基于臨界動應力的公路路床層黏土改良填料可靠性驗證

(1.中國地質大學，湖北 武漢 430074；2.三明市交通建設集團公司, 福建 三明 365000)

基于臨界動應力的公路路床層黏土改良填料可靠性驗證

蔡俊華1，2

(1.中國地質大學，湖北 武漢 430074；2.三明市交通建設集團公司, 福建 三明 365000)

隨著公路運輸超載現(xiàn)象的日益普遍，采用工程性質不良的黏土作為路床填料將容易導致沉降快速增長甚至動力破壞，而在黏土中摻入砂、礫成為了工程中常用的填料改良手段。針對黏土改良填料進行了一系列大型動三軸試驗，分析了圍壓和含水率對累積塑性變形增長的影響，根據塑性變形增長的特點將試樣分為了穩(wěn)定試樣和破壞試樣，由此得出了臨界動應力的表達公式，結合公路現(xiàn)場實測數(shù)據，探討了不同軸載下路床動力破壞的可能性。研究表明：當路床含水率接近9%時，標準軸載下的實測動應力超過了黏土改良填料的臨界動應力，路床容易發(fā)生動力破壞；而當路床含水率處于6.0%和7.5%時，在標準軸載下，路床可保持較好的穩(wěn)定性，但在超載情況下，路床仍有可能發(fā)生動力破壞。

路床； 黏土改良填料； 大型動三軸試驗； 臨界動應力； 累積塑性變形

0 引言

黏土在我國分布廣泛，是路基填筑時普遍采用的一種填料。當黏土處于暴雨或浸水情況下時，會因為接近于飽和狀態(tài)而具有含水率高、壓縮性大等不良工程性質；加之目前公路超載現(xiàn)象普遍，而路床層位于整個路基的上部，這意味著車輛運行將對黏土路床產生的動力作用明顯增大，易導致路床層的累積塑性變形快速增長，引起路面的不均勻沉降、開裂等[1]。為了改善黏土的不良工程性質，在采用黏土進行公路路基路床層填筑時，往往對其進行物理改良(添加砂、礫)[2,3]，而確保黏土改良填料填筑的路床具有可靠的動力穩(wěn)定性成為了工程技術人員較為關心的問題。

臨界應力狀態(tài)是路基設計中一個非常重要的技術參數(shù)，為防止土體產生過大的累積塑性變形，在設計時首先應避免其所處的動應力水平超過其臨界動應力。蔡英[4]發(fā)現(xiàn)成都路基土的累積塑性應變與振次的關系曲線存在一種臨界形態(tài)，其斜率時大時小，并提出將土體受到的動應力與土體的臨界動應力之比定義為動應力水平，并指出為了控制路基的永久變形，實際工程中應將路基動應力降低至路基土臨界動應力以下。張勇、孔令偉等[5]指出，循環(huán)荷載下飽和重塑軟黏土的臨界動應力大體上隨著圍壓的增加而線性增大。劉曉紅[6]研究了循環(huán)荷載作用下原狀結構紅黏土動應變隨振次的變化規(guī)律，通過分析得出：當采用等壓固結時，臨界動應力隨圍壓的增大而遞增，兩者近似呈線性關系，而且遞增速率與含水率大小呈負相關關系。

可以看出，目前土體臨界動應力研究多局限于軟土、粉土、黏土等細顆粒土的范圍，而黏土改良填料屬于粗粒土的范疇，根據三軸試驗的粒徑效應，研究該類土的動力性質時需要采用大型三軸儀器，但由于大型三軸試驗過程復雜、試驗成本高等原因，相關研究開展較少。本文利用大型動三軸儀，針對公路路床層黏土改良填料開展了持續(xù)振動試驗，獲取了不同應力狀態(tài)和含水率下填料累積塑性應變的增長曲線，根據曲線特點對試樣類型進行了劃分，并進一步得出了臨界動應力的經驗公式，最終結合公路現(xiàn)場實測動應力資料探討了各種軸載下路床發(fā)生動力破壞的可能性，研究成果可為采用黏土改良填料填筑路基的相關工程提供借鑒。

