沙漠地區(qū)風(fēng)積沙動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

惠林沖 羅 強(qiáng) 李 杰 甫爾海提·艾尼瓦爾 鄭天贊

(1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 太原 030000;2.新疆那巴高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司 和靜 841300; 3.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710061)

風(fēng)積沙具有結(jié)構(gòu)松散、級(jí)配不良、孔隙率大、強(qiáng)度較低、沉降均勻等特點(diǎn),其分布廣泛、儲(chǔ)量豐富、取材方便[1]。由于風(fēng)積沙無黏性、黏聚力小甚至無黏聚力、透水性好、顆粒較細(xì)、含水量少、保水性差、毛細(xì)虹吸作用不發(fā)達(dá)等特點(diǎn),在外力作用下極易松散和位移。隨著在沙漠地區(qū)修建公路,風(fēng)積沙相關(guān)力學(xué)特性也需要研究,通過開展相關(guān)試驗(yàn)得到風(fēng)積沙力學(xué)參數(shù),為沙漠地區(qū)公路建設(shè)提供理論依據(jù)。近幾年國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)風(fēng)積沙路基的填筑技術(shù)進(jìn)行了較多研究,但這些研究多集中在風(fēng)積沙材料的物理性質(zhì)、壓實(shí)技術(shù),以及施工標(biāo)準(zhǔn)等方面。袁玉卿等[2]通過一系列試驗(yàn)研究了風(fēng)積沙壓實(shí)特性,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙擊實(shí)曲線在含水率為0和最優(yōu)含水率下達(dá)到峰值,呈橫倒的“S”形。風(fēng)積沙的最佳振動(dòng)頻率為45～50 Hz。劉大鵬等[3]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變特點(diǎn),分析了各個(gè)基本因素對(duì)風(fēng)積沙動(dòng)力特性的影響,得出了風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變特點(diǎn)。趙莉[4]針對(duì)不同車速、行駛密度等因素對(duì)路基產(chǎn)生不同荷載頻率的實(shí)際工程問題,系統(tǒng)分析了荷載頻率和循環(huán)應(yīng)力比對(duì)粗粒土長期動(dòng)力特性的影響規(guī)律。綜上所述,以往對(duì)風(fēng)積沙的壓實(shí)特性、靜力特性,以及改良研究較多,而對(duì)風(fēng)積沙填料在循環(huán)動(dòng)載作用下的動(dòng)力特性研究較少。為了系統(tǒng)研究風(fēng)積沙累積塑性應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力幅值、圍壓,以及含水率的變化規(guī)律,本文開展風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的動(dòng)三軸試驗(yàn),以期為沙漠公路施工和維護(hù)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 動(dòng)三軸試驗(yàn)

試驗(yàn)通過GDS動(dòng)三軸儀器開展。風(fēng)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(dá)150.09 km,全部為新建,采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。依據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范對(duì)土樣進(jìn)行顆粒分析,發(fā)現(xiàn)其粒徑主要分布在0.075～0.50 mm之間。風(fēng)積沙的級(jí)配曲線見圖1。不均勻系數(shù)Cu=1.63<5,曲率系數(shù)Cc=1.02,顆粒級(jí)配不良。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

沙漠高速公路的基層對(duì)壓實(shí)系數(shù)的要求很高。基層床底的填料壓實(shí)度應(yīng)不低于0.96。S21高速公路多采用風(fēng)積沙作為路基底部的填料。壓實(shí)度應(yīng)根據(jù)實(shí)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(shí)法。為了保證樣品制備的均勻性,壓實(shí)工作分5層完成。控制質(zhì)量和擊實(shí)功來達(dá)到要求壓實(shí)度,每層擊實(shí)完后進(jìn)行刮毛防止分層。制樣過程依據(jù)GB/T 50123-2019 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]執(zhí)行,風(fēng)積沙的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 風(fēng)積沙的基本物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

為模擬路基不同深度處的約束環(huán)境,本次試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見表2。

表2 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

S21公路設(shè)計(jì)車速120 km/h,且按照超高速理念設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)車速可達(dá)到140 km/h。考慮到公路車輛實(shí)際速度和試驗(yàn)加載的方便,試驗(yàn)加載頻率取f=1.0,3.0 Hz。試驗(yàn)加載中循環(huán)動(dòng)應(yīng)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)荷載下試樣軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

以最優(yōu)含水率wopt=12.0%試樣為例,說明循環(huán)荷載作用下,風(fēng)積沙試樣的軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖3。

圖3 軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

軸向應(yīng)變由可恢復(fù)的彈性應(yīng)變?chǔ)舉和永久的塑性應(yīng)變?chǔ)舙組成,塑性應(yīng)變?chǔ)舙隨循環(huán)次數(shù)的增加不斷積累[6]。由圖3可知,風(fēng)積沙試樣的軸向應(yīng)變受循環(huán)荷載作用影響,呈周期性增大。在每個(gè)循環(huán)周期內(nèi),軸向應(yīng)變先增大后減小;加載初期,風(fēng)沙顆粒內(nèi)部在動(dòng)載作用下發(fā)生較大錯(cuò)位,軸向應(yīng)變?cè)鲩L較快;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)變?cè)鲩L逐漸減慢,曲線趨于穩(wěn)定,達(dá)到10 000次時(shí)軸向應(yīng)變?yōu)?.15%。圖3b)軸向應(yīng)變曲線有明顯的周期性波動(dòng),曲線發(fā)展比較迅速,累積塑性應(yīng)變累積較快;圖3c)軸向應(yīng)變基本穩(wěn)定,累積塑性應(yīng)變趨于平穩(wěn)。圖3b)與圖3c)中曲線變化不同的原因主要是風(fēng)積沙顆粒沒有黏聚力,在循環(huán)動(dòng)載作用下,風(fēng)積沙顆粒在空間上發(fā)生錯(cuò)位,顆粒之間接觸更加緊密直至達(dá)到位移穩(wěn)定,宏觀上表現(xiàn)出2條曲線軸向應(yīng)變的不同變化。

