烏干達某高速路基礫類土填料動力特性試驗分析

王 磊

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

隨著城市化進程的加速，高速公路大量新建。高速公路運輸呈現(xiàn)載重大、流量大等特點，重載車輛高速行駛導致路基承受的循環(huán)荷載強度更大、激振頻率更高，加劇了路基的累計變形，從而導致道路不均勻沉降、道路開裂等危害愈加嚴重，嚴重降低道路的服役周期。因此，動力荷載對路基填料影響問題已成為當前熱點之一。

針對動荷載作用下路基填料動力特性問題的研究，卜建清等[1]基于試驗手段，探討了土體參數(shù)對粗粒土的影響；研究表明，增加細粒含量導致更多的細粒包裹粗顆粒表面。陳生水等[2]通過三軸試驗，研究了堆石料在地震荷載下的應力應變特性；系統(tǒng)分析了荷載頻率、土密實度等敏感參數(shù)對堆石料力學特性的影響。鄧國棟等[3]利用大三軸儀器對路基填料進行試驗研究，分析了荷載頻率、應力水平等因素對填料特性的影響。商擁輝等[4]以某鐵路工程的膨脹土為研究對象，通過持續(xù)振動三軸試驗，分析了圍壓、振動頻率、固結比對不同水泥摻量膨脹土動力特性的影響。褚福永等[5]基于大三軸試驗，分析了動力荷載對粗粒土剪脹性的影響；深入分析了荷載幅值、密實度、圍壓等因素對粗粒土剪脹性的影響。為真實反映動荷載下路基土的動力特性，鄭可揚等[6]對不同變量進行組合，開展三軸試驗分析不同圍壓狀態(tài)下粗粒土路基填料的動力特性。王永霞[7]以某鐵路路基粉土填料為研究對象，通過靜動三軸剪切試驗，研究了凍融循環(huán)作用下路基填料的動力特性。其他一些學者[8-12]也通過試驗法、理論法等手段對車輛荷載引起的路基填料動力特性問題進行研究。

為研究烏干達某高速公路細圓礫土路基填料在循環(huán)荷載下的動力特性，基于三軸循環(huán)試驗儀，開展了路基粗粒填料的三軸循環(huán)加載試驗。深入探討了荷載頻率、圍壓和循環(huán)應力比對路基填料的動力特性的影響。

2 試件制備

本次試驗所使用的試驗儀器為三軸循環(huán)試驗儀。細圓礫土具有滲透系數(shù)小，物理化學性質相對穩(wěn)定等優(yōu)點，因而烏干達某高速公路選用細圓礫土作為路基填料，表1列出了其物理參數(shù)。本次試驗將細圓礫土制成直徑150 mm，高度300 mm的試件。為了制備試驗試樣，首先將試驗用土在其最優(yōu)含水率下混合，之后靜置于塑料箱中密封保存48 h，使混合料水分均勻。之后試樣通過濕搗法進行制備。為了保證試樣的可比性，選取試樣的壓實度95%為控制標準，其滿足《公路路基設計規(guī)范》對路基壓實度的控制要求。

表1 填料的物理參數(shù)

3 試驗方案及試件加載

為研究循環(huán)荷載對公路路基填料的影響，在不同的試驗條件下對試件開展循環(huán)加載試驗，荷載循環(huán)次數(shù)設定為10 000次。本次試驗主要研究不同圍壓、荷載頻率以及循環(huán)應力比這三個因素的影響。循環(huán)應力比ζ定義為qampl/σ3；循環(huán)偏應力qampl為(如圖1所示)。本次試驗依據(jù)不同的圍壓和循環(huán)應力比共分為5組試驗，每組試驗在4種不同荷載頻率(f)條件下加載，分別為f＝0.2 Hz、f＝0.5 Hz、f＝1 Hz和f＝3 Hz。表2列出了5組試驗方案的具體指標。

