公路工程鋼渣改良軟土路基動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究

摘要：以某公路工程項(xiàng)目某路段為例，進(jìn)行鋼渣改良軟土路基動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究。簡(jiǎn)述試驗(yàn)設(shè)備即溫控振動(dòng)三軸儀的性能，以及粉質(zhì)黏土、鋼渣和水泥等試驗(yàn)材料的物理化學(xué)性能，確定以圍壓、荷載振動(dòng)頻率和壓實(shí)度為主要內(nèi)容的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：將不同圍壓、不同頻率、不同壓實(shí)度試樣的動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合后，鋼渣改良土的最大動(dòng)彈性模量與圍壓成正比并隨著圍壓的增大而增加，其與荷載頻率成正比并隨著荷載頻率的增大而增加，其與壓實(shí)度成正比并隨著壓實(shí)度的增大而增加，表明鋼渣改良軟土的動(dòng)力特性較好。

關(guān)鍵詞：鋼渣改良路基；動(dòng)力特性；圍壓；振動(dòng)頻率；壓實(shí)度

0" "引言

路基作為公路的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)期交通荷載的持續(xù)作用下，其力學(xué)性能不斷發(fā)生著變化，因此在評(píng)估路基性能時(shí)，不僅要全面考慮環(huán)境等自然因素的潛在影響，還需特別關(guān)注車輛動(dòng)態(tài)荷載對(duì)路基結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期作用的效應(yīng)，以確保公路能夠滿足長(zhǎng)期、安全、高效運(yùn)行的需求。

目前不少學(xué)者對(duì)路基填料的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。肖天祥等[1]通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)循環(huán)荷載作用下不同廢棄口罩含量、不同加筋形式的煤矸石路基粗粒土填料進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明每間隔20cm鋪設(shè)廢舊口罩織物的加筋效果最佳。李聰[2]對(duì)路基礫類填料的土動(dòng)力特性開展了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明圍壓、含水率、壓實(shí)度大小的改變，可以提高礫類填料的動(dòng)力特性。王慶志等[3]通過(guò)在恒圍壓和動(dòng)圍壓條件下的三軸試驗(yàn)，研究了青藏鐵路凍結(jié)路基粗顆粒填料的動(dòng)力特性和安定性，研究結(jié)果表明累積塑性應(yīng)變隨著凍結(jié)溫度的增大而增大，但隨著粗顆粒摻量的增加而減小。

我國(guó)鋼渣堆積問(wèn)題嚴(yán)峻，需要對(duì)其進(jìn)行合理化利用，為此本文針對(duì)鋼渣改良土路基填料的動(dòng)力特性，通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)鋼渣改良土在不同圍壓、不同頻率、不同壓實(shí)度下的動(dòng)彈性模量展開研究，以便為類似工程提供參考。

1" "工程概況

某公路工程項(xiàng)目Z041+970至Z120+520路段總長(zhǎng)度為78.55km，設(shè)計(jì)行車時(shí)速為80km/h。路基寬度為30m，其行車道為寬度18m的瀝青混凝土路面，兩側(cè)硬路肩寬度各為5m，兩側(cè)土路肩寬度各為1m。行車道與硬路肩均采用2%的坡度，而土路肩則采用了較陡的3%橫坡，以優(yōu)化排水與路肩的穩(wěn)定性。該路段路基土質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，路基填料采用鋼渣改良方式，以提高路基使用性能。

2" "試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)材料

2.1" "試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)路基填料進(jìn)行的改良試驗(yàn)，采用溫控振動(dòng)三軸儀。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，溫控振動(dòng)三軸儀可針對(duì)多樣化的土體，在標(biāo)準(zhǔn)溫度及特定溫控條件下自動(dòng)化地評(píng)估其液化、動(dòng)彈性模量以及阻尼比等關(guān)鍵動(dòng)力性能參數(shù)。

2.2" "試驗(yàn)材料

2.2.1" "粉質(zhì)黏土

試驗(yàn)采用的路基填料為鋼渣改良土，其成分包括粉質(zhì)黏土、鋼渣和水泥。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）的相關(guān)規(guī)定，需要掌握粉質(zhì)黏土、鋼渣和水泥的物理化學(xué)特性。首先對(duì)粉質(zhì)黏土的物理參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

