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1、 循环荷载作用下非饱和盐化粉土动力特性 易文妮,刘津丞,余 虔,宣明敏,刘希重,叶新宇,5,张 升,5(1.中南大学 土木工程学院,长沙 410075;2.中国建筑第二工程局有限公司,北京 100002;3.民航机场规划设计研究总院有限公司,北京 101312;4.机场工程安全与长期性能交通运输行业野外科学观测研究基地,北京 100029;5.高速铁路建造技术国家工程研究中心,长沙 410075)中国西北、华北地区粉土广泛分布,淡水资源相对匮乏,机场的道基填筑可考虑采用内陆湖含盐水,此时不可避免地造成粉土的盐化。粉土结构松散、易液化,在飞机荷载的长期作用下,盐化粉土道基的服役性能至今尚不明确1
2、-3。为正确认识道基/路基在长期循环荷载作用下的动力特性,有学者对动力作用下土体刚度软化规律、动强度以及累积轴向应变的发展规律等进行了研究。冷伍明等4研究了动力作用下动应力、围压、压实状态、含水率对铁路路基粗粒土填料累积应变的影响,提出了适用于铁路路基的临界动应力计算模型; 马少坤等5研究了地铁动荷载作用下圆砾土的动力特性,分析了压实度、动应力和循环振次对土体滞回曲线、动孔压和累积轴向应变的影响;Li等6通过对公路路基粗集料的累积变形和动模量特性的研究,探究了动应力幅值、循环振次对累积变形的影响。由于交通荷载的周期性、长期性以及土体本身基本物理属性和受力状况的复杂性,以上学者对粗粒土等开展的研
3、究成果不适用于粉土路基工程。另外,部分学者对饱和粉土的动力特性展开了研究。Hussain等7研究了印度古吉拉特邦地震活跃区饱和粉土的动力特性,其循环强度随塑性指数和细粒含量的降低而迅速降低;仝玉丁等8通过循环动三轴试验对原状和重塑海洋粉土进行研究,发现原状和重塑样在相同等效循环振次下动强度的差异性随着固结比的增大而减小。目前,针对非饱和粉土在交通循环荷载作用下动力特性研究相对较少。关彦斌等9通过研究交通循环荷载下黄河冲积粉土的动态特性,发现压实粉土的临界动应力随含水率增加线性降低;任华平等10对非饱和粉土的累积轴向应变发展规律进行了研究,并提出了考虑多因素的累积塑性应变模型。但该研究未对粉土临
4、界动应力以及含盐量(质量分数)的影响展开研究。对非饱和粉土在循环荷载作用下的动力特性的研究较少,而且这些研究并未涉及临界动应力和粉土盐化的影响。粉土的盐化会导致土体性质发生改变,有学者就土体含盐量的影响展开了多项研究。杜宇航等11-12发现,随着含盐量的增加,土体的渗透系数会逐渐降低。周凤玺等13通过固结试验发现孔隙溶液中盐分的存在增大了土体的初始蠕变变形与最终蠕变量;洪安宇等14-15通过对高含盐量土体进行非饱和不固结不排水三轴剪切试验和直接快剪试验发现,随着氯盐质量分数增加,土体抗剪强度参数先减小后增大,峰值含盐量分别为9%和10%;杨晓华等16发现不同含盐量路基填料在温度变化循环试验中冻
5、胀和最终沉陷变形量不同。然而,以上研究均是在常规静荷载条件下获得的结果。目前,有少量研究基于动三轴试验探讨了含盐量与动强度和动弹模之间的关系。李来仕17通过动三轴试验发现当振次达到100时易溶盐质量分数越高盐渍土动强度越低;郑英杰等18通过动三轴试验及冻融试验发现粉土初始动模量损伤度随含盐量增加呈线性递增。但以上研究未将含盐量对土体的影响与临界动应力、累积轴向应变进行逻辑联系以及公式表达。为探究含盐量对道基粉土动力特性的影响,开展了不同动应力幅值和含盐量条件下粉土的动三轴试验,揭示了含盐量对粉土动力特性的影响规律,提出了考虑盐化的粉土累积轴向应变模型以及适用于盐化粉土塑限安定状态下的临界动应力
