软岩路堤填料干湿循环大型压缩变形试验研究

2018-06-05 11:07  来源:岩土网  阅读:1176
为研究软岩路堤填料在气候环境作用下压缩变形特性的演化规律,针对贵州省三黎高速公路强~中风化板溪群板岩填料,开展了不同干湿循环次数条件下的大型压缩变形试验。试验结果表明:干湿循环会降低软岩填料的峰值压缩模量,但干湿循环3次和5次时其峰值压缩模量已十分接近,可认为当干湿循环达到5次时,峰值压缩模量趋于稳定;强~中风化板溪群板岩路堤适宜填筑高度上限为20m,当路堤高度大于20m时,应采用冲击碾压或强夯等补强措施来提高路基压实度,增大填料压缩硬化区间上限,减少工后沉降变形量。另外,本文对软岩路堤填料的干湿循环大型

软岩路堤填料干湿循环大型压缩变形试验研究

张静波1,何斌1,杨露2,吕岩松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:为研究软岩路堤填料在气候环境作用下压缩变形特性的演化规律,针对贵州省三黎高速公路强~中风化板溪群板岩填料,开展了不同干湿循环次数条件下的大型压缩变形试验。试验结果表明:干湿循环会降低软岩填料的峰值压缩模量,但干湿循环3次和5次时其峰值压缩模量已十分接近,可认为当干湿循环达到5次时,峰值压缩模量趋于稳定;强~中风化板溪群板岩路堤适宜填筑高度上限为20m,当路堤高度大于20m时,应采用冲击碾压或强夯等补强措施来提高路基压实度,增大填料压缩硬化区间上限,减少工后沉降变形量。另外,本文对软岩路堤填料的干湿循环大型压缩变形试验方法进行了探讨,可为同行提供参考。

关键字:软岩 填料 干湿循环 压缩变形试验

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)位于黔东南地区,沿线广泛分布前震旦系板溪群(Ptbn)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,随着气候环境的变化,是否会出现因填料压缩模量急剧衰减导致的路堤大变形是项目建设者非常关心的一个问题。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压缩变形试验研究,试验数据将用以估算高速公路通车运营后软岩路堤的工后沉降量。

关于干湿循环条件下软岩填料的压缩变形试验,国内已有学者开展过相关研究,如谈云志等[1]针对湖南某高速公路取土场的泥岩填料开展了荷载-干湿循环共同作用下的压缩特性试验(试样尺寸为φ61.8 mm×20mm,烘干温度50℃),试样加热加载装置如下:在固结仪上部平板上放置加热片和石棉网,将固结仪圆形槽置于石棉网上,并把试样安装在固结仪中,通过砝码对试样进行加载。试验结果表明:在干湿循环效应下,泥岩的压缩具有明显的双峰值特性。胡甜等[2]利用自行研制的大型直剪试验仪,对红砂岩土石混合填料进行了反复浸水干、烘干的湿循环条件下的大型一维侧限压缩试验(试件尺寸为 0.5m×0.5m×0.3m,烘干温度105℃)。试验结果表明:干湿循环环境对红砂岩土石混合料的压缩变形有明显影响,反复浸水干湿循环后,红砂岩土石混合料的单位沉降量和压缩系数均呈逐渐增大趋势,且第二次干湿循环之前增长幅度较大,之后逐渐变缓;孔隙比也逐渐增大;前两次浸水干湿循环后压缩模量下降幅度较大,之后逐渐趋于稳定。红砂岩土石混合料反复浸水干湿循环后压缩性能有大幅度衰减,浸水红砂岩土石混填高路堤沉降计算时考虑干湿循环条件的影响更符合实际工况。孔震宁[3]采用大型直剪仪对湖南地区红砂岩进行了干湿循环压缩试验(试件尺寸为 0.5m×0.5m×0.3m,烘干温度105℃),结果表明:相同干湿循环次数下,孔隙比随着荷载的增大而减小。在荷载相同的情况下,压缩模量随干湿循环次数的增多而减小,6~10次干湿循环后压缩模量基本不变。曹光栩等[4]以某机场工程为背景,开展了碎石料的干湿循环变形试验(试样尺寸φ101 mm× 200 mm,自由排水0.5h)和计算方法研究,结果表明:干湿循环变形对填方体的长期沉降变形影响较大,开展碎石料以及土石混合料的循环湿化变形研究具有较大的理论意义和实用价值。

