循環(huán)荷載作用下浸水路堤的變形規(guī)律試驗(yàn)研究

鐘書，曹堂，劉坤倫

（云南建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司國(guó)際工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

萬(wàn)萬(wàn)高速公路是老撾磨丁口岸至萬(wàn)象高速公路中的萬(wàn)榮至萬(wàn)象段，該高速公路起于萬(wàn)象市，終于萬(wàn)榮市，向北經(jīng)瑯勃拉邦對(duì)接中國(guó)磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路；向南連接老撾—泰國(guó)邊境的老泰友誼大橋，連接泰國(guó)廊開區(qū)境內(nèi)的高速公路，是亞洲昆曼國(guó)際大通道的重要構(gòu)成部分，此高速公路的設(shè)計(jì)全長(zhǎng)達(dá)460余公里，其中第一段萬(wàn)象至萬(wàn)榮高速公路的全長(zhǎng)為109.1km。

由于萬(wàn)萬(wàn)高速地處熱帶雨林地區(qū)，該高速公路穿行地段高溫多雨，年平均氣溫處于25℃~28℃之間，全年雨季長(zhǎng)，年降水量大，可達(dá)2000mm以上。萬(wàn)萬(wàn)高速公路南段地處萬(wàn)象平原地帶，地勢(shì)平緩，河道稀疏，排水條件差；此外，萬(wàn)萬(wàn)高速公路與中老鐵路并肩而行，當(dāng)雨季來(lái)臨的時(shí)候，鐵路與公路之間會(huì)產(chǎn)生大量雍水，盡管公路和鐵路均設(shè)有排水涵洞，但涵洞間距較遠(yuǎn)，且兩側(cè)地勢(shì)平緩，排水效果較差。在典型的熱帶雨林區(qū)，高溫多雨是其明顯的氣候特征，導(dǎo)致其高速公路在建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期存在大量的雨水。水會(huì)對(duì)土質(zhì)路基的強(qiáng)度和變形產(chǎn)生重要的影響，是導(dǎo)致路基病害的關(guān)鍵因素，長(zhǎng)期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蝕和軟化，水的綜合影響將危及高速公路路基的安全，常常引發(fā)公路路基土體的軟化、顆粒流失，并進(jìn)一步導(dǎo)致路基的翻漿冒泥、整體失穩(wěn)、邊坡垮塌等一系列的病害，對(duì)行車安全產(chǎn)生重大危害，甚至?xí)钄嗟缆方煌?，造成巨大的?jīng)濟(jì)與安全損失。因此有必要對(duì)循環(huán)荷載下浸水路堤的變形特征開展試驗(yàn)研究。

2 萬(wàn)萬(wàn)高速公路路基填料物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

為了研究萬(wàn)萬(wàn)高速公路浸水路堤填土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，探究其在循環(huán)荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等，要先進(jìn)行諸如顆粒比重試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和常規(guī)靜三軸試驗(yàn)等，確定萬(wàn)萬(wàn)高速公路路堤填土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

2.1 顆粒比重試驗(yàn)

采用比重瓶法所需的試驗(yàn)設(shè)備主要包括：100mL比重瓶、JA2003N分析天平、蒸餾水、DK-1.5電沙浴等。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 比重（比重瓶）試驗(yàn)結(jié)果

2.2 土顆粒分析試驗(yàn)

由于萬(wàn)萬(wàn)高速公路路基填料顆粒粒徑大于0.075mm，因此采用篩分試驗(yàn)方法進(jìn)行其顆粒分析試驗(yàn)。取200g土樣，過圓孔篩過篩，將土樣倒入以此選好的細(xì)篩最上層中，進(jìn)行篩分，震搖時(shí)間為15min。按順序取下各孔徑篩，將留在篩上的土樣分別稱重量，重量應(yīng)準(zhǔn)確至0.1。試驗(yàn)結(jié)果表明粒組情況：巨粒組（>60mm）含量0%；粗粒組（0.075~60mm）含量91.54%，其中礫粒組（2~60mm）含量60.35%，砂粒組（0.075~2mm）含量31.19%；細(xì)粒組（<0.075mm）含量8.46%，土的分類及代號(hào)：含細(xì)粒土礫/GF。

2.3 液塑限試驗(yàn)

本試驗(yàn)的取土位置為萬(wàn)萬(wàn)高速公路K9+300左側(cè)2km的取土坑，取土深度為7.5m，土樣制備過0.5mm篩，悶土?xí)r間大于18h，試驗(yàn)結(jié)果表明土體的液限為32%，塑限為24%，塑性指數(shù)為8。

