惠林沖 羅 強 李 杰 甫爾海提·艾尼瓦爾 鄭天贊

(1.山西路橋建設(shè)集團有限公司 太原 030000;2.新疆那巴高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司 和靜 841300; 3.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、強度較低、沉降均勻等特點,其分布廣泛、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、含水量少、保水性差、毛細虹吸作用不發(fā)達等特點,在外力作用下極易松散和位移。隨著在沙漠地區(qū)修建公路,風(fēng)積沙相關(guān)力學(xué)特性也需要研究,通過開展相關(guān)試驗得到風(fēng)積沙力學(xué)參數(shù),為沙漠地區(qū)公路建設(shè)提供理論依據(jù)。近幾年國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對風(fēng)積沙路基的填筑技術(shù)進行了較多研究,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),以及施工標準等方面。袁玉卿等[2]通過一系列試驗研究了風(fēng)積沙壓實特性,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙擊實曲線在含水率為0和最優(yōu)含水率下達到峰值,呈橫倒的“S”形。風(fēng)積沙的最佳振動頻率為45～50 Hz。劉大鵬等[3]通過動三軸試驗研究了風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變特點,分析了各個基本因素對風(fēng)積沙動力特性的影響,得出了風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變特點。趙莉[4]針對不同車速、行駛密度等因素對路基產(chǎn)生不同荷載頻率的實際工程問題,系統(tǒng)分析了荷載頻率和循環(huán)應(yīng)力比對粗粒土長期動力特性的影響規(guī)律。綜上所述,以往對風(fēng)積沙的壓實特性、靜力特性,以及改良研究較多,而對風(fēng)積沙填料在循環(huán)動載作用下的動力特性研究較少。為了系統(tǒng)研究風(fēng)積沙累積塑性應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值、圍壓,以及含水率的變化規(guī)律,本文開展風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的動三軸試驗,以期為沙漠公路施工和維護提供試驗依據(jù)。

1 動三軸試驗

試驗通過GDS動三軸儀器開展。風(fēng)積沙填料取自新疆S21阿勒泰至烏魯木齊高速公路。黃花溝至烏魯木齊段路線總長229.19 km,穿越荒漠及古爾班通古特沙漠路段長達150.09 km,全部為新建,采用高速公路標準建設(shè)。依據(jù)土工試驗規(guī)范對土樣進行顆粒分析,發(fā)現(xiàn)其粒徑主要分布在0.075～0.50 mm之間。風(fēng)積沙的級配曲線見圖1。不均勻系數(shù)Cu=1.63<5,曲率系數(shù)Cc=1.02,顆粒級配不良。

圖1 顆粒級配曲線

沙漠高速公路的基層對壓實系數(shù)的要求很高。基層床底的填料壓實度應(yīng)不低于0.96。S21高速公路多采用風(fēng)積沙作為路基底部的填料。壓實度應(yīng)根據(jù)實際施工情況來選擇。K=0.96樣品直徑為50 mm,高度為100 mm。樣品的制備采用壓實法。為了保證樣品制備的均勻性,壓實工作分5層完成?？刂瀑|(zhì)量和擊實功來達到要求壓實度,每層擊實完后進行刮毛防止分層。制樣過程依據(jù)GB/T 50123-2019 《土工試驗方法標準》[5]執(zhí)行,風(fēng)積沙的基本物理力學(xué)指標見表1。

表1 風(fēng)積沙的基本物理力學(xué)指標

2 試驗方案

為模擬路基不同深度處的約束環(huán)境,本次試驗采用圍壓σ3=20,40和60 kPa,代表路基頂面到基底三部分。含水率取10%,12%,14%,試驗結(jié)果見表2。

表2 動三軸試驗方案

S21公路設(shè)計車速120 km/h,且按照超高速理念設(shè)計,設(shè)計車速可達到140 km/h?？紤]到公路車輛實際速度和試驗加載的方便,試驗加載頻率取f=1.0,3.0 Hz。試驗加載中循環(huán)動應(yīng)力比ξ=1,3,5。加載最大振次為10 000次,加載波形采用半正弦波,波形示意見圖2。