3.2 不同圍壓時(shí)累積塑性應(yīng)變

圖4 不同圍壓時(shí)塑性應(yīng)變隨振次變化

由圖4可知,隨著圍壓的增大,風(fēng)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(xiàn)為加強(qiáng)顆粒間嵌入和嚙合,發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)更加困難,宏觀上表現(xiàn)為更大的咬合力,故累積塑性應(yīng)變就越小。相同圍壓時(shí),增大動(dòng)應(yīng)力幅值,累積塑性應(yīng)變變化較大,可見動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)應(yīng)變影響較大。

3.3 不同含水率時(shí)累積塑性應(yīng)變

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

圖5 不同含水率時(shí)塑性應(yīng)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(yīng)變隨含水率增大而增大,3種含水率情況都是在最優(yōu)含水率下?lián)魧?shí)成型,保證壓實(shí)度一致,含水率變小相當(dāng)于模擬了風(fēng)積沙填料排水固結(jié)的情況,含水率變大相當(dāng)于模擬了路基內(nèi)進(jìn)水的情況,可以看出含水率對(duì)塑性應(yīng)變影響較大,在循環(huán)應(yīng)力比更大的時(shí)候會(huì)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(shí),應(yīng)變變小;含水率變大在原來含水率基礎(chǔ)上,在顆粒之間產(chǎn)生了水膜,減小了顆粒之間的摩擦作用,使風(fēng)積沙抗剪強(qiáng)度減小,導(dǎo)致應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

3.4 不同動(dòng)應(yīng)力幅值時(shí)累積塑性應(yīng)變

圍壓20 kPa,動(dòng)應(yīng)力幅值σd=20,60,100 kPa,軸向累積塑性應(yīng)變隨振次變化曲線見圖6。

由圖6可知,圍壓相同時(shí),軸向累積塑性應(yīng)變隨動(dòng)應(yīng)力幅值增大顯著增大,可見動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)風(fēng)積沙塑性應(yīng)變影響很大,從幅值20 kPa增加到60 kPa時(shí),變化還不是非常顯著,當(dāng)增大到100 kPa時(shí),塑性應(yīng)變顯著增大,可見在重載交通下,風(fēng)積沙填料變形明顯。增大動(dòng)應(yīng)力幅值會(huì)使塑性應(yīng)變平穩(wěn)臨界點(diǎn)右移,說明當(dāng)幅值增大到一定程度,試樣會(huì)直接破壞。在實(shí)際公路通車后的維護(hù)中,要注意對(duì)路上行駛車輛進(jìn)行管控,避免超載情況對(duì)路造成不必要的損壞。

3.5 加載頻率對(duì)累積塑性應(yīng)變的影響

加載頻率分別為1,3 Hz時(shí),圍壓20 kPa,動(dòng)應(yīng)力幅值σd=20,60,100 kPa,軸向累積塑性應(yīng)變隨振次變化曲線見圖7。

圖7 不同加載頻率下塑性應(yīng)變隨振次變化曲線

由圖7a)、b)、c)可知,相同圍壓,不同的動(dòng)應(yīng)力幅值,軸向累積塑性應(yīng)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(nèi),頻率越大,說明動(dòng)載在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)同一點(diǎn)作用次數(shù)增加,應(yīng)力傳遞次數(shù)同樣增加,從而應(yīng)變?cè)龃?由圖7d)可見,不同的動(dòng)應(yīng)力幅值下加載頻率對(duì)塑性應(yīng)變的影響規(guī)律是相同的,并且相同圍壓時(shí),動(dòng)應(yīng)力幅值越大,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)酱?與之前的分析規(guī)律一致。

4 結(jié)語

通過對(duì)風(fēng)積沙填料進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn),分析了風(fēng)積沙試樣在圍壓、含水率、動(dòng)應(yīng)力幅值、荷載頻率4個(gè)影響因素下的軸向累積塑性應(yīng)變變化規(guī)律,得出以下結(jié)論。

1) 風(fēng)積沙試樣在循環(huán)荷載加載初期軸向應(yīng)變和塑性應(yīng)變?cè)黾虞^快,隨著循環(huán)次數(shù)增加,應(yīng)變逐漸穩(wěn)定達(dá)到平穩(wěn)。

2) 相同動(dòng)應(yīng)力幅值時(shí),風(fēng)積沙軸向累積塑性應(yīng)變隨圍壓增大而減小,實(shí)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(fēng)積沙軸向累積塑性應(yīng)變隨含水率增大而增大,實(shí)際工程防護(hù)中,應(yīng)加強(qiáng)路基內(nèi)部排水能力。

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

6) 根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及分析,針對(duì)沙漠地區(qū)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(shí),保證截排水結(jié)構(gòu)設(shè)施完善,防止水分降低路基穩(wěn)定性,如有降雨特殊地區(qū),可采取特殊措施加強(qiáng)路基內(nèi)、外部排水功能;公路通車期間,重載交通量大,應(yīng)定時(shí)對(duì)路基變形情況進(jìn)行檢測維修,以免造成更大破壞影響交通;超高速公路應(yīng)提高路基的壓實(shí)強(qiáng)度及承載力,以降低頻率對(duì)其的影響。

7) 在以上研究中,考慮加載頻率對(duì)風(fēng)積沙填料動(dòng)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(tài)研究,為沙漠地區(qū)高速鐵路建設(shè)提供理論依據(jù)。