陳樂求，陳俊樺，張家生

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水泥改良泥質(zhì)板巖土路基模型動力響應(yīng)試驗(yàn)

陳樂求1, 2，陳俊樺1，張家生1

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2. 湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖南岳陽，414006)

為研究水泥改良的泥質(zhì)板巖土路基的動力響應(yīng)特性，結(jié)合工程實(shí)際在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)和建立足尺的水泥改良泥質(zhì)板巖土路基模型和相應(yīng)的路基動力加載系統(tǒng)，并且在路基內(nèi)埋設(shè)動土壓力盒、動應(yīng)變計(jì)和振動速度傳感器等測試元器件和布置豎向(沿深度方向)、橫向測線。通過對路基模型進(jìn)行循環(huán)動力加載與測試，獲取路基橫斷面上的動力響應(yīng)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：路基動應(yīng)力、動應(yīng)變和振動速度等動力響應(yīng)量沿路基豎向和橫向的衰減變化規(guī)律均相似；在動力加載作用點(diǎn)正下方的豎向測線上，動應(yīng)力和動應(yīng)變出現(xiàn)最大值，它們的豎向衰減系數(shù)也最大；隨著與動力加載作用點(diǎn)橫向距離增加，豎向測線上的動力響應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低，豎向衰減系數(shù)逐漸減小；動應(yīng)力和動應(yīng)變的橫向衰減系數(shù)隨深度增加而減?。患虞d頻率對路基動力響應(yīng)有較大影響；加載頻率越大，路基動力響應(yīng)越大；加載頻率越大，路基動力響應(yīng)衰減越快。

