礦附近的煤矸石堆場，土樣則采用人工制備黏土(85%高嶺土與15%膨潤土混合，質量比)，以滿足試驗可重復性和規(guī)律性研究的需要。參照文獻[11]中模擬現(xiàn)場施工工藝的試樣制備方法，首先將風干后的煤矸石過5 mm的篩，然后按照0%、10%、20%、30%和50%的人工黏土摻入比(質量比w)進行配料混合，充分攪拌均勻后制成一定含水率的濕試樣，放置在保濕缸內浸潤4 d后測定其含水率，并按照最新的公路路基設計規(guī)范采用95%的壓實度標準控制干密度，最后利用三瓣膜分五層擊實，制成高度80 mm、直徑39.1 mm的標準三軸單元體試樣。
近年來全球氣候多變且極端天氣頻發(fā)，為了模擬路基在遭遇極端暴雨天氣由于排水不暢處于雨水浸泡下的不利工況，所有試驗均采用飽和試樣。首先利用圖2中的真空飽和缸對試樣進行2 d的抽真空飽和，在試樣的安裝過程中將其周邊貼上濾紙作為排水路徑，并在安裝到三軸壓力室的過程中盡可能減少人為因素對試樣的擾動；然后待試樣安裝完畢且電氣設備檢查校準之后，利用壓力控制柜施加10 kPa的初始圍壓和200 kPa的反壓對試樣進行二次飽和，以確保試樣的飽和度B>0.97；最后待試樣完全飽和之后保持反壓繼續(xù)增大、有效圍壓為50 kPa對試樣進行固結，以模擬真實路基土體的初始應力狀態(tài)，待固結完成之后關閉排水閥門，利用設備自帶的控制軟件設置循環(huán)加載參數(shù)，加載波形選擇半正弦波，加載頻率設為1 Hz，加載終止條件為循環(huán)5 000次或達到設定振次之前試樣提前破壞(應變大于10%)。為了便于衡量循環(huán)動應力水平的影響，定義循環(huán)應力水平CSR=qampl/2p0′,其中p0′為有效固結圍壓50 kPa。詳細試驗方案如表1所示。
表1 參照循環(huán)三軸試驗方案
2 結果與分析
2.1 典型試驗結果
圖3 循環(huán)荷載作用下試樣的典型試驗結果
2.2 永久軸向應變的變化規(guī)律
圖4 永久軸向應變隨循環(huán)次數(shù)變化曲線
圖5 試樣經(jīng)歷5 000次循環(huán)后永久軸向應變與CSR和w的關系
3 結論
借助DSZ-2型電磁振動三軸儀，用半正弦波模擬交通荷載，探究了摻土煤矸石路基填料在交通荷載作用下的永久軸向應變累積特性。主要結論如下：
(1)在本試驗所施加的循環(huán)偏應力水平下，摻土煤矸石路基填料的永久軸向應變均隨著循環(huán)次數(shù)的增加先迅速累積，然后累積速率逐漸降低并趨于恒定。當黏土摻量一定時，試樣永久軸向應變值與施加的循環(huán)動應力水平正相關，循環(huán)應力水平值越大試樣產(chǎn)生的應變越大。而在給定的循環(huán)動應力水平下，試樣永久軸向應變值卻隨著黏土摻量的增加先變小后增大，證實了黏土最佳摻量的存在。
(2)分別利用線性函數(shù)和多項式函數(shù)構建了試樣經(jīng)歷5 000次循環(huán)后的永久軸向應變與循環(huán)應力水平和黏土摻量之間的定量關系，并通過求導得到了黏土的最佳摻量為22%，與前人的研究結論一致。
(3)由于時間和條件有限，加之影響交通荷載作用下路基填料變形特性的因素眾多，今后將在本研究的基礎上進一步拓展深度和廣度，比如將壓實度、初始應力狀態(tài)、超固結及交通循環(huán)荷載在路基土體中誘發(fā)的復雜應力路徑等因素納入其中，在構建路基填料應變累積經(jīng)驗模型的同時，結合安定理論確定適用于煤矸石道路路基沉降控制的循環(huán)動應力閾值。
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