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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)力應(yīng)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(xué)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(yīng)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(jié)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(xué)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(yīng)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(xué)性質(zhì)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(shè)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(shè)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(yīng)力比這三個因素的影響。循環(huán)應(yīng)力比ζ定義為qampl/σ3；循環(huán)偏應(yīng)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(yīng)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(shè)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(jié)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(yīng)力應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)變分析

圖4給出了不同荷載頻率下1～3號組試件體應(yīng)變變化曲線。圖中可以看出，3組試件在不同條件下的體應(yīng)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(yīng)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(yīng)變增長幅度迅速下降，體應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變變化曲線

圖5a為圍壓20 kPa條件下不同循環(huán)應(yīng)力比時路基填料體應(yīng)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(yīng)力比會導(dǎo)致填料的體應(yīng)變明顯變大。且不同循環(huán)應(yīng)力比條件下，荷載頻率對填料體應(yīng)變的影響有差異。當循環(huán)應(yīng)力比ζ＝1時，荷載頻率對填料體應(yīng)變影響可忽略。但當增大循環(huán)應(yīng)力比后，循環(huán)應(yīng)力比對填料體應(yīng)變的影響愈加顯著，高頻率的循環(huán)荷載會導(dǎo)致填料體應(yīng)變明顯變大，即填料的密實度更高。

圖5b繪制了循環(huán)應(yīng)力比為3條件下不同圍壓時路基填料體應(yīng)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(yīng)變有顯著影響。填料體應(yīng)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(yīng)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(yīng)變近似相等。當圍壓增加至60 kPa下，體應(yīng)變增大。相對應(yīng)，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(nèi)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(yīng)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(yīng)變變化曲線。從圖中可以看出，3組試件軸向累積應(yīng)變變化規(guī)律基本一致:試件軸向累積應(yīng)變迅速變大，隨后軸向累積應(yīng)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(yīng)變增大顯著，表明試樣塑性應(yīng)變累積顯著。當循環(huán)次數(shù)超過1 000時，累積應(yīng)變增長速率平緩，試件的響應(yīng)呈現(xiàn)出彈性狀態(tài)。另一方面，在不同循環(huán)應(yīng)力比條件下，荷載頻率導(dǎo)致的影響不同。隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大，這種影響愈加明顯。

圖6 3組試件軸向累積應(yīng)變變化曲線

圖7a為圍壓20 kPa條件下不同循環(huán)應(yīng)力比時路基填料軸向累積應(yīng)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(yīng)力比明顯增大了試件軸向累積應(yīng)變。當循環(huán)應(yīng)力比為1時，2種荷載頻率下的試件軸向累積應(yīng)變基本相同。增大循環(huán)應(yīng)力比，荷載頻率所導(dǎo)致的影響愈加顯著，荷載頻率的增大導(dǎo)致軸向累積應(yīng)變顯著增大。

圖7b繪制了不同圍壓時路基填料軸向累積應(yīng)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(yīng)變，但圍壓變化所帶來的影響可忽略。

圖7 軸向累積應(yīng)變曲線

上述一系列試驗結(jié)果表明細圓礫土路基填料的軸向累積變形以及體應(yīng)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(shè)格柵、微生物加固等相應(yīng)的沉降控制方法，以保證高速公路路基全局的穩(wěn)定。

5 結(jié)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(jié)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(yīng)變的影響隨著循環(huán)應(yīng)力比增大而愈加顯著。循環(huán)應(yīng)力比越大，高頻循環(huán)荷載會導(dǎo)致更為顯著的體應(yīng)變。填料體應(yīng)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(yīng)力比工況下，荷載頻率的增大導(dǎo)致軸向累積應(yīng)變顯著增大。但圍壓對填料軸向累積應(yīng)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(shè)格柵、微生物加固等相應(yīng)的沉降控制方法。