碎石料干濕循環(huán)變形試驗(yàn)及計(jì)算方法

曹光栩，宋二祥，徐 明

(1.清華大學(xué) 土木工程系，100084 北京，cgx06@mails.tsinghua.edu.cn;2.清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084 北京)

碎石料干濕循環(huán)變形試驗(yàn)及計(jì)算方法

曹光栩1，2，宋二祥1，2，徐 明1，2

(1.清華大學(xué) 土木工程系，100084 北京，cgx06@mails.tsinghua.edu.cn;2.清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100084 北京)

為深入研究山區(qū)機(jī)場高填方中常用碎石料的流變及干濕循環(huán)變形特性，利用特制的大型側(cè)限固結(jié)儀對其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn).結(jié)果表明:同等應(yīng)力水平下碎石料在干濕循環(huán)作用下的變形比常規(guī)流變變形的后期增長趨勢更為明顯，其特點(diǎn)是在每次干濕循環(huán)中只是浸水初期變形增長較快，待排干水后變形趨于平緩;經(jīng)分析干濕循環(huán)變形值與循環(huán)次數(shù)的對數(shù)之間有較明顯的線性關(guān)系.另外，根據(jù)試驗(yàn)成果提出了考慮當(dāng)?shù)亟涤昵闆r的常規(guī)流變變形和干濕循環(huán)變形的簡化耦合計(jì)算方法，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤暌?guī)律對云南X機(jī)場填方體進(jìn)行了工后沉降變形計(jì)算.

高填方;碎石料;流變變形;干濕循環(huán)

近些年隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)航空運(yùn)輸業(yè)得到了快速發(fā)展，山區(qū)機(jī)場高填方地基日益增多，碎石粗粒料以其較好的壓縮力學(xué)性能成為山區(qū)機(jī)場高填方工程中主要的填筑材料.據(jù)以往工程實(shí)測資料，粗粒料填方體在工后幾年甚至十幾年內(nèi)還在緩慢地發(fā)生沉降變形［1］，這種變形可歸結(jié)為兩個(gè)方面:一是粗粒料在荷載作用下的常規(guī)流變變形;二是由于日曬雨淋、溫度升降等外界環(huán)境因素所引起的附加變形.A.K.Parkin［2］較早地在壓縮儀上對碎石料進(jìn)行了流變試驗(yàn)，并利用所得試驗(yàn)結(jié)果推測幾座已建成的堆石壩的流變變形;沈珠江等［3］在用應(yīng)力式三軸儀研究了西北口面板壩堆石料流變特性后選用雙曲線模型來擬合流變曲線;程展林［4］等利用大型三軸儀針對水布埡大壩的堆石料進(jìn)行了流變研究，并提出了9參數(shù)的堆石料流變模型.對于由眾多環(huán)境因素所引起的附加變形研究方面，已有學(xué)者指出多次降雨或地下水位反復(fù)升降所引起的干濕循環(huán)變形是其中影響較大的一個(gè)因素［5］.Sowers［6］曾對干燥和被水浸濕的砂巖粗粒料分別進(jìn)行流變試驗(yàn)，并在過程中注水，對比發(fā)現(xiàn)干燥的砂巖料變形突然增大而被浸潤過的砂巖料變形則沒有明顯增加;Nobari和Duncan［7］比較早地用常規(guī)三軸儀對風(fēng)干砂試樣進(jìn)行了濕化試驗(yàn)，認(rèn)為可用試驗(yàn)得出的干、濕兩種應(yīng)力應(yīng)變曲線來求濕化變形;Lawton等［8］則通過測定不同密度和含水量的試樣在不同壓力下發(fā)生的濕陷沉降大小，得到了不同壓力下濕陷沉降的等值線圖;Anthiniac［9］通過室內(nèi)試驗(yàn)和機(jī)理分析認(rèn)為，濕化變形的影響因素包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要有巖石的破碎強(qiáng)度、顆粒形狀、礦物成份、密度、級配、含水量及內(nèi)摩擦角等，外因主要有應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力路徑、浸水時(shí)間等;李廣信［10］利用大型三軸儀對不同礦物成分、不同密度、不同相似比例的粗料試樣進(jìn)行了濕化試驗(yàn)，并從塑性力學(xué)的角度，把濕化過程近似看作加載后又卸載的過程，濕化變形則作為粗粒料由干變濕產(chǎn)生的塑性應(yīng)變增量，并認(rèn)為其應(yīng)變方向正交于清華模型屈服面;殷宗澤［5］則通過大型三軸儀同時(shí)研究了粗粒料的流變變形和干濕循環(huán)變形，認(rèn)為兩種變形都可以用雙曲線來擬合，并把兩種變形疊加后的總變形作為正交于橢圓-拋物線雙屈服面模型的塑性變形進(jìn)行計(jì)算.因此，目前普遍做法是采用室內(nèi)大型試驗(yàn)研究流變和濕化變形，而后得出本構(gòu)關(guān)系.

