泡沫輕質土CBR試驗模型相似性分析

石蘇意,劉勇,廖亞雄,關宏信

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院,湖南長沙 410004;2.包頭市公路工程質量監督站,內蒙古包頭 014040)

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泡沫輕質土CBR試驗模型相似性分析

石蘇意1,劉勇2,廖亞雄1,關宏信1

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院,湖南長沙 410004;2.包頭市公路工程質量監督站,內蒙古包頭 014040)

摘要:泡沫輕質土作為一種新型路基填料,具有強度高、整體性及抗裂性好等諸多優良性質,在道路建設中得到越來越多的應用。為了使泡沫輕質土CBR試驗能更好地反映實際泡沫輕質土路基承載能力,文中通過建立典型道路結構模型,計算道路在車輛荷載作用下的應力狀態;根據相似原理初步得出試驗模型尺寸,運用有限元軟件進行數值模擬,得到模型內部應力狀態并與實際路基進行比較;依照二者相似程度調整模型尺寸,綜合確定泡沫輕質土CBR試驗模型尺寸,并提出相應的試驗條件和數據處理方法。

關鍵詞:公路;泡沫輕質土;CBR試驗;數值模擬

泡沫輕質土又稱氣泡混合輕質土,是按照一定的比例在原料土中添加固化劑、水和氣泡,經過充分混合、攪拌后形成的輕型填土材料,具有輕質、整體性及耐久性等優點。20世紀80年代,美國首次應用泡沫輕質土處理地基,隨后日本將其大規模用于公路建設中,有效解決了橋頭跳車、道路滑坡、新舊路基沉降差等問題。21世紀初,中國學者開始研究泡沫輕質土技術,并逐步將其運用到公路建設中,取得了良好效果,同時編寫了泡沫輕質土填筑技術行業規范。

CBR是評定基層材料承載能力的試驗方法,是表征路基土、粒料、穩定土強度的一種指標,不同的CBR試驗模型和方法對材料路用性能的反映有較大影響。楊和平等針對膨脹土改進了標準CBR試驗方法,取得良好試驗效果;任蛟龍提出了適合級配碎石的CBR試驗條件。而泡沫輕質土作為新型路基材料,其CBR試驗模型還少有學者做過深入探討。為此,該文運用道路結構計算軟件分析實際路面受力狀態,根據相似原理縮小實際受力區域初擬試驗模型,對比二者的受力狀態相似程度,提出泡沫輕質土CBR試驗模型尺寸和試驗方法,為泡沫輕質土和其他材料試驗模型的確定提供參考。

1 道路結構受力分析

1.1 道路結構及其參數的選取

半剛性基層瀝青路面是中國目前使用最多的路面結構形式,故采用表1所示典型路面結構的泡沫輕質土路基進行分析。

表1 道路材料計算參數

1.2 車輛荷載作用下道路的受力分析

首先假定路面的尺寸足夠大,各層材料均為各向同性材料。為了應用方便,對于輪胎的簡化采用單圓荷載,采用標準荷載0.7 MPa。在建模時,各結構層采用上述代表性的路面結構,荷載采用半徑為21.3 cm的圓形均布荷載。根據上述假定模型,通過道路仿真軟件對道路進行結構計算,得到道路中心路基沿深度方向的豎向應力變化(見圖1)。

圖1 路基中心豎向應力沿深度方向的變化

由圖1可看出:路基中心豎向應力隨深度的增加而減小,當路基深度為3.6 m時,其豎向應力已趨近于零,說明該車輪荷載對道路的影響深度在路基頂面以下3.6 m時已經很小,可將路基頂面以下3.6 m作為該道路結構車輛荷載影響范圍。

為確定其對路基的橫向影響范圍,分別對路基頂面及路基頂面以下3.6 m處的豎向應力從路基中心沿徑向的變化進行分析,結果見圖2和圖3。

圖2 路基頂面豎向應力沿徑向的變化

圖3 距路基頂面3.6 m處豎向應力沿徑向的變化

由圖2可看出:路基頂面豎向應力沿徑向呈減小趨勢,路基頂面中心向外擴散至1.5 m處時,豎向應力趨近于零,說明車輪荷載對路基頂面的影響范圍為直徑3 m的圓形。由圖3可看出:車輪荷載對路基頂面向下3.6 m深處的影響范圍為直徑12 m的圓形。

綜上,根據最大影響范圍,可將車輪對路基的影響區域簡化為12 m×3.6 m的圓柱形區域,而由路面傳遞至路基頂部的車輛荷載作用區域為直徑3 m的圓形。

2 ANSYS數值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

根據上述道路結構應力分析結果及相似原理,將路基受力區域縮小100倍作為室內試驗的試件尺寸,采用軸對稱模型,試件為12 cm×3.6 cm的圓柱體,材料參數按表1中泡沫輕質土參數選取。因CBR試驗在試模中進行,在其底面和徑向外圓均加以約束,使其位移為零。計算模型見圖4。

