長平高速公路典型原狀粉質(zhì)粘土靜動(dòng)力學(xué)特性

張 鋒，馮德成，凌賢長，李瓊林，王加輝

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱)

目前，我國高等級(jí)公路建設(shè)發(fā)展迅速，截止2011年底，高速公路通車?yán)锍踢_(dá)8.5×104km，全年新增1.1×104km.公路作為一種線性構(gòu)筑物，路基是必不可少的一部分，它一方面長期經(jīng)受季節(jié)性溫濕循環(huán)變化的影響，另一方面承受線路上部結(jié)構(gòu)的靜荷載和重載汽車動(dòng)荷載的重復(fù)作用，其物理、力學(xué)性能較竣工時(shí)大有不同[1－3].而且，當(dāng)前高速公路的建設(shè)多以舊路改建和擴(kuò)建為主，若老路基物理力學(xué)性能過差，加之新老路基拼接處理不當(dāng)，勢必產(chǎn)生不均勻沉降而最終導(dǎo)致路面縱向開裂，影響道路正常使用功能.

長(春)－(四)平高速公路全長約133 km，于1996年建成通車，是聯(lián)結(jié)東北三省交通運(yùn)輸?shù)闹匾删€公路，為了適應(yīng)新形勢下區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有必要對(duì)其進(jìn)行拓寬改造.通過對(duì)全線老路基進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔勘察，發(fā)現(xiàn)公路沿線地基和路基中廣泛存在黃褐色和紫紅色粉質(zhì)粘土，為了定量評(píng)價(jià)拓寬擴(kuò)建后新、老路基的穩(wěn)定性，有必要研究全線典型粉質(zhì)粘土的力學(xué)性能.迄今為止，國內(nèi)外關(guān)于粉質(zhì)粘土靜力和動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)性能研究較多[4－16].以粉質(zhì)粘土動(dòng)力特性研究為例，文獻(xiàn)[4－8]對(duì)粘土在周期荷載作用下的性狀進(jìn)行系統(tǒng)研究;尚守平等[9]針對(duì)原狀粉質(zhì)粘土分別進(jìn)行的循環(huán)單剪試驗(yàn)和擾動(dòng)土樣的動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到了其最大剪切模量和模量比與剪應(yīng)變之間的關(guān)系;袁曉銘等[10]基于共振柱試驗(yàn)給出了國內(nèi)常規(guī)土類動(dòng)剪切模量比、阻尼比隨動(dòng)剪應(yīng)變變化的平均曲線、推薦值和包線;陳國興等[11]給出了南京6類新近沉積土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變幅值變化的平均曲線的擬合曲線及其參數(shù)的推薦值;蔡輝騰等[12]對(duì)福州地區(qū)6種典型土進(jìn)行了共振柱試驗(yàn)，探討了圍壓和土的性質(zhì)對(duì)其動(dòng)剪切模量和阻尼比的影響;呂小飛等[13]研究了杭州灣淺層粉質(zhì)粘土的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其與黃河三角洲地區(qū)的粉質(zhì)粘土歸一化應(yīng)力應(yīng)變曲線相似，而阻尼比相差較大;高志兵等[14]對(duì)比了463組飽和黏性土原狀樣和同一位置現(xiàn)場原位試驗(yàn)確定的最大動(dòng)剪切模量，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本小于現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，埋藏深的土樣相差更大;蔣通等[15]提出了針對(duì)砂土和黏性土的考慮圍壓影響的模量比和剪應(yīng)變關(guān)系簡化計(jì)算公式.可以看出，現(xiàn)有關(guān)于原狀、擾動(dòng)粉質(zhì)粘土動(dòng)力特性的研究多以場地地震安全評(píng)價(jià)為工程背景，得出的結(jié)果因?yàn)閰^(qū)域性特征而不盡相同.然而，與普通場地地基不同，考慮運(yùn)營期長期公路交通荷載作用和季節(jié)性溫濕循環(huán)作用后，公路路基原狀粉質(zhì)粘土的動(dòng)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究鮮有定量資料可查.