總體來看，目前碎石料的濕化變形研究多是針對堆石壩初次蓄水時(shí)的變形.雖然少數(shù)研究開始通過大型三軸儀調(diào)查堆石壩在干濕循環(huán)作用下的長期變形［5，11］，但專門針對山區(qū)機(jī)場高填方碎石料在干濕循環(huán)作用下變形特性的試驗(yàn)研究還未見報(bào)道，本文擬通過室內(nèi)大型試驗(yàn)研究在干濕循環(huán)作用下機(jī)場高填方碎石料長期變形的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，并提出簡化算法.

1 試驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

目前針對堆石壩的研究多采用大型三軸試驗(yàn)，這主要是因?yàn)槎咽瘔蔚奶钪^程近似于等主應(yīng)力比的加載過程，用三軸儀進(jìn)行模擬比較合適.值得指出的是，由于細(xì)微的薄膜漏水［13］、粗粒料試驗(yàn)中的薄膜貫入效應(yīng)［14］導(dǎo)致在大型三軸試驗(yàn)中體變量測不準(zhǔn)等問題一直未得到較好地解決，這對長期流變和干濕循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果都可能造成很大的誤差.而本文所研究的山區(qū)機(jī)場高填方工程填筑面積很大，其填料的應(yīng)力路徑與一維側(cè)限壓縮狀態(tài)比較接近，采用側(cè)限壓縮試驗(yàn)來研究填料的力學(xué)特性更為合適.劉宏等［14-15］曾選用側(cè)限固結(jié)儀對九黃機(jī)場和貴州龍洞堡機(jī)場工程的填料進(jìn)行過流變試驗(yàn)研究.因此，此次流變和干濕循環(huán)變形試驗(yàn)選用大型側(cè)限固結(jié)儀來進(jìn)行.

考慮到需要長期穩(wěn)定的施加荷載，該固結(jié)儀在設(shè)計(jì)上采用杠桿加壓方式對試樣進(jìn)行側(cè)限壓縮，并且在試驗(yàn)過程中可通過調(diào)平衡裝置保持杠桿水平，從而實(shí)現(xiàn)壓力始終在豎直方向.另外利用外部的有機(jī)玻璃管還可對內(nèi)部試樣進(jìn)行浸水飽和.該固結(jié)儀可提供最大豎向壓力1.34 MPa，試樣直徑200 mm，高200 mm.

1.2 試樣制備

山區(qū)機(jī)場填方中所用碎石料一般為現(xiàn)場常規(guī)爆破產(chǎn)生，粒徑較大，所以，試樣需要根據(jù)現(xiàn)場填料的級配進(jìn)行縮尺制備，本文采用的縮尺方法為混合縮尺法［16］:先用相似級配法將X機(jī)場現(xiàn)場填料級配縮尺到原來的1/2，再用等量替代法把最大粒徑縮尺到40 mm(圖1所示).試樣與現(xiàn)場填料巖性相同，均為西部山區(qū)常見的石灰?guī)r碎石料，經(jīng)過自然風(fēng)干.具體制備時(shí)每個(gè)試樣分為4層填筑，每層高度約5 cm;試樣密度參照現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)控制在2.0 g/cm3左右.

