强~中风化板溪群板岩填料干湿循环动力特性的试验研究

2018-05-28 14:55  来源:岩土网  阅读:1070
为贯彻《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)动力设计思想,针对贵州省三黎高速公路强~中风化板溪群板岩填料,开展了不同动应力幅值和不同干湿循环次数条件下的大型动三轴试验。试验结果表明:三黎高速公路强~中风化板岩填料的动力稳定性和干湿循环工程特性较好,是一种良好的路堤填料。另外,本文对软岩路堤填料的干湿循环大型动三轴试验方法进行了探讨,结果表明该试验方法还很不成熟,实际工程中,开展软岩路堤现场原位测试(如Evd、K30、弯沉等)并寻求测试成果与动态回弹模量之间的相关性会更有意义。

强~中风化板溪群板岩填料干湿循环动力特性的试验研究

张静波1,何斌1,吕岩松2,陈羽 2,江洎洧3

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,武汉 430056;

2. 贵州高速公路集团有限公司,贵阳 550004;

3. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉  430010)

    摘要:为贯彻《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)动力设计思想,针对贵州省三黎高速公路强~中风化板溪群板岩填料,开展了不同动应力幅值和不同干湿循环次数条件下的大型动三轴试验。试验结果表明:三黎高速公路强~中风化板岩填料的动力稳定性和干湿循环工程特性较好,是一种良好的路堤填料。另外,本文对软岩路堤填料的干湿循环大型动三轴试验方法进行了探讨,结果表明该试验方法还很不成熟,实际工程中,开展软岩路堤现场原位测试(如Evd、K30、弯沉等)并寻求测试成果与动态回弹模量之间的相关性会更有意义。

    关键字:软岩 填料 干湿循环 动力特性 动三轴

    中图分类号: TU411       文献标志码: A            文章编号:

    0引言

    三穗至黎平高速公路(以下简称三黎高速)位于黔东南山区,沿线广泛分布前震旦系板溪群板岩,约占线路总长的84%。全线路基填方约2200×104m3,拟全部利用隧道弃渣及路堑挖方产生的板岩填筑。板岩属于软岩,具有易崩解、易软化、强度衰减大等特性。如此大面积的利用板岩填筑路堤,在高速公路建成运营后,随着气候环境变化以及行车荷载的循环作用,是否会出现因填料回弹模量的衰减导致路面大范围开裂是项目建设者非常关心的一个问题。

    2015版《公路路基设计规范》(JTG D30)[1]明确提出了“路基应以路床顶面(动态)回弹模量为设计指标,以路床顶面竖向压应变为验算指标”的设计要求,并要求路基填料的回弹模量应按照附录A“路基土动态回弹模量标准试验方法”通过试验获得;受试验条件限制时,可按附录B“路基图动态回弹模量取值范围”,根据土组类别及粒料类型查表取参考值;正在修订的《公路沥青路面设计规范》(JTG D40)也是采用动态回弹模量作为设计指标、竖向压应变作为验算指标,并提出了路床顶面回弹模量要求:轻交通荷载等级时不小于40Mpa,中等或重交通荷载等级时不小于60Mpa,特重交通荷载等级时不小于90Mpa。可见路基路面协同设计、动力设计已成为业内共识。为了综合反映气候环境及行车荷载作用下软岩的动力力学特性,课题组采用干湿循环的技术手段来模拟气候环境对软岩填料的影响,并开展了强~中风化板溪群板岩填料干湿循环条件下大型动三轴试验研究,试验成果将用于评价高速公路强~中风化板岩填料干湿循环条件下的动力特性稳定性。