表2 試驗詳細指標

使用循環(huán)三軸儀將試件加載至初始圍壓，圍壓穩(wěn)定后開展飽和排水循環(huán)試驗。第一圈以0.01 Hz的頻率對試件進行緩慢加載。此后，按照設定加載頻率對土體進行加載。圖1為加載曲線。

圖1 加載波形圖

4 試驗結果及分析

4.1 回彈特性分析

圖2給出了2號試件在荷載頻率下的應力應變滯回曲線，荷載循環(huán)次數(shù)分別為10、100、1 000、5 000和10 000。如圖2所示，增加循環(huán)次數(shù)會導致滯回曲線每一循環(huán)次數(shù)下滯回圈的斜率增大，粗粒填料的回彈模量也變大。相反，增加循環(huán)次數(shù)會使每一循環(huán)次數(shù)下滯回圈所覆蓋的面積變小。換句話說，增加循環(huán)次數(shù)會使填料的阻尼比減小。從圖中還可以看出，荷載循環(huán)次數(shù)從10增大到1 000的過程中，滯回圈的斜率顯著變大，填料的回彈模量顯著提升，相應的滯回圈所覆蓋的面積明顯減小。但荷載循環(huán)次數(shù)從1 000增大到10 000的過程中，滯回圈的斜率、填料的回彈模量和滯回圈所覆蓋面積無明顯變化。該階段滯回曲線近似線性，說明此時路基填料的響應近似彈性。這是因為試件在加載初始階段粗顆粒發(fā)生旋轉并重排列，從而出現(xiàn)明顯塑性變形，隨著循環(huán)次數(shù)增大，顆粒流動減緩，變形明顯減小，即路基填料的響應近似彈性。進一步說明，該公路路基填料在循環(huán)次數(shù)為1 000條件下處于密實狀態(tài)。

圖2 2號試件的應力應變滯回曲線

圖3給出了2號試件在不同循環(huán)次數(shù)條件下的滯回曲線(ζ＝3，σ3＝20 kPa)，循環(huán)次數(shù)分別為10和10 000，且每組試件開展了4種不同荷載頻率試驗。如圖所示，不同循環(huán)次數(shù)條件下，循環(huán)荷載頻率對試件的滯回曲線有顯著影響。進一步觀察，隨著荷載頻率的增大，滯回曲線的斜率越大，填料的回彈模量也增大。此外，增大荷載頻率會減小阻尼比(滯回圈面積減小)。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)下試件滯回曲線

4.2 體應變分析

圖4給出了不同荷載頻率下1～3號組試件體應變變化曲線。圖中可以看出，3組試件在不同條件下的體應變變化規(guī)律基本一致(除高頻循環(huán)荷載下的3號試件)，試件都出現(xiàn)體縮現(xiàn)象。試件體應變隨著循環(huán)次數(shù)的增加飛速增大直至循環(huán)荷載為1 000，隨后體應變增長幅度迅速下降，體應變逐漸趨于穩(wěn)定，此時試件均處于密實狀態(tài)。可見，試件的體應變主要發(fā)生在荷載前1 000次循環(huán)過程。對于荷載頻率為3時的3號試件，該試件體應變在循環(huán)次數(shù)超過1 000后仍逐漸變大，隨著循環(huán)次數(shù)的進一步增大，試件終將發(fā)生破壞，達到其破壞階段。

圖4 3組試件體應變變化曲線

圖5a為圍壓20 kPa條件下不同循環(huán)應力比時路基填料體應變變化曲線，對比了荷載頻率為0.2 Hz工況和荷載頻率為3 Hz工況。從圖5a中可以看出，增大循環(huán)應力比會導致填料的體應變明顯變大。且不同循環(huán)應力比條件下，荷載頻率對填料體應變的影響有差異。當循環(huán)應力比ζ＝1時，荷載頻率對填料體應變影響可忽略。但當增大循環(huán)應力比后，循環(huán)應力比對填料體應變的影響愈加顯著，高頻率的循環(huán)荷載會導致填料體應變明顯變大，即填料的密實度更高。