圖1 縮尺前后灰?guī)r碎石的級配曲線

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共分為兩種:第一種是僅在荷載作用的下普通流變試驗(yàn);第二種是荷載和干濕循環(huán)共同作用下的變形試驗(yàn).從第二種試驗(yàn)的試驗(yàn)值中扣除相應(yīng)荷載下的普通流變變形值即得到需要研究的干濕循環(huán)變形值.其中干濕循環(huán)變形試驗(yàn)采取在某一荷載下從試樣底部浸水濕化，等變形穩(wěn)定后再將水排干的方法近似模擬實(shí)際的一次晴雨過程.當(dāng)然由于試驗(yàn)條件限制若等到試樣完全干燥再進(jìn)行下一次浸水濕化是很困難的，因此，需要選擇較為合理的排水放置時(shí)間.王?？〉龋?7］曾用大型三軸儀針對花崗巖碎石料做過類似試驗(yàn)，試樣直徑101 mm，高200 mm，經(jīng)過分析不同排水條件的試驗(yàn)結(jié)果后認(rèn)為在自由排干0.5 h后試樣內(nèi)部進(jìn)水已基本排干，并把0.5 h作為干濕循環(huán)試驗(yàn)中排水放置時(shí)間.本試驗(yàn)選擇1 h作為排水放置時(shí)間.

此次 試 驗(yàn) 豎 向 荷 載 在 0.14、0.34、0.54、0.74、0.94 和 1.14 MPa 等 6 個(gè)級別進(jìn)行分級加載.因?yàn)楸驹囼?yàn)以X機(jī)場工程為模擬背景，其最大填方高度約50 m，填筑體底層填料的最大豎向應(yīng)力在1 MPa左右，試驗(yàn)中為了考慮此情況加載的最大荷載級別才設(shè)定為1.14 MPa.

1.4 試驗(yàn)具體過程

試驗(yàn)的基本操作步驟、數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間以及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)均參照文獻(xiàn)［16］.

具體過程如下:

1)碎石料共分4層夯實(shí)填入到固結(jié)儀內(nèi)，每層高度5 cm左右.夯實(shí)完畢后首先測量起始高度，并在試樣上部覆蓋濾紙、透水板，然后放下加壓蓋，密合傳壓活塞及橫梁并用1.0 kg的壓力進(jìn)行預(yù)壓，再裝好百分表，記下初始讀數(shù).

2)在加第1級荷載的同時(shí)立即開動(dòng)秒表，按照要求讀數(shù)，分級加載時(shí)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)［17］為最后連續(xù)1 h的應(yīng)變值不超過5×10-4.

3)變形穩(wěn)定后再加下一級荷載.本試驗(yàn)共分為6 級加載.分別選擇其中 0.34、0.74、0.94 和1.14 MPa 4個(gè)荷載級別進(jìn)行較長時(shí)間的普通流變變形試驗(yàn).

4)完成普通流變試驗(yàn)后，重新裝好試樣，待加載到0.34 MPa變形穩(wěn)定后對試樣進(jìn)行浸水飽和，維持水頭與試樣同高，浸水時(shí)間持續(xù)1 h，然后將水迅速排干放置1 h;再按同樣的時(shí)間間隔對試樣反復(fù)浸水濕化，共進(jìn)行6次干濕循環(huán)操作，持續(xù)約12 h.全部完成后依次更換3個(gè)新試樣按照同樣的方法分別在0.74、0.94、1.14 MPa 下進(jìn)行干濕循環(huán)變形試驗(yàn).

2 結(jié)果及分析

2.1 普通流變試驗(yàn)規(guī)律

試驗(yàn)中只在0.34、0.74、0.94 和 1.14 MPa 荷載下維持流變變形 6 ～7 d，而 0.14、0.54 MPa荷載下持續(xù)時(shí)間較短，一般1～2 h.繪制出各級荷載下壓縮變形S和時(shí)間對數(shù)logt的關(guān)系曲線，取曲線的反彎點(diǎn)前后兩段曲線切線的交點(diǎn)作為瞬時(shí)彈塑性變形和流變變形的分界點(diǎn)［18］.各級荷載下的流變變形如圖2所示.

