王家全, 仲文濤, 唐瀅,2, 唐毅,2

(1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006;2.廣西壯族自治區(qū)巖土災(zāi)變與生態(tài)治理工程研究中心,廣西 柳州 545006;3.廣西高校防災(zāi)減災(zāi)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)重點實驗室,廣西 柳州 545006)

礫性土是指包含礫石土、砂礫土、礫砂等在內(nèi)的含有多粒組成分的寬級配土,是一種典型的天然土壤,廣泛存在于交通與水利工程路基中。路基在經(jīng)受長時間靜動力荷載作用下,由粗顆粒組成的有效應(yīng)力骨架結(jié)構(gòu)破壞或破損,變成由粒徑相等或不等的細顆粒[1]組成的有效應(yīng)力骨架,路基填料的顆粒級配改變,從而使路基填料的動力性質(zhì)發(fā)生變化。近年來,國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于細顆粒含量影響下粗顆粒土的動力特性已有較多研究[2-9],但在加筋土領(lǐng)域還鮮有學(xué)者涉及。因此,正確認識顆粒級配對加筋礫性土填料動力特性的影響,是加筋礫性土在交通建設(shè)中應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵。

目前,已有眾多學(xué)者針對含細顆粒砂土的特性開展了大量的研究工作。在室內(nèi)試驗方面,呂叢等[10]通過不同細顆粒含量下飽和砂土固結(jié)不排水三軸試驗得出,循環(huán)荷載下飽和砂土的流動性與細顆粒含量密切相關(guān)。王勇等[11]研究發(fā)現(xiàn),細顆粒含量對飽和砂土的動彈性模量影響較大,隨著細顆粒含量的增加,砂土動彈性模量隨之減小,但當細顆粒含量超過臨界值30%時,飽和土的動彈性模量會隨細顆粒含量的增加而提高。WICHTMANN T等[12]通過試驗得出,細小土顆粒在高頻率振動下更易基于循環(huán)荷載的動力響應(yīng)而重新排列。賈宇峰[13]考慮了粗顆粒土試樣的初始狀態(tài)和顆粒破碎耗能,建立了統(tǒng)一的本構(gòu)模型,模擬了不同初始密度和應(yīng)力幅值下土顆粒變形特性的一般規(guī)律。實際上路基土顆粒破碎是一個長期過程,循環(huán)荷載作用下組成土骨架的粗顆粒在擠壓時會先發(fā)生破碎,破碎產(chǎn)生的顆粒經(jīng)過長期振動研磨形成細顆粒,填充在粗顆粒骨架的節(jié)點處,從而導(dǎo)致路基土受到細顆粒影響。賈宇峰等[14]針對粗顆粒土這一特點,引入破碎耗能參量和初始狀態(tài)參量,計算得出粗顆粒土在不同初始狀態(tài)下的三軸剪切曲線。EBRAHIMI A等[15]通過粗顆粒土循環(huán)三軸試驗發(fā)現(xiàn),細顆粒含量(顆粒粒徑d≤0.075 mm)對粗顆粒填料承載和變形性能影響表現(xiàn)為:細顆粒含量增大時,基床底層填料的排水通道受阻,排水性能下降,導(dǎo)致土體的累積變形增大,粗顆粒間的摩擦力減小,土體的穩(wěn)定性降低,嚴重影響路基的使用壽命。由上述研究可知,細顆粒增加對路基土的工程病害形成有直接聯(lián)系,但目前還沒有較好的處理方法。GALI M L等[16]對加筋砂土進行大尺寸動靜三軸試驗,發(fā)現(xiàn)在低圍壓下加筋對動彈性模量影響不明顯,但在高圍壓下加筋會提高土體的動彈性模量。馬林等[17]對加筋黃土的力學(xué)性質(zhì)進行研究,發(fā)現(xiàn)加筋可以提高土體的黏聚力。NAIR A M等[18]研究發(fā)現(xiàn),動應(yīng)變相同的情況下,加筋土比無筋土能承受更大的軸向應(yīng)力,且在循環(huán)荷載下加筋試樣動彈性模量的減小速率比無筋試樣的小很多。加筋可以提高路基的承載性能,減小路基沉降,但是關(guān)于加筋對含細顆粒砂土力學(xué)特性的影響仍需要進一步研究。