土動力學(xué)；水泥改良土；路基足尺模型；動力響應(yīng)；衰減規(guī)律

為節(jié)省成本，工程中通常就地取材填筑路基。公路或者鐵路線路會經(jīng)常大范圍穿越覆蓋不良土石料區(qū)如黃土、膨脹土、泥質(zhì)板巖、鹽漬土等。這些土石料要么剛度低或強(qiáng)度低，要么水穩(wěn)性差。為使這些不良土石料滿足路基填筑要求，通常需要對它們進(jìn)行化學(xué)改良?；瘜W(xué)改良方式主要為水泥改良和石灰改良。與普通土(非改良土)相比，化學(xué)改良土通常具有強(qiáng)度高、剛度高、抗水軟化能力強(qiáng)、透水性低等優(yōu)點(diǎn)，但存在一些缺點(diǎn)，如化學(xué)改良土路基特別是水泥改良路基較堅(jiān)硬，不容易維修，一旦需要維修(當(dāng)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象時(shí))，所需成本較大。此外，化學(xué)改良土路基密實(shí)性好，路基中動力響應(yīng)傳播衰減較慢，發(fā)生動力破壞的危險(xiǎn)性會較大。因此，對化學(xué)改良土路基的動力響應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行研究有重要的工程意義，有助于預(yù)防和處理化學(xué)改良土路基的病害，降低維護(hù)化學(xué)改良土路基的成本。目前，路基動力響應(yīng)性質(zhì)研究的主要方法為數(shù)值模 擬[1?8]、現(xiàn)場試驗(yàn)[9?12]和模型試驗(yàn)[13?17]。其中，數(shù)值模擬使用最多，其次是現(xiàn)場試驗(yàn)，模型試驗(yàn)最少。相對現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬不僅能節(jié)約成本，而且可以方便控制試驗(yàn)條件，能使研究者全面、深入地了解與分析動應(yīng)力、動應(yīng)變和振動速度等各種物理量的變化規(guī)律。由于實(shí)際工程中場地條件和路基填土力學(xué)性質(zhì)等因素較復(fù)雜，數(shù)值模擬結(jié)果會與實(shí)際結(jié)果存在一定差距。通常場地條件等越復(fù)雜，這種差距越大?，F(xiàn)場試驗(yàn)是在路基內(nèi)埋設(shè)振動速度傳感器、振動加速度傳感器、動位移計(jì)、動位移計(jì)等測試元器件，在車輛通過測試段路面時(shí)，利用測試元器件采集動力響應(yīng)信號，獲取路基動力響應(yīng)分布規(guī)律。例如，孫常新 等[10?12]在我國的秦沈客運(yùn)專線路基試驗(yàn)段內(nèi)埋設(shè)了相關(guān)動力測試元器件，獲得了不同車速、軸重下的路基動應(yīng)力及其變化規(guī)律。與數(shù)值模擬相比，現(xiàn)場試驗(yàn)獲得的結(jié)果能較真實(shí)地反映車輛荷載作用下的路基動力響應(yīng)，但針對性較強(qiáng)，適應(yīng)性較弱，不利于深入分析和拓展應(yīng)用。模型試驗(yàn)通常是結(jié)合工程實(shí)際，按照一定比例建立路基模型。模型材料可與實(shí)際材料相同，也可不同。通過模型試驗(yàn)獲得的動力響應(yīng)規(guī)律去推求實(shí)際路基的動力響應(yīng)。與數(shù)值模擬相比，模型試驗(yàn)特別是同材料、足尺模型的試驗(yàn)結(jié)果較接近實(shí)際。與現(xiàn)場試驗(yàn)相比，模型試驗(yàn)的試驗(yàn)條件較寬，可進(jìn)行多種工況下的動力加載與測試，這有利于深入認(rèn)識路基動力響應(yīng)特性。陳愛云等[13]采集現(xiàn)場軟巖土樣，構(gòu)筑1:10的小比例鐵路路基模型。針對無砟軌道路基，詹永祥等[15]建立了相似比為1:2的路基模型。針對長沙—衡陽客運(yùn)專線，熊躍華等[16]則采用相似材料模型試驗(yàn)方法，用千枚板巖填筑路基并進(jìn)行試驗(yàn)。蔣紅光等[17]認(rèn)為模型的材料性質(zhì)和幾何尺寸對動力響應(yīng)計(jì)算等有重要影響，由不同材料和小比例模型所得結(jié)果的可靠性有待驗(yàn)證，由材料與幾何尺寸相同的路基模型得出的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更相符。以上提到的路基動力響應(yīng)研究均是針對普通土類路基。目前，普通土類路基是路基動力響應(yīng)主要研究對象。人們對化學(xué)改良土路基動力響應(yīng)性質(zhì)的研究較少，少有的研究也主要是現(xiàn)場試驗(yàn)，如趙勇[18]通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究武漢—廣州高鐵線路中的泥質(zhì)粉砂巖水泥改良路基的動力響應(yīng)特性。田海波等[19]在合肥—南京高速客貨共線鐵路試驗(yàn)段對石灰改良膨脹土路基進(jìn)行動力響應(yīng)測試。目前尚未見關(guān)于化學(xué)改良土路基模型試驗(yàn)的報(bào)道。泥質(zhì)板巖是一種淺變質(zhì)巖，主要由黏土質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積巖或凝灰質(zhì)巖石、沉凝灰?guī)r等變質(zhì)而成，屬于軟質(zhì)巖石，其強(qiáng)度不高，穩(wěn)定性弱，而且遇水易軟化、崩解。泥質(zhì)板巖土為泥質(zhì)板巖風(fēng)化后的土料，保留了母巖的水物理化學(xué)性質(zhì)，屬不良路基填料。泥質(zhì)板巖在我國分布較廣，包括公路和鐵路路基在內(nèi)的很多基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目在泥質(zhì)板巖區(qū)域開展，這些基礎(chǔ)工程的填料通常需要經(jīng)過石灰改良或者水泥改良。為給這些化學(xué)改良的路基工程項(xiàng)目提供參考，本文作者以水泥改良后的泥質(zhì)板巖土填筑的公路路基工程為研究背景，設(shè)計(jì)和建立比例為1:1的足尺路基實(shí)體模型以及相應(yīng)的路基動力加載與測試系統(tǒng)，開展路基循環(huán)動力加載與測試，研究水泥改良泥質(zhì)板巖土路基的動力響應(yīng)特性。

1 路基動力響應(yīng)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 路基模型設(shè)計(jì)

1.1.1 路基填料

目前，實(shí)際工程中路基填料通常優(yōu)先采用粗粒土，本文路基模型填料設(shè)為粗粒土。土樣來自湖南岳陽市區(qū)，為褐黃色泥質(zhì)板巖粗粒土，主要含白云母、石英、綠泥石和高嶺石等礦物成分。土遇水易軟化、崩解，水穩(wěn)性差。土樣的天然含水率為5%~20%，密度為1.04~1.71 g/cm3。土樣的顆粒粒度不大于60 mm，土的不均勻系數(shù)約為29.2，曲率系數(shù)約為7.3。級配曲線見圖1。根據(jù)我國GB/T 50145—2007“土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)”，土樣為級配不良的含細(xì)粒土礫。