本文依托長平高速公路拓寬工程，針對(duì)老路基原狀粉質(zhì)粘土，考慮其運(yùn)營期交通荷載和凍融循環(huán)作用的影響，采用室內(nèi)固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)和共振柱試驗(yàn)，研究其靜、動(dòng)力學(xué)特性，并提出不同路基斷面鄧肯－張模型和等效線性化模型相應(yīng)參數(shù)確定方法和推薦值.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)巖土與地下工程實(shí)驗(yàn)室完成.固結(jié)不排水靜三軸試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式三軸儀;動(dòng)力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)采用中國地震局工程力學(xué)研究所研制的GZ－1型共振柱試驗(yàn)儀，該設(shè)備可在試樣小應(yīng)變范圍內(nèi)(10－6～10－4)研究土的動(dòng)力性能.

1.2 試件采集與制備

試驗(yàn)土樣采自長平高速公路沿線路基.現(xiàn)場勘察和取樣在春融期進(jìn)行.取樣時(shí)，為盡量避免擾動(dòng)土樣，采用直徑100 mm，高度200 mm的取土器靜壓取樣;試樣取出后，用取土筒包裹并采用石蠟密封.各試件的取樣地點(diǎn)、取樣深度和重度指標(biāo)見表1.

表1 試樣取樣地點(diǎn)、取樣深度和重度指標(biāo)

依據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)規(guī)程(SL237－017－1999)所提原狀試樣制備方法制備試樣.試件統(tǒng)一直徑39.1 mm，高度80 mm，共制備試件23個(gè)，試件制備完成后置于保濕器中，以備試驗(yàn).

1.3 試驗(yàn)方法

固結(jié)不排水靜三軸試驗(yàn)(CU)依據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)規(guī)程(SL237－017－1999)完成.每個(gè)試件分別在圍壓100、200和300 kPa下等向固結(jié)排氣12 h后逐級(jí)加載，控制加載速率為0.1%·min－1，試件每產(chǎn)生0.25%(即0.2 mm)的軸向應(yīng)變，記錄一次測力計(jì)讀數(shù)和軸向位移.當(dāng)測力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值后，應(yīng)再繼續(xù)剪切3% ～5%;若測力計(jì)讀數(shù)無明顯減少，則剪切至軸向應(yīng)變15%左右結(jié)束.

共振柱試驗(yàn)依據(jù)規(guī)程(SL237－033－1999)按采用自由振動(dòng)方法完成.試件先在圍壓80 kPa下等向固結(jié)排氣12 h后，在每一級(jí)激振力振動(dòng)下試驗(yàn)后，逐次增大激振力，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)得到在試樣應(yīng)變幅值增大后測試的模量和阻尼比.在一級(jí)固結(jié)壓力試驗(yàn)結(jié)束后，分別增加固結(jié)壓力至160和240 kPa排水固結(jié)后完成試驗(yàn).

2 靜三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為不同路基斷面不同圍壓(100、200和300 kPa)條件下原狀粉質(zhì)粘土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線.隨著軸向應(yīng)變的增加，主應(yīng)力差逐漸增大，且增加趨勢逐漸減緩;不同圍壓下原狀粉質(zhì)粘土的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變均呈雙曲線型;隨著圍壓增加，試件破壞時(shí)主應(yīng)力差增加，破壞強(qiáng)度增大.其原因在于試件在圍壓作用下，土顆粒緊密排列，以致開放孔隙率減小，微裂隙部分閉合，土顆粒之間粘著力和咬合力增加，試件強(qiáng)度增加.特別對(duì)于K219+770(1)斷面和K254+550斷面試件，可能由于原狀試件在取樣或制作過程中造成內(nèi)部損傷，因此造成部分圍壓條件下對(duì)試件的強(qiáng)度影響不明顯，但整體而言，圍壓越大，試件靜強(qiáng)度越大.