6、预测模型;同时对盐化粉土临界动应力进行了分析,探究了动力响应演化的内因,为盐化粉土地区铁路路基和机场道基的设计提供重要依据。1 试 验1.1 试验仪器试验仪器为英国生产的Controls/WF动静三轴试验系统(图1),型号为Dynatriax100/14,该仪器同时具备试验与数据采集系统。试样成型采用自制击实成样器,击实锤质量为2.5 kg,锤头落高45 cm,制样时保持每层锤击数一致。为减少脱模时对试样造成的扰动,采用全自动脱模仪。图1 动三轴试验系统1.2 土样性质粉土试样取自北方某机场跑道道基施工区地表以下5 m内,根据地下水位勘察情况,施工区地表以下5 m内粉土常年处于非饱和状态。根据
7、GB/T 501232019土工试验方法标准进行试验可知试验粉土为砂质粉土,其液限为15.4%,塑限为23.0%,塑限指数为7.6,颗粒相对密度为2.67,最优含水率为13.1%,最大干密度为1.87 g/cm3。土样级配曲线见图2。图2 研究区粉土级配曲线部分学者19-20对原状土与重塑土的强度特性展开研究,发现原状土强度略高于重塑土,两种土样在动强度下发展趋势相同。因此,试验中采用土样均为重塑土样,并根据原状土性质及工程实际情况进行设置,最大程度上还原工程实际。现场取样后将土样进行烘干、碾碎、过筛,配置最优含水率土样。根据试样中氯化钠质量与干土质量的比值不同,采用无离子水制备含盐量(质量分
8、数)分别为1%、3%、5%的试样。试样制备过程中,将溶液均匀喷洒入烘干土样中,搅拌均匀后静置48 h。采用自制模具进行击实样制样,试样直径100 mm、高200 mm,分为5层击实,每层压实后对表面进行刮毛处理。试样出模后,裹以保鲜膜,于常温下静置24 h(土样制备示意见图3)。为保证压实效果,现场通常使用最优含水率下的粉土进行填筑,道基被大面积硬化覆盖,飞机荷载响应土体深度范围内含水率变化不显著。因此,选择以13.1%含水率的非饱和土进行相关试验(饱和度为67.4%)。为体现实际道基受荷的变形响应,试验过程中并未对饱和度(基质吸力)进行控制。图3 土样制备示意1.3 试验方案设计根据MH/T
9、 50102017民用机场沥青道面设计规范道面结构层的厚度及容重和粉土容重对道基深度15 m处的粉土所处围压进行推算,围压在3090 kPa。本文围压选取60 kPa代表道基3 m深处的土层所处围压状态。在MH/T 50272013民用机场岩土工程设计规范中规定,填方段道面以下深度0.8 m内压实度不低于96%,挖方段道面以下深度0.8 m内压实度不低于94%,填方段4 m以下压实度不低于92%。结合实际工程中可能存在压实不均匀的现象,试样压实度统一取94%(干密度1.757 8 g/cm3)进行固结不排水试验。飞机在起降滑行过程中,振动频率与飞机的滑行重量、移动速度有关21,支线客机产生的振
10、动频率约为1 Hz,飞机滑行时振动频率为0.55 Hz,随着飞机滑行速度增加,飞机升力增大,飞机动荷载对道基影响减小22-23。由于动三轴仪器频率越低,测量数据越准确,综合考虑飞机振动频率及仪器精度,试验中荷载频率统一选用1 Hz,动应力幅值采用半正弦波方式加载24。飞机滑行时道基顶面最大动应力幅值约为100 kPa,为研究不同动应力幅值下道基土体变形特性25,取动应力幅值d=60、80、100、120、140、180、200、220、260 kPa。其中,为了充分分析试样不同的应变发展状态,设置了动应力幅值大于1 607 kPa的试样组。试验以累积轴向应变达到10%或循环振次达到10 000
11、作为试验停止条件22-24。试验分为3个加载阶段,即等压固结阶段、静力预压阶段,动应力施加阶段(半正弦波加载阶段),在动力加载前为消除试样上下的不规则性,避免试样在外力突然作用下产生过大初始变形,进行耗时100 s预压力为15 kPa的静力预压4(轴向荷载加载示意见图4)。图4 轴向荷载加载示意本研究中,原状粉土含盐量低于弱盐渍土的界限含盐量0.3%,可判定试验用粉土不属于盐渍土,将该粉土的含盐量视为0。通过资料调研发现27-29,西北盐化粉土地区盐分以氯盐为主,机场浅层范围内含盐量在05%变动。制备含盐量分别为1%、3%、5%的试样,研究氯盐对原粉土道基动力特性的影响。固结过程中试样排水量为
