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高速公路粗粒土路堤填料流变性质研究

陈晓斌  
【摘要】: 由于土石混填粗粒土具有良好的工程性质以及取材广泛,在湖南省高速公路路基工程中大量应用,其中红砂岩粗粒土最为常见,但是红砂岩填土路基路段存在较多与长期沉降相关的路面结构病害。针对上述存在的问题,论文结合湖南省交通科技项目“高速公路路基沉降及其对路面的影响”研究课题,以湖南省红砂岩地区高速公路红砂岩粗粒土路基填料为研究对象,研制了低应力状态下的粗粒土大型三轴流变试验仪,采用室内试验、现场试验和数值计算方法,对土石混填粗粒土路堤的流变工程性质进行了研究,主要研究内容及研究结论如下: (1)以湖南省内分布广泛的红砂岩土石混填路基填料为研究对象,进行了试验研究和理论分析。对干的红砂岩粗粒土及饱水的红砂岩粗粒土进行了压缩试验、剪切试验和压缩流变试验研究,并针对每组试验进行了试验前后土样的级配分选试验。试验研究说明红砂岩粗粒土符合路基填筑的技术要求,是红砂岩地区修建道路时最常用的路堤填料。 水对红砂岩粗粒土的颗粒破碎效应影响比较大,如在流变试验中饱水土样的颗粒破碎率B_r=0.247大于干土样的B_r=0.118,饱水土样颗粒破碎率B_g=145.04,红砂岩粗粒土干土样颗粒破碎率B_g=88.44;水对红砂岩粗粒土颗粒破碎起到促进作用。受力状态明显影响红砂岩粗粒土的颗粒破碎效应和土体变形,试验研究发现流变试验的颗粒破碎效应系数>压缩试验中的颗粒破碎效应系数>剪切试验中的破碎效应系数。如干的红砂岩粗粒土土样中,压缩流变试验的B_r=0.118>压缩试验的B_r=0.085>剪切试验的Br=0.048。 颗粒破碎效应试验研究认为红砂岩粗粒土流变机理主要在两个方面:红砂岩粗粒土粗颗粒的破碎效应和红砂岩粗粒土中细颗粒移动填充效应,两者共同作用使得土体发生流变。红砂岩粗粒土的流变过程可以划分为三个阶段。流变过程中水和应力状态是影响流变进程的最关键的因素。 (2)针对道路工程领域中路基土体围压力的特点,研制了一套用于土石混填粗粒土路基填料流变试验的大型三轴流变试验仪(GSRT),在道路工程领域率先引进土石混填粗粒土路基填料大型三轴流变试验仪。GSRT流变仪可以进行常规粗粒土三轴试验和粗粒土三轴流变试验,GSRT流变仪所接受的试验土样尺寸为Φ=300mm,H=600mm,可直接进行最大粒径d=60mm粗粒土路基填料的流变试验。粗粒土路堤填料大型三轴流变试验仪(GSRT)压力室部件采用SZ30-4型三轴试验仪的压力室部件。GSRT流变仪轴向压力由气液平衡储能器提供,GSRT流变仪最大轴向压力为3.0MPa,采用无级调压。GSRT流变仪围压力,由水头压力提供,试验围压力分为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa等4级。GSRT流变仪的研制,对于开展道路工程领域土石混填粗粒土路基填料的流变性质研究提供了可行的试验设备,丰富了道路工程领域土工试验设备。 (3)以怀新高速公路K20+240里程高填路堤红砂岩粗粒土路堤填料为研究对象,在研制的GSRT粗粒土大型三轴流变试验仪上进行了试验研究。试验分析表明,应力状态,主要是应力水平和围压的大小对红砂岩粗粒土路堤填料蠕变性质影响明显,不同应力水平下,有着不同的流变特征。较小的应力水平时(S=0.1)时,蠕变曲线表现为只有弹性变形,粘滞变形可以忽略不计,认为土样在这样的应力水平下只有瞬时的弹性变形;中等应力水平时(0.2<S≤0.6),试验蠕变曲线表现为线性粘弹性流变特征;较高的应力差值下(0.8<S)的蠕变曲线出现了加速流变阶段,蠕变变形不收敛。尤其是当应力水平为S=0.1时,蠕变曲线很早就出现加速阶段,土体朝破坏趋势发展,大应力状态下土体进入塑性屈服阶段,土体表现为非线性粘塑性变形特征。 基于红砂岩土石混合粗粒土路基填料的非线性流变特征,提出了一个基于二次多项式核函数的粘塑性体(N),用于描述粗粒土非线性粘塑性变形。将该粘塑性体与Burgers流变模型串联,建立了6元件改进的Burgers流变模型,并采用模式搜索与非线性最小二乘法确定了改进的Burgers流变模型参数。采用FLAC5.0所提供的二次开发程序接口,编写了建立的改进的Burgers流变模型计算程序。对怀新高速公路K18+160和K20+240两个红砂岩土石混填粗粒土高填路堤的流变沉降进行了计算,并将数值计算结果与实测结果进行了对比,对比结果表明数值计算值与实测值比较吻合,验证了改进的Burgers流变模型及其参数的合理性。嵌入FLAC5.0的改进的Burgers本构模型数值计算程序为土石混填粗粒土路堤长期沉降计算提供了工具。


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