1 試樣和試驗方案

1.1 試樣

為了模擬黏土改良填料，從某路基現(xiàn)場獲取了黏土，根據常用物理改良配比方案，向其中添加砂土、圓礫石進行拌合制成散狀土(圖1)，其中砂土、圓礫石、黏土具有1∶1∶0.35的質量比例關系，其級配曲線如圖2所示。填料最大干密度ρdmax=2.15 g/cm3，飽和含水率wsat≈9.0%，最優(yōu)含水率wopt≈6.0%。

圖1 試驗用改良黏土填料

圖2 試驗用填料級配曲線

1.2 試驗方案

按照公路路床層壓實系數(shù)(K=0.96)和已測定的最大干密度，將配置好的散狀黏土改良填料壓實制成尺寸為φ300 mm×600 mm的圓柱體試樣。為確保試樣顆粒的均勻分布，分6層進行擊實，每層重量為試樣總重量的1/6。試樣壓實完畢后通過水頭飽和使其孔隙水壓力系數(shù)B達到95%以上，整個飽和過程通常需要36 h以上；制作非飽和試樣時，可以省去以上過程，根據所控制的含水率對散狀填料加入所需水量進行拌合，為防止水量損失，加水后馬上對散狀填料進行壓實制樣，經過測定，因制樣造成的含水率相對變化率在3%以內。

本文暫不考慮初始應力狀態(tài)在路基內的差異，統(tǒng)一采用各向等壓的初始應力狀態(tài)，動應力波形為正弦函數(shù)，動應力大小σd即波峰與波谷的差值，所有試樣的含水率、圍壓和施加的動應力見表1，其中動應力范圍為20～100 kPa，圍壓σ3范圍為10～50 kPa，應力的加載范圍參考了文獻[7]的研究成果。停止試驗的標準為：若振動次數(shù)超過50000次后累積塑性變形的增長趨勢趨于平緩，遞增速率不足0.5 mm/h，則視試樣處于動力穩(wěn)定狀態(tài)，停止試驗；若累積塑性變形遞增速率較大，相應的應變值在50000振次以內達到5%，則視試樣發(fā)生動力破壞，停止試驗。值得指出的是，該值已經遠超工程上允許接受的應變限值，選擇該值只是僅僅作為三軸試驗中試樣破壞的依據。由于本次試驗沒有測試孔隙水壓力和孔隙氣壓力，因此動應力分析是基于總應力。

表1 試樣的試驗參數(shù)編號含水率w/%圍壓σ3/kPa動應力σd/kPa19010202901030390104049010505901060690107079030208903030990304010903050119030601290307013905020149050301590504016905050179050601890507019601040206010502160106022601070236030702460307525603080266050702760508028605090296050100307550703175509032754090

2 試驗結果及分析

2.1 塑性變形增長規(guī)律

圖3為同圍壓下飽和黏土改良填料軸向累積塑性應變εa與加載次數(shù)N的關系曲線，各個試樣的εa～N曲線呈現(xiàn)不同的趨勢特征。以圍壓σ3=30 kPa為例(圖3b)，當動應力幅值σd=20、30 kPa時，循環(huán)加載初期εa遞增速率較快，但隨著N的增加，應變遞增速率逐漸減小，當振次N達到一定次數(shù)后(約2000次)，累積塑性應變趨于收斂，此應力條件下的試樣可判定為穩(wěn)定試樣。當動應力幅值σd增加至40 kPa以上時，累積塑性應變隨加載次數(shù)的遞增明顯，對應于同一N，施加的動應力越大，試驗產生的εa也越大。當σd=70 kPa時，加載次數(shù)在2000次左右εa就超過了5%，此應力條件下的試樣可判定為破壞試樣。

圖3 飽和填料試樣塑性應變與加載次數(shù)的關系

總體來看，隨動應力水平的逐漸增大，試樣的累積塑性應變逐漸增大，εa～N曲線走勢由平緩、波動向斜線上升變化。

非飽和填料(w=6.0%)的試驗結果見圖4，可以看出隨著圍壓的增大，試樣發(fā)生破壞所需的動應力也逐漸增大，如在σ3=10 kPa條件下(圖4a)，使試樣發(fā)生破壞的動應力為60 kPa；而當σ3=30 kPa時(圖4b)，使試樣發(fā)生破壞的動應力達到了75 kPa；當σ3=50 kPa時(圖4c)，即使動應力達到100 kPa也不足以使試樣發(fā)生破壞，該應力條件下試樣的累積塑性應變在增長至3%左右后趨于穩(wěn)定。對比圖3和圖4，可知含水率對黏土改良填料的動力穩(wěn)定性有較大影響，非飽和試樣的累積塑性應變的增長相較飽和條件下更加困難，需要更大的動應力才能使試樣發(fā)生破壞。

