沙漠地區風積沙動力特性試驗研究

惠林沖 羅 強 李 杰 甫爾海提·艾尼瓦爾 鄭天贊

(1.山西路橋建設集團有限公司 太原 030000;2.新疆那巴高速公路發展有限責任公司 和靜 841300; 3.長安大學公路學院 西安 710061)

風積沙具有結構松散、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、毛細虹吸作用不發達等特點,在外力作用下極易松散和位移。隨著在沙漠地區修建公路,風積沙相關力學特性也需要研究,通過開展相關試驗得到風積沙力學參數,為沙漠地區公路建設提供理論依據。近幾年國內外學者已經針對風積沙路基的填筑技術進行了較多研究,但這些研究多集中在風積沙材料的物理性質、壓實技術,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積沙壓實特性,發現風積沙擊實曲線在含水率為0和最優含水率下達到峰值,呈橫倒的“S”形。風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積沙在循環荷載作用下的累積塑性應變特點,分析了各個基本因素對風積沙動力特性的影響,得出了風積沙在循環荷載作用下的累積塑性應變特點。趙莉[4]針對不同車速、行駛密度等因素對路基產生不同荷載頻率的實際工程問題,系統分析了荷載頻率和循環應力比對粗粒土長期動力特性的影響規律。綜上所述,以往對風積沙的壓實特性、靜力特性,以及改良研究較多,而對風積沙填料在循環動載作用下的動力特性研究較少。為了系統研究風積沙累積塑性應變隨動應力幅值、圍壓,以及含水率的變化規律,本文開展風積沙在循環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。

1 動三軸試驗

試驗通過GDS動三軸儀器開展。風積沙填料取自新疆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。依據土工試驗規范對土樣進行顆粒分析,發現其粒徑主要分布在0.075～0.50 mm之間。風積沙的級配曲線見圖1。不均勻系數Cu=1.63<5,曲率系數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的要求很高?；鶎哟驳椎奶盍蠅簩嵍葢坏陀?.96。S21高速公路多采用風積沙作為路基底部的填料。壓實度應根據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|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GB/T 50123-2019 《土工試驗方法標準》[5]執行,風積沙的基本物理力學指標見表1。

表1 風積沙的基本物理力學指標

2 試驗方案

為模擬路基不同深度處的約束環境,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%,試驗結果見表2。

表2 動三軸試驗方案

S21公路設計車速120 km/h,且按照超高速理念設計,設計車速可達到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。試驗加載中循環動應力比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 試驗結果與分析

3.1 循環荷載下試樣軸向應變隨循環次數變化規律

以最優含水率wopt=12.0%試樣為例,說明循環荷載作用下,風積沙試樣的軸向應變隨循環次數的變化規律見圖3。

圖3 軸向應變隨循環次數變化曲線

軸向應變由可恢復的彈性應變εe和永久的塑性應變εp組成,塑性應變εp隨循環次數的增加不斷積累[6]。由圖3可知,風積沙試樣的軸向應變受循環荷載作用影響,呈周期性增大。在每個循環周期內,軸向應變先增大后減小;加載初期,風沙顆粒內部在動載作用下發生較大錯位,軸向應變增長較快;隨著循環次數的增加,應變增長逐漸減慢,曲線趨于穩定,達到10 000次時軸向應變為2.15%。圖3b)軸向應變曲線有明顯的周期性波動,曲線發展比較迅速,累積塑性應變累積較快;圖3c)軸向應變基本穩定,累積塑性應變趨于平穩。圖3b)與圖3c)中曲線變化不同的原因主要是風積沙顆粒沒有黏聚力,在循環動載作用下,風積沙顆粒在空間上發生錯位,顆粒之間接觸更加緊密直至達到位移穩定,宏觀上表現出2條曲線軸向應變的不同變化。

3.2 不同圍壓時累積塑性應變

圖4 不同圍壓時塑性應變隨振次變化

由圖4可知,隨著圍壓的增大,風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,微觀上表現為加強顆粒間嵌入和嚙合,發生相對錯動更加困難,宏觀上表現為更大的咬合力,故累積塑性應變就越小。相同圍壓時,增大動應力幅值,累積塑性應變變化較大,可見動應力幅值對應變影響較大。

3.3 不同含水率時累積塑性應變

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

圖5 不同含水率時塑性應變隨振次變化

由圖5可知,在保持最大干密度相同的情況下,軸向累積塑性應變隨含水率增大而增大,3種含水率情況都是在最優含水率下擊實成型,保證壓實度一致,含水率變小相當于模擬了風積沙填料排水固結的情況,含水率變大相當于模擬了路基內進水的情況,可以看出含水率對塑性應變影響較大,在循環應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,應變變小;含水率變大在原來含水率基礎上,在顆粒之間產生了水膜,減小了顆粒之間的摩擦作用,使風積沙抗剪強度減小,導致應變增大。

3.4 不同動應力幅值時累積塑性應變

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

由圖6可知,圍壓相同時,軸向累積塑性應變隨動應力幅值增大顯著增大,可見動應力幅值對風積沙塑性應變影響很大,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,塑性應變顯著增大,可見在重載交通下,風積沙填料變形明顯。增大動應力幅值會使塑性應變平穩臨界點右移,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變的影響

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

圖7 不同加載頻率下塑性應變隨振次變化曲線

由圖7a)、b)、c)可知,相同圍壓,不同的動應力幅值,軸向累積塑性應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,頻率越大,說明動載在單位時間內對同一點作用次數增加,應力傳遞次數同樣增加,從而應變增大;由圖7d)可見,不同的動應力幅值下加載頻率對塑性應變的影響規律是相同的,并且相同圍壓時,動應力幅值越大,對應的應變越大,與之前的分析規律一致。

4 結語

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

1) 風積沙試樣在循環荷載加載初期軸向應變和塑性應變增加較快,隨著循環次數增加,應變逐漸穩定達到平穩。

2) 相同動應力幅值時,風積沙軸向累積塑性應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,風積沙軸向累積塑性應變隨含水率增大而增大,實際工程防護中,應加強路基內部排水能力。

4) 保證圍壓相同時,風積沙累積塑性應變隨動應力幅值呈非線性增長趨勢,可見應力幅值對風積沙試樣塑性應變影響很大,公路通車期應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,風積沙試樣軸向累積塑性應變隨加載頻率增大而增大,且動應力幅值越大,加載頻率的影響越明顯。

6) 根據上述試驗結果及分析,針對沙漠地區高速公路路基,增大路基圍壓約束,可減少路基沉降變形;路基修筑同時,保證截排水結構設施完善,防止水分降低路基穩定性,如有降雨特殊地區,可采取特殊措施加強路基內、外部排水功能;公路通車期間,重載交通量大,應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研究,為沙漠地區高速鐵路建設提供理論依據。