交通荷載下?lián)酵撩喉肥挠谰脩?yīng)變特性

孫 磊，沈 露，張?zhí)镌讫?/p>

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

煤炭在我國能源消耗中長期占據(jù)主導(dǎo)地位，煤炭開采產(chǎn)生的大量煤矸石一般就近堆放在礦區(qū)周邊，不僅占用了寶貴的土地資源，而且會對周邊的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的污染和破壞，嚴(yán)重危害人們的健康[1-2]。煤矸石作為煤炭開采的伴生或共生產(chǎn)物產(chǎn)量巨大，若合理利用勢必產(chǎn)生極大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。作為路基填料修筑道路是當(dāng)前煤矸石綜合利用的重要方式之一，隨著我國道路交通建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，這種綜合利用有著廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。但是，目前以煤矸石作為路基填料的道路在實際服役過程中路面開裂、破損等病害(圖1)較為突出，嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性。

圖1 煤矸石道路破壞情況

煤矸石與天然土體在粒度及組分上都存在較大差異，煤矸石中往往含有殘留的煤炭、有機質(zhì)及軟巖等容易導(dǎo)致煤矸石發(fā)生變形和強度降低的成分，對路基的修筑極為不利[5]。因此，在路基修筑過程中，路基填料的壓實度對后期整個道路的服役性能來說至關(guān)重要。Michalski等[6]通過以不同類型煤矸石作為路基填料的現(xiàn)場模擬碾壓試驗表明，煤矸石的粒度分布(通常用不均勻系數(shù)Cu表征)與煤矸石的可壓實程度密切相關(guān)，Cu越大表明煤矸石越容易壓實。鑒于煤矸石粒度分布對其壓實程度的重要性，姜振泉等[7]進一步在煤矸石中摻入不同比例的粉煤灰和黏土等細粒成分后進行壓實和滲透試驗發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加細小顆粒的含量能夠有效改善煤矸石的壓實程度和水穩(wěn)性，說明粒度成分是影響煤矸石壓實性的重要因素。賀建清等[8]通過對煤矸石的路用工程力學(xué)特性及填筑技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，摻入適量黏土同樣可以有效改善煤矸石的工程力學(xué)特性。然而目前大多數(shù)研究都從靜力學(xué)角度出發(fā)，忽略了路基土體不管是在施工過程中還是在服役階段都將長期承受車輛引起的動力響應(yīng)這一工程實際，這也是目前無法準(zhǔn)確預(yù)測和控制道路沉降導(dǎo)致道路病害的關(guān)鍵所在[9]。部分學(xué)者也嘗試通過動力加載試驗對摻土煤矸石的動力特性進行探究，然而他們關(guān)注的焦點多在于地震作用對其強度的影響[10-11]。可見，目前人們對交通循環(huán)荷載作用下?lián)酵撩喉肥坊盍献冃翁匦缘恼J(rèn)知和理解還非常不足。鑒于此，本研究利用DSZ-2型電磁振動三軸儀開展了一系列模擬摻土煤矸石路基填料的循環(huán)加載試驗，探究了黏土摻量、動力加載參數(shù)等因素對試樣永久應(yīng)變的影響，研究成果將有助于加深人們對煤矸石路基填料在交通循環(huán)荷載長期作用下變形特性的認(rèn)知。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備

本研究采用如圖2所示的江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的DSZ-2型電磁振動三軸儀進行試驗，該設(shè)備主要由計算機(控制軟件)、主機(激振器和壓力室)、電氣柜(壓力控制柜和振動加載控制柜)及空氣壓縮機(供壓)等構(gòu)成。該設(shè)備通過氣壓施加側(cè)向壓力與軸向壓力，采用電磁力作為振動力,可以通過施加正弦波、半正弦波、三角形波、方波及隨機波等不同波實現(xiàn)對地震作用、交通及風(fēng)浪等循環(huán)荷載的模擬。