圖2 碎石料流變變形－時(shí)間對數(shù)曲線

從圖2可以看出，碎石料的初始流變速率和流變變形值基本上隨著應(yīng)力水平的增加而逐漸增大.在較短時(shí)間和較低應(yīng)力水平下流變變形與時(shí)間對數(shù)可以近似用線性關(guān)系來描述，但隨著時(shí)間的延長以及壓力水平的提高流變與時(shí)間對數(shù)不再具有較好的線性關(guān)系.

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)變形規(guī)律

圖3為1.14 MPa應(yīng)力水平下普通流變試驗(yàn)與干濕循環(huán)變形試驗(yàn)的變形曲線對比，由于考慮到碎石填料在實(shí)際填筑過程中很可能已經(jīng)經(jīng)歷過強(qiáng)降雨過程，即竣工后若再次遭遇強(qiáng)降雨然后風(fēng)干已經(jīng)不屬于初次干濕循環(huán)，把干濕循環(huán)變形曲線的初次干濕循環(huán)變形值扣除，不計(jì)入干濕循環(huán)長期變形［5］.從圖 3 可以看出，1.14 MPa應(yīng)力水平下碎石料在有限的幾次干濕循環(huán)作用下的變形與同等應(yīng)力水平下的普通流變變形相比后期的增長趨勢依然很明顯，尚未達(dá)到穩(wěn)定，因此，干濕循環(huán)作為一種影響碎石料長期變形的重要因素是不能忽視的，尤其對于高填方工程.

圖3 1.14 MPa荷載下干濕循環(huán)變形與普通流變曲線對比

用圖3中干濕循環(huán)變形值減去普通流變變形試驗(yàn)值，所得結(jié)果即可以近似認(rèn)為是1.14 MPa應(yīng)力水平下僅由干濕循環(huán)所引起的變形，同樣方法也可以得到其他應(yīng)力水平下僅由干濕循環(huán)作用所引起的變形，如圖4所示.可以看出，一方面干濕循環(huán)變形的大小隨應(yīng)力水平的提高是逐漸增大的;另一方面，碎石料在后面幾次循環(huán)中每次浸水初期變形有相對較大的增長，而后變形快速趨于穩(wěn)定，整體上呈現(xiàn)出類似于臺階狀的變化，并且應(yīng)力水平越高這種規(guī)律越顯著.

圖4 碎石料干濕循環(huán)變形曲線

2.3 機(jī)理分析

碎石料常規(guī)流變變形產(chǎn)生的原因主要是在經(jīng)歷了加載初期較大的彈塑性變形之后碎石顆粒仍會繼續(xù)在較小范圍內(nèi)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)滑移，這樣就引起顆粒之間應(yīng)力的重分布，導(dǎo)致碎石顆粒棱角的少量破碎，顆粒排列得以繼續(xù)調(diào)整［19］.與之相比碎石填料在長期晴雨反復(fù)作用下產(chǎn)生干濕循環(huán)變形的原因相對要復(fù)雜一些，從總體上分析主要來自于以下幾個(gè)方面:

1)由于雨水或地下水的反復(fù)浸潤導(dǎo)致顆粒強(qiáng)度的降低，在較大荷載作用下發(fā)生碎石顆粒的破碎細(xì)化，引起顆粒排列的重新調(diào)整;

2)因?yàn)樗值臐櫥饔脤?dǎo)致顆粒接觸部位的摩擦系數(shù)降低，從而使原來處于摩擦平衡狀態(tài)的顆粒之間發(fā)生進(jìn)一步的錯(cuò)動(dòng)滑移;

3)當(dāng)出現(xiàn)碎石顆粒破碎時(shí)，雨水的反復(fù)浸潤為新鮮破碎面的繼續(xù)濕化提供了可能，碎石顆粒會在新斷面出現(xiàn)滑移或使新棱角發(fā)生進(jìn)一步的破碎;