不难看出,目前关于软岩干湿循环压缩试验方法业内还未能取得一致意见,试件尺寸、干燥方法、试验仪器也各不相同,但有一点结论是明确的:干湿循环效应对于软岩填料的压缩特性和软岩路堤的长期沉降变形有较大影响,开展软岩干湿循环压缩变形试验研究具有较大的工程意义。本文选择三黎高速公路强~中风化板岩填料开展了不同干湿循环次数的大型压缩变形试验,对软岩填料的大型压缩变形试验方法和三黎高速强~中风化板溪群板岩干湿循环条件下压缩变形特性演变规律进行研究,以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)[5],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。原始级配和试验级配对比见图1。

图片未命名

图1原始级配和试验级配对比图

Fig 1. Comparison diagram of original gradation and test  gradation

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

固结试验采用大型压缩变形仪,试样尺寸Φ500×H250mm,最大竖向压力1.6MPa。仪器图片见图2,设备主体包括刚性反力架,轴向油压千斤顶、浮环式压缩缸。

图片未命名

图2 大型压缩变形试验仪

Fig2 Large scale consolidation compression test instrument

1.3试验方法

为模拟气候环境影响的干湿循环试验,试件干燥状含水率应接近于长期不降雨时边坡中填料的含水率,其潮湿状态含水率应接近于连续降雨时边坡中填料的含水率,但实际试验时,一是因为现场边坡中填料的干湿状态含水率难以准确获得,二是室内试验时填料含水率也难以准确控制,再者,工程人员更关心的是长期干湿循环作用之后的最不利状态,因此,本课题在开展试验研究时,将干燥状态确定为通过重力排水+吹气辅助排水至连续30s时间不再有水滴流出;潮湿状态按饱和状态考虑。

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,再开始压缩变形试验。大型压缩变形试验方法参照《土工试验规程》(SL237-1999)[5]。

2试验成果整理

强至中风化板岩大型压缩变形试验成果详见表1~表3,根据试验成果整理得到压缩试验曲线见图3~图5。

表1 干湿循环下各压力范围的压缩模量

Tab1. Compression modulus of each pressure range under dry wet cycles

图片未命名

表2 干湿循环下各级压力对应孔隙比

Tab2. Void ratio at all levels of pressure under dry wet cycles

图片未命名


表3 干湿循环下各级压力对应沉降变形

Tab3. Settlement deformation at all levels of pressure under dry wet cycles

图片未命名

图3 不同干湿循环次数下压缩模量与竖向荷载关系曲线

Fig.3 The curves between compression modulus and vertical load under different dry wet cycles  

图片未命名

图4不同干湿循环次数下孔隙比与竖向荷载关系曲线

Fig.4 The curves between void ratio and vertical load under different dry wet cycles

图片未命名

图5 不同干湿循环次数下沉降变形与竖向荷载关系曲线

Fig. 5 The curves between settlement deformation and vertical load under different dry wet cycles

3.试验成果分析

1从表1和图3可以看出,强~中风化板溪群板岩填料的压缩模量呈现先硬化后软化的特征,压缩模量具有明显的峰值,该峰值点清晰的区分了压缩硬化阶段和压缩加速变形阶段,峰值压缩模量出现在竖向荷载0.2MPa~0.4MPa区间内;

2干湿循环次数会降低试样的峰值压缩模量,但干湿循环3次和5次其峰值压缩模量已十分接近,即可认为当干湿循环达到5次以上时,峰值压缩模量逐步趋近于某一个值,此处可认为趋近于50MPa;

