纯粉煤灰路堤土工离心模型试验研究

                              魏建明,刘　佳,杨　慧

                    (重庆交通大学土木建筑学院,重庆　400074)

    摘　要：文章通过土工离心模型试验,研究了不同干密度和含水量对纯粉煤灰路堤变形特征的影响规律;同时也研究了不同边坡坡度对路堤变形的影响。试验结果表明,纯粉煤灰路堤具有自重轻、沉降小和稳定性能高的特点。

    关键词：纯粉煤灰路堤;土工离心模型试验;变形特性

    中图分类号：U416·1+2　　　　　　文献标识码：A

    文章编号:1673-4874(2009)07-0001-0004

    0　前言

    粉煤灰具有自重轻、压缩性小、渗透性好等良好工程特性,利用粉煤灰修筑公路路堤,尤其是在软土地基路段,能充分利用粉煤灰质量轻的特点,减轻路堤自重及软土地基的附加应力,从而减少总沉降并提高路堤的稳定性。同时对于减少环境污染、节省土地、开拓新的筑路材料来源,都具有非常重要的经济效益和社会效益。[1]本文采用土工离心模型试验,对纯粉煤灰路堤变形特征进行分析,主要研究以下两个方面的内容:

    (1)纯粉煤灰路堤在不同设计干密度和含水量条件下的变形特征,以及路堤变形与粉煤灰干密度和含水量之间的关系,为纯粉煤灰路堤变形的预测提供一定依据。

    (2)纯粉煤灰路堤在相同干密度、相同含水量条件下,采用不同的边坡坡度对路堤变形的影响。

    1　粉煤灰路堤土工离心模型试验设计

    1·1　离心模型试验基本原理[2]-[3]

    离心模型试验是研究小比例尺模型在离心试验机所形成的加速度场中达到与原型相同的应力水平,得到与原型相同的应力状态、位移变化及相似的塑性区发展和变形破坏过程,以获取全比例尺模型的变形破坏机理的模拟试验技术。离心模型基本思想是用离心机来模拟土工构筑物的自重效应,将1 /n比例尺的模型置于特制的离心机中,在离心加速度a=ng(g为重力加速度)的空间进行试验。即利用离心机产生n倍重力加速度,达到模型和原型二者的重力完全相等,以保持其力学特性的相似性。

    1·2　离心模型试验的比尺关系[2]

    离心模型试验的各项参数应与原型有一定的相似关系,才能保证模型的模拟精度。这种相似关系称为比尺关系。对于不同的研究问题,它的比尺关系可用一定的无量纲数为依据推导求得。例如,原型深度为hp处的土压力p=γhp,对应离心模型中该点的离心加速度为ng,深度为hm,则有:

                

    1·3　模型材料特性及制作

    1·3·1　试验模型材料特性

    为了研究纯粉煤灰路堤在不同干密度和含水量条件下的变形特征,以及不同边坡坡度对纯粉煤灰路堤变形的影响,本次试验共设计了四组离心试验模型。模型所有粉煤灰为贵州某发电厂排放的粉煤灰,测得其最大干密度为1·30 g /cm-3,最佳含水量为22%,C=10 kPa,Φ=28·83°。试验所用的地基材料为含砾粉质粘土。

               

    1·3·2　模型制作

    本试验以一段约16 m高的纯粉煤灰路堤进行模拟,按Lm=Lp/n确定模型尺寸,其中Lm为模型尺寸,Lp为原型几何尺寸,n为重力加速度g的倍数。为了能够准确模拟较高、较宽边坡的情况,并考虑边界效应的影响,模型的比例尺不宜取得太大;为了方便小尺寸构件的模拟,模型的比例尺不宜取得太小,鉴于以上两点原因,本模型试验n取1 /80。由于路堤结构的对称性,试验采取一半模拟即可。为了研究不同边坡坡度对路堤变形的影响,试验模型采用两个不同边坡度:模型1、3边坡坡度为1∶1;模型2、4边坡坡度为1∶2。制模时在模型箱里将试验材料分层击实成型,粉煤灰达到90%的压实度,地基达到85%的压实度。填筑完成后的模型如图1、图2所示。

              

              

