高含水率條件下壓實黏性土路基永久變形

過震文，錢勁松

(1. 長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；2. 上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院，上海，200031；3. 同濟大學(xué) 教育部道路與交通工程重點實驗室，上海，200092)

高含水率條件下壓實黏性土路基永久變形

過震文1,2，錢勁松3

(1. 長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410114；2. 上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院，上海，200031；3. 同濟大學(xué) 教育部道路與交通工程重點實驗室，上海，200092)

對上海地區(qū)3條公路的黏性路基土樣進(jìn)行室內(nèi)動三軸重復(fù)加載試驗，以考察潮濕多雨、高地下水位地區(qū)黏性土路基高含水率(通常大于最佳含水率)狀態(tài)對其永久變形特征的影響。研究結(jié)果表明：含水率的較小幅度變化可引起黏性土永久變形成倍增加；Chai-Muria模型的擬合曲線表現(xiàn)出與試驗值非常高的一致性，R2均保持在0.90以上，均大于Tseng-Lytton模型的擬合接近程度；使用路基土基本物性指標(biāo)對Chai-Muria模型中的參數(shù)進(jìn)行了回歸分析，具有較好的預(yù)估效果。

路基工程；永久變形；高含水率；預(yù)估模型

路基的動力變形對于含水率的變化非常敏感[1]。潮濕多雨地區(qū)，在最佳含水率(COM)附近壓實的黏土路基，濕度在公路投入運營后會不斷變化，一般在2～3 a內(nèi)達(dá)到平衡，即平衡含水率(CEM)，并且普遍高于最佳含水率。在高濕度與交通荷載附加應(yīng)力耦合作用下，路基性能明顯下降[2]，可能會發(fā)生過量的動力變形，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的路面病害，如車轍、裂縫、沉降、不協(xié)調(diào)變形等。通過室內(nèi)動三軸試驗并由此建立預(yù)估模型是研究路基土動力永久變形的重要手段，而室內(nèi)試驗中含水率的控制條件是決定永久變形模型適用范圍和預(yù)估精度的關(guān)鍵之一。目前，現(xiàn)有研究多集中于含水率處于COM附近的非飽和土，對由于高地下水位引起的高濕度乃至近飽和狀態(tài)考慮得不多[3?8]。例如，UZAN[3]選擇塑限的1.22 倍，MUHANNA等[4]選擇COM與COM±2.5%。在此，本文作者通過室內(nèi)重復(fù)動三軸實驗，研究了高含水率條件下黏性土路基的永久變形特征，并比較了既有典型預(yù)估模型的擬合效率。

1　室內(nèi)重復(fù)加載動三軸試驗

1.1土樣物性參數(shù)

試驗選取的1～3號土樣分別取自上海繞城高速、曹安公路和崇啟高速路段，1～3號土樣的基本物性參數(shù)如表1所示。

表1　土樣基本物性參數(shù)Table 1 Basic material properties of soil samples

1.2實驗方案

為確定試驗中的含水率范圍，針對以上3個路段進(jìn)行了現(xiàn)場濕度調(diào)研，結(jié)果如表2所示。濱海地區(qū)地下水位高，一般為0.5～1.0 m，對路基內(nèi)部濕度的空間分布特征起決定性作用，所調(diào)研路段的黏性土路基平衡含水率均大于最佳含水率，并可在最佳含水率基礎(chǔ)上最大提升超過10%。

表2　現(xiàn)場濕度調(diào)研Table 2 Result of field moisture observation

含水率根據(jù)上述現(xiàn)場調(diào)研情況選擇最佳含水率附近(14%)與平衡含水率(22%)附近，壓實度取90%與96% 2種情況。而對于路基土在受到不同交通荷載作用下的動應(yīng)力、靜應(yīng)力、圍壓，可通過BISAR軟件計算得到。綜上制定試驗方案如表3所示。此外，本試驗設(shè)備采用UTM?100系統(tǒng)，波形為半正弦波，荷載頻率為1 Hz，加載時間為0.2 s，荷載間歇時間為0.8 s。考慮誤差的控制，分別對每種工況下的土樣至少制備3個平行試件進(jìn)行試驗。

表3　室內(nèi)動三軸試驗方案Table 3 Experimental scheme of dynamic triaxial test

1.3高含水率試件制備

在室內(nèi)動三軸試驗過程中，試件的屬性(例如含水率和壓實度等)直接影響試驗數(shù)據(jù)的有效性與可靠性，因此制備出形狀規(guī)則、屬性符合試驗條件的試件非常重要。一般情況下，試件可通過直接靜壓成型的方法制備；當(dāng)土樣的含水率較高時，試件在靜壓成型的過程中內(nèi)部的水分因受到強大的擠壓而流出模具，從而導(dǎo)致制成的試件不能達(dá)到目標(biāo)含水率。