本試驗利用GDS動態(tài)三軸試驗系統(tǒng),對不同顆粒級配、加筋層數(shù)下的飽和礫性土進行固結(jié)不排水動三軸試驗,探討顆粒級配、加筋層數(shù)對礫性土動應(yīng)應(yīng)變、動彈性模量、動孔隙水壓力等動力特性的影響規(guī)律,以期為加筋礫性土的應(yīng)用及后續(xù)研究提供參考。

1 試驗裝置及試驗內(nèi)容

1.1 試驗儀器

試驗在英國GDS儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GDS動態(tài)三軸測試系統(tǒng)上進行,該系統(tǒng)可通過計算機控制軟件實現(xiàn)全自動化的三軸試驗和數(shù)據(jù)采集,儀器主要包括圍壓/反壓控制器、孔壓傳感器、壓力室、GDSLAB數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等,如圖1所示。

圖1 GDS動態(tài)三軸測試系統(tǒng)

圖1中,儀器可調(diào)節(jié)荷載頻率范圍為0～5 Hz,允許施加的最大軸向壓力為10 kN,最大圍壓、反壓均為2 MPa,可施加波形為正弦波、半正弦波、三角波等。

1.2 試驗材料

試驗土樣取自廣西柳州市本地河砂,通過室內(nèi)篩分試驗得出土樣的顆粒粒徑范圍為0.5～10.0 mm,不均勻系數(shù)為5.0,曲率系數(shù)為1.25,為級配良好的礫性土,該礫性土試樣的級配記作級配1。試樣的最大干密度為1.81 g/cm3,最小干密度為1.56 g/cm3。以1 mm作為粗、細顆粒的界限粒徑,即粒徑d小于1 mm為細顆粒,大于1 mm為粗顆粒[19-20]。在保證制樣干密度(ρd=1.706 g/cm3)不變的前提下,去除粒徑小于1 mm的細顆粒,所得礫性土試樣級配記作級配2,2種礫性土的顆粒粒組分布如圖2所示。

圖2 礫性土填料級配曲線

1.3 試驗方案

本試驗研究礫性土路基填料的動力特性,通過對飽和礫性土試樣施加半正弦波循環(huán)荷載來模擬車輛通過時引起的復(fù)雜動應(yīng)力。考慮到不同軸重的車輛經(jīng)過時動應(yīng)力的大小不同,循環(huán)應(yīng)力比R(R=σd/2σc,其中σd為豎向的動應(yīng)力幅值,σc為有效圍壓)一般在0.1～2.5范圍內(nèi)[21],鑒于此,對飽和礫性土進行固結(jié)不排水動三軸試驗,每組顆粒級配下,試樣的加筋層數(shù)分為3種:無筋、1層加筋、2層加筋。在試驗圍壓為100 kPa的情況下,采用逐級增長的半正弦波循環(huán)荷載進行加載,荷載增加頻率為1 Hz,初始動應(yīng)力為20 kPa,下一級動應(yīng)力幅值較上一級動應(yīng)力幅值增長20 kPa,每級循環(huán)振次為10次,共25級,取每一級第5個循環(huán)振次的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù),當動應(yīng)力幅值達到500 kPa時試驗結(jié)束,如圖3所示。由于試驗所用材料為礫性土,其顆粒直徑較大,為減小尺寸效應(yīng)的影響,采用直徑150 mm、高度300 mm的大尺寸試樣,安裝完成后的試樣如圖4所示。布筋方式采用等間距平鋪,如圖5所示,加筋材料如圖6所示。

圖3 半正弦波循環(huán)荷載加載波形

圖4 試驗土樣

圖5 試樣加筋方案(單位:mm)