1.1.2 路基填土改良

根據(jù)圖1所示級配曲線，在土樣中摻入普通硅酸鹽水泥P.O32.5對土進(jìn)行化學(xué)改良。研究表明[18?20]：當(dāng)改良土中水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥4%時(shí)，土的改良效果能滿足設(shè)計(jì)要求。本文試驗(yàn)在土中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的水泥，以約16%的含水率和2.0 g/cm3的干密度制作填料，然后參考實(shí)際工程中的施工程序去填筑路基。

1.1.3 路基幾何尺寸

圖1 泥質(zhì)板巖粗粒土的級配曲線

為了方便研究，路基模型簡化為2種材料模型。路基本體為水泥改良后的泥質(zhì)板巖粗粒土，路基面上鋪設(shè)混凝土板。路基本體高度為2.00 m，長為3.00 m，路基頂部寬3.75 m，邊坡坡度為1:1.5?；炷撩姘搴?.30 m?；炷翉?qiáng)度等級為C30。路基橫斷面見圖2。

數(shù)據(jù)單位：m

1.2 路基加載系統(tǒng)

1.2.1 動力加載裝置

路基加載裝置在湖南理工大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，主要由法定平臺、反力鋼架(梁)以及FCS0118電液伺服協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)系統(tǒng)組成。加載試驗(yàn)系統(tǒng)中作動器可施加的最大力為300 kN，最大加載頻率為20 Hz。作動器加載面為矩形，面積為30 cm×40 cm。加載主要加載波形有方波、三角波和諧波。

1.2.2 動力加載條件

對路基模型試驗(yàn)，確定施加的動荷載主要從2個(gè)方面進(jìn)行：一是建立車輛模型，根據(jù)動力學(xué)理論計(jì)算輪胎的動態(tài)力即車輛的動載[21]；二是通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測定車輛與路面相互作用的動荷載。車輛動荷載一般為復(fù)雜的隨機(jī)荷載，由理論模型很難獲取滿意的結(jié)果?，F(xiàn)場實(shí)測操作難度大，過程復(fù)雜及干擾較強(qiáng)，一般很難獲得滿意的結(jié)果。將車輛荷載假設(shè)為由成一系列簡諧振動疊加的周期性動荷載，車輛振動荷載對路面的作用也可以簡化為單個(gè)車輪對路面的集中作用[21]。為方便研究，本文試驗(yàn)利用1個(gè)作動器在路面混凝土板上施加正弦波形式的動力。參考文獻(xiàn)[22?23]，正弦波動力的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：為路面上軸向動力；為動力幅值；為加載頻率；為作用時(shí)間；為初始相位。

加載曲線示意圖見圖3。作動器作用在混凝土面板的中心，路基動力加載示意圖見圖4。

圖3 軸向動力加載曲線示意圖

圖4 路基動力加載示意圖

1.3 路基動力響應(yīng)測試方案

測線布置如圖2所示。沿豎向(深度)的測試線有5條，從左至右分別記為V1，V2，V3(橫斷面中心線)，V4和V5，以3為中心對稱布置，距V3的距離分別為1.875，0.800 m。沿路基橫向的測線距離混凝土面板底部的距離分別為0.25，0.55，0.95和1.75 m，橫向4條測線分別記為H1，H2，H3和H4。考慮到路基橫斷面的對稱性，路基中心線均布置了動土壓力盒、動應(yīng)變計(jì)、振動速度傳感器等(測量的物理量均為豎向的)，而動土壓力盒和動應(yīng)變計(jì)分別對稱布置在路基中心線的左右。當(dāng)改良土齡期達(dá)到28 d以上時(shí)，可對模型路基進(jìn)行動力加載和動力響應(yīng)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 橫斷面上動力響應(yīng)分布

當(dāng)改良土齡期為28 d，頻率為4 Hz，循環(huán)次數(shù)為50，動荷載幅值=25 kN時(shí)，路基橫斷面上的動應(yīng)力、動應(yīng)變和振動速度的衰減規(guī)分別見圖5~7。從圖5~7可以看出：動應(yīng)力、動應(yīng)變和振動速度隨深度衰減變化的曲線形態(tài)相似，即動應(yīng)力等動力響應(yīng)物理量均隨深度增加而減小，在橫斷面上的分布規(guī)律基本相同。本文重點(diǎn)研究動應(yīng)力和動應(yīng)變的響應(yīng)規(guī)律。