圖4 有限元計算模型

考慮到需用試驗設備的便利性與可操作性,同時考慮路基使用的安全性,將其頂面的車輪荷載作用力簡化為直徑3 cm的均布荷載,應力大小取其頂面車輪所產生應力的最大值。此外,該試驗模型還需考慮路基頂部所承受的上部路面帶來的壓力,故在上述基礎上再加上路面重力所產生的應力。

2.2 試驗模型受力分析

根據試件尺寸,考慮到模型受力條件與實際路面的差別,建立試驗模型,進行有限元分析,并在考慮上部路面重力的條件下將其受力情況與實際路面受力情況進行等效對比,結果見圖5、圖6。

圖5 試驗模型與實際路基頂面沿徑向豎向應力對比

圖6 試驗模型與實際路基沿深度方向豎向應力對比

由圖5可知:試驗模型頂面豎向應力數值大小由中心向兩邊呈遞減趨勢,在接近邊緣處已基本趨于穩定,這與路基頂面實際受力狀態十分接近,表明試件直徑大小和壓頭尺寸基本符合要求。

從圖6可以看出:在豎向受力上,試驗模型與實際路面數值一樣也呈遞減趨勢,但試驗模型數值降低較慢,且不能趨于穩定,與實際路基受力狀態存在一定差距,故需對試件厚度進行調整。

2.3 試驗模型尺寸調整分析

由上述分析可知3.6 cm厚度試件與實際路面狀態存在較大差異。為了尋求合適的厚度尺寸,分別將模型尺寸改為120 mm×72 mm、120 mm× 120 mm、120 mm×132 mm、120 mm×144 mm進行豎向受力分析,結果見圖7。

圖7 不同厚度試驗模型與實際路基沿深度方向豎向應力對比

由圖7可以看出:試件厚度越大,試件深度方向豎向應力變化最后越趨于穩定,受力狀態也越接近實際路面受力情況。而當試件厚度達到120 mm 時,再增加試件厚度,受力變化很小,曲線趨于穩定。故從試模與試件制作方便及成本考慮,選用120 mm作為試驗試件厚度。

為驗證其徑向應力,將其與實際道路和120 mm×36 mm試件進行對比,結果見圖8。從中可見,120 mm×120 mm試件豎向應力的徑向變化與實際道路較為接近。

圖8 兩種試驗模型沿徑向豎向應力變化與實際路基對比

綜上,確定泡沫輕質土CBR試驗模型尺寸為120 mm×120 mm圓柱體試件,壓頭直徑為3 cm。

3 泡沫輕質土CBR試驗條件與數據處理

3.1 試驗條件

泡沫輕質土由于其材料屬性的不同,試驗條件應與土工試驗方法中的CBR試驗有所不同。根據其受力原理,應使試件在帶試模的條件下養生后進行試驗,使用鋼壓頭進行加載的同時在鋼壓頭周圍用鐵塊加載上浮壓力,從而模擬路基中的實際受力狀態。同時確定其他試驗條件,如加載方式、環境溫度等。對于環境溫度,由于泡沫輕質土溫度敏感性很低,試驗溫度選為常溫;道路中的車輛荷載越接近靜載,路面材料的力學響應越不利,故加載速率選取1 mm/min,加載至壓力出現明顯降低或位移達到5 mm時為止。

3.2 試驗數據的處理方法

根據上述試驗方法,泡沫輕質土CBR試驗所得數據可依照土工CBR試驗的處理方法,采用貫入量為2.5 mm時的單位壓力與標準壓力之比作為材料的承載比。同時,考慮到泡沫輕質土材料的特性,其破壞過程存在彈性、壓密、破壞等階段,當其裂縫開始貫穿時應出現拐點,因而可用試驗數據曲線中拐點來表示其抗壓強度。

4 結論

(1)泡沫輕質土受車輛荷載的影響從中心點向外擴散逐漸減小,到一定范圍時可忽略不計,可將該范圍作為其受車輛荷載的影響范圍。

(2)不同厚度CBR試件豎向應力的變化趨勢基本相同;試件厚度越大,試件深度方向豎向應力變化最后越趨于穩定,受力狀態也越接近實際路面受力情況。選擇3 cm壓頭和12 cm×12 cm圓柱體試驗模型能更加真實地模擬該典型泡沫輕質土路基的受力狀態。

(3)泡沫輕質土CBR試驗條件為:試件在試模中養生完成后帶試模在常溫條件下進行試驗,壓頭加載速率為1 mm/min,加載至壓力明顯降低或位移達到5 mm時為止。

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收稿日期:2016-01-05

中圖分類號:U416.1

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0113-03