強~中風化板溪群板巖填料干濕循環動力特性的試驗研究

強~中風化板溪群板巖填料干濕循環動力特性的試驗研究

張靜波1，何斌1，呂巖松2，陳羽 2，江洎洧3

（1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056；

2. 貴州高速公路集團有限公司，貴陽 550004；

3. 長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢  430010）

    摘要：為貫徹《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）動力設計思想，針對貴州省三黎高速公路強~中風化板溪群板巖填料，開展了不同動應力幅值和不同干濕循環次數條件下的大型動三軸試驗。試驗結果表明：三黎高速公路強~中風化板巖填料的動力穩定性和干濕循環工程特性較好，是一種良好的路堤填料。另外，本文對軟巖路堤填料的干濕循環大型動三軸試驗方法進行了探討，結果表明該試驗方法還很不成熟，實際工程中，開展軟巖路堤現場原位測試（如Evd、K30、彎沉等）并尋求測試成果與動態回彈模量之間的相關性會更有意義。

    關鍵字：軟巖 填料 干濕循環 動力特性 動三軸

    中圖分類號: TU411　　     文獻標志碼: A            文章編號：

    0引言

    三穗至黎平高速公路（以下簡稱三黎高速）位于黔東南山區，沿線廣泛分布前震旦系板溪群板巖，約占線路總長的84%。全線路基填方約2200×104m3，擬全部利用隧道棄渣及路塹挖方產生的板巖填筑。板巖屬于軟巖，具有易崩解、易軟化、強度衰減大等特性。如此大面積的利用板巖填筑路堤，在高速公路建成運營后，隨著氣候環境變化以及行車荷載的循環作用，是否會出現因填料回彈模量的衰減導致路面大范圍開裂是項目建設者非常關心的一個問題。

    2015版《公路路基設計規范》（JTG D30）[1]明確提出了“路基應以路床頂面（動態）回彈模量為設計指標，以路床頂面豎向壓應變為驗算指標”的設計要求，并要求路基填料的回彈模量應按照附錄A“路基土動態回彈模量標準試驗方法”通過試驗獲得；受試驗條件限制時，可按附錄B“路基圖動態回彈模量取值范圍”，根據土組類別及粒料類型查表取參考值；正在修訂的《公路瀝青路面設計規范》（JTG D40）也是采用動態回彈模量作為設計指標、豎向壓應變作為驗算指標，并提出了路床頂面回彈模量要求：輕交通荷載等級時不小于40Mpa，中等或重交通荷載等級時不小于60Mpa，特重交通荷載等級時不小于90Mpa?？梢娐坊访鎱f同設計、動力設計已成為業內共識。為了綜合反映氣候環境及行車荷載作用下軟巖的動力力學特性，課題組采用干濕循環的技術手段來模擬氣候環境對軟巖填料的影響，并開展了強~中風化板溪群板巖填料干濕循環條件下大型動三軸試驗研究，試驗成果將用于評價高速公路強~中風化板巖填料干濕循環條件下的動力特性穩定性。

    關于粗粒土填料的動三軸試驗，國內已有學者開展過相關研究，周文權、冷伍明等[2][3]采用MTS加載系統對循環荷載作用下路基粗粒土填料臨界動應力和累積變形特性進行了試驗研究（試件直徑300mm，高600mm），獲得路基粗粒土填料的臨界動應力和累積應變隨圍壓和含水率變化的系列關系數據和變化規律；提出了基于累積變形發展趨勢的路基粗粒土變形穩定界限狀態和判別準則。張譽、賈彬等[4][5]采用GDSLABV2動態三軸測試系統對砂卵石土進行室內動三軸試驗（試件直徑150mm，高300mm，），對飽和砂卵石土的動力特性進行了較為深入地研究。試驗結果表明，砂卵石土呈現出動彈性模量隨動應變的增大而非線性地降低，動荷載頻率對動彈性模量影響很小，動彈性模量隨著固結比的增大而顯著增大的規律。孫緒康等[6]采用 UTM-25 中型三軸室對不同壓實度及含水量條件下的級配碎石進行回彈模量測定（試件直徑100mm，高200mm，加載頻率1Hz，其中作用時間0.1s，間歇時間0.9s），并分析了壓實度、含水量及應力條件對材料動回彈模量的影響規律。結果表明：相較于含水量而言，壓實度對模量的影響不大；整體上，動回彈模量隨偏應力的增長而增長，但隨著圍壓的增長，增長率卻愈來愈小。王隨原等[7]澳大利亞產UIM100進行了3種級配碎石的動三軸試驗（試件直徑150mm，高300mm，加載頻率 1Hz，其中作用時間0.1s，間歇時間0.9s），分析了體應力、偏應力、含水量、級配類型對回彈模量的影響。試驗結果表明,級配碎石回彈模量隨含水量的減小、圍壓應力的增大而顯著增大;隨偏應力的增大而緩慢增大或先略有減小再緩慢增大(低應力狀況下)；級配類型對回彈模量也有一定影響。

