沙漠地区风积沙动力特性试验研究

惠林冲 罗 强 李 杰 甫尔海提·艾尼瓦尔 郑天赞

(1.山西路桥建设集团有限公司 太原 030000;2.新疆那巴高速公路发展有限责任公司 和静 841300; 3.长安大学公路学院 西安 710061)

风积沙具有结构松散、级配不良、孔隙率大、强度较低、沉降均匀等特点,其分布广泛、储量丰富、取材方便[1]。由于风积沙无黏性、黏聚力小甚至无黏聚力、透水性好、颗粒较细、含水量少、保水性差、毛细虹吸作用不发达等特点,在外力作用下极易松散和位移。随着在沙漠地区修建公路,风积沙相关力学特性也需要研究,通过开展相关试验得到风积沙力学参数,为沙漠地区公路建设提供理论依据。近几年国内外学者已经针对风积沙路基的填筑技术进行了较多研究,但这些研究多集中在风积沙材料的物理性质、压实技术,以及施工标准等方面。袁玉卿等[2]通过一系列试验研究了风积沙压实特性,发现风积沙击实曲线在含水率为0和最优含水率下达到峰值,呈横倒的“S”形。风积沙的最佳振动频率为45～50 Hz。刘大鹏等[3]通过动三轴试验研究了风积沙在循环荷载作用下的累积塑性应变特点,分析了各个基本因素对风积沙动力特性的影响,得出了风积沙在循环荷载作用下的累积塑性应变特点。赵莉[4]针对不同车速、行驶密度等因素对路基产生不同荷载频率的实际工程问题,系统分析了荷载频率和循环应力比对粗粒土长期动力特性的影响规律。综上所述,以往对风积沙的压实特性、静力特性,以及改良研究较多,而对风积沙填料在循环动载作用下的动力特性研究较少。为了系统研究风积沙累积塑性应变随动应力幅值、围压,以及含水率的变化规律,本文开展风积沙在循环荷载作用下的动三轴试验,以期为沙漠公路施工和维护提供试验依据。

1 动三轴试验

试验通过GDS动三轴仪器开展。风积沙填料取自新疆S21阿勒泰至乌鲁木齐高速公路。黄花沟至乌鲁木齐段路线总长229.19 km,穿越荒漠及古尔班通古特沙漠路段长达150.09 km,全部为新建,采用高速公路标准建设。依据土工试验规范对土样进行颗粒分析,发现其粒径主要分布在0.075～0.50 mm之间。风积沙的级配曲线见图1。不均匀系数Cu=1.63<5,曲率系数Cc=1.02,颗粒级配不良。

图1 颗粒级配曲线

沙漠高速公路的基层对压实系数的要求很高。基层床底的填料压实度应不低于0.96。S21高速公路多采用风积沙作为路基底部的填料。压实度应根据实际施工情况来选择。K=0.96样品直径为50 mm,高度为100 mm。样品的制备采用压实法。为了保证样品制备的均匀性,压实工作分5层完成。控制质量和击实功来达到要求压实度,每层击实完后进行刮毛防止分层。制样过程依据GB/T 50123-2019 《土工试验方法标准》[5]执行,风积沙的基本物理力学指标见表1。

表1 风积沙的基本物理力学指标

2 试验方案

为模拟路基不同深度处的约束环境,本次试验采用围压σ3=20,40和60 kPa,代表路基顶面到基底三部分。含水率取10%,12%,14%,试验结果见表2。

表2 动三轴试验方案

S21公路设计车速120 km/h,且按照超高速理念设计,设计车速可达到140 km/h。考虑到公路车辆实际速度和试验加载的方便,试验加载频率取f=1.0,3.0 Hz。试验加载中循环动应力比ξ=1,3,5。加载最大振次为10 000次,加载波形采用半正弦波,波形示意见图2。

图2 加载波形示意图

3 试验结果与分析

3.1 循环荷载下试样轴向应变随循环次数变化规律

以最优含水率wopt=12.0%试样为例,说明循环荷载作用下,风积沙试样的轴向应变随循环次数的变化规律见图3。

图3 轴向应变随循环次数变化曲线

轴向应变由可恢复的弹性应变εe和永久的塑性应变εp组成,塑性应变εp随循环次数的增加不断积累[6]。由图3可知,风积沙试样的轴向应变受循环荷载作用影响,呈周期性增大。在每个循环周期内,轴向应变先增大后减小;加载初期,风沙颗粒内部在动载作用下发生较大错位,轴向应变增长较快;随着循环次数的增加,应变增长逐渐减慢,曲线趋于稳定,达到10 000次时轴向应变为2.15%。图3b)轴向应变曲线有明显的周期性波动,曲线发展比较迅速,累积塑性应变累积较快;图3c)轴向应变基本稳定,累积塑性应变趋于平稳。图3b)与图3c)中曲线变化不同的原因主要是风积沙颗粒没有黏聚力,在循环动载作用下,风积沙颗粒在空间上发生错位,颗粒之间接触更加紧密直至达到位移稳定,宏观上表现出2条曲线轴向应变的不同变化。