2.2.2" "鋼渣

鋼材在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、航空工程以及機(jī)械制造等領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的需求潛力，鋼渣作為鋼鐵冶煉流程中產(chǎn)生的廢料，其處理與再利用則成為了優(yōu)化資源利用、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。鋼渣中各元素占比如表2所示。

2.2.3" "水泥

作為一種超高性能的固化劑材料，水泥的固有物理特性及其化學(xué)構(gòu)成對(duì)土體的力學(xué)性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生了至關(guān)重要的決定性效應(yīng)。水泥這些內(nèi)在屬性顯著影響著土體抗壓強(qiáng)度、耐久性以及孔隙特征的形成。水泥物理性能及化學(xué)性能如表3所示。

3" "試驗(yàn)方案

經(jīng)過(guò)前期調(diào)查得知，該路段車輛的運(yùn)行對(duì)路基的作用符合正弦波規(guī)律，因此試驗(yàn)中加載方式采用正弦波波形[4-6]。參考學(xué)者們的大量研究成果，根據(jù)該路段工程的實(shí)際情況，制定以下試驗(yàn)方案：粉質(zhì)黏土占試樣的58%，鋼渣占試樣的40%，水泥占試樣的2%；試樣的高度為（78±2）mm，直徑為（39.1±2）mm；圍壓采用30kPa、40kPa、50kPa，荷載振動(dòng)頻率采用1Hz、3Hz、5Hz，壓實(shí)度采用94%、96%、98%；當(dāng)試樣軸向應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)，視為試樣已經(jīng)被破壞。試驗(yàn)方案如表4所示。

4" "試驗(yàn)結(jié)果

4.1" "圍壓對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

試樣不同圍壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1可以看到：在相同圍壓下，隨著動(dòng)應(yīng)變的增加，動(dòng)彈性模量逐漸減小。當(dāng)動(dòng)應(yīng)變的變動(dòng)幅度較小時(shí)，動(dòng)彈性模量的降低速度相應(yīng)保持在一個(gè)較為平緩的水平。然而，隨著動(dòng)應(yīng)變的變化量逐漸增大，動(dòng)彈性模量的減小速率也呈現(xiàn)出加速的趨勢(shì)。在圍壓不同的情況下，隨著圍壓的增加，動(dòng)彈性模量也隨之增加。

當(dāng)圍壓為50kPa時(shí)，動(dòng)彈性模量從224.52kPa減小到176.52 kPa，減少了21.38%；當(dāng)圍壓為40kPa時(shí)，動(dòng)彈性模量從207.21kPa減小到164.0kPa，減小了20.85%；當(dāng)圍壓為30kPa時(shí)，動(dòng)彈性模量從195.15kPa減小到157.26kPa，減小了19.42%。

改良土的最大動(dòng)彈性模量為224.52kPa，最小動(dòng)彈性模量為157.26kPa。試驗(yàn)圍壓在30kPa～50kPa之間，隨著動(dòng)應(yīng)變的變化，改良土動(dòng)彈性模量衰減率也在21.38%～19.42%之間變化，并且動(dòng)彈性模量衰減量隨著圍壓增加而增加。

4.2" "荷載振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

為了深入分析荷載振動(dòng)頻率對(duì)試樣動(dòng)力行為特性的作用效果，繪制了試樣在荷載頻率為1Hz、3Hz、5Hz下動(dòng)彈模量應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。從圖2可以看到：不同荷載振動(dòng)頻率下的曲線圖趨勢(shì)相同，隨著荷載振動(dòng)頻率的增加，動(dòng)彈性模量也逐漸增加。動(dòng)應(yīng)變?cè)?.02%～0.05%之間下降速度較快，之后下降趨勢(shì)較為平緩。

當(dāng)荷載振動(dòng)頻率為5Hz時(shí)，動(dòng)彈性模量從243.89kPa減小到194.78kPa，減小了20.14%；當(dāng)荷載振動(dòng)頻率為3Hz時(shí)，動(dòng)彈性模量從231.22kPa減小到180.44kPa，減小了21.96%；當(dāng)荷載振動(dòng)頻率為1Hz時(shí)，動(dòng)彈性模量從225.10kPa減小到174.89kPa，減小了22.31%。