圖2 加載波形示意圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)荷載下試樣軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

以最優(yōu)含水率wopt=12.0%試樣為例,說明循環(huán)荷載作用下,風(fēng)積沙試樣的軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖3。

圖3 軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

軸向應(yīng)變由可恢復(fù)的彈性應(yīng)變εe和永久的塑性應(yīng)變εp組成,塑性應(yīng)變εp隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷積累[6]。由圖3可知,風(fēng)積沙試樣的軸向應(yīng)變受循環(huán)荷載作用影響,呈周期性增大。在每個循環(huán)周期內(nèi),軸向應(yīng)變先增大后減小;加載初期,風(fēng)沙顆粒內(nèi)部在動載作用下發(fā)生較大錯位,軸向應(yīng)變增長較快;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)變增長逐漸減慢,曲線趨于穩(wěn)定,達到10 000次時軸向應(yīng)變?yōu)?.15%。圖3b)軸向應(yīng)變曲線有明顯的周期性波動,曲線發(fā)展比較迅速,累積塑性應(yīng)變累積較快;圖3c)軸向應(yīng)變基本穩(wěn)定,累積塑性應(yīng)變趨于平穩(wěn)。圖3b)與圖3c)中曲線變化不同的原因主要是風(fēng)積沙顆粒沒有黏聚力,在循環(huán)動載作用下,風(fēng)積沙顆粒在空間上發(fā)生錯位,顆粒之間接觸更加緊密直至達到位移穩(wěn)定,宏觀上表現(xiàn)出2條曲線軸向應(yīng)變的不同變化。

3.2 不同圍壓時累積塑性應(yīng)變

圖4 不同圍壓時塑性應(yīng)變隨振次變化

由圖4可知,隨著圍壓的增大,風(fēng)積沙累積塑性變形逐漸減小。因圍壓增大,土體顆粒約束和咬合作用增加,微觀上表現(xiàn)為加強顆粒間嵌入和嚙合,發(fā)生相對錯動更加困難,宏觀上表現(xiàn)為更大的咬合力,故累積塑性應(yīng)變就越小。相同圍壓時,增大動應(yīng)力幅值,累積塑性應(yīng)變變化較大,可見動應(yīng)力幅值對應(yīng)變影響較大。

3.3 不同含水率時累積塑性應(yīng)變

含水率分別為10%,12%,14%時,軸向累積塑性應(yīng)變隨振次變化曲線見圖5。

圖5 不同含水率時塑性應(yīng)變隨振次變化

由圖5可知,在保持最大干密度相同的情況下,軸向累積塑性應(yīng)變隨含水率增大而增大,3種含水率情況都是在最優(yōu)含水率下?lián)魧嵆尚?保證壓實度一致,含水率變小相當于模擬了風(fēng)積沙填料排水固結(jié)的情況,含水率變大相當于模擬了路基內(nèi)進水的情況,可以看出含水率對塑性應(yīng)變影響較大,在循環(huán)應(yīng)力比更大的時候會更明顯。含水率變小可以使顆粒之間接觸更緊密,使試樣更密實,應(yīng)變變小;含水率變大在原來含水率基礎(chǔ)上,在顆粒之間產(chǎn)生了水膜,減小了顆粒之間的摩擦作用,使風(fēng)積沙抗剪強度減小,導(dǎo)致應(yīng)變增大。