圖6 加筋材料

1.4 試驗過程

試驗在GDS動態(tài)三軸測試系統(tǒng)上進行,采用應(yīng)力控制的多級加載方式開展不同顆粒級配和加筋層數(shù)下飽和礫性土的動三軸試驗,試驗分為以下4個部分依次進行:①在安裝試樣過程中,為保證試樣干密度一致,采用分層擊實法,分6層進行擊實,且每層擊實次數(shù)控制在30次,需要注意的是在每層裝樣擊實后,應(yīng)對其表面土體進行刮毛,避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。②安裝試樣完成后,采用聯(lián)合飽和法,即先向試樣內(nèi)通入二氧化碳,置換孔隙中的空氣,然后依次對試樣進行水頭飽和及反壓飽和,以達到充分飽和的效果,當檢測孔隙水壓力系數(shù)B值≥0.95時,認為試樣已經(jīng)飽和。③試樣飽和后,為消散試樣中的超孔隙水壓力,須對試樣進行等向固結(jié),待反壓體積保持不變時認為試樣固結(jié)完成。④施加循環(huán)荷載,加載方式采用多級短時荷載,試驗動應(yīng)力幅值從20 kPa開始,每級振動10次,一個循環(huán)記錄20個數(shù)據(jù),選取各級動應(yīng)力幅值的第5個循環(huán)振次的數(shù)據(jù)作為記錄。

2 試驗結(jié)果與分析

為分析加筋礫性土在多級荷載作用下的動力特性,本次試驗分析不同試驗工況下加筋礫性土的動應(yīng)變、動彈性模量、動孔隙水壓力等參數(shù)隨荷載振次的變化情況。

2.1 礫性土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

圖7反映了在多級循環(huán)荷載作用下不同加筋層數(shù)的飽和礫性土試樣的動應(yīng)變εd與動應(yīng)力σd的關(guān)系曲線。從圖7中可以明顯看出:

圖7 不同加筋層數(shù)下礫性土的應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線

1)當加筋層數(shù)增加時,試樣的動應(yīng)變εd會隨之減小,無筋試樣在動應(yīng)力σd為500 kPa時級配1和級配2試樣對應(yīng)的動應(yīng)變分別為10.3%和9.1%,相比級配2,無筋時級配1試樣的動應(yīng)變增長了13.2%,而1層加筋、2層加筋時級配1試樣的動應(yīng)變相比于級配2試樣的增長了0.2%。這是由于粗顆粒的棱角度高,抵抗變形能力略強。在無筋試樣的情況下,細顆粒對礫性土路基應(yīng)變的發(fā)展存在較大影響,加入土工格柵后,可以很大程度上緩解細顆粒對試樣動應(yīng)變的影響。

2)筋材的加入可有效提高土體的彈性性能,且隨著加筋層數(shù)的增加,試樣彈性變形階段隨之延長。結(jié)合間接影響帶理論[22],由于在加筋材料附近一定范圍的土顆粒會同時改變排布位置,形成間接影響帶,使得該處土體的剛度和整體穩(wěn)定性得到增強,土體抵抗變形的能力也會相應(yīng)提高,從而提高了土體的彈性變形能力,也減小了動應(yīng)變的發(fā)展。隨著加筋層數(shù)的增加,間接影響帶增加,試樣的加強區(qū)域擴大,土體抵抗變形的能力會更加顯著。但加筋層數(shù)增加到一定程度時,間接影響帶會相互重疊,加筋的作用會受到干擾。

3)級配1和級配2試樣在試驗終止時對應(yīng)的無筋和1層加筋動應(yīng)變之間的間距均大于1層加筋和2層加筋之間的間距,說明1層加筋的效果最明顯,表現(xiàn)為加筋作用對動應(yīng)變減小的幅度會隨加筋層數(shù)的增加逐漸衰減。

2.2 動應(yīng)變與振次關(guān)系分析

在分級施加動荷載時,試樣的動應(yīng)變會隨著循環(huán)荷載振動次數(shù)的增加而累積,如圖8所示。由圖8可以看出:

圖8 不同加筋層數(shù)下礫性土的振次-動應(yīng)變的關(guān)系曲線

1)試樣振動過程分為3個階段,在施加動應(yīng)力初期,由于此時的動應(yīng)力幅值較小,振次與動應(yīng)力關(guān)系曲線基本呈一條直線,即隨著動應(yīng)力的增加不同顆粒級配、加筋層數(shù)下試樣的動應(yīng)變呈線性增大,隨后曲線的斜率逐漸增大,試樣發(fā)生剪脹破壞。