為了解決上述問題，高含水率試件的制備使用如圖1(a)所示方法[9]：1) 先將試件在最佳含水率狀態(tài)下成型，脫模后在上下兩側(cè)同時墊好濾紙與透水石；2)用雙層橡皮膜進(jìn)行包裝，在試件上方形成一定空間，同時在透水石位置放置橡皮筋以防止水從側(cè)面下滲；3) 再加入由最佳含水率情況下達(dá)到目標(biāo)含水率時所需的水，最后放入到密封的養(yǎng)生箱，待試件內(nèi)的水分均勻分布。該方法各構(gòu)件取用方便、可操作性強、實用效果明顯。

為了確定試件養(yǎng)生的時間，即掌握試件內(nèi)部的含水率何時達(dá)到平衡，采用以下的方法對滲水的試件進(jìn)行觀測：包裝好的試件同時加水放入養(yǎng)生箱，每24 h從養(yǎng)生箱內(nèi)取出1個試件，在高度方向從下而上分成6個部分進(jìn)行含水率的測試。圖1(b)所示為目標(biāo)含水率為22%試件在養(yǎng)生過程中含水率變化規(guī)律：加水初期試件最大、最小含水率差為5.5%，靜置時間滿7 d后，試件最大、最小含水率差穩(wěn)定在1.5%附近。當(dāng)繼續(xù)增加靜置時間至8～10 d時，含水率差變化不明顯。故建議含水率由COM增大至CEM時，吸水靜置時間控制在7 d。

1.4試驗誤差控制

高含水率試件制備的困難和目標(biāo)含水率的試驗控制誤差可能增加試驗數(shù)據(jù)的誤差和離散性，為盡量減少這一影響，對每種工況的3個試件，要求永久變形測試值的最大相對誤差(Δmax)不超過5%；若超出范圍則該結(jié)果無效，需要重新進(jìn)行試驗。最終各工況下測試數(shù)據(jù)的最大相對誤差如圖2所示，滿足控制要求。

圖1　高含水率試件制備方法Fig. 1 Preparation of specimen with high moisture content

圖2　試驗結(jié)果誤差Fig. 2 Error analysis of test results

2　試驗結(jié)果分析

2.1試驗數(shù)據(jù)處理

如圖3(a)所示，在半對數(shù)坐標(biāo)下永久變形分為前后2個階段(加載數(shù)N=100次左右)，2個階段中基本上呈線性關(guān)系，造成這種特征的主要原因很可能來自于各試件之間及試件本身屬性的不穩(wěn)定(比如高含水率試件制備過程中的因膨脹引起的壓實度變化等)，使得動力應(yīng)變在荷載作用初期規(guī)律不均勻。隨著加載次數(shù)的增加，動力應(yīng)變累積規(guī)律越趨于穩(wěn)定。

加強農(nóng)村信用體系建設(shè)，全面開展“雙基”共建農(nóng)村信用工程，以村級支農(nóng)服務(wù)站為依托，對農(nóng)戶開展資信調(diào)查，為農(nóng)戶建立電子信用檔案，通過“云平臺”實現(xiàn)政府與金融機構(gòu)等相關(guān)各方的信息共享，并及時補充農(nóng)戶貸款、保險等相關(guān)信用信息，對農(nóng)戶進(jìn)行信用評級，推進(jìn)農(nóng)村信用工程，建立精準(zhǔn)扶貧金融服務(wù)檔案。加大農(nóng)村地區(qū)農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)企業(yè)的信用評級、授信、用信力度，為達(dá)成“應(yīng)貸盡貸”目標(biāo)提供保障。同時，大力鼓勵“公司+農(nóng)戶”綜合授信和農(nóng)戶多戶聯(lián)保，最大限度降低貸款風(fēng)險。

對于實際路基中的土樣而言，通常這種初期變形規(guī)律變異性較大的階段在施工過程中就會完成，在處于實際運營期的路基中并不會發(fā)生。因此，可采用以下的方法對各工況動力變形試驗初始數(shù)據(jù)作處理：基于后段直線的斜率對前面不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值并覆蓋，然后再基于插值后的第1個數(shù)據(jù)(N=1)，整體上下平移所有的數(shù)據(jù)，使初始值為0，如圖3(b)所示。

2.2含水率對黏土永久變形的影響

為更好地研究含水率對路基動力變形的影響，可以在其他條件均相同的情況下分別對3種土進(jìn)行分析。以工況B2和D2為例說明，如圖4所示。含水率由14%增至22%時，3種土的動力應(yīng)變分別由0.165%增至1.614%、0.113%增至1.570%、0.142%增至0.736%，分別增加至9.8倍、13.9倍、5.2倍。結(jié)果說明含水率對黏性土永久變形有顯著影響。