2.4 擊實(shí)試驗(yàn)

對(duì)土的含石率與最大干密度的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)并歸置，可得到試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 土含石率與最大干密度的關(guān)系

經(jīng)過土顆粒級(jí)配篩分試驗(yàn)，大于5mm的顆粒百分比為33.36%，土樣的最大干密度為2.06g/m3，土樣的最佳含水率為8.6%。計(jì)算出土樣的液限為32%，其塑限為24%，塑性指數(shù)為8。經(jīng)計(jì)算最大干密度的誤差為0.01g/m3<0.03g/m3，最佳含水率的誤差為0.7%<2.0%，土體滿足作為路基填筑材料的要求。

3 循環(huán)荷載下浸水路堤的變形規(guī)律試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

本研究的試驗(yàn)儀器采用GDS動(dòng)三軸儀器，并采用常水頭馬氏瓶實(shí)現(xiàn)三軸試驗(yàn)的自動(dòng)補(bǔ)水。本次試驗(yàn)共完成了4組42個(gè)試樣，其中有兩組12個(gè)試樣，另兩組各有9個(gè)試樣；根據(jù)已有研究，公路路基頻率一般分布在0.1~10Hz，結(jié)合萬(wàn)萬(wàn)高速公路的車流量預(yù)測(cè)以及儀器的最大加載頻率限制，本試驗(yàn)選取荷載頻率分別為：0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz、3.0Hz四種頻率進(jìn)行加載；根據(jù)萬(wàn)萬(wàn)高速公路路基高度情況，選擇圍壓為20kPa。試驗(yàn)第一步按照土樣的固結(jié)壓力設(shè)定圍壓值，施加圍壓完成土樣固結(jié)；第二步根據(jù)預(yù)先設(shè)定的偏應(yīng)力qampl分級(jí)施加偏應(yīng)力。為消除土樣不同部位含水率的差異、孔隙水壓力差異帶來(lái)的影響，三軸試驗(yàn)的第一級(jí)加載均采用緩慢加載的方式，荷載大小f=0.01Hz，確保土樣在施加荷載的初始階段存在的性質(zhì)差異，荷載的加載方式采用半正弦波進(jìn)行連續(xù)加載。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于室內(nèi)動(dòng)三軸土工試驗(yàn)，按照試驗(yàn)方案分級(jí)加載，并將試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果研究土樣的動(dòng)力濕化變形規(guī)律。

（1）軸向應(yīng)變隨振動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律。基于研究的需要，針對(duì)不同初始含水率的土樣，對(duì)應(yīng)不同荷載下的動(dòng)應(yīng)力幅值、壓實(shí)度等參數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)動(dòng)三軸模擬試驗(yàn)，得到相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在整理分析基礎(chǔ)上得到如圖1~圖3的土樣變形規(guī)律。

如圖1所示，當(dāng)土樣的初始含水率與初始?jí)簩?shí)度保持一定數(shù)值時(shí)，隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大，土樣的軸向應(yīng)變同步增大，此外隨振動(dòng)次數(shù)的增加，圖樣的應(yīng)變也同步增大。當(dāng)土樣未浸水時(shí)，在相同的動(dòng)應(yīng)力幅值時(shí)，前500次土樣產(chǎn)生的應(yīng)變值較小，表現(xiàn)為N=100與N=500之間的差距不大；而當(dāng)土樣開始浸水以后，土樣產(chǎn)生的應(yīng)變顯著增大，此時(shí)N=1000次與N=500次之間應(yīng)變差突然變大，說(shuō)明土樣在浸水以后產(chǎn)生了顯著的應(yīng)變軟化效應(yīng)。隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，試驗(yàn)的軸向動(dòng)應(yīng)變也隨之增大，但增加的幅度逐步縮小。

圖1 軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力數(shù)值的關(guān)系

如圖2所示，土樣應(yīng)變與初始含水量之間的函數(shù)關(guān)系隨振動(dòng)次數(shù)的不同而發(fā)生變化。振動(dòng)次數(shù)增加，在初始含水量增加幅度一定的情況下，軸向應(yīng)變的增加幅度變大；當(dāng)振動(dòng)次數(shù)不斷增加時(shí)，在相同振動(dòng)次數(shù)時(shí)，三種初始含水率對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值差異不大。說(shuō)明當(dāng)土樣的初始含水率大于最佳含水率時(shí)，初始含水量的變化對(duì)軸向應(yīng)變產(chǎn)生了較大影響，其影響顯著大于壓實(shí)度和動(dòng)應(yīng)力幅值變化的作用。

