謝 康，李泰灃，肖憲普，3，陳曉斌，張千里，王業(yè)順

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱“高鐵”)路基長(zhǎng)期承擔(dān)軌道與列車反復(fù)作用,而路基結(jié)構(gòu)靜動(dòng)變形控制標(biāo)準(zhǔn)達(dá)毫米級(jí),對(duì)路基填筑質(zhì)量與填筑效率提出了極高要求[1]。級(jí)配碎石作為高鐵基床表層填料,具有高抗剪強(qiáng)度、低壓縮性以及強(qiáng)抵抗變形的能力,進(jìn)而可為高鐵基床表層提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的支撐基礎(chǔ)[2-3]。

為確保級(jí)配碎石具備上述物理力學(xué)性質(zhì),需要對(duì)其填筑質(zhì)量嚴(yán)格把控,主要包括級(jí)配和含水率兩個(gè)方面[4]。大量高鐵施工中,通過(guò)“廠拌”的模式保證級(jí)配碎石適用性[5],而對(duì)含水率的控制以“工人經(jīng)驗(yàn)”為主[5-6],導(dǎo)致未處于最佳含水率的級(jí)配碎石在填筑中產(chǎn)生壓實(shí)不均的問(wèn)題,為此有必要探討含水率對(duì)級(jí)配碎石壓實(shí)干密度的影響。目前,最大干密度與含水率的關(guān)系主要通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)[7]和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[6]進(jìn)行研究,但缺乏級(jí)配與含水率方面的相關(guān)研究,同時(shí)擊實(shí)試驗(yàn)難以完全滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況[8],對(duì)級(jí)配與含水率的研究存在一定局限性。

鐵路行業(yè)規(guī)定[6]礫石類最大干密度采用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)加重物法,且同時(shí)要求采用干法或濕法開(kāi)展試驗(yàn)。其中,濕法僅做了在烘干料中加適量水或用天然的濕土進(jìn)行裝樣,并沒(méi)有考慮含水量對(duì)干密度的影響,屬于一種以經(jīng)驗(yàn)為導(dǎo)向的方法。室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)作為確定粗粒土最大干密度的方法之一[9-10],也是公認(rèn)為與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理相同的試樣成型方法[7],但是鮮有系統(tǒng)地涉及含水率對(duì)振動(dòng)壓實(shí)特性的研究。部分學(xué)者通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率,但二者之間壓實(shí)機(jī)理存在差距,影響振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率的確定。針對(duì)高鐵級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)特性的研究集中在物理指標(biāo)(干密度)[11],然而,要全面評(píng)估其壓實(shí)特性,除考慮干密度外,還需深入探究其力學(xué)指標(biāo)(剛度和強(qiáng)度)。張家玲等[12]、王天亮等[8]采用物理力學(xué)指標(biāo)表征填料的壓實(shí)狀態(tài),同時(shí)指出對(duì)高鐵填料這類復(fù)雜的混合材料,其性質(zhì)與顆粒大小、形狀和級(jí)配組成密切相關(guān),干密度與力學(xué)特性之間的關(guān)系尚需具體研究確定。目前針對(duì)高鐵路基級(jí)配碎石力學(xué)特性的研究,主要通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)進(jìn)行研究。Seif等[13]通過(guò)一系列大三軸試驗(yàn),比較分析了不同顆粒級(jí)配、含水率對(duì)級(jí)配碎石的抗剪強(qiáng)度的影響,類似地,Pham[14]通過(guò)大型靜動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了級(jí)配碎石的強(qiáng)度和變形特性,分析了圍壓、細(xì)顆粒含量及含水率對(duì)其抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化的影響。然而含水率對(duì)級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)力學(xué)性質(zhì)影響的研究成果較少,難以表征出實(shí)際的壓實(shí)狀態(tài)。

振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中含水率對(duì)填料壓實(shí)特性的影響鮮有研究,故有必要對(duì)振動(dòng)壓實(shí)下不同含水率級(jí)配碎石的壓實(shí)狀態(tài)開(kāi)展深入分析。本文以不同土體結(jié)構(gòu)類型的級(jí)配碎石為研究對(duì)象,采用室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)和大型靜三軸試驗(yàn)方法,提出將壓實(shí)烘干后的臨界含水率作為最優(yōu)含水率,量化不同含水率下壓密狀態(tài),深入探討不同含水率下振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理,研究成果可為高鐵粗粒土填筑控制提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)陳堅(jiān)等[15]研究以及TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]對(duì)級(jí)配的要求,選擇如圖1所示三種級(jí)配類型:骨架孔隙型R1、骨架密實(shí)R2和懸浮密實(shí)R3,以保證試驗(yàn)土樣典型性[17-19]。

