純粉煤灰路堤土工離心模型試驗研究

                              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：文章通過土工離心模型試驗,研究了不同干密度和含水量對純粉煤灰路堤變形特征的影響規(guī)律;同時也研究了不同邊坡坡度對路堤變形的影響。試驗結(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。

    關(guān)鍵詞：純粉煤灰路堤;土工離心模型試驗;變形特性

    中圖分類號：U416·1+2　　　　　　文獻標(biāo)識碼：A

    文章編號: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,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。同時對于減少環(huán)境污染、節(jié)省土地、開拓新的筑路材料來源,都具有非常重要的經(jīng)濟效益和社會效益。[1]本文采用土工離心模型試驗,對純粉煤灰路堤變形特征進行分析,主要研究以下兩個方面的內(nèi)容:

    (1)純粉煤灰路堤在不同設(shè)計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路堤變形的影響。

    1　粉煤灰路堤土工離心模型試驗設(shè)計

    1·1　離心模型試驗基本原理[2]-[3]

    離心模型試驗是研究小比例尺模型在離心試驗機所形成的加速度場中達到與原型相同的應(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)展和變形破壞過程,以獲取全比例尺模型的變形破壞機理的模擬試驗技術(shù)。離心模型基本思想是用離心機來模擬土工構(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中,在離心加速度a=ng(g為重力加速度)的空間進行試驗。即利用離心機產(chǎn)生n倍重力加速度,達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　離心模型試驗的比尺關(guān)系[2]

    離心模型試驗的各項參數(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。對于不同的研究問題,它的比尺關(guān)系可用一定的無量綱數(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,對應(yīng)離心模型中該點的離心加速度為ng,深度為hm,則有:

                

    1·3　模型材料特性及制作

    1·3·1　試驗?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純粉煤灰路堤變形的影響,本次試驗共設(shè)計了四組離心試驗?zāi)Ｐ汀ＤＰ退蟹勖夯覟橘F州某發(fā)電廠排放的粉煤灰,測得其最大干密度為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

    本試驗以一段約16 m高的純粉煤灰路堤進行模擬,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,鑒于以上兩點原因,本模型試驗n取1 /80。由于路堤結(jié)構(gòu)的對稱性,試驗采取一半模擬即可。為了研究不同邊坡坡度對路堤變形的影響,試驗?zāi)Ｐ筒捎脙蓚€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。制模時在模型箱里將試驗材料分層擊實成型,粉煤灰達到90%的壓實度,地基達到85%的壓實度。填筑完成后的模型如圖1、圖2所示。

              

              

    1·4　離心機加載

    土工離心模型試驗中,時間比的相似關(guān)系為1 /n2,另外模擬現(xiàn)場逐步分層填筑的過程并考慮填筑過程中發(fā)生的沉降,應(yīng)隨時間逐步加大離心加速度,由此來反應(yīng)實際的施工過程。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。離心機加速到80 g約需15 min,模型穩(wěn)定運行80 min。試驗在重慶交通大學(xué)土工離心試驗室的TLJ-60型土工離心機上進行,其主要性能參數(shù)如下:

                 

    1·5　變形測試

    試驗采用物理觀測法測試模型的變形,即在靠模型箱有機玻璃一側(cè)模型斷面上間隔4 cm布設(shè)位移觀測點,位移觀測包括水平方向和垂直方向。為方便量測路堤斷面上的位移,在土體側(cè)面嵌入大頭針作為土體位移的觀測標(biāo)志點,如圖3所示。待土工離心機按設(shè)計時間運行95 min后,對比試驗前后觀測標(biāo)志點的坐標(biāo)值,觀測標(biāo)志點加載前后的坐標(biāo)差即為各點的位移,從而得出純粉煤灰路堤位移值。

                  

    2　離心模型試驗結(jié)果分析

    在不同干密度、含水量及邊坡坡度條件下進行的純粉煤灰路堤土工離心模型試驗具有很好的可比性。通過對4組離心試驗?zāi)Ｐ瓦M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純粉煤灰路堤變形的影響。試驗結(jié)果如圖4~6所示:

                  

    由圖可以得出以下認(rèn)識:

    (1)對四組離心模型試驗垂直位移進行分析,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%,而沉降大約為原來的2倍。這是因為填筑體的干密度降低,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,在離心力作用下對應(yīng)的變形更加顯著。

    (2)對于路堤頂部,從路肩向路堤中心線方向,沉降變形總體趨勢是逐漸增大,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?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?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?zāi)Ｐ椭凶畲蟪两涤殖霈F(xiàn)了下降,這主要是因為模型的含水量和干密度變化而導(dǎo)致的。

    3　結(jié)語

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

    (2)實際應(yīng)用純粉煤灰路堤時,應(yīng)對粉煤灰的相關(guān)工程性能進行試驗研究和分析,使其在最佳含水量與最大干密度條件下填筑路堤,同時應(yīng)十分重視路堤排水問題,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烈。填筑路堤不均勻沉降是不可避免的,即使是壓實度均一的均質(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、施工過程中,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)計與施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定分析確定。

    參考文獻：

    [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.土工離心模型試驗原理與若干問題分析[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原理[J].長江科學(xué)院院報,1998,4,15(2):1-3.

    [4]JTJ-016-93,公路粉煤灰路堤設(shè)計與施工技術(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.