從圖5和圖6可看出：在相同深度時(shí)，路基橫斷面中心線上的最大豎向動應(yīng)力和最大豎向動應(yīng)變最大。這是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)施加動力的作用點(diǎn)在混凝土板中心，動力作用方向?yàn)樨Q向，路基動力響應(yīng)的強(qiáng)度隨橫向距離或者深度增大而衰減，因此，在相同深度下，動力加載作用點(diǎn)正下方的動力響應(yīng)最強(qiáng)。

2.2 橫斷面上動力響應(yīng)的豎向衰減規(guī)律

為研究動力響應(yīng)沿深度方向的衰減特性，通過擬合測線V1~V5得到豎向動應(yīng)力和豎向動應(yīng)變沿深度的衰減規(guī)律，擬合公式為：

1—測線V1試驗(yàn)結(jié)果；2—測線V1擬合結(jié)果；3—測線V2試驗(yàn)結(jié)果；4—測線V2擬合結(jié)果；5—測線V3試驗(yàn)結(jié)果；6—測線V3擬合結(jié)果。

圖5 動應(yīng)力衰減規(guī)律

Fig. 5 Attenuation laws of dynamic stress

1—測線V5試驗(yàn)結(jié)果；2—測線V5擬合結(jié)果；3—測線V4試驗(yàn)結(jié)果；4—測線V4擬合結(jié)果；5—測線V3試驗(yàn)結(jié)果；6—測線V3擬合結(jié)果。

圖7 振動速度衰減規(guī)律

對于動應(yīng)力和動應(yīng)變，路基橫斷面中線上(測線V3)的豎向衰減系數(shù)最大，分別為1.68和1.61。隨著與中線的橫向距離增加(測線由V3至V5或者由V3至V1)，動力響應(yīng)豎向衰減系數(shù)逐漸減小，這表明在動力加載作用點(diǎn)正下方，動力響應(yīng)沿深度方向衰減最快。經(jīng)分析可知：隨著動力加載產(chǎn)生的擾動由加載作用點(diǎn)向路基四周擴(kuò)散，動應(yīng)力和動應(yīng)變響應(yīng)沿深度方向和橫向不斷衰減。對于本文試驗(yàn)，加載作用點(diǎn)正下方為動力作用的集中方向，該方向上動力響應(yīng)最大。隨著與中線的橫向距離橫向距離增加，即由測線V3~V1(或者測線V3~V5)，相同深度測點(diǎn)的動力響應(yīng)逐漸減小。在通常情況下，動力作用強(qiáng)度越大，土的黏滯性越大，相應(yīng)的動力響應(yīng)衰減也越大，因此，作用點(diǎn)正下方的路基動力響應(yīng)衰減最大。

從試驗(yàn)結(jié)果看，擬合相關(guān)系數(shù)為0.97~0.99，結(jié)合圖5和圖6可知擬合效果良好，故式(1)和(2)適合描述本文路基試驗(yàn)中動力響應(yīng)沿深度方向衰減的規(guī)律。

2.3 橫斷面上動力響應(yīng)的橫向衰減規(guī)律

動應(yīng)力和動應(yīng)變沿橫向的衰減規(guī)律曲線見圖8和圖9。從圖8和圖9可看出：動應(yīng)力和動應(yīng)變隨橫向距離衰減變化的曲線形態(tài)相似，即動應(yīng)力和動應(yīng)變沿路基橫向衰減的規(guī)律基本一致。

為研究沿橫向的衰減特性，通過擬合測線H1~ H4得到豎向動應(yīng)力和豎向動應(yīng)變沿橫向的衰減規(guī)律。擬合公式為：

1—測線H1試驗(yàn)結(jié)果；2—測線H1擬合結(jié)果；3—測線H2試驗(yàn)結(jié)果；4—測線H2擬合結(jié)果；5—測線H3試驗(yàn)結(jié)果；6—測線H3擬合結(jié)果；7—測線H4試驗(yàn)結(jié)果；8—測線H4擬合結(jié)果。

1—測線H1試驗(yàn)結(jié)果；2—測線H1擬合結(jié)果；3—測線H2試驗(yàn)結(jié)果；4—測線H2擬合結(jié)果；5—測線H3試驗(yàn)結(jié)果；6—測線H3擬合結(jié)果；7—測線H4試驗(yàn)結(jié)果；8—測線H4擬合結(jié)果。