圖1 試驗(yàn)級(jí)配碎石材料級(jí)配

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)儀采用課題組研制的多參數(shù)可調(diào)式智能振動(dòng)壓實(shí)儀。為減少尺寸效應(yīng)對(duì)填料最大干密度的影響,該設(shè)備有不同直徑的壓實(shí)筒,壓實(shí)筒直徑D=100、150、200、250、300 mm。高鐵填料最大粒徑dmax控制值為45 mm,且當(dāng)徑徑比(D/dmax)大于4.7[20],尺寸效應(yīng)對(duì)干密度的影響較小,故最終采用直徑φ250、高h(yuǎn)=250 mm壓實(shí)筒成樣。級(jí)配碎石強(qiáng)度特性試驗(yàn)采用大型靜動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)尺寸為φ300、h=600 mm。

為量化不同含水率對(duì)級(jí)配碎石壓實(shí)過(guò)程的影響,需要形成干密度-壓實(shí)時(shí)間曲線(壓密曲線)。王萌等[7]在室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中,采用游標(biāo)卡尺分別測(cè)試壓實(shí)過(guò)程中不同階段被壓料的高度,進(jìn)而計(jì)算出被壓料干密度ρd為

(1)

式中:ρw為填料濕密度;m為填料質(zhì)量;h為填料厚度;w為填料含水率;A為壓實(shí)筒底面積。

然而,這種做法不僅工作量大,花費(fèi)大量人力,且易受人為因素干擾,存在較大誤差?；诒砻娉两道碚?結(jié)合智能振動(dòng)壓實(shí)儀內(nèi)置的沉降傳感器,可在設(shè)備采集界面自動(dòng)輸出壓密曲線。

壓實(shí)中密度通過(guò)填料體積和質(zhì)量求得,由于壓實(shí)筒內(nèi)填料的質(zhì)量一定,只要測(cè)定體積的變化就可求出密度的變化,即初始密度ρ0為

(2)

式中:V0為填料初始總體積;h0為填料厚度。

假設(shè)振動(dòng)壓實(shí)n次后沉降量為Sn,則n次振動(dòng)壓實(shí)后密度ρn為

(3)

式中:Vn為n次振動(dòng)壓實(shí)后體積;An為n次振動(dòng)后填料的底面積;εn為沉降率。

設(shè)壓實(shí)筒內(nèi)填料總質(zhì)量m不變,且振動(dòng)壓實(shí)前后面積不變,即

An=A

(4)

由式(2)～式(4)結(jié)合可得

(5)

因此,如果ρ0已知,只需測(cè)量Sn,則可計(jì)算出n次振動(dòng)壓實(shí)后填料ρn。因此,在試驗(yàn)中,只需測(cè)試裝樣后ρ0,其他情況下測(cè)出沉降量即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的密度,最終取壓實(shí)穩(wěn)定后的干密度作為最大干密度ρdmax。

1.3 試驗(yàn)方法

振動(dòng)壓實(shí)試樣制備時(shí),采用四分法分別稱取3種級(jí)配的樣品,振動(dòng)壓實(shí)試樣中分別選取含水率w =0%、2%、4%、5%、6%制樣,每組試樣平行制樣3組,總共45組進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)。采用花灑方式將水與級(jí)配碎石均勻拌合,然后靜置一夜,以保證粗細(xì)顆粒充分濕潤(rùn)。

為使室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)碾壓的效果一致,試驗(yàn)中控制室內(nèi)壓實(shí)功與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)功一致。劉東海等[21]通過(guò)調(diào)整室內(nèi)振動(dòng)次數(shù),以保證試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)碾壓壓實(shí)功一致。根據(jù)振動(dòng)理論,碾輪(夯頭)的振動(dòng)荷載幅值P為

P=m+Fsinωt

(6)

式中:F為碾輪產(chǎn)生的激振力;t為振動(dòng)時(shí)間;ω為碾輪振動(dòng)頻率。

由于土體阻尼的存在,致使碾輪垂直位移與激振力之間產(chǎn)生相位差φ,此時(shí)得到碾輪單位周期壓實(shí)能量為

當(dāng)碾輪振動(dòng)頻率與土體固有頻率相同時(shí),相位差為90°,級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)的最優(yōu)頻率在30Hz左右,故在現(xiàn)場(chǎng)碾壓振動(dòng)頻率可選取為30Hz。此時(shí),可將壓實(shí)能量E簡(jiǎn)化為