動力變形隨含水率提升而顯著增大，主要可歸結(jié)于2個方面的原因。其一，粒徑較小的黏土顆粒表面的結(jié)合水膜厚度增大，顆粒間斥力增大而引力相對減小，致使黏粒比較容易克服相互之間的引力，更易產(chǎn)生相互位移。其二，含水率繼續(xù)增大后土中可能出現(xiàn)部分自由水，反復(fù)加載后孔隙中過多的水分不易立即排出，形成一定的超孔隙水壓力，降低土體整體強度和抗變形能力。

由于道路運營過程中黏性土路基中的平衡含水率遠(yuǎn)高于其最佳含水率，而含水率的較小幅度變化可引起黏性土永久變形成倍增加，故進(jìn)行路基長期性能研究時，應(yīng)選用能反映這一現(xiàn)象的永久變形預(yù)估模型。

圖3　動力變形實驗數(shù)據(jù)處理Fig. 3 Data processing of permanent deformation experiment

圖4　含水率對永久變形的影響(工況B2和D2下)Fig. 4 Effect of moisture content on permanent strain (under condition B2 and D2)

3　永久變形預(yù)估模型

3.1現(xiàn)有永久變形預(yù)估模型

對重復(fù)動荷載作用下路基永久變形問題的研究，開創(chuàng)性的工作是Monismith對粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸重復(fù)加載試驗，提出指數(shù)模型來預(yù)測路基土的永久變形：

式中：εp為永久變形(又稱塑性變形)；A和b為回歸得到的材料參數(shù)。

LI等[10]對式(1)進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整了參數(shù)A的表達(dá)，提出修正的累積塑性應(yīng)變模型：

SAMANG[11]通過一系列室內(nèi)動三軸試驗研究累積塑性應(yīng)變與初始靜力偏應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者之間有線性關(guān)系。CHAI等[12]基于這一試驗現(xiàn)象，對文獻(xiàn)[10]的計算模型進(jìn)一步修正，提出如下累積塑性應(yīng)變計算公式：

式中：a，m和b為材料參數(shù)，表示土的類型的不同對累積塑性變形的影響；參數(shù)n，一般取1.0；qs為鋪面結(jié)構(gòu)荷載和路基自重荷載作用下的初始靜力偏應(yīng)力；qf=2τf，由τf路基土抗剪強度指標(biāo)計算。

該模型除了考慮動偏應(yīng)力和靜力破壞偏應(yīng)力的影響外，還考慮了初始靜力偏應(yīng)力的影響，更適合于黏性路基土的累積塑性變形分析。

此外，Tseng-Lytton模型[13]是常用的另一種形式的永久變形預(yù)估模型：

式中：δa為各層的永久變形；ε0，β，ρ為材料參數(shù)；εr為測定材料參數(shù)時所施加的回彈應(yīng)變；εv為對多層體系進(jìn)行力學(xué)分析得到的豎向應(yīng)變；βγ1為修正系數(shù)。

文獻(xiàn)[14]中的永久變形預(yù)估模型即由該模型回歸、簡化得到。

3.2永久變形模型選擇與對比

Chai-Muria模型充分考慮了的材料參數(shù)和偏應(yīng)力的影響，在該類模型中具有最好的預(yù)估效果。另外，目前國際上使用較廣泛的AASHTO2002模型是簡化自Tseng-Lytton 模型，可見Tseng-Lytton 模型總體上的預(yù)估效果已經(jīng)得到了肯定。因此，本研究擬選取Tseng-Lytton模型和Chai-Muria模型，借助上述室內(nèi)動三軸試驗的數(shù)據(jù)，通過回歸分析對2種模型的擬合效果進(jìn)行驗證。

圖5　Tseng-Lytton模型與Chai-Miura模型的對比Fig. 5 Comparison of Tseng-Lytton model and Chai-Miura model

模型回歸分析過程中，繪制模型擬合曲線隨N歷時過程的變化規(guī)律，并與每個工況的實測值進(jìn)行對比，如圖5所示(以工況A1為例)，可見：對于Tseng-Lytton模型，雖然表現(xiàn)出了累積動力應(yīng)變隨著N變化的歷時特征，但與實測值變化規(guī)律的吻合程度不良，當(dāng)N＜2 000次時，擬合曲線以很快的變化速率達(dá)到一定的高度；隨后(N＞2 000)動力應(yīng)變的累積變化速率非常微弱，基本上呈水平趨勢發(fā)展；同時，在5 000＜N＜10 000的范圍內(nèi)，3種不同的路基土各個工況的試驗值均大于擬合值。而在該工況下，3種路基土基于Chai-Muria模型的擬合曲線則表現(xiàn)出與試驗值非常高的一致性，R2均保持在0.90以上，均大于Tseng-Lytton模型的擬合接近程度。

