基于三軸循環(huán)的纖維加筋路基土的變形特性

張 悅，孫 磊，沈 露，錢康飛

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

在進(jìn)行道路工程、邊坡工程、堤岸工程以及各類基礎(chǔ)工程建設(shè)過(guò)程當(dāng)中不可避免的會(huì)遇到土體強(qiáng)度和剛度不足需要加固的情況，通常采用水泥、石灰、粉煤灰以及各種生物、化學(xué)固化劑等固化物對(duì)土體進(jìn)行固化以提高其強(qiáng)度，但是其脆性較大[1-2]。大量的室內(nèi)試驗(yàn)及工程實(shí)踐表明通過(guò)在土體中摻入一定比例的纖維可以有效的改善水泥、石灰等固化土體的工程特性，如提高固化土體的強(qiáng)度和韌性，現(xiàn)已發(fā)展為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效且廣泛應(yīng)用的土體改良加固技術(shù)[3]。纖維加筋土用于道路工程時(shí)往往會(huì)受到交通車輛的長(zhǎng)期反復(fù)作用進(jìn)而導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍、開(kāi)裂甚至塌陷，嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性，并產(chǎn)生大量的維護(hù)費(fèi)用[4]。因此，必須考慮交通荷載對(duì)纖維加筋土變形的影響。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于纖維加筋土的研究多集中在靜力特性(抗拉、抗壓以及抗剪等)及其影響因素(纖維摻量、尺寸等)方面并取得了較為豐碩的成果[5-6]。盡管纖維加筋土體的動(dòng)力特性逐漸受到關(guān)注，但是大多研究都關(guān)注其在地震作用下的強(qiáng)度特性，對(duì)其在交通循環(huán)荷載下的變形特性的研究還非常欠缺[7]。鑒于此，利用DSZ-2型動(dòng)三軸儀研究聚乙烯醇纖維(PVA)加筋石灰土在交通荷載下的變形特性。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)所用土樣取自宿州學(xué)府大道改擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)(見(jiàn)圖1a)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其比重約為2.67，含水率約28.6%，孔隙比約為0.764，塑性指數(shù)約為13.6。在實(shí)驗(yàn)室將土體烘干粉碎并過(guò)2mm的篩備用，石灰采用施工現(xiàn)場(chǎng)的Ⅲ級(jí)石灰(見(jiàn)圖1b)，摻量取為5%，加筋材料為聚乙烯醇纖維(見(jiàn)圖1c)，摻量取為3%，其性能指標(biāo)如表1所示。宿州學(xué)府大道為城市主干道按照二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，按照最新的公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范壓實(shí)度控制在95%[8]，參照文獻(xiàn)[6]中的制樣步驟制備直徑為39.1mm，高度為80mm的標(biāo)準(zhǔn)土單元體試件用于三軸循環(huán)加載試驗(yàn)，所有試樣均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h以避免齡期對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖1 試驗(yàn)材料

表1 PVA纖維的性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本文試驗(yàn)采用江蘇永昌生產(chǎn)的DSZ-2型動(dòng)三軸儀，如圖2所示。圍壓采用真空泵氣壓控制，軸向動(dòng)應(yīng)力通過(guò)電磁控制，該設(shè)備可以施加正弦波、半正弦波、三角形波和方波等不同波形，用于模擬地震、交通以及風(fēng)浪等循環(huán)荷載作用。

圖2 DSZ-2型動(dòng)三軸

為模擬路基在遇到暴雨天氣由于排水不暢處于雨水浸泡下的惡劣工況，所有試樣采用在試驗(yàn)開(kāi)始之前，首先利用真空飽和缸通過(guò)抽真空的方式對(duì)試樣進(jìn)行飽和，然后將試件安裝到三軸壓力室內(nèi)，需注意在安裝過(guò)程中要盡可能避免對(duì)試樣產(chǎn)生擾動(dòng)，在對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行一系列檢查和校準(zhǔn)之后，進(jìn)一步通過(guò)施加反壓對(duì)試件進(jìn)行二次飽和以確保所有試樣均處于完全飽和狀態(tài)，然后保持反壓恒定，逐級(jí)增大圍壓讓試樣在設(shè)定的圍壓下排水固結(jié)，最后關(guān)閉排水閥門對(duì)試件進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)。其中加載波形選擇半正弦波，加載頻率設(shè)定為1Hz，除非試樣提前破壞(應(yīng)變大于5%)，所有試樣均加載1 000次。具體的試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 循環(huán)三軸試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖3所示的土體在循環(huán)荷載作用下的軸向應(yīng)變(εa)隨循環(huán)加載次數(shù)(N)變化的示意圖可知，軸向應(yīng)變可以分解為彈性應(yīng)變(εe)和累積塑性應(yīng)變(εp)兩部分，其中彈性應(yīng)變通常以彈性模量(回彈模量)來(lái)進(jìn)行表征并作為路基路面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，然而，隨著研究的不斷深入，累積塑性應(yīng)變作為路基沉降的重要組成部分逐漸引起巖土工程專家學(xué)者們的關(guān)注并為此開(kāi)展了大量的室內(nèi)單元體循環(huán)加載試驗(yàn)及應(yīng)變累積模型的構(gòu)建工作。在累積變形預(yù)測(cè)模型研究方面比較有代表性的工作當(dāng)屬對(duì)數(shù)及指數(shù)方程等為基本架構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶岢觯瑸檫M(jìn)一步分析眾多因素共同影響下土體的累積變形提供了重要的理論基礎(chǔ)以及建模思路，并在路基路面設(shè)計(jì)、建造、服役性能評(píng)估以及加固維護(hù)等方面發(fā)揮重要作用[9]。