(8)

碾輪和鐵夯頭振壓n遍后所做的單位體積壓實(shí)功E0-1、E0-2分別為

(9)

式中:n′為夯頭振動(dòng)次數(shù)。

將式(8)代入式(9)、式(10)可得

式中:B為振動(dòng)輪寬度;H為碾壓層厚度;v為壓路機(jī)行走速度;m′為夯頭壓實(shí)下填料質(zhì)量;F′為夯頭產(chǎn)生的激振力。

基于廣湛高鐵新興段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,基床表層圍壓一般為15～60kPa,故選取15、30、60kPa共三種工況進(jìn)行不同含水率的靜三軸試驗(yàn)。加載中采取固結(jié)排水剪切,按分級(jí)加載方式進(jìn)行加載,最后采用位移法,以0.3%/min(1.8 mm/min)的應(yīng)變速率進(jìn)行加載,當(dāng)主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變表現(xiàn)為下降時(shí)停止加載。

2 不同含水率級(jí)配碎石壓密特性分析

2.1 干密度分析

R1、R2、R3試樣不同含水率下試樣干密度變化見(jiàn)圖2。另外,增加R2在擊實(shí)試驗(yàn)中的最優(yōu)含水率,比較兩種壓實(shí)方式下含水率對(duì)干密度的影響差異。

圖2 不同含水率下試樣干密度變化

如由圖2可知,振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中三種級(jí)配填料的最大干密度均隨含水率增加呈現(xiàn)“緩慢減小—緩慢增加”的趨勢(shì);而R2填料在擊實(shí)試驗(yàn)中最大干密度隨著含水率增加呈現(xiàn)“緩慢增加—緩慢減小”的趨勢(shì),存在最優(yōu)含水率wo=4.4%使試樣干密度最大為2.32 g/cm3。

由圖2(b)可知,當(dāng)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中R2的最優(yōu)含水率為4.4%時(shí),試樣存在“冒漿”和“起皮”現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象與陳祖正[22]將鐵路粗粒土填料試樣含水率設(shè)定為5%時(shí)的現(xiàn)象類似,且當(dāng)含水率大于4.4%時(shí),干密度仍逐漸增大,這與擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果不符,該結(jié)論與吳龍梁[23]振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果一致。

壓實(shí)前后含水率變化見(jiàn)圖3。由圖3可知,振動(dòng)壓實(shí)前后含水率變化受壓實(shí)前含水率影響較大,當(dāng)壓實(shí)前含水率較低時(shí),壓實(shí)前后的填料含水率基本不變;而當(dāng)含水率較大時(shí),“翻漿”導(dǎo)致部分水流失,壓實(shí)后含水率變化呈減小趨勢(shì),但壓實(shí)后含水率趨于穩(wěn)定。因此,可將“翻漿”試樣壓實(shí)后的烘干含水率作為臨界含水率wv。

圖3 壓實(shí)前后含水率變化

振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中R1、R2、R3的含水率為臨界含水率(3.5%、4.0%、5.4%)時(shí),試驗(yàn)過(guò)程中未產(chǎn)生“翻漿”,且其干密度分別為2.14、2.42、2.35 g/cm3。以R2為例,擊實(shí)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓實(shí)中的最大干密度分別為2.32、2.38 g/cm3,通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度確定壓實(shí)度K> 1.0,而通過(guò)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)最大干密度和臨界含水率確定壓實(shí)度為0.983,滿足高鐵路基填筑質(zhì)量要求。

2.2 振動(dòng)壓密特性分析

基于所獲得的壓密曲線,采用壓密曲線的密實(shí)能量指標(biāo)來(lái)反映級(jí)配碎石的密實(shí)內(nèi)在信息[23],見(jiàn)圖4。