3荷载进一步增大时,各干湿循环次数下的压缩模量都趋近于某一个值,此处可认为是25MPa,而与干湿循环次数的关系不是十分明显。

4从表2、表3和图4、图5可以看出,当荷载增大时,强~中风化板岩填料的孔隙比随之减小,沉降变形随之增大,但在荷载P≤0.4Mpa时,填料在相同压力不同干湿循环次数条件下的孔隙比和沉降变形值差异不大,可以认为荷载P≤0.4Mpa时干湿循环次数对该填料的孔隙比和沉降变形没有造成明显影响。

5将表3中的沉降变形数据除以试样高度可以求得沉降变形率,荷载用土柱高度进行等代,可得表4。

表4 不同填高处路基沉降变形率

Tab4. Settlement rate of different filling height

图片未命名


根据表4中的数据,采用分层总和法可以近似估算不同填高路基总沉降量,并采用线性插值法插入填高30m数据,见表5和图6。

表5 不同填高路堤预估总沉降量

Tab 5.Estimated total settlement of different filling height

图片未命名

图6 不同填高路堤预估沉降变形量

Fig 6.Estimated total settlement of different filling height

从表5和图6中可以看出,该类填料在填高小于20m时,5次干湿循环作用将造成3.8cm的工后沉降,当填高为分别30m和40m,忽略粗粒料试验的个别异常数据,干湿循环效应将会分别造成约10cm和15cm的工后沉降。因此,可以近似地认为该填料的适宜填高不大于20m。当路基高度大于20m时,应采用冲击碾压或强夯等补强措施来提高路基压实度,增大填料压缩硬化区间范围,减少工后沉降变形量。

6从上述分析可以看出,强~中风化板溪群板岩填料的在干湿循环条件下,其压缩变形特性较好,这与该填料的矿物成分中亲水矿物含量相对较少(仅含伊利石,且含量<16%)[6]有关系,也与文献[6][7]揭示的该类填料其他工程特性相适应。干湿循环对其他亲水矿物含量较高的软岩压缩变形特性影响会较大,今后可考虑开展亲水矿物含量与干湿循环作用下压缩变形特性之间的关系研究。

4.结论

1强~中风化板溪群板岩填料的压缩模量呈现先硬化后软化的特征,压缩模量具有明显的峰值,该峰值点清晰的区分了压缩硬化阶段和压缩加速变形阶段,峰值压缩模量出现在竖向荷载0.2MPa~0.4MPa区间内。

2干湿循环次数会降低软岩填料的峰值压缩模量,但干湿循环3次和5次其峰值压缩模量已十分接近,即可认为当干湿循环达到5次以上时,峰值压缩模量逐步趋近于某一个值。对于强~中风化板溪群板岩而言,可认为其峰值压缩模量趋近于50MPa。

3干湿循环大型压缩变形试验成果可以用来预估软岩路基的适宜填筑高度,就三黎高速公路强~中风化板溪群板岩填料而言,其适宜填高应不大于20m。当路基高度大于20m时,应采用冲击碾压或强夯等补强措施来提高路基压实度,增大填料压缩硬化区间应力上限值,减少工后沉降变形量。

4强~中风化板溪群板岩填料的在干湿循环条件下,其压缩变形特性较好,这与该填料的矿物成分中亲水矿物含量相对较少有关。干湿循环对其他亲水矿物含量较高的软岩压缩变形特性影响会较大,今后可考虑开展亲水矿物含量与干湿循环作用下压缩变形特性之间的关系研究。


参考文献

[1]谈云志,胡莫珍,周玮韬,左清军,汪洪星,喻波. 荷载-干湿循环共同作用下泥岩的压缩特性[J]. 岩土力学,2016,08:2165-2171.

[2]胡甜,赵健,洪雄杰,郭巍. 干湿循环下红砂岩路基填料压缩特性试验研究[J]. 工程勘察,2013,08:15-19.

[3]孔震宁. 干湿循环对红砂岩工程特性的影响分析[J]. 公路与汽运,2015,05:93-96.

[4]曹光栩,宋二祥,徐明. 碎石料干湿循环变形试验及计算方法[J]. 哈尔滨工业大学学报,2011,10:98-104.

[5]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.

[6]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.

[7]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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张静波

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