魏建明,劉　佳,楊　慧

                    (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶　400074)

    摘　要：文章通過(guò)土工離心模型試驗(yàn),研究了不同干密度和含水量對(duì)純粉煤灰路堤變形特征的影響規(guī)律;同時(shí)也研究了不同邊坡坡度對(duì)路堤變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,純粉煤灰路堤具有自重輕、沉降小和穩(wěn)定性能高的特點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：純粉煤灰路堤;土工離心模型試驗(yàn);變形特性

    中圖分類號(hào)：U416·1+2　　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    文章編號(hào):1673-4874(2009)07-0001-0004

    0　前言

    粉煤灰具有自重輕、壓縮性小、滲透性好等良好工程特性,利用粉煤灰修筑公路路堤,尤其是在軟土地基路段,能充分利用粉煤灰質(zhì)量輕的特點(diǎn),減輕路堤自重及軟土地基的附加應(yīng)力,從而減少總沉降并提高路堤的穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)于減少環(huán)境污染、節(jié)省土地、開拓新的筑路材料來(lái)源,都具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。[1]本文采用土工離心模型試驗(yàn),對(duì)純粉煤灰路堤變形特征進(jìn)行分析,主要研究以下兩個(gè)方面的內(nèi)容:

    (1)純粉煤灰路堤在不同設(shè)計(jì)干密度和含水量條件下的變形特征,以及路堤變形與粉煤灰干密度和含水量之間的關(guān)系,為純粉煤灰路堤變形的預(yù)測(cè)提供一定依據(jù)。

    (2)純粉煤灰路堤在相同干密度、相同含水量條件下,采用不同的邊坡坡度對(duì)路堤變形的影響。

    1　粉煤灰路堤土工離心模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    1·1　離心模型試驗(yàn)基本原理[2]-[3]

    離心模型試驗(yàn)是研究小比例尺模型在離心試驗(yàn)機(jī)所形成的加速度場(chǎng)中達(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平,得到與原型相同的應(yīng)力狀態(tài)、位移變化及相似的塑性區(qū)發(fā)展和變形破壞過(guò)程,以獲取全比例尺模型的變形破壞機(jī)理的模擬試驗(yàn)技術(shù)。離心模型基本思想是用離心機(jī)來(lái)模擬土工構(gòu)筑物的自重效應(yīng),將1 /n比例尺的模型置于特制的離心機(jī)中,在離心加速度a=ng(g為重力加速度)的空間進(jìn)行試驗(yàn)。即利用離心機(jī)產(chǎn)生n倍重力加速度,達(dá)到模型和原型二者的重力完全相等,以保持其力學(xué)特性的相似性。

    1·2　離心模型試驗(yàn)的比尺關(guān)系[2]

    離心模型試驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)與原型有一定的相似關(guān)系,才能保證模型的模擬精度。這種相似關(guān)系稱為比尺關(guān)系。對(duì)于不同的研究問(wèn)題,它的比尺關(guān)系可用一定的無(wú)量綱數(shù)為依據(jù)推導(dǎo)求得。例如,原型深度為hp處的土壓力p=γhp,對(duì)應(yīng)離心模型中該點(diǎn)的離心加速度為ng,深度為hm,則有:

                

    1·3　模型材料特性及制作

    1·3·1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧咸匦?br />
    為了研究純粉煤灰路堤在不同干密度和含水量條件下的變形特征,以及不同邊坡坡度對(duì)純粉煤灰路堤變形的影響,本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了四組離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＤＰ退蟹勖夯覟橘F州某發(fā)電廠排放的粉煤灰,測(cè)得其最大干密度為1·30 g /cm-3,最佳含水量為22%,C=10 kPa,Φ=28·83°。試驗(yàn)所用的地基材料為含礫粉質(zhì)粘土。

               

    1·3·2　模型制作

    本試驗(yàn)以一段約16 m高的純粉煤灰路堤進(jìn)行模擬,按Lm=Lp/n確定模型尺寸,其中Lm為模型尺寸,Lp為原型幾何尺寸,n為重力加速度g的倍數(shù)。為了能夠準(zhǔn)確模擬較高、較寬邊坡的情況,并考慮邊界效應(yīng)的影響,模型的比例尺不宜取得太大;為了方便小尺寸構(gòu)件的模擬,模型的比例尺不宜取得太小,鑒于以上兩點(diǎn)原因,本模型試驗(yàn)n取1 /80。由于路堤結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,試驗(yàn)采取一半模擬即可。為了研究不同邊坡坡度對(duì)路堤變形的影響,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脙蓚€(gè)不同邊坡度:模型1、3邊坡坡度為1∶1;模型2、4邊坡坡度為1∶2。制模時(shí)在模型箱里將試驗(yàn)材料分層擊實(shí)成型,粉煤灰達(dá)到90%的壓實(shí)度,地基達(dá)到85%的壓實(shí)度。填筑完成后的模型如圖1、圖2所示。

              

              

    1·4　離心機(jī)加載

    土工離心模型試驗(yàn)中,時(shí)間比的相似關(guān)系為1 /n2,另外模擬現(xiàn)場(chǎng)逐步分層填筑的過(guò)程并考慮填筑過(guò)程中發(fā)生的沉降,應(yīng)隨時(shí)間逐步加大離心加速度,由此來(lái)反應(yīng)實(shí)際的施工過(guò)程。根據(jù)相似關(guān)系,模擬路堤完工后200 d的固結(jié)、變形情況。離心機(jī)加速到80 g約需15 min,模型穩(wěn)定運(yùn)行80 min。試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)土工離心試驗(yàn)室的TLJ-60型土工離心機(jī)上進(jìn)行,其主要性能參數(shù)如下:

                 

    1·5　變形測(cè)試

    試驗(yàn)采用物理觀測(cè)法測(cè)試模型的變形,即在靠模型箱有機(jī)玻璃一側(cè)模型斷面上間隔4 cm布設(shè)位移觀測(cè)點(diǎn),位移觀測(cè)包括水平方向和垂直方向。為方便量測(cè)路堤斷面上的位移,在土體側(cè)面嵌入大頭針作為土體位移的觀測(cè)標(biāo)志點(diǎn),如圖3所示。待土工離心機(jī)按設(shè)計(jì)時(shí)間運(yùn)行95 min后,對(duì)比試驗(yàn)前后觀測(cè)標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)值,觀測(cè)標(biāo)志點(diǎn)加載前后的坐標(biāo)差即為各點(diǎn)的位移,從而得出純粉煤灰路堤位移值。

                  

    2　離心模型試驗(yàn)結(jié)果分析

    在不同干密度、含水量及邊坡坡度條件下進(jìn)行的純粉煤灰路堤土工離心模型試驗(yàn)具有很好的可比性。通過(guò)對(duì)4組離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行比較分析,得出了不同干密度、含水量條件下純粉煤灰路堤的變性特征和不同邊坡坡度對(duì)純粉煤灰路堤變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4~6所示:

                  

    由圖可以得出以下認(rèn)識(shí):

    (1)對(duì)四組離心模型試驗(yàn)垂直位移進(jìn)行分析,由圖5可看出不同干密度、含水量條件下的路堤垂直位移總體趨勢(shì)均隨深度增加而遞減,且路堤沉降變形隨填筑體的干密度降低而遞增。從圖4、圖5得出含水量對(duì)純粉煤灰路堤變形特性的影響規(guī)律為:當(dāng)含水量由22%增加到28%(增加6%),最大水平位移增加了約60%,而沉降大約為原來(lái)的2倍。這是因?yàn)樘钪w的干密度降低,含水量增加,相應(yīng)孔隙比增加,使得填筑體的結(jié)構(gòu)逐漸疏松,相應(yīng)地,在離心力作用下對(duì)應(yīng)的變形更加顯著。

    (2)對(duì)于路堤頂部,從路肩向路堤中心線方向,沉降變形總體趨勢(shì)是逐漸增大,且以路堤中心線位置附近的沉降量值最大,亦即路堤中心線位置的沉降變形總體趨勢(shì)較路肩兩側(cè)更為顯著。由圖6看出,路堤中心沉降變形約為路肩沉降變形的2倍。

    (3)對(duì)于路堤邊坡,由圖4看出,四組模型最大水平位移均處于距模型頂面10~15 cm處,即產(chǎn)生水平位移最大值的部位主要位于邊坡中部(H /3~H2 /3范圍內(nèi))。同樣,邊坡水平位移也隨干密度的降低而增大。

    (4)在四組試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?隨著模型邊坡坡度從1∶1~1∶2的變化,最大沉降量與最大水平位移量隨之減小。其最大值出現(xiàn)在3#試驗(yàn)?zāi)Ｐ?最大沉降量為1·5 mm,最大水平位移量為0·7 mm。而在4#試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶畲蟪两涤殖霈F(xiàn)了下降,這主要是因?yàn)槟Ｐ偷暮亢透擅芏茸兓鴮?dǎo)致的。

    3　結(jié)語(yǔ)

    (1)從四組模型土工離心試驗(yàn)結(jié)果分析中可以看出,純粉煤灰路堤沉降較小,實(shí)際工程中可以充分利用粉煤灰路堤以減小沉降。

    (2)實(shí)際應(yīng)用純粉煤灰路堤時(shí),應(yīng)對(duì)粉煤灰的相關(guān)工程性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析,使其在最佳含水量與最大干密度條件下填筑路堤,同時(shí)應(yīng)十分重視路堤排水問(wèn)題,以保證路堤的穩(wěn)定性。

    (3)純粉煤灰路堤高度越大,坡度越陡,不均勻沉降引起的變形破壞就越強(qiáng)烈。填筑路堤不均勻沉降是不可避免的,即使是壓實(shí)度均一的均質(zhì)填筑體,由于填筑厚度的差異也將產(chǎn)生不均勻沉降。因而在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)具體情況盡量減小路堤的不均勻沉降,并采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施減輕或消除其危害。

    (4)純粉煤灰路堤合理邊坡形式及坡度應(yīng)根據(jù)具體工程情況與《公路粉煤灰路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定分析確定。

    參考文獻(xiàn)：

    [1]羅喜元.粉煤灰路堤合理邊坡形式及穩(wěn)定性分析[J].路基工程,2004.3:26-29.

    [2]錢立平,馬建林.土工離心模型試驗(yàn)原理與若干問(wèn)題分析[J].路基工程,2007.3:6-8.

    [3]包承綱,饒錫寶.土工離心模型的試驗(yàn)原理[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),1998,4,15(2):1-3.

    [4]JTJ-016-93,公路粉煤灰路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

    [5]錢　磊.遵畢高速公路粉煤灰路堤研究[D].碩士學(xué)位論文.重慶:重慶交通大學(xué),2009.