3.4 不同動應(yīng)力幅值時累積塑性應(yīng)變

圍壓20 kPa,動應(yīng)力幅值σd=20,60,100 kPa,軸向累積塑性應(yīng)變隨振次變化曲線見圖6。

由圖6可知,圍壓相同時,軸向累積塑性應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值增大顯著增大,可見動應(yīng)力幅值對風(fēng)積沙塑性應(yīng)變影響很大,從幅值20 kPa增加到60 kPa時,變化還不是非常顯著,當增大到100 kPa時,塑性應(yīng)變顯著增大,可見在重載交通下,風(fēng)積沙填料變形明顯。增大動應(yīng)力幅值會使塑性應(yīng)變平穩(wěn)臨界點右移,說明當幅值增大到一定程度,試樣會直接破壞。在實際公路通車后的維護中,要注意對路上行駛車輛進行管控,避免超載情況對路造成不必要的損壞。

3.5 加載頻率對累積塑性應(yīng)變的影響

加載頻率分別為1,3 Hz時,圍壓20 kPa,動應(yīng)力幅值σd=20,60,100 kPa,軸向累積塑性應(yīng)變隨振次變化曲線見圖7。

圖7 不同加載頻率下塑性應(yīng)變隨振次變化曲線

由圖7a)、b)、c)可知,相同圍壓,不同的動應(yīng)力幅值,軸向累積塑性應(yīng)變均隨著加載頻率增大而增大,從宏觀上看,在一定加載頻率內(nèi),頻率越大,說明動載在單位時間內(nèi)對同一點作用次數(shù)增加,應(yīng)力傳遞次數(shù)同樣增加,從而應(yīng)變增大;由圖7d)可見,不同的動應(yīng)力幅值下加載頻率對塑性應(yīng)變的影響規(guī)律是相同的,并且相同圍壓時,動應(yīng)力幅值越大,對應(yīng)的應(yīng)變越大,與之前的分析規(guī)律一致。

4 結(jié)語

通過對風(fēng)積沙填料進行動三軸試驗,分析了風(fēng)積沙試樣在圍壓、含水率、動應(yīng)力幅值、荷載頻率4個影響因素下的軸向累積塑性應(yīng)變變化規(guī)律,得出以下結(jié)論。

1) 風(fēng)積沙試樣在循環(huán)荷載加載初期軸向應(yīng)變和塑性應(yīng)變增加較快,隨著循環(huán)次數(shù)增加,應(yīng)變逐漸穩(wěn)定達到平穩(wěn)。

2) 相同動應(yīng)力幅值時,風(fēng)積沙軸向累積塑性應(yīng)變隨圍壓增大而減小,實際工程中可以通過增大路基約束來減少沉降變形。

3) 在保證最大干密度相同的情況下,風(fēng)積沙軸向累積塑性應(yīng)變隨含水率增大而增大,實際工程防護中,應(yīng)加強路基內(nèi)部排水能力。

4) 保證圍壓相同時,風(fēng)積沙累積塑性應(yīng)變隨動應(yīng)力幅值呈非線性增長趨勢,可見應(yīng)力幅值對風(fēng)積沙試樣塑性應(yīng)變影響很大,公路通車期應(yīng)注意超載車輛的控制,以免造成路面開裂和不均勻沉降。

5) 其他影響條件相同時,風(fēng)積沙試樣軸向累積塑性應(yīng)變隨加載頻率增大而增大,且動應(yīng)力幅值越大,加載頻率的影響越明顯。

6) 根據(jù)上述試驗結(jié)果及分析,針對沙漠地區(qū)高速公路路基,增大路基圍壓約束,可減少路基沉降變形;路基修筑同時,保證截排水結(jié)構(gòu)設(shè)施完善,防止水分降低路基穩(wěn)定性,如有降雨特殊地區(qū),可采取特殊措施加強路基內(nèi)、外部排水功能;公路通車期間,重載交通量大,應(yīng)定時對路基變形情況進行檢測維修,以免造成更大破壞影響交通;超高速公路應(yīng)提高路基的壓實強度及承載力,以降低頻率對其的影響。

7) 在以上研究中,考慮加載頻率對風(fēng)積沙填料動力特性的影響,在未來研究中可以模擬高頻和重載交通下的狀態(tài)研究,為沙漠地區(qū)高速鐵路建設(shè)提供理論依據(jù)。