    不難看出，目前關于粗粒土填料的動三軸試驗方法業內還未能取得一致意見，各自根據自身項目特點、試驗條件等因素自行設計試驗，試件的尺寸、試驗設備也各不相同，有關軟巖的動力特性特別是干濕循環條件下的動力特性試驗則更未曾見到。本文選擇三黎高速公路強～中風化板巖填料開展了不同動荷載幅值、不同干濕循環次數條件下的大型動三軸試驗。試驗成果將被用于評價強~中風化板巖的路用動力特性，軟巖路堤填料干濕循環動三軸試驗方法可供今后開展相似試驗和研究參考。

    1試驗材料、儀器及方法

    1.1試驗材料

    為了讓試驗更加貼近工程實際，試樣制備前，需預先在已碾壓成型質量監測合格的強~中風化板巖路基段，選取尺寸約50cm×50cm的試點三處，下挖約30cm，分別進行篩分試驗，并對篩分數據進行處理，獲得強~中風化板巖填料現場壓實的原始級配。由于現場碾壓所得級配有約3%的顆粒粒徑超過了6cm，超過了壓縮變形試驗的上限，鑒于超限顆粒比例很小，參照《土工試驗規程》（SL237-1999）[8]，采用混合法對原設計級配進行縮尺是最為合適的，即先對設計級配按相似級配法縮尺，再對超徑部分以60mm～5mm的粒徑進行等量替代

    為控制壓縮變形試驗試樣的密實狀態，需預先開展填料的擊實試驗，以獲取該類填料的最大干密度。因強~中風化板巖填料屬粗粒料，擊實試驗需按照重型擊實試驗操作，試驗擊實筒尺寸為Ф300×H288mm，擊錘質量35.2kg，擊實功2688.2 kJ/m3。設計了5個含水率進行擊實試驗，分別為2%、3.5%、5%、6.5%和8%，最終得到該樣的最大干密度為2.238g/cm3，對應最優含水率為約5%。按照93%的壓實度要求，壓縮變形試驗中，強~中風化板巖填料的制樣密度取2.082g/cm3。

    1.2 試驗儀器

    動三軸試驗采用電液伺服大型粗粒土動三軸儀進行，試樣尺寸Φ300×H600mm，最大靜圍壓5MPa，最大動圍壓2MPa，最大軸向靜荷載1500kN，最大軸向動荷載500kN，儀器圖片見圖1。

圖1 大型動三軸試驗儀

Fig1  Large scale dynamic three axis test instrument

    1.3試驗方法

    試樣采用浸泡結合真空抽氣法實現試樣的飽和，脫水時首先將浮環與浸水缸之間的水體抽出之后，再實現重力自由排水和充氣輔助排水。經實測和計算，試樣飽和含水率為22.4%，經重力自由排水后，含水率降至12%~13%，再經二氧化碳吹氣輔助排水，直至連續30s時間不再有水滴流出為止，含水率降至8%左右。從充分排水后試樣來看，對試樣結構起骨架作用的粗顆粒表面已無明水痕跡，水主要集中在細顆粒之間。如此反復以達到相應的干濕循環次數，再開始動三軸試驗。動三軸的試驗方法參照《土工試驗規程》（SL237-1999）[8]。試驗參數見表1：

表1動三軸試驗參數

Tab1 Dynamic three axis test parameters

    2試驗成果整理

    圖2~圖3分別為不同動荷載幅值及不同干濕循環次數條件下試樣回彈模量、軸向累計變形、最大超孔壓與振次關系曲線圖（注：振動初期試樣存在應力變形初始平衡，故前50次振動數據不參與成果統計，故振次0對應實際振次50，以此類推）。

（a）動荷載幅值25kpa

圖2動回彈模量與振次曲線

Fig2.Curves of dynamic resilient modulus and vibration times

（a）動荷載幅值25kpa

（b）動荷載幅值50kpa

（c）動荷載幅值100kpa

圖3軸向累積變形與振次曲線

Fig 3.Curves of axial cumulative deformation and vibration times

（b）動荷載幅值50kpa

（c）動荷載幅值100kpa

圖4最大超孔壓與振次曲線

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

    3.試驗成果分析

    1.動回彈模量：對于相同的干濕循環次數，除個別試樣，基本呈現出隨動荷載幅值增大而降低的趨勢；而相同動荷載幅值條件下，其動回彈模量大致呈現隨干濕循環次數增加而遞增的趨勢。表明強~中風化板巖填料本身結構并未受干濕循環而產生影響，加之動荷載幅值較小，干濕循環過程實際上有助于試樣內部結構的調整，使試樣結構趨于穩定。由于路基填料會經受干濕循環，因此25kpa、50kpa和100kpa動荷載條件下試樣的穩定動回彈模量可分別取55MPa、48MPa和32MPa。若考慮到路基在施工過程中經受了更大的碾壓荷載，其作為一種超固結材料動回彈模量可能會更高。