12、0,试样固结前后盐溶液浓度不变。试验共设计4组(30个)试样用于探究在不同含盐量、不同动应力幅值下盐化粉土的动力特性,试验方案见表1。表1 盐化粉土试验方案2 盐化粉土累积轴向应变分析2.1 累积轴向应变发展趋势图5给出含盐量为3%、相对压实度CR为94%的盐化粉土试样在围压3=60 kPa下累积轴向应变p随循环振次N的变化。可以看出,动应力幅值d对累积轴向应变p的发展有显著影响。d较小时,试样的累积应变随循环振次N的增加不断增长最终趋于稳定;随着d增大,加载前期的试样累积轴向应变快速发展,随着N的增大,累积应变增长速率有所放缓但仍呈现增长趋势。由此,循环荷载下土体的累积应变增长规律受动应力幅
13、值影响较大,主要原因是循环动荷载作用下,土体结构变形中存在临界动应力,即土体不发生结构破坏的最大循环应力,可用于描述路基填料等散体材料在循环荷载作用下的永久变形特性28-29。Werkmeister等30-31将循环荷载作用下散体材料的塑性变形行为分为塑性安定行为、塑性蠕变行为、增量破坏行为。图5 盐化粉土试样累积轴向应变与循环振次关系对比图5可知,当d较小时,在整个循环加载过程中,试样产生的累积轴向应变较小,应变基本小于2%;加载前期,试样的塑性变形发展较快,随着循环周次的增加,应变增长速率逐渐减缓,当加载至一定循环周次后,试样进入加载稳定阶段,累积轴向应变基本处于相对安定或微弱增长的状态,
14、此时试样的累积轴向应变表现为塑性安定。随着d的增大(如图5中,d=160和180 kPa),在加载前期,试样累积轴向应变迅速发展,试样的动力稳定状态被打破;在循环加载后期,试样累积轴向应变以一定速率持续增长,试样结构虽然处于相对安全状态,但仍存在随着循环振次进一步增大,累积应变速率突变进而发生结构迅速破坏的可能,此时试样的累积轴向变形表现为塑性蠕变。当d超过一定限值后(如图5中,d=220 kPa),试验在循环开始阶段就产生较大变形,且塑性变形增长速率较大,在有限的循环振次后,试样因过大的塑性变形而发生结构破坏,此时试样的破坏形态一般表现为压缩膨胀和剪切破坏,这种试样的应变行为便表现为增量塑性
15、破坏。对于实际工程而言,路基通常不会在有限的交通动载作用下发生突发破坏,而是在长期服役中产生较大沉降,进而引起道面结构破坏,导致跑道不能继续服役。因此,确定路基粉土塑性安定和塑性蠕变状态间的临界动应力水平,是判断路基粉土在交通荷载作用下是否能达到动力稳定状态的关键因素。2.2 含盐量对累积轴向应变的影响图6为盐化粉土试样试验过程中累积轴向应变发展速率与累积轴向应变关系曲线,根据变形行为对图6曲线进行区间划分32。当含盐量为3%和5%时,不同动应力幅值下试样破坏形态有明显区分,试样分别在动应力幅值为220和140 kPa时迅速发生结构破坏。含盐量为0和1%的试样在动应力幅值为260 kPa时,试
16、样应变速率均有所增长,但尚处于塑性蠕变阶段。其中,含盐量为0的试样应变速率发展更快,并在试验停止时应变达到10%。如以试样塑性蠕变及增量破坏间临界状态为土体结构破坏标准,当动应力幅值为260 kPa时,含盐量为0试样的试验已临近结构破坏,含盐量为1%的试样应变发展相对稳定。图7为围压60 kPa时不同含盐量试样在试验停止时(N=10 000次)累积轴向应变随动应力幅值的变化。可以看出,含盐量对试样累积轴向应变的影响经历了两个阶段。第一阶段为原粉土(含盐量0)向含盐量1%的盐化粉土过渡阶段,在此阶段内含盐量增加有助于试样的“硬度”增强,相同动应力幅值下,盐化粉土的累积应变小于原粉土。第二阶段是由低含盐量向高含盐量的发展阶段,在此阶段内,随着含盐量增加试样的“硬度”快速