2)試樣破壞時(εd=5%),級配1無筋試樣的振次為125次;1層加筋試樣的振次為175次;2層加筋試樣的振次為215次。級配2試樣破壞時,其無筋、1層加筋、2層加筋試樣的振次分別為155、195、215次。相同加筋層數(shù)下,級配1試樣先發(fā)生破壞,原因是在保證每組試樣的干密度不變的情況下,顆粒越細,試樣的孔隙比越小,土顆粒的接觸數(shù)越多,所以粗顆粒骨架上粗顆粒的接觸力就越小,試樣的動應(yīng)變越容易發(fā)展。

3)隨著加筋層數(shù)的增加,曲線從上往下發(fā)展,說明加筋后試樣的動應(yīng)變均有減小。級配1試樣在動應(yīng)力σd=500 kPa作用下,相比于無筋試樣,1層加筋和2層加筋試樣的動應(yīng)變分別衰減了29.1%、48.5%,而同一試驗條件下級配2試樣在1層和2層加筋下的動應(yīng)變相比于無筋的分別衰減了22.3%、36.2%,這表明級配1試樣的加筋效果相比級配2的表現(xiàn)得更加明顯,試樣從無筋到1層加筋的動應(yīng)變減小得最為明顯。YAMAMURO J A等[23]認為土骨架主要由粗顆粒構(gòu)成,細顆粒含量的增大會使粗顆粒間的接觸數(shù)減小,筋材的加入可以補償因細顆粒增多而減少的粗顆粒接觸面積。

4)級配1試樣在1層、2層加筋時對應(yīng)的動應(yīng)變終值分別為7.3%和5.8%,級配2試驗在1層和2層加筋時對應(yīng)的動應(yīng)變分別為7.1%和5.6%,可以看出加筋礫性土在同一加筋層數(shù)下的動應(yīng)變終值較為接近,這說明加筋對礫性土路基的長期服役性能至關(guān)重要。

2.3 動彈性模量與動應(yīng)變關(guān)系分析

研究動彈性模量有助于分析加筋礫性土路基在循環(huán)荷載作用下動應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律。循環(huán)荷載作用下動應(yīng)力和動應(yīng)變之間的關(guān)系如式(1)所示:

(1)

式中:Ed為動彈性模量;σmax和σmin分別為最大、最小動應(yīng)力;εmax、εmin分別為最大、最小動應(yīng)變。

2種級配的試樣在不同加筋層數(shù)下的動彈性模量Ed與動應(yīng)變εd的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 不同加筋層數(shù)下礫性土的動彈性模量-動應(yīng)變的關(guān)系曲線

由圖9可以看出:

1)隨著循環(huán)荷載的施加,級配1試樣的動彈性模量整體的發(fā)展呈現(xiàn)增長→穩(wěn)定→減小的發(fā)展趨勢,在動應(yīng)變達到4%左右,坐標點之間的距離最近,說明動應(yīng)變εd不斷增大且增大的速率越來越小,試樣處于振密的狀態(tài),土體逐漸趨于密實狀態(tài),因此試樣動彈性模量不斷增大,但隨著動應(yīng)力幅值的增大,破壞了試樣在原有低動應(yīng)力作用下的穩(wěn)定狀態(tài),試樣密實程度降低,出現(xiàn)了動彈性模量隨動應(yīng)變的增大不斷減小的發(fā)展趨勢;級配2試樣在加筋的情況下,εd≤1%時的動彈性模量都有上升的趨勢,在無筋情況下εd≤1%的動彈性模量呈減小趨勢,之后級配2試樣的發(fā)展趨勢與級配1試樣的保持一致。值得注意的是,級配2無筋試樣在動應(yīng)變<1%即低應(yīng)力下的動彈性模量隨循環(huán)荷載的增加呈衰減趨勢,這是由于此時級配2試樣的顆粒接觸數(shù)相對級配1的少,循環(huán)荷載作用下破壞了土體原有的骨架結(jié)構(gòu),出現(xiàn)動彈性模量衰減的現(xiàn)象,隨著循環(huán)荷載的持續(xù)施加,逐漸形成了新的骨架結(jié)構(gòu),試樣的動彈性模量變化趨勢上升。