4)當(dāng)碎石顆粒被浸潤時(shí)，其質(zhì)量會有所增加，在這種新增加的荷載作用下會產(chǎn)生一部分不可恢復(fù)的塑性變形;

5)地下水在碎石顆粒之間滲流速率較大，很小一部分細(xì)顆粒會被水流搬運(yùn)，位置發(fā)生遷移，從而引起碎石填料的局部級配發(fā)生變化，在其他擾動(dòng)下該部位較粗顆粒的位置也會重新調(diào)整;

6)如果碎石料的母巖是易受水侵蝕的巖石，如碳酸鹽類巖石碎石料，當(dāng)受到含有CO2的地下水長期浸潤沖刷時(shí)會發(fā)生化學(xué)風(fēng)化，從而引起其強(qiáng)度降低，導(dǎo)致更大的破碎變形.

以上幾個(gè)方面引起的變形大小是有差別的，一般來說1)、2)和3)所引起的變形占總體干濕循環(huán)變形的主要部分.另外，以上各影響因素之間并不是孤立的，他們之間會相互影響相互促進(jìn)，如顆粒破碎可能產(chǎn)生更多的細(xì)小顆粒，而這些小顆粒有可能進(jìn)一步受滲流作用位置發(fā)生遷移.由于室內(nèi)試驗(yàn)條件有限，且持續(xù)時(shí)間相對較短，僅近似模擬了1)、2)、3)等幾種因素引起的干濕循環(huán)變形.

對比常規(guī)流變變形和干濕循環(huán)變形發(fā)生的機(jī)理，可以看出兩種變形都主要來自于顆粒的破碎和滑移，發(fā)展的最終效果都會使碎石料越來越密實(shí)，可以說某一總的變形值(無論來自于哪種變形)對應(yīng)著碎石料的某一密實(shí)狀態(tài).當(dāng)碎石料密實(shí)到一定程度這兩種變形必然都會停止或達(dá)到可以忽略的程度.因此，干濕循環(huán)變形的發(fā)生必然會使后面蠕變變形可發(fā)展的空間減小，同樣蠕變變形的不斷發(fā)展也必將影響再次發(fā)生的干濕循環(huán)變形的大小，兩種變形應(yīng)該是相互耦合的.

2.4 常規(guī)流變變形和干濕循環(huán)變形的計(jì)算方法

首先，對于常規(guī)流變變形經(jīng)分析對比發(fā)現(xiàn)采用雙曲線模型來近似模擬較為合適:

其中Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值(Pa=1.01×105Pa)，量綱與豎向應(yīng)力 σ1相同;c，d，m，n為4個(gè)試驗(yàn)常數(shù).對于本試驗(yàn)中石灰?guī)r碎石料，采用X機(jī)場典型級配進(jìn)行縮尺制備，夯實(shí)后密度為ρ=2.02 g/cm3，4 個(gè)試驗(yàn)常數(shù)分別為c=0.537 4，d=0.025 55，m=0.110 0，n=0.855 7.

其次，通過2.3中分析可知引起干濕循環(huán)變形的因素較多，并且各種因素之間會相互影響，目前從理論上比較明確地計(jì)算各種因素引起的干濕循環(huán)變形還較為困難，所以，仍選用比較常用的數(shù)學(xué)函數(shù)模型從宏觀上描述干濕循環(huán)變形.圖4中顯示碎石料的干濕循環(huán)變形與干濕循環(huán)次數(shù)n關(guān)系較明顯，因此，可以將循環(huán)次數(shù)n作為變量來刻畫碎石料在干濕循環(huán)作用下的變形，如圖5所示.本文選用對數(shù)模型來近似計(jì)算圖5中單獨(dú)由干濕循環(huán)作用所引起的碎石料的變形:

其中cw和dw為試驗(yàn)擬合參數(shù)，不同應(yīng)力水平下的擬合參數(shù)見表1.