    2.軸向累積變形：經10000次振動，試樣軸向變形在各級動荷載幅值作用下均能趨于穩定，軸向累積變形整體量值不大，最大值出現在經5次干濕循環、動荷載幅值100kpa工況下，變形量僅為2.67mm，對應軸向應變小于0.4%，表明試驗所選取的三級動荷載不會對試樣造成明顯破壞，試樣變形基本保持在彈性范圍內，從相應的動回彈模量并未隨振次增加而發生衰減也可以證明這一點。除個別試樣，累積變形主要發生在振動初期1000次以內，隨后變形基本穩定在一定范圍內。在不同動荷載條件下，累積變形并未顯著表現出隨干濕循環次數增加而增加的規律，主要原因是干濕循環促使試樣發生了預固結，這一部分變形未計入累積變形中，而干濕循環又未顯著改變中風化板巖填料本身結構。但注意到，在100kpa動荷載條件下，經0次、1次和3次干濕循環，累積變形量基本一致，但對于5次干濕循環條件，其累積變形量雖未出現增長不收斂，但變形量值有顯著提高，表明動荷載幅值提高到一定程度，干濕循環對中風化板巖填料的變形不利。

    3. 最大超孔壓：從曲線及統計表可知，所有條件下，試樣內部超孔壓都未出現持續累積的現象，在共計10000次振動過程中基本保持恒定狀態，表明試樣的滲透性能良好。同時注意到，相同動荷載幅值條件下，經干濕循環后最大超孔壓要略大于未經過干濕循環的試樣，表明干濕循環過程改變了試樣內部細顆粒的分布狀態，使其產生局部聚集，滲透性能相比未經干濕循環的試樣有所降低，但不會對試樣的滲透性造成破壞性影響。

    4.試驗測得動應力幅值為25Kpa、5次干濕循環條件下的動態回彈模量只有55Mpa，大致與《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）[1]附錄B中的低液限粉土、低液限粘土相當，這與文獻[9]和文獻[10]中揭示該類填料的其他工程特性以及軸向累計變形和最大超孔壓所揭示的規律并不相稱，究其原因主要有如下幾點：

    1）目前尚沒有統一的和標準的粗粒土動態回彈模量測試方法，關于軟巖填料的干濕循環動態回彈模量試驗則更是處于探索階段?！豆仿坊O計規范》（JTG D30-2015）附錄A中規定動三軸試驗施加荷載的頻率為0.1~25Hz，范圍很廣，且未規定荷載作用和間歇時間，然而不同的荷載作用和間歇時間對測試結果有很大影響。就本文所述強~中風化板巖填料的動態回彈模量試驗方法而言，由于受試驗設備限制，荷載作用時間0.5s，間歇時間0.5s，加載頻率也為1HZ，這個測試結果與荷載作用時間0.1s，間歇時間0.9s的加載方式測試出來的結果勢必會有較大差距。

    2）與細粒土的動三軸試驗不同，粗粒土的動三軸試驗由于受試驗設備所限，目前還不能實現非飽和條件下的準確測試，或說非飽和狀態下的粗粒土動三軸測試數據非常離散，誤差較大。因此，本試驗的試樣狀態設定為飽和狀態，而軟巖填料在這一狀態下測試出來的應變由于受填料濕化影響勢必會有所增大，這將導致動態回彈模量測試值的減小。

    3）試驗設定的動應力幅值為25Kpa、50Kpa、100Kpa，即動荷載幅值為1.8KN、3.6KN、7.2KN，由于受試驗設備精度限制，實際施加時荷載往往達到2KN、4KN和8KN，這也會導致測試得到的應變增大，動態回彈模量值減小。

綜上所述，軟巖填料的干濕循環動三軸試驗方法還很不成熟，開展能夠間接表征軟巖路堤動態回彈模量的現場原位測試（如Evd、K30、彎沉）更有工程意義。

    4.結論

    1.在試驗給定的動應力幅值范圍內，在不同動荷載條件下，試樣累積變形并未顯著表現出隨干濕循環次數增加而增加的規律，試樣變形基本保持在彈性范圍內。

    2.在試驗給定的動應力幅值范圍內，相同動荷載幅值條件下，經干濕循環后最大超孔壓要略大于未經過干濕循環的試樣，表明干濕循環過程改變了試樣內部細顆粒的分布狀態，使其產生局部聚集，滲透性能相比未經干濕循環的試樣有所降低，但并未對試樣的滲透性造成破壞性影響。

    3.盡管由于種種原因導致本試驗的動態回彈模量測試數值上不能準確地反映填料在標準狀態下的動態回彈模量值，不能與《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）[1]附錄B中的數據進行比對，但從干濕循環條件下動態回彈模量、軸向累計變形值及最大超孔壓的變化趨勢，都說明三黎高速公路強~中風化板巖填料在干濕循環條件下的動力穩定性較好，是一種良好的路堤填料。

    4.軟巖填料的干濕循環動三軸試驗方法還很不成熟，實際工程中，開展軟巖路堤現場原位測試（如Evd、K30、彎沉），并尋求測試成果與動態回彈模量之間的相關性會更有意義。

參考文獻

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