高速公路軟土地基的沉降試驗探討

薛玉海

(山西平陽路橋有限公司，山西 臨汾 041000)

1 荷載作用下軟土層的特點

軟土地基受到荷載作用后其變形可以分為兩類:一種是受到諸如地震等短期加載，地基發(fā)生瞬間變形，此時粘土層可視為不排水狀態(tài);另外一種則是受到諸如交通荷載的長期循環(huán)荷載作用，此時粘土層可視為部分排水。巖土材料在受到周期荷載后，其強(qiáng)度與變形的性狀各不相同，基于荷載條件下多種因素均會對粘性土的變形特性產(chǎn)生影響，比如土的擾動程度及性質(zhì)、試驗方法、加載波形與加載頻率、固結(jié)圍壓水平、超固結(jié)狀態(tài)、各向異性性質(zhì)以及剪應(yīng)力水平等。本文所提出的高速公路軟土地基的沉降特性是基于模擬交通荷載作用的軟土變形過程。

2 試驗內(nèi)容與方法

2.1 循環(huán)荷載加載波形

為了在試驗環(huán)境下模擬實際的交通荷載作用，特采用自制循環(huán)荷載加載系統(tǒng)產(chǎn)生的矩形波循環(huán)荷載，具體參數(shù)如下:Psys為所加的循環(huán)荷載;P為固結(jié)壓力;ta為循環(huán)荷載作用時間;td為循環(huán)荷載間隔時間。具體荷載作用示意圖如圖1所示。

圖1 作用荷載示意圖

2.2 循環(huán)荷載試驗設(shè)備

基于單面排水與側(cè)限條件下測量循環(huán)荷載作用過程中，可以以常規(guī)固結(jié)壓縮儀為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，測量土樣壓縮變形與土樣底部孔壓的變化情況。經(jīng)過改造研制出的固結(jié)壓縮儀可以對底部孔壓進(jìn)行測量，結(jié)合循環(huán)荷載的機(jī)械加載系統(tǒng)進(jìn)行試驗。整個系統(tǒng)包括三個部分:

首先是循環(huán)荷載加壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用杠桿式加壓，利用固結(jié)儀自身的砝碼采用杠桿施加固結(jié)應(yīng)力，并且在加載系統(tǒng)中，加載頻率與加卸載時間比可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，加載波形為矩形沖積荷載。具體而言，循環(huán)荷載的施加流程如下:可調(diào)速電機(jī)通過變速器與調(diào)速器，使得電機(jī)飛輪頻率等于所加載頻率;接下來再通過等速螺形突形輪以及滑桿的作用，把圓周運動轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運動，接著利用滑輪與傳力裝置把矩形循環(huán)荷載施加至土樣中即可。其次為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，直接利用計算機(jī)可以將位移與孔壓等相關(guān)數(shù)據(jù)自動采集起來，最大數(shù)據(jù)采集量可以達(dá)到2 000個。最后一部分為固結(jié)儀，本試驗采用的是改進(jìn)了裝樣室的單杠桿固結(jié)儀，可以實現(xiàn)對排水邊界條件的有效控制。固結(jié)儀底座與環(huán)刀部分為一個整體銅柱，中間車空后拋光邊壁，底部設(shè)孔壓孔、排水孔以及加壓孔。

2.3 試樣制備過程

具體而言，試樣制備過程如下:首先把取自于某高速公路上的淤泥質(zhì)粘土進(jìn)行風(fēng)干處理，然后碾碎、過篩;將粉狀干土加入適量的水均勻攪拌，制成膏狀，土膏靜置數(shù)日后再將其充分浸水，飽和后把土膏裝入固結(jié)儀，加護(hù)環(huán)，需要注意土樣要適當(dāng)?shù)母哂诠探Y(jié)儀;進(jìn)行分級加荷，直至達(dá)到試驗設(shè)計荷載，固結(jié)穩(wěn)定后將護(hù)環(huán)取下，土樣削平;最后把土樣與固結(jié)儀同時放入飽和器中進(jìn)行抽氣飽和，即完成試樣的制備。

