循环荷载下高填方风积沙路基变形规律研究

刘明明 李绪森 郑天赞

(1.黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司 哈尔滨 150006; 2.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,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。我国西部区域内有大面积风积沙土质的沙漠,因此采用风积沙作为工程材料是沙漠地区的必选。近年来沙漠地区部分路段多为高填方路基,填筑高度已经达到18 m,远远超过常规路基高度,这将影响风积沙路基的稳定性。我国对风积沙路基的填筑技术进行了较多的研究,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[2],沉降变形规律也局限在低填方路基方面,而在高填方风积沙路基沉降变形规律方面的研究很少,尤其是高填方风积沙路基的长期实时监测数据更少。为此,研究高填方风积沙路基沉降变形规律,确保高填方风积沙路基长期稳定成为风积沙有效利用的关键。

本文结合新疆阿乌高速公路某标段,拟对高填方风积沙路基沉降变形进行长期动态观测,采用一维压缩固结理论对其沉降变形进行计算分析,得到高填方风积沙路基的沉降变形规律。

1 循环荷载下风积沙变形特性试验

1.1 基本物理试验

采用标准击实试验和筛分试验,获得风积沙填料的击实曲线和颗粒级配曲线,见表1、表2。

表1 风积沙击实结果

表2 风积沙筛分结果

由标准击实试验得到,用到的风积沙最佳含水率为12%,对应最大干密度为1.92 g/cm3,对土样进行颗粒分析,发现其粒径主要分布在0.075～0.250 mm之间,含量高达91.5%,大于0.250 mm的颗粒极少,仅为2.7%,小于0.075 mm的颗粒也只有5.8%。风积沙的级配曲线见图1。

图1 颗粒级配曲线

不均匀系数Cu=1.95<5,曲率系数Cc=1.03,颗粒级配不良。

1.2 试验设计

试样采用古尔班通古特沙漠腹地的风积沙,采用人工击实的方法,试件直径50 mm、高度100 mm,分层击实以满足压实度要求,试样分为3组,含水率分别为10%,12%(最优含水率),14%。考虑风积沙路基实际所受的荷载情况,加载时采用5 Hz的半正弦荷载,围压取20 kPa,循环偏应力取100 kPa,循环应力比为5,进行动三轴试验(见表3),测试风积沙材料在循环荷载作用下轴向累积塑性应变的变化情况;为和现场监测站数据做比较,进行试样在围压40 kPa、循环偏应力120 kPa、加载频率为1 Hz试验。

表3 动三轴试验方案

1.3 试验结果分析

图2给出了不同含水率下,围压和循环应力比相同风积沙塑性应变变化曲线。

图2 不同含水率下风积沙塑性应变

由图2可见,在相同的最大干密度下,试样的轴向累积塑性应变随着含水率增大而增大[3]。在最优含水率下击实,对应风积沙的最大干密度,可以达到要求的最大压实度,颗粒之间接触更加充分;增大含水率,会使对应的干密度降低,颗粒之间生成一层水膜,过量的水会减少风积沙颗粒之间的接触闭锁作用,压实度降低,导致塑性应变增大;减小含水率,是在最大干密度相同的情况下,通过将试样放在烘箱里使含水率降低,土样干质量不变,总质量变小,使干密度变大,试样更加密实,塑性应变减小[4]。

图3给出了相同循环偏应力120 kPa、围压分别为40,60 kPa下的轴向累积塑性应变。

图3 不同围压下风积沙轴向塑性应变

由图3可见,相同动应力幅值,围压越大,轴向累积塑性应变越小[5],由于围压增大,对试样的约束作用变大,使得变形减小,荷载频率1 Hz符合现场车辆荷载的一般运动频率,可以真实反映在循环动荷载下风积沙路基变形情况,由图3看出,在加载初期,出现明显的塑性应变,随着时间增加塑性应变基本稳定[6]。

2 路基沉降观测

2.1 沉降仪布设

为对高填方风积沙路基变形规律进行监测,风积沙路基底部铺设底座观测钢板并对钢板进行高程测量,在埋设传感器的过程中不断测量分层沉降计管顶高程,并建立高程基准模型,使高程延续到地下分层测量点处。每层沉降量值=测量分层管沉降量+分层传感器沉降量。从2020年12月路基完工至今已连续观测24个月,采用北斗卫星传导遥感通信技术,将每小时采集的1次数据传输到数据采集中心。监测断面位于K224+555.8,路基高度为18 m。在该监测断面,距离路基顶面2.3 m处,放置沉降杆,分尺沉降移动尺标间隔3 m布设,沉降杆底部设有钢板以固定沉降杆,由于路基高度为18 m,沉降观测范围为路基顶面以下10 m,钢板以下路基部分受上部荷载作用小,故不需要进行沉降监测。沉降计布设示意图见图4。

图4 沉降计布设示意图

2.2 沉降观测结果

该观测站在18 m高度路基中距路基顶面10 m范围内布设了沉降杆,设置了3个沉降计,将该部分路基分为3层,分别观测3层的沉降变形,每层沉降量值=测量分层管沉降量+分层传感器沉降量。3个沉降计-沉降过程曲线见图5。

图5 各沉降计沉降过程曲线

根据观测曲线,得到以下沉降观测结果:①沉降观测初期,路基处于施工初期,沉降计均出现了较大程度的沉降,沉降量不稳定且沉降速率大,这是因为施工初期重载化施工车辆荷载反复作用并直接作用在路基顶部导致的;②在沉降观测中后期,沉降量逐渐趋于稳定,在观测仪器误差允许范围内没有出现较大的沉降起伏;③沉降计1测得的沉降量小于沉降计2和沉降计3,且沉降计3测得的沉降量远远大于其他2个,这是因为沉降计3处于沉降杆上部,最接近路基顶部,填方高,风积沙受自身重力作用较路基中下部小,加之风积沙不易压实,根据外部荷载在路基内部传递特点,沉降计3受荷载作用最大。总体来看,高填方风积沙路基沉降状态良好。沉降变化规律见表4。统计分析结果发现,沉降计所记录结果与试验室内分析规律基本相同。

表4 沉降变化规律表

3 结语

本文通过分析现场监测站风积沙路基的沉降数据,开展了风积沙填料相关的室内动力特性试验,分析了风积沙填料路基在循环荷载作用下的沉降变形规律,得出以下结论。

1) 风积沙路基在填筑完成初期轴向累积塑性变形较大,一段时间后变形基本稳定且保持在可控范围内,可着重注意风积沙路基的初期防护。

2) 降低含水率可使风积沙试样的动力行为趋于稳定;降低风积沙试样轴向累积塑性应变的大小及发展速度,对于预防风积沙填料在动荷载重复作用下的动力失稳及过大累积变形有积极作用。

3) 在相同的循环次数下,风积沙填料的塑性应变随着围压的增大而减小,随着含水率的增大而变大。

4) 现场施工时,严格控制压实时的含水率,保证土样最大干密度,同时加强对路基的约束作用,可有效降低路基的沉降变形。

5) 现场监测站的实测沉降变形数据通过结合室内试验可有效指导未来风积沙高填方路基沉降变形研究。