圖5 不同荷載下碎石料干濕循環(huán)變形－循環(huán)次數(shù)n曲線

表1 對數(shù)曲線擬合參數(shù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)還可以進(jìn)一步擬合cw和dw兩參數(shù)與應(yīng)力水平的關(guān)系，經(jīng)比較cw與應(yīng)力水平之間也呈現(xiàn)出對數(shù)函數(shù)關(guān)系;dw與應(yīng)力水平則可用冪函數(shù)關(guān)系來描述:

式中:σ1為豎向應(yīng)力;mc、nc、md和nd為擬合參數(shù)，對于本試驗(yàn)所用灰?guī)r碎石料，按照X機(jī)場填料縮尺制備，平均密度 ρ=2.02 g/cm3，mc、nc、md和 nd分別為 0.195 3、0.333 6、0.54 × 10-3和2.449.利用上述計(jì)算公式和擬合參數(shù)可計(jì)算碎石料不同應(yīng)力水平下進(jìn)行n次干濕循環(huán)所產(chǎn)生的變形值，計(jì)算值與試驗(yàn)值對比如圖6所示.

圖6 擬合不同荷載下碎石料干濕循環(huán)變形－循環(huán)次數(shù)n曲線

室內(nèi)試驗(yàn)對試樣進(jìn)行的1次干濕循環(huán)近似和實(shí)際現(xiàn)場條件下碎石料經(jīng)歷1次強(qiáng)降雨過程相對應(yīng)，因此，現(xiàn)場條件下碎石填料經(jīng)歷的強(qiáng)降雨次數(shù)可以認(rèn)為是其所經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù).進(jìn)行干濕循環(huán)變形計(jì)算時(shí)可以統(tǒng)計(jì)所在場區(qū)長期強(qiáng)降雨分布規(guī)律，然后用較為合適的函數(shù)將強(qiáng)降雨次數(shù)n與時(shí)間t聯(lián)系起來，這樣就可以用實(shí)際時(shí)間來計(jì)算碎石填料的干濕循環(huán)變形.

表2為X機(jī)場場區(qū)強(qiáng)降雨統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為了方便計(jì)算直接擬合累計(jì)強(qiáng)降雨次數(shù)∑n與對應(yīng)時(shí)間t(近似認(rèn)為到月底時(shí)前面降雨全部完成)的關(guān)系，圖7采用了式(7)所示的分段線性函數(shù)來計(jì)算該機(jī)場場區(qū)一年中累計(jì)降雨次數(shù)∑n與時(shí)間t的關(guān)系.計(jì)算時(shí)間超過1年后，可以將下一年1月1日作為起點(diǎn)按此函數(shù)重復(fù)計(jì)算，并注意累加上一年計(jì)算出的降雨次數(shù).得到某一時(shí)間段內(nèi)的強(qiáng)降雨次數(shù)即可以按照式(4)～(6)來計(jì)算干濕循環(huán)變形.

表2 云南X機(jī)場場區(qū)年平均強(qiáng)降雨統(tǒng)計(jì)規(guī)律

圖7 一年中降雨累計(jì)次數(shù)∑n－時(shí)間t關(guān)系曲線

式(1)～(3)和式(4)～(6)分別是針對碎石料常規(guī)流變變形和干濕循環(huán)變形的單獨(dú)計(jì)算方法，而實(shí)際中兩種變形是耦合在一起的.所以，下面介紹一種能同時(shí)考慮兩種變形的簡化耦合計(jì)算方法:

1)對于給定的某一應(yīng)力狀態(tài)(荷載)下的一薄層土單元，當(dāng)尚未發(fā)生干濕循環(huán)變形時(shí)，土單元的變形隨時(shí)間按一確定的雙曲線規(guī)律發(fā)展，如圖8曲線a中由點(diǎn)O到點(diǎn)A所示;曲線b則對應(yīng)單獨(dú)的干濕循環(huán)變形，其起始時(shí)刻O'與土單元第一次發(fā)生干濕循環(huán)變形時(shí)刻相對應(yīng);

2)當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)A時(shí)發(fā)生干濕循環(huán)變形，則令干濕循環(huán)變形初值εw1等于現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生的變形值εc1，利用式(4)計(jì)算干濕循環(huán)初始次數(shù)n1;