2.4 試驗步驟

具體試驗步驟如下:首先把上述過程制備好的試樣裝入固結(jié)儀，然后安裝好排水閥、反壓管、孔壓傳感器、位移傳感器等設(shè)施，打開反壓閥排出孔壓傳感器中的氣泡，將其充滿水再套上護(hù)環(huán)，為防止漏水要把護(hù)環(huán)用橡皮膜箍緊，在護(hù)環(huán)內(nèi)加水后試驗可浸入水中，保持飽和狀態(tài)。然后加上固結(jié)荷載完成土樣的固結(jié)，模擬土層受到的上覆有效壓力;接下來調(diào)節(jié)循環(huán)荷載系統(tǒng)的加載頻率，并對循環(huán)荷載的大小進(jìn)行控制，保證其與設(shè)計要求相符;打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，即可進(jìn)行實驗;注意將采集數(shù)據(jù)及時保存下來，試驗過程中為了保證加載系統(tǒng)維持特定的工作狀態(tài)，要對加載系統(tǒng)進(jìn)行不斷調(diào)節(jié);最后對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。

3 試驗結(jié)果

3.1 循環(huán)累計應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由試驗結(jié)果可知，受到循環(huán)荷載應(yīng)力作用時，循環(huán)次數(shù)與循環(huán)應(yīng)力越大，循環(huán)荷載累積應(yīng)變就越大，如果加載至土樣的循環(huán)應(yīng)力與初始固結(jié)應(yīng)力的比值不大于1，則循環(huán)累積應(yīng)變的變化速率就會慢慢減小，并且隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，循環(huán)累積應(yīng)變會慢慢趨于穩(wěn)定，而軟土的循環(huán)累積應(yīng)變也會慢慢增加。如果是低路堤下的軟土地基，車流量與載重汽車的載重量越多，則路基受到荷載作用后所產(chǎn)生的沉降就會越明顯。在交通荷載作用下，當(dāng)荷載時間與荷載次數(shù)達(dá)到一定程度，軟土地基的沉降會逐漸趨于穩(wěn)定，并且交通次數(shù)越多還會在一定程度上增加地基的強(qiáng)度，此時一旦達(dá)到可以抵抗交通荷載的強(qiáng)度，就不會繼續(xù)產(chǎn)生循環(huán)累積應(yīng)變，即可忽略交通荷載對地基沉降的影響。在半對數(shù)坐標(biāo)中循環(huán)次數(shù)逐漸增加，循環(huán)累積應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)對數(shù)的關(guān)系即可用線性近似描述出來。當(dāng)應(yīng)變εP與循環(huán)荷載作用次數(shù)N對數(shù)呈線性關(guān)系，則可用下式表示:

其中，α為循環(huán)荷載水平及加載頻率相關(guān)的參數(shù);b為土體性質(zhì)相關(guān)的參數(shù);N為循環(huán)荷載作用次數(shù)，N=f×t，因此上式可轉(zhuǎn)化為:

該式兩邊對時間t求導(dǎo)，設(shè)應(yīng)變速率εP/dt=up，則:

再利用試驗中的應(yīng)變速率將與土性相關(guān)的參數(shù)b求取出來即可。

3.2 底部孔壓隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

在循環(huán)荷載作用初期軟土的滲透系數(shù)相對較小，排水不暢，循環(huán)荷載作用會導(dǎo)致孔壓積聚，孔壓就會迅速升高。循環(huán)次數(shù)不斷增加，致使孔壓積聚達(dá)到最高值，孔壓慢慢消散，這個過程中沉降會隨之發(fā)展。一旦循環(huán)荷載作用次數(shù)達(dá)到一定的量，試樣底部孔壓的最小值就會為負(fù)值，試樣在孔壓變化方面就表現(xiàn)出超固結(jié)土的特性。循環(huán)次數(shù)逐漸增加，則在單個周期內(nèi)試樣底部孔壓值的最大值與最小值會處于一個不變的穩(wěn)定水平，循環(huán)次數(shù)不再對其產(chǎn)生影響。由上述分析可知，低路堤下軟土地基在受到交通荷載作用的初級階段，地基中的孔壓積聚會產(chǎn)生超靜孔壓，當(dāng)達(dá)到一定時間后，積聚的超靜孔壓就會慢慢消散，地基在受到交通荷載作用后所產(chǎn)生的壓力，慢慢會從加載初期的超靜孔壓向土骨架上轉(zhuǎn)移;交通荷載作用次數(shù)越來越多，直至交通荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈鼗挠行?yīng)力，交通荷載作用導(dǎo)致的孔壓就不會積聚。地基在受到交能荷載作用后，這個過程中產(chǎn)生的孔壓會在一個正負(fù)區(qū)間內(nèi)不斷變化，這種變化呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定性，地基沉降慢慢趨于穩(wěn)定。此外，在循環(huán)荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為土的有效應(yīng)力后，孔壓的最大值就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加載初期階段的孔壓值，由此可見，軟土地基超載可以有效消除交通荷載作用于地基時所產(chǎn)生的附加沉降，并且交通荷載作用下的一部分超靜孔壓也可以有效的消除。此外，在分析孔壓消散數(shù)據(jù)后可知，基于單個周期內(nèi)的循環(huán)荷載作用下，循環(huán)作用的次數(shù)不會對試樣中產(chǎn)生的最大孔壓與最小孔壓之間的差值產(chǎn)生影響，即循環(huán)作用次數(shù)增加，二者之間的差值也不會發(fā)生變化。并且在土樣應(yīng)力不斷增加的過程中，孔壓的最大值會逐漸下降，慢慢趨于一個穩(wěn)定值，單個周期內(nèi)的最小孔壓值變化情況與其相同。所以可知，軟土地基超載可以在一定程度上將循環(huán)荷載作用產(chǎn)生的孔壓消除，但是單個周期內(nèi)的孔壓變化差值卻沒有因此而減少。

4 結(jié)語

文中對交通荷載作用進(jìn)行模擬，試驗飽和軟粘土基于循環(huán)荷載作用條件下的變形與孔壓變化情況，全面分析循環(huán)荷載作用條件下土體的循環(huán)累積應(yīng)變、孔壓與循環(huán)荷載次數(shù)的關(guān)系，可以得出如下幾點結(jié)論:首先，在單個循環(huán)周期內(nèi)，受到循環(huán)荷載作用時，軟土路基的變形包括彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變兩種。其次，粘土的應(yīng)變速率基于循環(huán)荷載作用條件下會隨著時間的逐漸增加而慢慢減少，可以用線性描述應(yīng)變速率與時間對數(shù)的關(guān)系;如果循環(huán)荷載之比小于1，土體在受到循環(huán)荷載作用時循環(huán)次數(shù)慢慢增加，土體變形會慢慢處于穩(wěn)定狀態(tài);在受到循環(huán)荷載作用時，應(yīng)變速度與循環(huán)應(yīng)力之比與加載頻率成正比關(guān)系，即加載頻率越大，應(yīng)變也就越大。再次，在長期循環(huán)荷載條件下，所加循環(huán)荷載的大小會對軟粘土的變形特性產(chǎn)生直接的影響，如果循環(huán)荷載與固結(jié)壓力的比值相對較小，則土體受到循環(huán)荷載作用時其變形接近于小荷載比下軟土的固結(jié)變形特性。最后，當(dāng)循環(huán)荷載作用于軟土地基時，加載初期會迅速積聚循環(huán)荷載產(chǎn)生的超靜孔壓，不過當(dāng)循環(huán)次數(shù)逐漸增加到一定次數(shù)后，孔壓會慢慢消散，并在某個穩(wěn)定的正負(fù)區(qū)間內(nèi)維護(hù)穩(wěn)定的孔壓變化值。

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