2)在相同試驗條件下級配2試樣的動彈性模量均大于級配1的,其原因一方面是,細顆粒會影響土骨架粗顆粒的排布,當細顆粒含量較少時,細顆粒存在于粗顆粒骨架的節(jié)點處,使得粗顆粒之間的接觸面積減少,降低了顆粒間的摩擦反力;另一方面是,粗顆粒節(jié)點減少會導(dǎo)致土骨架的抗變形能力減弱。此外,當試樣的加筋層數(shù)增加時,其動彈性模量也隨之增加,說明筋材的加入限制了土體的側(cè)向變形,提高了試樣的整體剛度。

2.4 體應(yīng)變與振次關(guān)系分析

不同加筋層數(shù)的礫性土試樣的體應(yīng)變與振次的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 不同加筋層數(shù)下礫性土的體應(yīng)變-振次的關(guān)系曲線

由圖10可以看出:

1)不同細顆粒含量下試樣的體應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律較為相似,體應(yīng)變隨振次增加而增大,級配1試樣的體應(yīng)變的波動大,且在動應(yīng)變一定時,級配1試樣的體應(yīng)變大于級配2的。這是因為級配1試樣的細顆粒數(shù)更多,處于相對密實狀態(tài),循環(huán)動荷載作用下試樣發(fā)生剪脹更為顯著。

2)筋材的加入在減小動應(yīng)變的同時也會減小體應(yīng)變,但考慮到實際工程經(jīng)濟效益,應(yīng)合理選取加筋密度,避免因加筋過密而造成筋材的浪費。

2.5 動孔隙水壓力與振次關(guān)系分析

圖11反映了多級荷載作用時飽和礫性土試樣在不同加筋層數(shù)下的動孔隙水壓力ud隨荷載振動次數(shù)N的演變過程。

圖11 不同加筋層數(shù)下礫性土的動孔隙水壓力-振次的關(guān)系曲線

由圖11可知,試樣的動孔隙水壓力整體呈現(xiàn)遞減的發(fā)展趨勢,在施加多級荷載時,試樣發(fā)生剪脹變形,孔隙體積不斷擴大,由于試驗是在不排水條件下進行的,在振動開始前,飽和試樣的孔隙是完全被水充滿的,隨著試樣的體應(yīng)變增大,引起孔隙體積擴大,而孔隙水的體積保持不變,因此試樣的孔隙水壓力逐漸減小。

對比圖11的(a)和(b)圖可以看出,筋材的加入雖然限制了土體的側(cè)向變形,但是不利于孔隙水壓力的消散,這就導(dǎo)致了1層、2層加筋試樣的動孔隙水壓力高于無筋試樣的,但顆粒級配中有無細顆粒對試樣的孔隙水壓力影響不明顯。因此,在使用加筋礫性土填料設(shè)計路基時應(yīng)注意加筋層數(shù)對路基層土體中動孔隙水壓力的影響,合理選取加筋層數(shù),避免因動孔隙水壓力升高而影響土工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1)通過對不同顆粒級配的飽和礫性土試樣進行加筋處理,在循環(huán)荷載作用下,試樣的動應(yīng)變隨加筋層數(shù)的增加而減小,加筋可有效緩解細顆粒(d≤1 mm)對試樣動應(yīng)變的影響;

2)細顆粒含量為10%的無筋試樣在循環(huán)荷載作用下,其動應(yīng)變相比于無細顆粒試樣的增加了13.2%,細顆粒的存在會使礫性土用作路基填料時的工作性能大打折扣;

3)動應(yīng)變≥1%后,不同顆粒級配、不同加筋層數(shù)下試樣的動彈性模量發(fā)展趨勢保持一致,均隨動應(yīng)變的增長呈現(xiàn)增長→穩(wěn)定→減小的變化趨勢,且試樣的動彈性模量隨著加筋層數(shù)的增加不斷增大;

4)筋材的加入在減小動應(yīng)變的同時也會減小體應(yīng)變,但不利于孔隙水壓力的消散,因此,實際加筋路基工程設(shè)計施工時,應(yīng)合理選取加筋密度,避免因動孔隙水壓力升高而影響土工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。