圖1 不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

取軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差值作為試件破壞強(qiáng)度，據(jù)此，對(duì)同一試件繪制不同圍壓條件下試件破壞莫爾圓，可以得出不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，見表2.

式中:(σ1－σ3)f為破壞時(shí)的主應(yīng)力差;(σ1－σ3)ult為主應(yīng)力差的極限值.

根據(jù)鄧肯 －張模型，最大彈性模量Emax為

式中:pa為大氣壓;K和n為試驗(yàn)常數(shù).

按此式，當(dāng)σ3=0時(shí)，Emax=0.但由于試驗(yàn)所采用試樣為密實(shí)的粘性土，當(dāng)σ3=0時(shí)，Emax≠0.故將式(2)改寫成式(3)形式

式中K0為試驗(yàn)常數(shù)，與土性質(zhì)有關(guān).

表2為不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土修改后的鄧肯－張模型參數(shù).據(jù)表2各參數(shù)，并結(jié)合鄧肯－張模型，即可得到不同路基斷面不同圍壓條件下原狀粉質(zhì)粘土主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系和最大彈性模量值.

表2 不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土鄧肯－張模型參數(shù)

3 共振柱試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

采用等效線性化模型[16]描述土的動(dòng)力性能.假定土的動(dòng)剪應(yīng)力幅值τd與動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd之間的關(guān)系符合雙曲線規(guī)律，見式(5).

式中a和b均為試驗(yàn)參數(shù).

根據(jù)動(dòng)剪切模量定義，可得到動(dòng)剪切模量比Gd/Gdmax和阻尼比λ的計(jì)算公式為

式中:Gd為動(dòng)剪切模量，Gd= τd/γd;Gdmax為最大動(dòng)剪切模量，Gdmax=1/a;γr為參考剪應(yīng)變幅值，γr=a/b.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為不同路基斷面不同圍壓(80、160和240 kPa)條件下原狀粉質(zhì)粘土的動(dòng)剪切模量比、阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅值之間的關(guān)系曲線.由圖可見，隨著動(dòng)剪應(yīng)變幅值的增加，動(dòng)剪切模量比逐漸減小，且減小幅度逐漸增加;阻尼比逐漸增加，且增加幅度逐漸增大;圍壓對(duì)原狀粉質(zhì)粘土的變形特性和耗能特性影響較大，隨著圍壓的增加，土體剛度增加，耗能降低，同一動(dòng)剪應(yīng)變幅值對(duì)應(yīng)的模量比增加，阻尼比減小.

圖2 不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土模量比、阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線

表3為原狀粉質(zhì)粘土在不同路基斷面不同圍壓條件下的最大剪切模量Gdmax、參考剪應(yīng)變幅值γr、最大阻尼比λmax和阻尼比擬合參數(shù)nλ.不同路基斷面上原狀粉質(zhì)粘土最大剪切模量和參考剪應(yīng)變幅值不盡相同，這與土樣的原始上覆壓力、固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力歷史有關(guān).隨著圍壓的增加，最大剪切模量和參考剪應(yīng)變幅值增加;此外，最大阻尼比λmax和阻尼比擬合參數(shù)nλ變化不明顯.

表3 不同路基斷面不同圍壓條件下原狀粉質(zhì)粘土的Gdmax、γr、λmax和nλ

圖3為本文動(dòng)剪切模量比、阻尼比和動(dòng)剪應(yīng)變幅值曲線范圍與文獻(xiàn)[10－11]推薦曲線對(duì)比.文獻(xiàn)[10]推薦關(guān)系曲線適用于埋藏深度＜10 m的粉質(zhì)粘土，文獻(xiàn)[11]推薦的關(guān)系曲線適用于硬塑態(tài)原狀粉質(zhì)粘土.可以看出，與文獻(xiàn)曲線相比，在相同的動(dòng)剪應(yīng)變幅值下，本文原狀粉質(zhì)粘土的模量比較大，相應(yīng)地，阻尼比較小.主要原因在于土樣的賦存條件不同，文獻(xiàn)[10－11]中土賦存于自然環(huán)境中，而本文中土除受自然環(huán)境影響外，還經(jīng)受長期的交通荷載產(chǎn)生的壓密作用.