圖4 非飽和填料試樣塑性應變與加載次數(shù)的關系

2.2 臨界動應力

為了確定不同條件下使試樣發(fā)生破壞的動應力閥值，定義動應力比為σd/(2σ3)，將所有試樣對應的動應力比及含水率繪制于圖5，并可大致得出一條直線作為穩(wěn)定試樣和破壞試樣的分界線，該直線即為該類改良黏土的臨界動應力比線(K=0.96)，其表達式如式(1)所示。在圖5上，少數(shù)坐標點同時存在穩(wěn)定試樣和破壞試樣，這可能是由于試驗誤差導致的，為提高臨界動應力比線的安全性，統(tǒng)一將該類坐標點對應的試樣視為破壞試樣?？梢钥闯?，圍壓的增大促使填料顆粒之間的接觸與咬合更加緊密，顆粒的相對移動更加困難，因而使填料抵抗變形的能力得到了提高，臨界動應力相應上升；而水可在顆粒相對移動時起到潤滑作用，因此含水率的上升將使填料的變形更加容易發(fā)生，對路床結構穩(wěn)定性不利。

圖5 黏土改良填料動應力比與含水率的關系

σd/(2σ3)=-0.289w+3.183

(1)

圖6為湖南省某高速公路路基動應力實測結果與改良黏土填料臨界動應力的對比圖，圖中的實線為不同胎壓車輛(速度為100 km/h)運行下路基各個深度的動應力峰值，虛線為不同深度填料的臨界動應力值，該值由路基面以下深度h換算成σ3后再代入式(1)中計算得出。由圖可知，路基動應力隨著胎壓的增大而上升，并隨著深度增加而衰減。當路床含水率處于7.5%和6.0%的狀態(tài)時，若黏土改良填料路床的壓實度達到了0.96，則在標準軸載(胎壓≈700 kPa)下路床可保持足夠的動力穩(wěn)定性，但當車輛超載時(胎壓為1001 kPa)，路床所受的動應力已經超過了填料的臨界動應力，根據本文的試驗研究，在此條件下路床的累積塑性變形可能快速增長，路床易發(fā)生動力破壞。當路床處于飽和狀態(tài)時，即使在標準軸載條件下，路床動應力也超過了填料的臨界動應力，路床僅可能在軸載偏低(胎壓≈315 kPa)時保持較好的動力穩(wěn)定性，由此可見，在保證填料類型和壓實程度的基礎上，應足夠重視路床的防排水。

圖6 不同胎壓下路基動應力峰值與填料臨界動應力對比

3 結論

1) 在循環(huán)動應力作用下，對于壓實度為0.96的路床黏土改良填料，累積塑性應變的增長速率與圍壓呈負相關關系，與含水率呈正相關關系。根據不同含水率、圍壓試樣的累積塑性應變增長曲線特點，可以得出臨界動應力的經驗公式，當實際動應力大于臨界動應力值時，填料易發(fā)生動力破壞，反之則將保持動力穩(wěn)定。

2) 當路床接近飽和狀態(tài)時，標準軸載作用下的路床實測動應力超過了黏土改良填料的臨界動應力，可能導致路床累積塑性應變在運營期短時間內快速增長，應當引起足夠重視，必要時可在合理位置設置排水墊層、排水管以減少水分進入路床。

3) 當路基含水率處于最優(yōu)含水率6.0%和7.5%時，在標準軸載下，路床可保持較好的穩(wěn)定性，但在超載情況下，路床仍有可能發(fā)生動力破壞，因此針對公路超載現(xiàn)象的日益嚴重，有必要進一步對改良黏土填筑的路床進行加固以延長其使用壽命。

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1008-844X(2017)03-0028-04

U 416.03

A

2017-08-16

蔡俊華(1976-)，男，高級工程師，主要從事公路工程項目建設管理及科研工作。