劉明明 李緒森 鄭天贊

(1.黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司 哈爾濱 150006; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710061)

風(fēng)積沙具有結(jié)構(gòu)松散、級配不良、孔隙率大、強(qiáng)度較低、沉降均勻等特點,分布廣泛、儲量豐富、取材方便[1]。由于風(fēng)積沙無黏性、黏聚力小甚至無黏聚力、透水性好、顆粒較細(xì)、含水量少、保水性差、毛細(xì)虹吸作用不發(fā)達(dá)等特點,在外力作用下極易松散和位移。我國西部區(qū)域內(nèi)有大面積風(fēng)積沙土質(zhì)的沙漠,因此采用風(fēng)積沙作為工程材料是沙漠地區(qū)的必選。近年來沙漠地區(qū)部分路段多為高填方路基,填筑高度已經(jīng)達(dá)到18 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)路基高度,這將影響風(fēng)積沙路基的穩(wěn)定性。我國對風(fēng)積沙路基的填筑技術(shù)進(jìn)行了較多的研究,但這些研究多集中在風(fēng)積沙材料的物理性質(zhì)、壓實技術(shù),以及施工標(biāo)準(zhǔn)等方面[2],沉降變形規(guī)律也局限在低填方路基方面,而在高填方風(fēng)積沙路基沉降變形規(guī)律方面的研究很少,尤其是高填方風(fēng)積沙路基的長期實時監(jiān)測數(shù)據(jù)更少。為此,研究高填方風(fēng)積沙路基沉降變形規(guī)律,確保高填方風(fēng)積沙路基長期穩(wěn)定成為風(fēng)積沙有效利用的關(guān)鍵。

本文結(jié)合新疆阿烏高速公路某標(biāo)段,擬對高填方風(fēng)積沙路基沉降變形進(jìn)行長期動態(tài)觀測,采用一維壓縮固結(jié)理論對其沉降變形進(jìn)行計算分析,得到高填方風(fēng)積沙路基的沉降變形規(guī)律。

1 循環(huán)荷載下風(fēng)積沙變形特性試驗

1.1 基本物理試驗

采用標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗和篩分試驗,獲得風(fēng)積沙填料的擊實曲線和顆粒級配曲線,見表1、表2。

表1 風(fēng)積沙擊實結(jié)果

表2 風(fēng)積沙篩分結(jié)果

由標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗得到,用到的風(fēng)積沙最佳含水率為12%,對應(yīng)最大干密度為1.92 g/cm3,對土樣進(jìn)行顆粒分析,發(fā)現(xiàn)其粒徑主要分布在0.075～0.250 mm之間,含量高達(dá)91.5%,大于0.250 mm的顆粒極少,僅為2.7%,小于0.075 mm的顆粒也只有5.8%。風(fēng)積沙的級配曲線見圖1。

圖1 顆粒級配曲線

不均勻系數(shù)Cu=1.95<5,曲率系數(shù)Cc=1.03,顆粒級配不良。

1.2 試驗設(shè)計

試樣采用古爾班通古特沙漠腹地的風(fēng)積沙,采用人工擊實的方法,試件直徑50 mm、高度100 mm,分層擊實以滿足壓實度要求,試樣分為3組,含水率分別為10%,12%(最優(yōu)含水率),14%?？紤]風(fēng)積沙路基實際所受的荷載情況,加載時采用5 Hz的半正弦荷載,圍壓取20 kPa,循環(huán)偏應(yīng)力取100 kPa,循環(huán)應(yīng)力比為5,進(jìn)行動三軸試驗(見表3),測試風(fēng)積沙材料在循環(huán)荷載作用下軸向累積塑性應(yīng)變的變化情況;為和現(xiàn)場監(jiān)測站數(shù)據(jù)做比較,進(jìn)行試樣在圍壓40 kPa、循環(huán)偏應(yīng)力120 kPa、加載頻率為1 Hz試驗。

表3 動三軸試驗方案

1.3 試驗結(jié)果分析

圖2給出了不同含水率下,圍壓和循環(huán)應(yīng)力比相同風(fēng)積沙塑性應(yīng)變變化曲線。

圖2 不同含水率下風(fēng)積沙塑性應(yīng)變

由圖2可見,在相同的最大干密度下,試樣的軸向累積塑性應(yīng)變隨著含水率增大而增大[3]。在最優(yōu)含水率下?lián)魧?對應(yīng)風(fēng)積沙的最大干密度,可以達(dá)到要求的最大壓實度,顆粒之間接觸更加充分;增大含水率,會使對應(yīng)的干密度降低,顆粒之間生成一層水膜,過量的水會減少風(fēng)積沙顆粒之間的接觸閉鎖作用,壓實度降低,導(dǎo)致塑性應(yīng)變增大;減小含水率,是在最大干密度相同的情況下,通過將試樣放在烘箱里使含水率降低,土樣干質(zhì)量不變,總質(zhì)量變小,使干密度變大,試樣更加密實,塑性應(yīng)變減小[4]。