圖2 軸向應(yīng)變與初始含水率的關(guān)系

如圖3所示，土樣的應(yīng)變與壓實(shí)度之間存在顯著的相關(guān)性，試驗(yàn)曲線表明了土樣的壓實(shí)度越大，其應(yīng)變?cè)叫　４送?，土樣的壓?shí)度越大，土體的可壓縮性顯著降低。原因在于隨著土體的壓實(shí)度增大，土體的孔隙比越小，土樣的可壓縮性降低。由此可見，要提高路基的水穩(wěn)性，增加土體的壓實(shí)度是非常有效的工程措施。

圖3 軸向應(yīng)變與土體壓實(shí)度的關(guān)系

此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，土樣的應(yīng)變與振動(dòng)頻率之間存在顯著的相關(guān)性，振動(dòng)頻率越高，應(yīng)變的變化幅度隨之增大，且隨著振動(dòng)頻率的不斷增大，應(yīng)變所產(chǎn)生的變形越大。其原因是車流密度加大以后，土體的疲勞強(qiáng)度逐步降低，車流密度較低時(shí)，頻率變化對(duì)應(yīng)變的影響較小。

（2）土樣的回彈特性研究。根據(jù)土樣的回彈試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)后得到如圖4~圖5所示的滯回曲線。如圖4描繪了振動(dòng)頻率0.5Hz、1.0Hz、2.0Hz、3.0Hz時(shí)，偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變滯回曲線。隨著振動(dòng)頻率增加，而向右發(fā)生偏移，斜率減小，這種現(xiàn)象表明了土樣隨著振動(dòng)頻率的增加試樣發(fā)生軟化，試樣易發(fā)生形變，使得滯回圈隨著循環(huán)荷載以及浸水作用而發(fā)生向右偏移；在頻率2.0Hz和3.0Hz的滯回圈相對(duì)于頻率1.0Hz的滯回圈更加遠(yuǎn)離前者，這表明試樣隨著振動(dòng)頻率的增大土體的軟化速度加快，到一定的頻率時(shí)，土體開始產(chǎn)生塑性變形。

圖4不同振動(dòng)頻率偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變滯回曲線

圖5 描繪了土體的壓實(shí)度分別為90、93、95時(shí)，偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變滯回曲線。

圖5 不同壓實(shí)度偏應(yīng)力—軸向應(yīng)變滯回曲線

如圖5所示，圖中分別描述了三條滯回曲線，三條曲線分別描述了K=0.9、K=0.93、K=0.95三種情況下的土樣變化特征，從圖5中可知，當(dāng)土樣的壓實(shí)度變大時(shí)，隨著浸水時(shí)間變化，土樣滯回圈右向傾斜的速率減緩。究其原因，主要體現(xiàn)為土體的壓實(shí)度越高，土體的孔隙率就越小，此時(shí)土體的彈性模量增加，塑性降低，因此土體在水的作用下，軟化效應(yīng)降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)萬(wàn)萬(wàn)高速公路路基填料進(jìn)行了室內(nèi)動(dòng)三軸循環(huán)荷載下的動(dòng)力濕化試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，得出的結(jié)論如下：

（1）土樣存在顯著浸水軟化現(xiàn)象，在相同荷載下，未浸水的土樣應(yīng)變較小，而浸水的土樣隨著振次的增加其應(yīng)變快速增大。此外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)保持不變時(shí)，土體的偏應(yīng)力越大，土樣的應(yīng)變也同步隨之增大。而當(dāng)土體大含水率小于最佳含水率時(shí)，初始含水率越大，壓實(shí)度增加對(duì)土體變形的影響同步降低。在振次與偏應(yīng)力的組合作用下，振動(dòng)的頻率增加，土樣的應(yīng)變也增大，說(shuō)明隨著交通荷載和交通量的增加，土體的應(yīng)變軟化變得更顯著。由此可知，提高土體的壓實(shí)度是增加路基水穩(wěn)性的有效措施，而隨著道路交通量的不斷增加，路基在降雨作用下失穩(wěn)的概率也會(huì)增大。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，振動(dòng)次數(shù)越多，土體的滯回圈會(huì)發(fā)生顯著的右向偏移，斜率也隨之同步減小，說(shuō)明土體在交通荷載作用下具有顯著應(yīng)變軟化效應(yīng)。此外土體浸水以后會(huì)加劇土樣的軟化效應(yīng)；而增加土體的壓實(shí)度可以減緩?fù)馏w的軟化作用。由此可見，交通荷載和水的綜合作用會(huì)降低土體的強(qiáng)度，而增加土體的壓實(shí)度可顯著提高路基的整體穩(wěn)定性。