圖3 模量比、阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅值關(guān)系曲線對(duì)比

3.3 Gdmax、γr與圍壓的關(guān)系

3.3.1 Gdmax與圍壓的關(guān)系

圖4為不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土的最大動(dòng)剪切模量與圍壓的關(guān)系曲線.可以看出，在試驗(yàn)圍壓范圍內(nèi)，原狀粉質(zhì)粘土最大動(dòng)剪切模量與固結(jié)圍壓之間呈線性關(guān)系.而且，除K254+550斷面異常外，隨著圍壓的增加，土的最大動(dòng)剪切模量增加，這與文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[14]認(rèn)識(shí)相同.主要在于圍壓的增加，使得土顆粒發(fā)生良性的剪切位移，開放孔隙減小，微裂隙部分閉合.

圖4 原狀粉質(zhì)粘土最大動(dòng)剪切模量與圍壓的關(guān)系曲線

不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土最大動(dòng)剪切模量與圍壓的擬合關(guān)系分別為

對(duì)于K218+130斷面

對(duì)于K219+770(1)斷面

對(duì)于K219+770(2)斷面

對(duì)于K250+820斷面

對(duì)于K277+440斷面

3.3.2 γr與圍壓的關(guān)系

圖5為不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土的參考剪應(yīng)變幅值與圍壓的擬合關(guān)系曲線.可以看出，在一定圍壓范圍內(nèi)，原狀粉質(zhì)粘土參考剪應(yīng)變幅值與圍壓之間呈線性關(guān)系.不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土的參考剪應(yīng)變幅值擬合關(guān)系分別為

對(duì)于K218+130斷面

對(duì)于K250+820斷面

圖5 原狀粉質(zhì)粘土參考剪應(yīng)變幅值與圍壓的關(guān)系曲線

此外，由表3可見，圍壓對(duì)最大阻尼比λmax和阻尼比擬合參數(shù)nλ的影響較小且規(guī)律不明顯，可以通過取其平均值來確定.

4 結(jié)論

1)隨著圍壓的增加，原狀粉質(zhì)粘土靜強(qiáng)度增加，最大彈性模量增大;當(dāng)圍壓為0時(shí)，最大彈性模量存在初始值.最大動(dòng)剪切模量、動(dòng)剪應(yīng)變幅值與固結(jié)圍壓呈線性增加關(guān)系，最大阻尼比和阻尼比擬合參數(shù)隨固結(jié)圍壓的升高而變化甚微.

2)不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土的靜態(tài)力學(xué)特性可采用鄧肯－張模型描述，相關(guān)模型參數(shù)可參考表2獲得.

3)采用等效線性化模型描述不同路基斷面原狀粉質(zhì)粘土動(dòng)力性能，并得到其動(dòng)剪切模量Gd和動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd以及阻尼比λ和動(dòng)剪應(yīng)變幅值γd的關(guān)系曲線.

4)與現(xiàn)有粉質(zhì)粘土的動(dòng)剪切模量比、阻尼比和動(dòng)剪應(yīng)變幅值曲線相比，經(jīng)歷運(yùn)營期交通荷載和凍融循環(huán)作用后，同一剪應(yīng)變幅值下，土的模量比大，而阻尼比小.

由于不同地區(qū)原狀粉質(zhì)粘土土性不盡相同，且影響土的動(dòng)剪切模量和阻尼比的因素較多，因此，所給出的推薦值對(duì)實(shí)際工程只起借鑒作用.

致謝 本文研究工作得到吉林省公路勘測設(shè)計(jì)院欒海高級(jí)工程師、哈爾濱工業(yè)大學(xué)張克緒教授和張爾其工程師的熱情支持與幫助，在此表示衷心感謝!

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