    1·4　离心机加载

    土工离心模型试验中,时间比的相似关系为1 /n2,另外模拟现场逐步分层填筑的过程并考虑填筑过程中发生的沉降,应随时间逐步加大离心加速度,由此来反应实际的施工过程。根据相似关系,模拟路堤完工后200 d的固结、变形情况。离心机加速到80 g约需15 min,模型稳定运行80 min。试验在重庆交通大学土工离心试验室的TLJ-60型土工离心机上进行,其主要性能参数如下:

                 

    1·5　变形测试

    试验采用物理观测法测试模型的变形,即在靠模型箱有机玻璃一侧模型断面上间隔4 cm布设位移观测点,位移观测包括水平方向和垂直方向。为方便量测路堤断面上的位移,在土体侧面嵌入大头针作为土体位移的观测标志点,如图3所示。待土工离心机按设计时间运行95 min后,对比试验前后观测标志点的坐标值,观测标志点加载前后的坐标差即为各点的位移,从而得出纯粉煤灰路堤位移值。

                  

    2　离心模型试验结果分析

    在不同干密度、含水量及边坡坡度条件下进行的纯粉煤灰路堤土工离心模型试验具有很好的可比性。通过对4组离心试验模型进行比较分析,得出了不同干密度、含水量条件下纯粉煤灰路堤的变性特征和不同边坡坡度对纯粉煤灰路堤变形的影响。试验结果如图4~6所示:

                  

    由图可以得出以下认识:

    (1)对四组离心模型试验垂直位移进行分析,由图5可看出不同干密度、含水量条件下的路堤垂直位移总体趋势均随深度增加而递减,且路堤沉降变形随填筑体的干密度降低而递增。从图4、图5得出含水量对纯粉煤灰路堤变形特性的影响规律为:当含水量由22%增加到28%(增加6%),最大水平位移增加了约60%,而沉降大约为原来的2倍。这是因为填筑体的干密度降低,含水量增加,相应孔隙比增加,使得填筑体的结构逐渐疏松,相应地,在离心力作用下对应的变形更加显著。

    (2)对于路堤顶部,从路肩向路堤中心线方向,沉降变形总体趋势是逐渐增大,且以路堤中心线位置附近的沉降量值最大,亦即路堤中心线位置的沉降变形总体趋势较路肩两侧更为显著。由图6看出,路堤中心沉降变形约为路肩沉降变形的2倍。

    (3)对于路堤边坡,由图4看出,四组模型最大水平位移均处于距模型顶面10~15 cm处,即产生水平位移最大值的部位主要位于边坡中部(H /3~H2 /3范围内)。同样,边坡水平位移也随干密度的降低而增大。

    (4)在四组试验模型中,随着模型边坡坡度从1∶1~1∶2的变化,最大沉降量与最大水平位移量随之减小。其最大值出现在3#试验模型,最大沉降量为1·5 mm,最大水平位移量为0·7 mm。而在4#试验模型中最大沉降又出现了下降,这主要是因为模型的含水量和干密度变化而导致的。

    3　结语

    (1)从四组模型土工离心试验结果分析中可以看出,纯粉煤灰路堤沉降较小,实际工程中可以充分利用粉煤灰路堤以减小沉降。

    (2)实际应用纯粉煤灰路堤时,应对粉煤灰的相关工程性能进行试验研究和分析,使其在最佳含水量与最大干密度条件下填筑路堤,同时应十分重视路堤排水问题,以保证路堤的稳定性。

    (3)纯粉煤灰路堤高度越大,坡度越陡,不均匀沉降引起的变形破坏就越强烈。填筑路堤不均匀沉降是不可避免的,即使是压实度均一的均质填筑体,由于填筑厚度的差异也将产生不均匀沉降。因而在设计、施工过程中,应根据具体情况尽量减小路堤的不均匀沉降,并采取相应的结构措施减轻或消除其危害。

    (4)纯粉煤灰路堤合理边坡形式及坡度应根据具体工程情况与《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范》有关规定分析确定。

    参考文献：

    [1]罗喜元.粉煤灰路堤合理边坡形式及稳定性分析[J].路基工程,2004.3:26-29.

    [2]钱立平,马建林.土工离心模型试验原理与若干问题分析[J].路基工程,2007.3:6-8.

    [3]包承纲,饶锡宝.土工离心模型的试验原理[J].长江科学院院报,1998,4,15(2):1-3.

    [4]JTJ-016-93,公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范[S].

    [5]钱　磊.遵毕高速公路粉煤灰路堤研究[D].硕士学位论文.重庆:重庆交通大学,2009.