2.4 加載頻率對動力響應(yīng)的影響

當(dāng)改良土齡期為28 d，頻率分別為1，4和6 Hz，動力幅值為=25 kN時(shí)，路基橫斷面中心線上(測線V3)動應(yīng)力的衰減規(guī)律見圖10，動應(yīng)力豎向衰減系數(shù)與加載頻率的關(guān)系見圖11。利用式(2)對圖11所示結(jié)果進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的衰減系數(shù)。從圖10可看出：在同一深度時(shí)，加載頻率越大，路基豎向動應(yīng)力越大。例如，對于深度為0.55 m的測點(diǎn)，當(dāng)頻率由1 Hz增加到6 Hz時(shí)，對應(yīng)的動應(yīng)力由30.5 kPa增加到49.7 kPa。從圖11可看出：當(dāng)加載頻率從1 Hz增加到6 Hz時(shí)，路基橫斷面中心線上的動應(yīng)力衰減系數(shù)由1.39增加到1.57，即加載頻率越高，路基動應(yīng)力衰減越快。因此，加載頻率對路基動力響應(yīng)有重要影響。這種影響與路基土的材料以及路基固有頻率相關(guān)。對于水泥改良的泥質(zhì)板巖粗粒土路基，由于強(qiáng)度和剛度大，若將水泥改良的泥質(zhì)板巖粗粒土看作線黏彈性材料，則據(jù)文獻(xiàn)[24]，隨著加載頻率接近路基固有頻率，土的動力響應(yīng)幅值不斷增大。

圖10 不同頻率下動應(yīng)力沿深度方向的衰減規(guī)律

圖11 動應(yīng)力豎向衰減系數(shù)與加載頻率的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 路基橫斷面上動應(yīng)力、動應(yīng)變和振動速度等動力響應(yīng)物理量的空間分布特性以及沿豎向和橫向的衰減變化規(guī)律相同。

2)沿豎向測線，動力加載作用點(diǎn)正下方的路基動力響應(yīng)最強(qiáng)，動力響應(yīng)衰減也最快。隨著豎向測線與動力加載作用點(diǎn)的橫向距離增大，動力響應(yīng)的強(qiáng)度和豎向衰減系數(shù)均逐漸減小。隨著深度增加，路基動力響應(yīng)的橫向衰減系數(shù)減小。

3) 加載頻率對路基動力響應(yīng)有較大影響。在同一深度時(shí)，加載頻率越大(本文試驗(yàn)的頻率范圍為1~6 Hz)，路基動應(yīng)力越大。加載頻率越高，路基動應(yīng)力衰減越快。

4) 提出的動力響應(yīng)沿豎向和橫向的衰減預(yù)測公式適合描述本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中路基動力響應(yīng)沿深度和橫向衰減的變化規(guī)律。

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(編輯 陳燦華)

Experiments on dynamic response of cement-improved argillaceous-slate subgrade model

CHEN Leqiu1, 2, CHEN Junhua1, ZHANG Jiasheng1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Department of Construction & Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

In order to research the dynamic response characteristics of cement-improved argillaceous-slate subgrade, full-scale subgrade model and dynamic loading system were designed and established based on practical engineering. Components for dynamic tests such as the earth pressure cell for dynamics, the strain gauge for dynamics and the vibration velocity sensor were embedded in the subgrade model. The measuring lines along vertical(depth direction) and transverse direction were designed. When the subgrade model was under cycle dynamic load, the test of dynamic responses of model was carried out. The results show that the dynamic response quantities such as the dynamic stress, the dynamic strain and the vibration velocity have the similar attenuation law along vertical and transverse direction. The maximum of the dynamic stress and the dynamic strain appear on the loading point. Under the loading point, the vertical attenuation of the dynamic stress and the dynamic strain both have the maximum value. Both the dynamic response intensity and the vertical dynamic attenuation index decrease with the increase of transverse distance to the center line of subgrade cross section. The transverse dynamic attenuation index of the dynamic stress and the dynamic strain decrease with the increase of the depth. The influence of frequency on dynamic response is great. The dynamic response intensity as well as the dynamic attenuation index increase, significantly with the increase of frequency.

soil dynamics; cement-improved soil; full-scale subgrade model; dynamic response; attenuation law

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.030

TU41

A

1672?7207(2017)08?2203?07

2017?01?12；

2017?03?15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308210)(Project (51308210) supported by the National Natural Science Foundation of China)

陳樂求，博士，副教授，從事巖土工程、路基工程研究；E-mail：365148895@qq.com