圖4 壓密曲線

為研究級(jí)配碎石在振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中的壓實(shí)特性,根據(jù)現(xiàn)有研究成果[24],提出密實(shí)能量CEI和工后沉降能量TDI兩個(gè)指標(biāo)表征級(jí)配碎石在壓實(shí)階段的壓實(shí)性能。碾壓期的密實(shí)能量指數(shù)CEI表示級(jí)配碎石在填筑中,壓實(shí)到一定的密實(shí)度時(shí),壓實(shí)設(shè)備所做的功。如果級(jí)配碎石壓實(shí)度接近100%,級(jí)配碎石會(huì)產(chǎn)生塑性破壞,導(dǎo)致線路過(guò)大沉降。故將級(jí)配碎石壓實(shí)度從95%～98%圍成的曲線面積定義為TDI。TDI越高,則意味著級(jí)配碎石達(dá)到破壞時(shí),需要更大的列車荷載,基床越穩(wěn)定。大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),壓密曲線符合對(duì)數(shù)曲線生長(zhǎng)趨勢(shì),即在壓實(shí)初期增長(zhǎng)迅速,但隨后進(jìn)展就越發(fā)困難,最后保持穩(wěn)定。CEI和TDI兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算式為

(alnn+b)dn

(13)

(alnn+b)dn

(14)

式中:a、b為擬合參數(shù);ndes為K=96%時(shí)的振動(dòng)次數(shù);nmax為K=98%時(shí)的振動(dòng)次數(shù)。

不同含水率下壓實(shí)參數(shù)曲線見(jiàn)圖5。對(duì)于相同級(jí)配的試樣,增加一定量含水率后,CEI才會(huì)減小,使得其消耗的壓實(shí)能量低,主要原因是水在級(jí)配碎石顆粒間主要起著潤(rùn)滑的作用。當(dāng)含水率超過(guò)有效含水量后,CEI逐漸趨于穩(wěn)定,說(shuō)明水膜達(dá)到一定厚度后,增加含水率對(duì)壓實(shí)性的改善效果有限。在含水率較低時(shí),相同含水狀態(tài)下的級(jí)配碎石,細(xì)級(jí)配大于粗級(jí)配,說(shuō)明相同含水狀態(tài)下細(xì)級(jí)配較難壓實(shí),主要原因在細(xì)級(jí)配對(duì)水的反應(yīng)敏感,因水的表面張力作用,使得土料顆粒相互緊靠,阻止其移動(dòng),壓實(shí)效果稍差。TDI隨著細(xì)顆粒含量增加減小,說(shuō)明細(xì)級(jí)配的抗變形比粗級(jí)配差。但充分灑水后,土料顆粒表面張力消失,使得細(xì)級(jí)配壓實(shí)效果又變得良好。同時(shí),細(xì)級(jí)配的抗變形在壓實(shí)過(guò)程中均小于粗級(jí)配,主要原因在于粗級(jí)配更容易形成穩(wěn)定的骨架。

圖5 不同含水率下壓實(shí)參數(shù)曲線

2.3 振動(dòng)壓實(shí)下破碎特性分析

在振動(dòng)壓實(shí)中,激振力會(huì)導(dǎo)致級(jí)配碎石顆粒的棱角磨損,使得試樣級(jí)配變異[25]。將振動(dòng)壓實(shí)后的各組試樣進(jìn)行烘干、篩析比較前后顆粒級(jí)配累積曲線,見(jiàn)圖6。

圖6 不同含水率下R1壓實(shí)前后級(jí)配曲線

由圖6可知,隨著含水率增加,振動(dòng)壓實(shí)前后各粒徑篩孔的通過(guò)率皆呈先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)含水率較低時(shí),顆粒間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),缺少水的緩沖和潤(rùn)滑作用,顆粒破碎較為明顯,尤其是填料處于干燥狀態(tài)下,振動(dòng)壓實(shí)成型之后的級(jí)配發(fā)生較大變異。

為定量表征不同含水狀態(tài)級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)前后顆粒破碎特性,采用相對(duì)破碎率Br來(lái)量化顆粒破碎程度,計(jì)算方法為

(16)

(17)

式中:bp為該粒徑破碎的潛在能力;bp0、bp1分別為壓實(shí)前后的bp值;f為級(jí)配曲線方程;Bp、Bt分別為壓實(shí)前顆粒潛在的破碎能力和壓實(shí)后發(fā)生的顆粒破碎量。