改良土最大動(dòng)彈性模量為243.89kPa，最小動(dòng)彈性模量為174.89kPa。載荷振動(dòng)頻率在1～5Hz之間，改良土隨著動(dòng)應(yīng)變的變化，動(dòng)彈性模量衰減率在20.14%～22.31%之間變化，并且動(dòng)彈性模量的衰減量隨著荷載振動(dòng)頻率的增加而增加。

4.3" "壓實(shí)度對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

為了深入分析壓實(shí)度對(duì)試樣動(dòng)力行為特性的作用效果，繪制了試樣壓實(shí)度為94%、96%、98%下動(dòng)彈模量應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。從圖3可以看到：試樣在不同壓實(shí)度下，動(dòng)應(yīng)變-動(dòng)彈性模量曲線的變化趨勢(shì)相同。隨著壓實(shí)度的增加，動(dòng)彈性模量不斷增加。其主要原因是壓實(shí)度增加后，試樣的密實(shí)度更高，土顆粒間的孔隙變小，使得土體抗剪強(qiáng)度增加。

當(dāng)壓實(shí)度為98%時(shí)，動(dòng)彈性模量從257.19kPa減小到211.79kPa，減小了17.65%；當(dāng)壓實(shí)度為96%時(shí)，動(dòng)彈性模量從241.57kPa減小到198.87kPa，減小了17.68%；當(dāng)壓實(shí)度為94%時(shí)，動(dòng)彈性模量從231.06kPa減小到190.47kPa，減小了17.57%。

改良土的最大動(dòng)彈性模量為257.19kPa，最小動(dòng)彈性模量為190.47kPa。試驗(yàn)壓實(shí)度在94%～98%之間，改良土隨著動(dòng)應(yīng)變的變化，動(dòng)彈性模量衰減率在17.57%～17.68%之間變化，并且動(dòng)彈性模量的衰減量隨著壓實(shí)度的增加而增加。

4.4" "動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系

4.4.1" "動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變擬合曲線

將不同圍壓、不同頻率、不同壓實(shí)度試樣的動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，其擬合曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。從中可以看到擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.97。

4.4.2" "動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變關(guān)系曲線相關(guān)參數(shù)

不同影響因素的動(dòng)彈性模量（1/Ed）與動(dòng)應(yīng)變（εd）關(guān)系曲線相關(guān)參數(shù)如表5所示。在其他因素相同的情況下，鋼渣改良土填料的最大動(dòng)彈性模量（Edmax）與圍壓成正比，并隨著圍壓的增大而增加；鋼渣改良土填料的Edmax與荷載頻率成正比，并隨著荷載頻率的增大而增加；鋼渣改良土填料的Edmax與壓實(shí)度成正比，并隨著壓實(shí)度的增大而增加。

5" "結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)鋼渣改良土路基填料的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)鋼渣改良土在不同圍壓、不同振動(dòng)頻率、不同壓實(shí)度下的動(dòng)彈性模量展開研究。得到如下研究結(jié)果：

隨著圍壓、振動(dòng)頻率及壓實(shí)度動(dòng)應(yīng)變的增加，其動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，不同工況下所有動(dòng)彈性模量值隨著動(dòng)應(yīng)變的增加不斷減小。將不同圍壓、不同頻率、不同壓實(shí)度試樣的動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合后，動(dòng)彈性模量值隨著圍壓、振動(dòng)頻率、壓實(shí)度的增加而增加。

主要因?yàn)閲鷫骸⒄駝?dòng)頻率、壓實(shí)度約束力增加，造成顆粒間接觸應(yīng)力顯著增大，進(jìn)而使試樣在外部荷載作用下的形變能力減弱，使導(dǎo)致動(dòng)彈性模量增大。通過(guò)擬合可知，不同圍壓、不同振動(dòng)頻率、不同壓實(shí)度的動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變之間成線性相關(guān)，鋼渣改良土的擬合效果較好，具有參考價(jià)值。

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