圖8 流變變形和干濕循環(huán)變形耦合計(jì)算示意圖

3)設(shè)定一較短的時(shí)間間隔Δt，通過實(shí)際降雨曲線式(7)計(jì)算tA到時(shí)間tA+Δt內(nèi)發(fā)生的干濕循環(huán)次數(shù)Δn1，而后通過式(4)計(jì)算由n1到n1+Δn1期間干濕循環(huán)所增加的變形量Δεw1;

4)再將(εc1+Δεw1)作為此時(shí)的總變形，找到曲線a上與之對應(yīng)的一點(diǎn)D，此后的流變變形就是從D點(diǎn)開始按曲線a向后發(fā)展，根據(jù)式(1)計(jì)算時(shí)間Δt內(nèi)的流變值Δεc1;

5)在總的時(shí)間軸中只計(jì)入一次Δt，但在tA+Δt內(nèi)發(fā)生的總變形計(jì)為(εc1+Δεw1+Δεc1)，因?yàn)楦蓾裱h(huán)變形和流變變形是同時(shí)發(fā)生的，而從前面試驗(yàn)結(jié)果可以看出濕化變形發(fā)展得更為迅速，所以，上面方法令濕化變形先發(fā)生來影響同一時(shí)間內(nèi)的流變變形來近似模擬兩種變形的耦合效應(yīng);

6)若以后還有干濕循環(huán)發(fā)生即按上面2)～5)步驟重復(fù)進(jìn)行;如果到第i次進(jìn)行計(jì)算時(shí)總變形εc1+∑(Δεw(t)+Δεc(t))的值等于或超過了流變變形雙曲線的漸進(jìn)值εf，則認(rèn)為流變變形不再發(fā)生，而只是發(fā)生干濕循環(huán)變形.

對于大面積水平成層的高填方工程，可以參照普通沉降計(jì)算中的分層總和法，將實(shí)際填方體分為若干層，每層中心部位的應(yīng)力代表該層的應(yīng)力水平，利用上面方法計(jì)算每層填土自壓力穩(wěn)定后經(jīng)歷時(shí)間t的變形值Si，那么全部填方體經(jīng)歷時(shí)間t后的總變形值S(mm)等于各層變形值之和，即

式中:k為計(jì)算深度范圍內(nèi)的分層數(shù);hi為第i層土厚度，m;εcwi為第i層土單元流變與干濕循環(huán)變形的耦合計(jì)算值，10-3.

3 實(shí)例計(jì)算

按照上述流變和干濕循環(huán)變形的耦合計(jì)算思路編制了高填方工后沉降變形計(jì)算程序，并對云南X機(jī)場某標(biāo)段道槽區(qū)填方體進(jìn)行了工后沉降計(jì)算.該標(biāo)段道槽區(qū)所用填料基本為碎石料，所選計(jì)算點(diǎn)填方高度約40 m，計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)際碾壓厚度每1 m分為一層，計(jì)算結(jié)果如圖9所示.可以看出，在沒有降雨的影響下道槽區(qū)工后沉降變形在最初的5～6個(gè)月內(nèi)發(fā)展較快，而后變形速率逐漸減緩;之后當(dāng)進(jìn)入工后第一個(gè)雨季時(shí)由于降雨的影響，變形速率明顯增大，雨季過后沉降速率又恢復(fù)到較低水平;在經(jīng)歷兩個(gè)雨季后流變和降雨引起的干濕循環(huán)變形基本都趨于穩(wěn)定.由此也可以看出，干濕循環(huán)變形對山區(qū)機(jī)場高填方工后沉降的影響是較明顯的，而要十分準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)場填方地基工后放置多長時(shí)間可以施作跑道道面則必須較為細(xì)致地考慮當(dāng)?shù)亟涤暌?guī)律.