其他工況下的情況與上述相同，2種模型對于每種工況的回歸擬合效果對比如圖6所示。因此，選用Chai-Muria模型作為高濕度狀態(tài)下黏性路基土動力應(yīng)變預(yù)估模型更為合適。其原因在于Tseng-Lytton模型中包含了回彈應(yīng)變，即假定在正常的路基工作狀態(tài)下，可通過控制路基頂面回彈應(yīng)變來控制永久變形，而在高濕度狀態(tài)下，路基土的非線性特征更顯著，這一假定可能不再適用；而Chai-Muria模型中包含了荷載應(yīng)力與強度的比值，即考慮了實際應(yīng)力水平對于路基力學(xué)性能的影響，可用于反映路基在高濕度狀態(tài)下的非線性特征，故擬合效果更佳。

3.3基于物性參數(shù)的永久變形預(yù)估方程

對Chai-Muria模型的參數(shù)進(jìn)行多元線性回歸，引入含水率、壓實度、細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、塑性指數(shù)等變量，建立模型參數(shù)與土樣基本物性參數(shù)的經(jīng)驗回歸關(guān)系，以實現(xiàn)由物性參數(shù)預(yù)估路基土的永久變形，更便于工程實際應(yīng)用。回歸結(jié)果如下：

其中：w為含水率(%)；Rc為壓實度(%)；wF為細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；Ip為塑性指數(shù)(%)。

圖6　Tseng-Lytton模型與Chai-Miura模型的對比Fig. 6 Tseng-Lytton model versus Chai-Miura model

圖7　實測值與預(yù)估值對比Fig. 7 Comparison of measured and versus predicted values

將試驗方案中每個工況的條件代入到模型中，計算得到每種工況下的預(yù)估值，并與試驗實測值進(jìn)行對比，如圖7所示。由圖7可見：該模型在永久應(yīng)變小于0.5%時的預(yù)估效果較好，大于0.5%時則存在較大的離散性。其原因存在于2個方面：一方面，試驗僅包含了3種路基土和2種含水率條件，需要補充更多土樣和更廣泛含水率的試驗樣本，以提高其適用性和精度；另一方面，在高含水率條件下，土體的非線性特征非常顯著，而試件制備及試驗的困難均增加了試驗數(shù)據(jù)的誤差和離散性。盡管如此，在工程實踐中，無條件進(jìn)行重復(fù)動三軸試驗時，本文提出的方法仍不失為預(yù)估永久變形的一個途徑。

4　結(jié)論

1) 黏性土路基中的平衡含水率遠(yuǎn)高于其最佳含水率，而含水率的較小幅度變化可引起黏性土永久變形成倍增加。

2) Tseng-Lytton模型假定可通過彈性變形預(yù)估永久變形，從而無法準(zhǔn)確反映路基土在含水率較高時更明顯的非線性特征，故選用考慮了應(yīng)力水平的Chai-Muria模型作為高濕度黏性路基土動力應(yīng)變預(yù)估模型更為合適。

3) 使用路基土的基本物性指標(biāo)，對Chai-Muria模型中的參數(shù)進(jìn)行回歸得到永久變形預(yù)估方程。該模型在永久應(yīng)變小于0.5%時的預(yù)估效果較好，可進(jìn)一步豐富試驗數(shù)據(jù)，同時在可能的情況下盡可能擴大試驗中含水率的覆蓋范圍。

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(編輯 趙俊)

Permanent deformation of compacted clay with high moisture content

GUO Zhenwen1,2, QIAN Jinsong3
(1. School of Transportation Engineering, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410114, China; 2. Shanghai Municipal Planning Design Research Institute, Shanghai 200031, China; 3. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

To explore and predict the influence of water content, especially high water content( above optimum moisture content), on the permanent deformation of compacted clay, a series of repeated load dynamic triaxial (RLT) tests were conducted on three kinds of soils in Shanghai. The experimental results reveal that the tested subgrade soils are extremely sensitive to moisture content. Curve fitting based on Chai-Muria model shows very high consistency with the test results and R2are kept above 0.9, which is greater than that of Tseng-Lytton model. The model with parameters obtained by regression analysis based on soil properties has good result in prediction.

subgrade engineering; permanent deformation; high moisture content; prediction model

V416.1

A

1672?7207(2016)03?1058?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.045

2015?03?06；

2015?06?18

國家自然科學(xué)基金資助項目(50908176)；交通運輸部科技項目(2013319223010，2015318822170) (Project(50908176) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2013319223010, 2015318822170) supported by Science and Technology Program of Ministry of Transport of China)

錢勁松，博士，副教授，從事道路工程研究；E-mail: qianjs@tongji.edu.cn