3.2 不同围压时累积塑性应变

图4 不同围压时塑性应变随振次变化

由图4可知,随着围压的增大,风积沙累积塑性变形逐渐减小。因围压增大,土体颗粒约束和咬合作用增加,微观上表现为加强颗粒间嵌入和啮合,发生相对错动更加困难,宏观上表现为更大的咬合力,故累积塑性应变就越小。相同围压时,增大动应力幅值,累积塑性应变变化较大,可见动应力幅值对应变影响较大。

3.3 不同含水率时累积塑性应变

含水率分别为10%,12%,14%时,轴向累积塑性应变随振次变化曲线见图5。

图5 不同含水率时塑性应变随振次变化

由图5可知,在保持最大干密度相同的情况下,轴向累积塑性应变随含水率增大而增大,3种含水率情况都是在最优含水率下击实成型,保证压实度一致,含水率变小相当于模拟了风积沙填料排水固结的情况,含水率变大相当于模拟了路基内进水的情况,可以看出含水率对塑性应变影响较大,在循环应力比更大的时候会更明显。含水率变小可以使颗粒之间接触更紧密,使试样更密实,应变变小;含水率变大在原来含水率基础上,在颗粒之间产生了水膜,减小了颗粒之间的摩擦作用,使风积沙抗剪强度减小,导致应变增大。

3.4 不同动应力幅值时累积塑性应变

围压20 kPa,动应力幅值σd=20,60,100 kPa,轴向累积塑性应变随振次变化曲线见图6。

由图6可知,围压相同时,轴向累积塑性应变随动应力幅值增大显著增大,可见动应力幅值对风积沙塑性应变影响很大,从幅值20 kPa增加到60 kPa时,变化还不是非常显著,当增大到100 kPa时,塑性应变显著增大,可见在重载交通下,风积沙填料变形明显。增大动应力幅值会使塑性应变平稳临界点右移,说明当幅值增大到一定程度,试样会直接破坏。在实际公路通车后的维护中,要注意对路上行驶车辆进行管控,避免超载情况对路造成不必要的损坏。

3.5 加载频率对累积塑性应变的影响

加载频率分别为1,3 Hz时,围压20 kPa,动应力幅值σd=20,60,100 kPa,轴向累积塑性应变随振次变化曲线见图7。

图7 不同加载频率下塑性应变随振次变化曲线

由图7a)、b)、c)可知,相同围压,不同的动应力幅值,轴向累积塑性应变均随着加载频率增大而增大,从宏观上看,在一定加载频率内,频率越大,说明动载在单位时间内对同一点作用次数增加,应力传递次数同样增加,从而应变增大;由图7d)可见,不同的动应力幅值下加载频率对塑性应变的影响规律是相同的,并且相同围压时,动应力幅值越大,对应的应变越大,与之前的分析规律一致。

4 结语

通过对风积沙填料进行动三轴试验,分析了风积沙试样在围压、含水率、动应力幅值、荷载频率4个影响因素下的轴向累积塑性应变变化规律,得出以下结论。

1) 风积沙试样在循环荷载加载初期轴向应变和塑性应变增加较快,随着循环次数增加,应变逐渐稳定达到平稳。

2) 相同动应力幅值时,风积沙轴向累积塑性应变随围压增大而减小,实际工程中可以通过增大路基约束来减少沉降变形。

3) 在保证最大干密度相同的情况下,风积沙轴向累积塑性应变随含水率增大而增大,实际工程防护中,应加强路基内部排水能力。

4) 保证围压相同时,风积沙累积塑性应变随动应力幅值呈非线性增长趋势,可见应力幅值对风积沙试样塑性应变影响很大,公路通车期应注意超载车辆的控制,以免造成路面开裂和不均匀沉降。

5) 其他影响条件相同时,风积沙试样轴向累积塑性应变随加载频率增大而增大,且动应力幅值越大,加载频率的影响越明显。

6) 根据上述试验结果及分析,针对沙漠地区高速公路路基,增大路基围压约束,可减少路基沉降变形;路基修筑同时,保证截排水结构设施完善,防止水分降低路基稳定性,如有降雨特殊地区,可采取特殊措施加强路基内、外部排水功能;公路通车期间,重载交通量大,应定时对路基变形情况进行检测维修,以免造成更大破坏影响交通;超高速公路应提高路基的压实强度及承载力,以降低频率对其的影响。

7) 在以上研究中,考虑加载频率对风积沙填料动力特性的影响,在未来研究中可以模拟高频和重载交通下的状态研究,为沙漠地区高速铁路建设提供理论依据。