    关于粗粒土填料的动三轴试验,国内已有学者开展过相关研究,周文权、冷伍明等[2][3]采用MTS加载系统对循环荷载作用下路基粗粒土填料临界动应力和累积变形特性进行了试验研究(试件直径300mm,高600mm),获得路基粗粒土填料的临界动应力和累积应变随围压和含水率变化的系列关系数据和变化规律;提出了基于累积变形发展趋势的路基粗粒土变形稳定界限状态和判别准则。张誉、贾彬等[4][5]采用GDSLABV2动态三轴测试系统对砂卵石土进行室内动三轴试验(试件直径150mm,高300mm,),对饱和砂卵石土的动力特性进行了较为深入地研究。试验结果表明,砂卵石土呈现出动弹性模量随动应变的增大而非线性地降低,动荷载频率对动弹性模量影响很小,动弹性模量随着固结比的增大而显著增大的规律。孙绪康等[6]采用 UTM-25 中型三轴室对不同压实度及含水量条件下的级配碎石进行回弹模量测定(试件直径100mm,高200mm,加载频率1Hz,其中作用时间0.1s,间歇时间0.9s),并分析了压实度、含水量及应力条件对材料动回弹模量的影响规律。结果表明:相较于含水量而言,压实度对模量的影响不大;整体上,动回弹模量随偏应力的增长而增长,但随着围压的增长,增长率却愈来愈小。王随原等[7]澳大利亚产UIM100进行了3种级配碎石的动三轴试验(试件直径150mm,高300mm,加载频率 1Hz,其中作用时间0.1s,间歇时间0.9s),分析了体应力、偏应力、含水量、级配类型对回弹模量的影响。试验结果表明,级配碎石回弹模量随含水量的减小、围压应力的增大而显著增大;随偏应力的增大而缓慢增大或先略有减小再缓慢增大(低应力状况下);级配类型对回弹模量也有一定影响。

    不难看出,目前关于粗粒土填料的动三轴试验方法业内还未能取得一致意见,各自根据自身项目特点、试验条件等因素自行设计试验,试件的尺寸、试验设备也各不相同,有关软岩的动力特性特别是干湿循环条件下的动力特性试验则更未曾见到。本文选择三黎高速公路强~中风化板岩填料开展了不同动荷载幅值、不同干湿循环次数条件下的大型动三轴试验。试验成果将被用于评价强~中风化板岩的路用动力特性,软岩路堤填料干湿循环动三轴试验方法可供今后开展相似试验和研究参考。

    1试验材料、仪器及方法

    1.1试验材料

    为了让试验更加贴近工程实际,试样制备前,需预先在已碾压成型质量监测合格的强~中风化板岩路基段,选取尺寸约50cm×50cm的试点三处,下挖约30cm,分别进行筛分试验,并对筛分数据进行处理,获得强~中风化板岩填料现场压实的原始级配。由于现场碾压所得级配有约3%的颗粒粒径超过了6cm,超过了压缩变形试验的上限,鉴于超限颗粒比例很小,参照《土工试验规程》(SL237-1999)[8],采用混合法对原设计级配进行缩尺是最为合适的,即先对设计级配按相似级配法缩尺,再对超径部分以60mm~5mm的粒径进行等量替代

    为控制压缩变形试验试样的密实状态,需预先开展填料的击实试验,以获取该类填料的最大干密度。因强~中风化板岩填料属粗粒料,击实试验需按照重型击实试验操作,试验击实筒尺寸为Ф300×H288mm,击锤质量35.2kg,击实功2688.2 kJ/m3。设计了5个含水率进行击实试验,分别为2%、3.5%、5%、6.5%和8%,最终得到该样的最大干密度为2.238g/cm3,对应最优含水率为约5%。按照93%的压实度要求,压缩变形试验中,强~中风化板岩填料的制样密度取2.082g/cm3。

    1.2 试验仪器

    动三轴试验采用电液伺服大型粗粒土动三轴仪进行,试样尺寸Φ300×H600mm,最大静围压5MPa,最大动围压2MPa,最大轴向静荷载1500kN,最大轴向动荷载500kN,仪器图片见图1。

 图片未命名

图1 大型动三轴试验仪

Fig1  Large scale dynamic three axis test instrument

    1.3试验方法

    试样采用浸泡结合真空抽气法实现试样的饱和,脱水时首先将浮环与浸水缸之间的水体抽出之后,再实现重力自由排水和充气辅助排水。经实测和计算,试样饱和含水率为22.4%,经重力自由排水后,含水率降至12%~13%,再经二氧化碳吹气辅助排水,直至连续30s时间不再有水滴流出为止,含水率降至8%左右。从充分排水后试样来看,对试样结构起骨架作用的粗颗粒表面已无明水痕迹,水主要集中在细颗粒之间。如此反复以达到相应的干湿循环次数,再开始动三轴试验。动三轴的试验方法参照《土工试验规程》(SL237-1999)[8]。试验参数见表1:

表1动三轴试验参数

Tab1 Dynamic three axis test parameters

图片未命名

    2试验成果整理

    图2~图3分别为不同动荷载幅值及不同干湿循环次数条件下试样回弹模量、轴向累计变形、最大超孔压与振次关系曲线图(注:振动初期试样存在应力变形初始平衡,故前50次振动数据不参与成果统计,故振次0对应实际振次50,以此类推)。

图片未命名

(a)动荷载幅值25kpa

图片未命名

图片未命名

图2动回弹模量与振次曲线

Fig2.Curves of dynamic resilient modulus and vibration times

图片未命名

(a)动荷载幅值25kpa

图片未命名

(b)动荷载幅值50kpa

图片未命名

(c)动荷载幅值100kpa

图3轴向累积变形与振次曲线

Fig 3.Curves of axial cumulative deformation and vibration times

图片未命名

图片未命名

(b)动荷载幅值50kpa

图片未命名

(c)动荷载幅值100kpa

图4最大超孔压与振次曲线

Fig 4.Curves of maximum excess pore pressure and vibration times

    3.试验成果分析

    1.动回弹模量:对于相同的干湿循环次数,除个别试样,基本呈现出随动荷载幅值增大而降低的趋势;而相同动荷载幅值条件下,其动回弹模量大致呈现随干湿循环次数增加而递增的趋势。表明强~中风化板岩填料本身结构并未受干湿循环而产生影响,加之动荷载幅值较小,干湿循环过程实际上有助于试样内部结构的调整,使试样结构趋于稳定。由于路基填料会经受干湿循环,因此25kpa、50kpa和100kpa动荷载条件下试样的稳定动回弹模量可分别取55MPa、48MPa和32MPa。若考虑到路基在施工过程中经受了更大的碾压荷载,其作为一种超固结材料动回弹模量可能会更高。

    2.轴向累积变形:经10000次振动,试样轴向变形在各级动荷载幅值作用下均能趋于稳定,轴向累积变形整体量值不大,最大值出现在经5次干湿循环、动荷载幅值100kpa工况下,变形量仅为2.67mm,对应轴向应变小于0.4%,表明试验所选取的三级动荷载不会对试样造成明显破坏,试样变形基本保持在弹性范围内,从相应的动回弹模量并未随振次增加而发生衰减也可以证明这一点。除个别试样,累积变形主要发生在振动初期1000次以内,随后变形基本稳定在一定范围内。在不同动荷载条件下,累积变形并未显著表现出随干湿循环次数增加而增加的规律,主要原因是干湿循环促使试样发生了预固结,这一部分变形未计入累积变形中,而干湿循环又未显著改变中风化板岩填料本身结构。但注意到,在100kpa动荷载条件下,经0次、1次和3次干湿循环,累积变形量基本一致,但对于5次干湿循环条件,其累积变形量虽未出现增长不收敛,但变形量值有显著提高,表明动荷载幅值提高到一定程度,干湿循环对中风化板岩填料的变形不利。

    3. 最大超孔压:从曲线及统计表可知,所有条件下,试样内部超孔压都未出现持续累积的现象,在共计10000次振动过程中基本保持恒定状态,表明试样的渗透性能良好。同时注意到,相同动荷载幅值条件下,经干湿循环后最大超孔压要略大于未经过干湿循环的试样,表明干湿循环过程改变了试样内部细颗粒的分布状态,使其产生局部聚集,渗透性能相比未经干湿循环的试样有所降低,但不会对试样的渗透性造成破坏性影响。

    4.试验测得动应力幅值为25Kpa、5次干湿循环条件下的动态回弹模量只有55Mpa,大致与《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[1]附录B中的低液限粉土、低液限粘土相当,这与文献[9]和文献[10]中揭示该类填料的其他工程特性以及轴向累计变形和最大超孔压所揭示的规律并不相称,究其原因主要有如下几点:

    1)目前尚没有统一的和标准的粗粒土动态回弹模量测试方法,关于软岩填料的干湿循环动态回弹模量试验则更是处于探索阶段。《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)附录A中规定动三轴试验施加荷载的频率为0.1~25Hz,范围很广,且未规定荷载作用和间歇时间,然而不同的荷载作用和间歇时间对测试结果有很大影响。就本文所述强~中风化板岩填料的动态回弹模量试验方法而言,由于受试验设备限制,荷载作用时间0.5s,间歇时间0.5s,加载频率也为1HZ,这个测试结果与荷载作用时间0.1s,间歇时间0.9s的加载方式测试出来的结果势必会有较大差距。

    2)与细粒土的动三轴试验不同,粗粒土的动三轴试验由于受试验设备所限,目前还不能实现非饱和条件下的准确测试,或说非饱和状态下的粗粒土动三轴测试数据非常离散,误差较大。因此,本试验的试样状态设定为饱和状态,而软岩填料在这一状态下测试出来的应变由于受填料湿化影响势必会有所增大,这将导致动态回弹模量测试值的减小。

    3)试验设定的动应力幅值为25Kpa、50Kpa、100Kpa,即动荷载幅值为1.8KN、3.6KN、7.2KN,由于受试验设备精度限制,实际施加时荷载往往达到2KN、4KN和8KN,这也会导致测试得到的应变增大,动态回弹模量值减小。

综上所述,软岩填料的干湿循环动三轴试验方法还很不成熟,开展能够间接表征软岩路堤动态回弹模量的现场原位测试(如Evd、K30、弯沉)更有工程意义。

    4.结论

    1.在试验给定的动应力幅值范围内,在不同动荷载条件下,试样累积变形并未显著表现出随干湿循环次数增加而增加的规律,试样变形基本保持在弹性范围内。

    2.在试验给定的动应力幅值范围内,相同动荷载幅值条件下,经干湿循环后最大超孔压要略大于未经过干湿循环的试样,表明干湿循环过程改变了试样内部细颗粒的分布状态,使其产生局部聚集,渗透性能相比未经干湿循环的试样有所降低,但并未对试样的渗透性造成破坏性影响。

    3.尽管由于种种原因导致本试验的动态回弹模量测试数值上不能准确地反映填料在标准状态下的动态回弹模量值,不能与《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[1]附录B中的数据进行比对,但从干湿循环条件下动态回弹模量、轴向累计变形值及最大超孔压的变化趋势,都说明三黎高速公路强~中风化板岩填料在干湿循环条件下的动力稳定性较好,是一种良好的路堤填料。

    4.软岩填料的干湿循环动三轴试验方法还很不成熟,实际工程中,开展软岩路堤现场原位测试(如Evd、K30、弯沉),并寻求测试成果与动态回弹模量之间的相关性会更有意义。


参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.公路路基设计规范(JTG D30-2015)[S].北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.

[2]冷伍明,周文权,聂如松,赵春彦,刘文劼,杨奇. 重载铁路粗粒土填料动力特性及累积变形分析[J]. 岩土力学,2016,(03):728-736.

[3]周文权,冷伍明,蔡德钩,刘文劼,陈锋. 循环荷载作用下路基粗粒土填料临界动应力和累积变形特性分析[J]. 铁道学报,2014,(12):84-89.

[4]张誉,孙方,贾彬,王汝恒. 砂卵石土在动荷载作用下的动弹性模量研究[J]. 四川建筑科学研究,2008,(06):119-122.

[5]贾彬,王汝恒. 砂卵石土动强度的试验研究[J]. 工业建筑,2006,(05):71-73+39.

[6]孙绪康,罗彦宏. 级配碎石动回弹模量影响因素分析[J]. 北方交通,2015,(07):77-80.

[7]王随原,罗志刚. 级配碎石动态回弹模量实验研究[J]. 地下空间与工程学报,2010,(04):735-741+746.

[8]中华人民共和国水利部.土工试验规程(SL237-1999)[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[9]李旗云,张静波,张晶. 贵州地区板溪群板岩填料路用工程特性及路基结构设计研究[J]. 公路工程,2016,04:135-139+149.

[10]詹永祥,姚海林,张静波,吴万平,冉小兵.三黎高速强至中风化板岩路基填筑技术研究[J].公路,2016,05:8-14.

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