圖3 循環(huán)荷載作用下土體軸向應(yīng)變發(fā)展示意圖

圖4給出了所有試樣循環(huán)加載1 000次所測(cè)定的軸向累積塑性應(yīng)變隨循環(huán)加載次數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，纖維加筋灰土在單向循環(huán)荷載作用下的應(yīng)變累積發(fā)展曲線同一般的飽和土體基本類似，即在經(jīng)過(guò)加載初期的短暫調(diào)整之后隨著循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)逐漸累積并趨于穩(wěn)定。在相同的循環(huán)次數(shù)下，較大的動(dòng)應(yīng)力幅值導(dǎo)致試樣產(chǎn)生較大的應(yīng)變累積。為了便于衡量循環(huán)動(dòng)應(yīng)力水平的影響，定義參考應(yīng)力ξ=qampl//2p0，其中p0取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓100kPa。

圖4 軸向累積應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)發(fā)展曲線

為更好的描述循環(huán)動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)試樣累積塑性應(yīng)變的影響，選取循環(huán)次數(shù)N=10、100和1 000時(shí)的累積塑性應(yīng)變值并繪制其與參考應(yīng)力ξ之間的關(guān)系曲線如圖5所示。通過(guò)回歸分析，發(fā)現(xiàn)可以用組合方程y=axb+c對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中a、b、c為與循環(huán)次數(shù)N有關(guān)的擬合參數(shù)，擬合結(jié)果如圖5中虛線所示?？梢?jiàn)組合方程可以較好的描述累積應(yīng)變與循環(huán)動(dòng)應(yīng)力幅值之間的關(guān)系。

圖5 累積應(yīng)變?chǔ)舙與參考應(yīng)力ξ之間的關(guān)系

對(duì)于給定的土體而言，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力幅值以及循環(huán)加載次數(shù)無(wú)疑是影響其應(yīng)變累積的兩大關(guān)鍵因素，因此，在構(gòu)建模型時(shí)需要同時(shí)將其納入其中。圖6給出了雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下試樣累積塑性應(yīng)變與循環(huán)加載次數(shù)之間的關(guān)系，可以看出試樣的累積塑性應(yīng)變?cè)谘h(huán)加載10次之后近似呈線性增長(zhǎng)，可以通過(guò)指數(shù)方程y=AxB進(jìn)行描述, 其中，A和B為與動(dòng)應(yīng)力幅值相關(guān)的擬合參數(shù)，可通過(guò)回歸分析確定如表3所示。

圖6 雙對(duì)數(shù)坐不下累積塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化

表3 循環(huán)三軸試驗(yàn)方案

為考慮循環(huán)動(dòng)應(yīng)力水平對(duì)土體應(yīng)變累積的影響，圖7進(jìn)一步給出了擬合參數(shù)A、B與參考應(yīng)力ξ之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)同樣可以用組合函數(shù)y=axb+c進(jìn)行描述，結(jié)果如圖7中虛線所示。通過(guò)將回歸分析后得到的擬合參數(shù)A和B的公式帶入指數(shù)方程y=AxB可建立一個(gè)指數(shù)型的可以綜合考慮循環(huán)動(dòng)應(yīng)力以及循環(huán)加載次數(shù)的纖維加筋灰土應(yīng)變累積預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。需要指出的是由于相關(guān)模型參數(shù)是基于試驗(yàn)結(jié)果確定的，因此預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果必然吻合的較好。

圖7 參考應(yīng)力ξ與擬合參數(shù)A和B之間的關(guān)系

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三軸循環(huán)加載試驗(yàn)探究了PVA纖維加筋石灰土在交通循環(huán)荷載作用下的軸向應(yīng)變累積特性。主要得到以下結(jié)論：

(1)纖維加筋石灰土的應(yīng)變累積與所施加的動(dòng)應(yīng)力幅值以及循環(huán)加載次數(shù)密切相關(guān)，且伴隨動(dòng)應(yīng)力幅值及循環(huán)次數(shù)的增加而逐級(jí)增大；

(2)通過(guò)定義參考應(yīng)力ζ并結(jié)合組合函數(shù)建立了給定循環(huán)次下下纖維加筋石灰土累積塑性應(yīng)變與ζ之間的關(guān)系；

(3)基于10～1 000次循環(huán)加載獲得的累積塑性應(yīng)變實(shí)測(cè)值，結(jié)合指數(shù)模型和組合函數(shù)并通過(guò)回歸分析建立了纖維加筋石灰土的應(yīng)變累積預(yù)測(cè)模型，可以同時(shí)考慮循環(huán)動(dòng)應(yīng)力幅值及循環(huán)次數(shù)的影響；

(4)由于時(shí)間和條件限制本試驗(yàn)并未考慮纖維摻量、纖維長(zhǎng)度、石灰摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期等因素對(duì)循環(huán)荷載作用下纖維加筋石灰土應(yīng)變累積的耦合效應(yīng)，今后將進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)方面的研究以期揭示纖維加筋石灰土在多種因素綜合作用下的應(yīng)變累積特性，進(jìn)而為相關(guān)工程實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。