圖2 DSZ-2型電磁振動三軸儀

1.2 試樣的制備及試驗過程

本研究所用煤矸石取自宿州朱仙莊礦附近的煤矸石堆場，土樣則采用人工制備黏土(85%高嶺土與15%膨潤土混合，質(zhì)量比)，以滿足試驗可重復(fù)性和規(guī)律性研究的需要。參照文獻[11]中模擬現(xiàn)場施工工藝的試樣制備方法，首先將風(fēng)干后的煤矸石過5 mm的篩，然后按照0%、10%、20%、30%和50%的人工黏土摻入比(質(zhì)量比w)進行配料混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥梢欢ê实臐裨嚇?，放置在保濕缸?nèi)浸潤4 d后測定其含水率，并按照最新的公路路基設(shè)計規(guī)范采用95%的壓實度標(biāo)準(zhǔn)控制干密度，最后利用三瓣膜分五層擊實，制成高度80 mm、直徑39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)三軸單元體試樣。

近年來全球氣候多變且極端天氣頻發(fā)，為了模擬路基在遭遇極端暴雨天氣由于排水不暢處于雨水浸泡下的不利工況，所有試驗均采用飽和試樣。首先利用圖2中的真空飽和缸對試樣進行2 d的抽真空飽和，在試樣的安裝過程中將其周邊貼上濾紙作為排水路徑，并在安裝到三軸壓力室的過程中盡可能減少人為因素對試樣的擾動；然后待試樣安裝完畢且電氣設(shè)備檢查校準(zhǔn)之后，利用壓力控制柜施加10 kPa的初始圍壓和200 kPa的反壓對試樣進行二次飽和，以確保試樣的飽和度B>0.97；最后待試樣完全飽和之后保持反壓繼續(xù)增大、有效圍壓為50 kPa對試樣進行固結(jié)，以模擬真實路基土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，待固結(jié)完成之后關(guān)閉排水閥門，利用設(shè)備自帶的控制軟件設(shè)置循環(huán)加載參數(shù)，加載波形選擇半正弦波，加載頻率設(shè)為1 Hz，加載終止條件為循環(huán)5 000次或達到設(shè)定振次之前試樣提前破壞(應(yīng)變大于10%)。為了便于衡量循環(huán)動應(yīng)力水平的影響，定義循環(huán)應(yīng)力水平CSR=qampl/2p0′,其中p0′為有效固結(jié)圍壓50 kPa。詳細試驗方案如表1所示。

表1 參照循環(huán)三軸試驗方案

2 結(jié)果與分析

2.1 典型試驗結(jié)果

圖3 循環(huán)荷載作用下試樣的典型試驗結(jié)果

2.2 永久軸向應(yīng)變的變化規(guī)律

圖4 永久軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖5 試樣經(jīng)歷5 000次循環(huán)后永久軸向應(yīng)變與CSR和w的關(guān)系

3 結(jié)論

借助DSZ-2型電磁振動三軸儀，用半正弦波模擬交通荷載，探究了摻土煤矸石路基填料在交通荷載作用下的永久軸向應(yīng)變累積特性。主要結(jié)論如下：

(1)在本試驗所施加的循環(huán)偏應(yīng)力水平下，摻土煤矸石路基填料的永久軸向應(yīng)變均隨著循環(huán)次數(shù)的增加先迅速累積，然后累積速率逐漸降低并趨于恒定。當(dāng)黏土摻量一定時，試樣永久軸向應(yīng)變值與施加的循環(huán)動應(yīng)力水平正相關(guān)，循環(huán)應(yīng)力水平值越大試樣產(chǎn)生的應(yīng)變越大。而在給定的循環(huán)動應(yīng)力水平下，試樣永久軸向應(yīng)變值卻隨著黏土摻量的增加先變小后增大，證實了黏土最佳摻量的存在。

(2)分別利用線性函數(shù)和多項式函數(shù)構(gòu)建了試樣經(jīng)歷5 000次循環(huán)后的永久軸向應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)力水平和黏土摻量之間的定量關(guān)系，并通過求導(dǎo)得到了黏土的最佳摻量為22%，與前人的研究結(jié)論一致。

(3)由于時間和條件有限，加之影響交通荷載作用下路基填料變形特性的因素眾多，今后將在本研究的基礎(chǔ)上進一步拓展深度和廣度，比如將壓實度、初始應(yīng)力狀態(tài)、超固結(jié)及交通循環(huán)荷載在路基土體中誘發(fā)的復(fù)雜應(yīng)力路徑等因素納入其中，在構(gòu)建路基填料應(yīng)變累積經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷耐瑫r，結(jié)合安定理論確定適用于煤矸石道路路基沉降控制的循環(huán)動應(yīng)力閾值。