圖9 云南X機(jī)場某標(biāo)段道槽區(qū)工后沉降計(jì)算結(jié)果

X機(jī)場設(shè)計(jì)運(yùn)營期為20年，通過上述程序可以進(jìn)一步計(jì)算該填方位置20年(約7 300 d)后的工后沉降值約為83 mm，而上面經(jīng)歷一個(gè)雨季后的沉降值從圖9中可看出約61 mm，所以，如果填方體在放置一個(gè)雨季后施工跑道道面，剩余沉降量約為22 mm，是可以滿足一般山區(qū)機(jī)場跑道地基工后最終剩余沉降量應(yīng)控制在40 mm以內(nèi)的要求.當(dāng)然如果工期安排允許，放置兩個(gè)雨季后再鋪筑道面對機(jī)場跑道的運(yùn)營安全將更為有利.

4 結(jié)論

1)與同應(yīng)力水平下的流變變形相比干濕循環(huán)引起的變形是相當(dāng)可觀的，并且后期增長趨勢依然明顯.

2)碎石料的干濕循環(huán)變形值隨循環(huán)次數(shù)n的增加呈現(xiàn)出臺階狀的變化規(guī)律.在每次干濕循環(huán)中只是浸水初期變形增長明顯，而后在較短時(shí)間內(nèi)趨于平緩.

3)同一應(yīng)力水平下碎石料的每次干濕循環(huán)變形的大小隨循環(huán)次數(shù)的增多逐漸減小;不同應(yīng)力水平下干濕循環(huán)變形大小隨著應(yīng)力水平的提高而逐漸增大.

4)如無降雨影響粗粒料填方體流變變形在最初的5～6個(gè)月內(nèi)發(fā)展較快，而后變形速率逐漸減緩.

5)雨季中多次晴雨反復(fù)所引起的干濕循環(huán)變形導(dǎo)致填方體沉降速率明顯增大，但在經(jīng)歷兩個(gè)雨季后干濕循環(huán)變形基本也趨于穩(wěn)定.因此，山區(qū)機(jī)場高填方工程竣工后放置1～2個(gè)雨季再進(jìn)行跑道道面施工對其后期的安全運(yùn)營是十分有利的.

從上述試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果可以看出，干濕循環(huán)變形對填方體的長期沉降變形影響較大，直接關(guān)系到高填方機(jī)場工后何時(shí)可以施工跑道道面，所以必須給與足夠重視，而實(shí)際上在以碎石料或土石混合料為主要填料的此類山區(qū)高填方工程中并沒有認(rèn)真全面地考慮干濕循環(huán)作用對長期變形的影響.因此，開展碎石料以及土石混合料的循環(huán)濕化變形研究具有較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值.最后需要說明的是，各種研究手段均有優(yōu)點(diǎn)和不足之處，而室內(nèi)試驗(yàn)也不可能全面反映工程現(xiàn)場中影響填料變形的各種因素，如能再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測分析確定模型參數(shù)，則能取得更好的結(jié)果.

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Study on experiment and calculation method of dry-wet cycle characteristics of rockfills

CAO Guang-xu1，2，SONG Er-xiang1，2，XU Ming1，2

(1.Department of Civil Engineering，Tsinghua University，100084 Beijing，China，cgx06@mails.tsinghua.edu.cn;2.Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of Ministry of Education，Tsinghua University，100084 Beijing，China)

With the specially designed large－scale oedometer，routine rheological tests and dry－wet cycle tests have been conducted on specimens to investigate the rheological and dry－wet cycle characteristics of rockfills，which have been widely used in the high － fill foundations of mountain airport.The test results demonstrate that the long term deformation due to dry－wet cycle grows more evidently than the routine rheological deformation，which increases rapidly during early immersion，and gradually flattens after draining the water.There is approximately a logarithmic relationship between dry－wet cycle deformation and cycle numbers.In addition，a simplified coupling calculation method that can meanwhile compute the rheological deformation and dry－wet cycle deformation is proposed，by which the settlement of foundation after construction in X airport of Yunnan Province is computed according to local rainfall law.

high fill;rockfills;rheological deformation;dry－wet cycle

TU411

A

0367－6234(2011)10－0098－07

2010－04－15.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA11Z113);教育部博士點(diǎn)新教師基金資助項(xiàng)目(200800031061);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50978140).

曹光栩(1982—)，男，博士研究生;

宋二祥(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 劉 彤)