相對(duì)破碎計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 相對(duì)破碎分析

由表1可知,隨著試樣中粗顆粒含量增多,顆粒的相對(duì)破碎率增大。R3中細(xì)顆粒含量較多,級(jí)配在振動(dòng)壓實(shí)前后基本不變;各組級(jí)配中相對(duì)破碎率均隨著含水率的增加而先減小后增大,若試樣中含水率較低時(shí),尤其是大顆粒含量多的試樣在壓實(shí)過(guò)程中形成的土體顆粒結(jié)構(gòu)較為單一,部分土顆粒骨架出現(xiàn)應(yīng)力集中,導(dǎo)致更多的顆粒破碎;當(dāng)含水率處于臨界含水率時(shí),水對(duì)顆粒間潤(rùn)滑、緩沖效應(yīng)更加明顯,破碎更不顯著;但隨著含水率進(jìn)一步增加,部分細(xì)顆粒被水帶出,產(chǎn)生翻漿現(xiàn)象,試樣進(jìn)一步被壓縮,導(dǎo)致大顆粒之間互相接觸,破碎率增大,故細(xì)顆粒含量較少的R1在高含水率會(huì)發(fā)生較大破碎現(xiàn)象。

3 不同含水率下級(jí)配碎石剛度和強(qiáng)度特性分析

對(duì)于粗粒土這類復(fù)雜混合材料,其性質(zhì)與顆粒級(jí)配以及外部環(huán)境等密切相關(guān),密度、剛度以及強(qiáng)度的變化仍需具體情況具體分析,故需要對(duì)不同含水率下級(jí)配碎石剛度和強(qiáng)度進(jìn)行深入分析。

3.1 剛度分析

國(guó)內(nèi)外提出的連續(xù)壓實(shí)控制CCC[26]均是通過(guò)在振動(dòng)設(shè)備上安裝相應(yīng)的加速度傳感器,實(shí)時(shí)檢測(cè)分析振動(dòng)壓實(shí)中填料的壓實(shí)狀況。馬麗英等[25]建立路基振動(dòng)壓實(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,驗(yàn)證了振動(dòng)加速度反映結(jié)構(gòu)剛度的正確性。結(jié)合振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備激振頭上所安裝的三向加速度傳感器,通過(guò)DH5922D采集振動(dòng)壓實(shí)系統(tǒng)的加速度信號(hào)曲線,表征出不同含水率下剛度變化。

對(duì)加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、消除多項(xiàng)式趨勢(shì)、平滑等預(yù)處理后,計(jì)算振動(dòng)穩(wěn)態(tài)后的加速度幅值,見(jiàn)圖7。

圖7 不同含水率下加速度幅值對(duì)比

不同含水率下,R1、R2、R3的加速度峰值均呈現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢(shì),且都在各自臨界含水率附近達(dá)到加速度幅值最大值,振動(dòng)響應(yīng)越劇烈,顆粒運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)更顯著,進(jìn)而形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)粗顆粒為主的R1加速度峰值最大,而細(xì)顆粒為主的R3加速度峰值最小,可見(jiàn)粗顆粒為主的填料,剛度明顯增大。

3.2 強(qiáng)度分析

采用三軸剪切試驗(yàn)分別分析R2不同含水率(w1=2%、w2=4%、w3=6%)下級(jí)配碎石的靜強(qiáng)度的變化。不同圍壓下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖8。

圖8 不同含水率下R2強(qiáng)度曲線

由圖8可知,不同的含水率的級(jí)配碎石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型,具有顯著的峰值強(qiáng)度,隨著圍壓的增大抗剪強(qiáng)度逐漸提高;應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨應(yīng)變的增大表現(xiàn)為線性向非線性的轉(zhuǎn)變。破壞應(yīng)變隨著含水率增大而稍微變化:當(dāng)圍壓為15 kPa時(shí),w1、w2和w3試樣破壞應(yīng)變分別為0.95%、1.00%和0.95%;當(dāng)圍壓為30 kPa時(shí),w1、w2和w3試樣破壞應(yīng)變分別為1.00%、1.05%和0.90%;當(dāng)圍壓為60 kPa時(shí),w1、w2和w3試樣破壞應(yīng)變分別為1.20%、1.25%和1.25%。

分別計(jì)算出各含水率下黏聚力和內(nèi)摩擦角,w1的黏聚力Cd=81.5kPa,內(nèi)摩擦角φd=49.3°;w2的黏聚力Cd=66.2kPa,內(nèi)摩擦角φd=48.1°;w3的黏聚力Cd=59.2kPa,內(nèi)摩擦角φd=47.5°。由以上分析可知,試樣黏聚力隨含水率的增大而減小,而內(nèi)摩擦角基本保持不變,反映出級(jí)配碎石的摩擦角對(duì)含水率的變化不敏感,不同含水率下級(jí)配碎石試樣抗剪強(qiáng)度的衰減主要由黏聚力降低引起。由此可見(jiàn),在振動(dòng)壓實(shí)中,保持級(jí)配碎石內(nèi)部含水率在臨界含水率附近,成型試樣的強(qiáng)度最大,多余的孔隙水會(huì)減少顆粒間的黏聚力,導(dǎo)致強(qiáng)度減低。