圖3給出了相同循環(huán)偏應(yīng)力120 kPa、圍壓分別為40,60 kPa下的軸向累積塑性應(yīng)變。

圖3 不同圍壓下風(fēng)積沙軸向塑性應(yīng)變

由圖3可見,相同動應(yīng)力幅值,圍壓越大,軸向累積塑性應(yīng)變越小[5],由于圍壓增大,對試樣的約束作用變大,使得變形減小,荷載頻率1 Hz符合現(xiàn)場車輛荷載的一般運(yùn)動頻率,可以真實反映在循環(huán)動荷載下風(fēng)積沙路基變形情況,由圖3看出,在加載初期,出現(xiàn)明顯的塑性應(yīng)變,隨著時間增加塑性應(yīng)變基本穩(wěn)定[6]。

2 路基沉降觀測

2.1 沉降儀布設(shè)

為對高填方風(fēng)積沙路基變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測,風(fēng)積沙路基底部鋪設(shè)底座觀測鋼板并對鋼板進(jìn)行高程測量,在埋設(shè)傳感器的過程中不斷測量分層沉降計管頂高程,并建立高程基準(zhǔn)模型,使高程延續(xù)到地下分層測量點處。每層沉降量值=測量分層管沉降量+分層傳感器沉降量。從2020年12月路基完工至今已連續(xù)觀測24個月,采用北斗衛(wèi)星傳導(dǎo)遙感通信技術(shù),將每小時采集的1次數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心。監(jiān)測斷面位于K224+555.8,路基高度為18 m。在該監(jiān)測斷面,距離路基頂面2.3 m處,放置沉降桿,分尺沉降移動尺標(biāo)間隔3 m布設(shè),沉降桿底部設(shè)有鋼板以固定沉降桿,由于路基高度為18 m,沉降觀測范圍為路基頂面以下10 m,鋼板以下路基部分受上部荷載作用小,故不需要進(jìn)行沉降監(jiān)測。沉降計布設(shè)示意圖見圖4。

圖4 沉降計布設(shè)示意圖

2.2 沉降觀測結(jié)果

該觀測站在18 m高度路基中距路基頂面10 m范圍內(nèi)布設(shè)了沉降桿,設(shè)置了3個沉降計,將該部分路基分為3層,分別觀測3層的沉降變形,每層沉降量值=測量分層管沉降量+分層傳感器沉降量。3個沉降計-沉降過程曲線見圖5。

圖5 各沉降計沉降過程曲線

根據(jù)觀測曲線,得到以下沉降觀測結(jié)果:①沉降觀測初期,路基處于施工初期,沉降計均出現(xiàn)了較大程度的沉降,沉降量不穩(wěn)定且沉降速率大,這是因為施工初期重載化施工車輛荷載反復(fù)作用并直接作用在路基頂部導(dǎo)致的;②在沉降觀測中后期,沉降量逐漸趨于穩(wěn)定,在觀測儀器誤差允許范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)較大的沉降起伏;③沉降計1測得的沉降量小于沉降計2和沉降計3,且沉降計3測得的沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2個,這是因為沉降計3處于沉降桿上部,最接近路基頂部,填方高,風(fēng)積沙受自身重力作用較路基中下部小,加之風(fēng)積沙不易壓實,根據(jù)外部荷載在路基內(nèi)部傳遞特點,沉降計3受荷載作用最大。總體來看,高填方風(fēng)積沙路基沉降狀態(tài)良好。沉降變化規(guī)律見表4。統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),沉降計所記錄結(jié)果與試驗室內(nèi)分析規(guī)律基本相同。

表4 沉降變化規(guī)律表

3 結(jié)語

本文通過分析現(xiàn)場監(jiān)測站風(fēng)積沙路基的沉降數(shù)據(jù),開展了風(fēng)積沙填料相關(guān)的室內(nèi)動力特性試驗,分析了風(fēng)積沙填料路基在循環(huán)荷載作用下的沉降變形規(guī)律,得出以下結(jié)論。

1) 風(fēng)積沙路基在填筑完成初期軸向累積塑性變形較大,一段時間后變形基本穩(wěn)定且保持在可控范圍內(nèi),可著重注意風(fēng)積沙路基的初期防護(hù)。

2) 降低含水率可使風(fēng)積沙試樣的動力行為趨于穩(wěn)定;降低風(fēng)積沙試樣軸向累積塑性應(yīng)變的大小及發(fā)展速度,對于預(yù)防風(fēng)積沙填料在動荷載重復(fù)作用下的動力失穩(wěn)及過大累積變形有積極作用。

3) 在相同的循環(huán)次數(shù)下,風(fēng)積沙填料的塑性應(yīng)變隨著圍壓的增大而減小,隨著含水率的增大而變大。

4) 現(xiàn)場施工時,嚴(yán)格控制壓實時的含水率,保證土樣最大干密度,同時加強(qiáng)對路基的約束作用,可有效降低路基的沉降變形。

5) 現(xiàn)場監(jiān)測站的實測沉降變形數(shù)據(jù)通過結(jié)合室內(nèi)試驗可有效指導(dǎo)未來風(fēng)積沙高填方路基沉降變形研究。