圖5b繪制了循環(huán)應力比為3條件下不同圍壓時路基填料體應變變化曲線，同樣對比了荷載頻率為0.2 Hz工況和荷載頻率為3 Hz工況。如圖所示，圍壓和荷載頻率對填料體應變有顯著影響。填料體應變隨圍壓顯著變大，且隨著荷載頻率的增大，這種影響愈加顯著。

圖5 不同條件下體應變變化曲線

當施加的荷載的頻率較小時(f＝0.2 Hz)，圍壓為20 kPa以及40 kPa下產(chǎn)生的體應變近似相等。當圍壓增加至60 kPa下，體應變增大。相對應，當施加荷載的頻率為3 Hz下，土體的軸向累積變形隨著圍壓的增大而增大。這是因為，頻率的增大加劇了試樣內部顆粒的重新排布，而顆粒的重新排布受到圍壓的影響，圍壓越大，土體顆粒越容易發(fā)生重新排布。

4.3 軸向累積應變分析

圖6給出了不同荷載頻率下3～5號試件軸向累積應變變化曲線。從圖中可以看出，3組試件軸向累積應變變化規(guī)律基本一致:試件軸向累積應變迅速變大，隨后軸向累積應變增長幅度減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。在加載的初始階段，路基填料累積應變增大顯著，表明試樣塑性應變累積顯著。當循環(huán)次數(shù)超過1 000時，累積應變增長速率平緩，試件的響應呈現(xiàn)出彈性狀態(tài)。另一方面，在不同循環(huán)應力比條件下，荷載頻率導致的影響不同。隨著循環(huán)應力比的增大，這種影響愈加明顯。

圖6 3組試件軸向累積應變變化曲線

圖7a為圍壓20 kPa條件下不同循環(huán)應力比時路基填料軸向累積應變變化曲線，對比了荷載頻率為0.2 Hz工況和荷載頻率為3 Hz工況。如圖所示，在相同的圍壓條件下，增大循環(huán)應力比明顯增大了試件軸向累積應變。當循環(huán)應力比為1時，2種荷載頻率下的試件軸向累積應變基本相同。增大循環(huán)應力比，荷載頻率所導致的影響愈加顯著，荷載頻率的增大導致軸向累積應變顯著增大。

圖7b繪制了不同圍壓時路基填料軸向累積應變曲線(ζ＝3)，同樣對比了荷載頻率為0.2 Hz工況和荷載頻率為3 Hz工況。如圖所示，荷載頻率變化顯著改變了試件軸向累積應變，但圍壓變化所帶來的影響可忽略。

圖7 軸向累積應變曲線

上述一系列試驗結果表明細圓礫土路基填料的軸向累積變形以及體應變隨著圍壓的增大而增大。因此，該高速公路施工過程中可采取鋪設格柵、微生物加固等相應的沉降控制方法，以保證高速公路路基全局的穩(wěn)定。

5 結論

為研究烏干達某高速公路細圓礫土路基填料在循環(huán)荷載下的動力特性，基于三軸循環(huán)試驗儀，開展了路基粗粒填料的三軸循環(huán)加載試驗。深入研究了荷載頻率對路基填料的影響，獲得以下主要結論:

(1)隨著荷載頻率的增大，填料滯回曲線的斜率越大，填料的回彈模量也增大，且滯回曲線越近似線性，試件的阻尼比變小。

(2)荷載頻率對填料體應變的影響隨著循環(huán)應力比增大而愈加顯著。循環(huán)應力比越大，高頻循環(huán)荷載會導致更為顯著的體應變。填料體應變隨圍壓顯著變大，且隨著荷載頻率的增大，這種影響愈加顯著。

(3)在高循環(huán)應力比工況下，荷載頻率的增大導致軸向累積應變顯著增大。但圍壓對填料軸向累積應變的影響可忽略。

(4)針對該地區(qū)細圓礫土的動力特性，該高速公路施工過程中可采取鋪設格柵、微生物加固等相應的沉降控制方法。