4 含水狀態(tài)對(duì)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理討論

級(jí)配碎石振動(dòng)壓實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程,顆粒會(huì)互相嵌鎖在一起,形成不同“堵塞”狀態(tài)(jammed state)[26]。該“堵塞”狀態(tài)表示在靜態(tài)作用下,級(jí)配碎石內(nèi)部顆粒難以進(jìn)一步移動(dòng),只有繼續(xù)增加振動(dòng)剪切力的作用,內(nèi)部顆粒才可以移動(dòng),使得級(jí)配碎石體積改變。然而在不同含水率下,級(jí)配碎石在振動(dòng)后所形成的“堵塞”狀態(tài)的物理力學(xué)不同,隨著填料含水率增加,不同“堵塞”狀態(tài)的物理力學(xué)演化形象表達(dá)見(jiàn)圖9。

圖9 不同含水狀態(tài)(w>0)下壓實(shí)狀態(tài)演化機(jī)制示意

假設(shè)圖9中各狀態(tài)下均通過(guò)相同的振動(dòng)壓實(shí)能成樣,節(jié)點(diǎn)A→B→C→D表示含水率逐漸增多的過(guò)程。A→B→C過(guò)程中,隨著含水率的增加,填料顆粒處于“堵塞狀態(tài)”,小顆粒填充大顆粒間孔隙,使得孔隙減小,試樣逐漸密實(shí)。此過(guò)程的強(qiáng)度、剛度均隨著干密度的增大而增加。然而,當(dāng)含水率增大至wv時(shí),此時(shí)剛度和強(qiáng)度也達(dá)到最大值,進(jìn)一步增加含水率,顆粒破碎增大,填料干密度增大,但是填料剛度和強(qiáng)度下降,所形成的路基填筑狀態(tài)發(fā)生劣化。

為解釋顆粒間含水狀態(tài)對(duì)強(qiáng)度的影響,應(yīng)用土力學(xué)臨界狀態(tài)孔隙水壓力和有效應(yīng)力的理論,即

p=pe+pp

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式中:p為土體總應(yīng)力;pe為土體有效應(yīng)力;pp為孔隙水壓力。

在壓實(shí)過(guò)程中,p固定不變,隨著pp的增加,導(dǎo)致pe減小。填料成型后的強(qiáng)度變形與填料內(nèi)部顆粒之間的摩擦密切相關(guān),而顆粒之間的摩擦與pe正相關(guān)。振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中,隨著試樣體積減小,顆?；ハ嘟佑|,孔隙減小,pe逐漸增大,如果含水率較低,水仍可以在孔隙中自由流動(dòng),但是當(dāng)含水率增大一定程度后,pp進(jìn)一步增大,而外界總應(yīng)力保持不變,故pe減小,導(dǎo)致成型后填料強(qiáng)度下降。同時(shí),顆粒破碎程度增加,土體骨架強(qiáng)度也下降,可運(yùn)動(dòng)的細(xì)顆粒逐漸增多,使得pe進(jìn)一步減小。

5 結(jié)論

為探討振動(dòng)壓實(shí)下級(jí)配碎石的含水率效應(yīng)對(duì)壓實(shí)狀態(tài)的影響程度和機(jī)制,以不同土體結(jié)構(gòu)類型的級(jí)配碎石為研究對(duì)象,采用室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)和大型靜三軸試驗(yàn)方法,提出了臨界含水率wv作為振動(dòng)壓實(shí)法的含水率方法,量化不同含水率下壓密狀態(tài),揭示了不同含水率下振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理,研究成果可有助于深入解釋振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理,為高鐵粗粒土填筑控制提供理論參考。結(jié)果表明:

1)將擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率作為振動(dòng)壓實(shí)含水率,試樣在壓實(shí)過(guò)程中產(chǎn)生“翻漿”,而振動(dòng)壓實(shí)含水率為臨界含水率時(shí),未產(chǎn)生翻漿現(xiàn)象,且滿足現(xiàn)場(chǎng)碾壓標(biāo)準(zhǔn)。

2)水在級(jí)配碎石中主要起到潤(rùn)滑和緩沖作用,臨界含水率可以保證CEI和TDI處于最佳狀態(tài),且顆粒破碎最低。

3)級(jí)配碎石內(nèi)部含水率在wv附近,成型試樣的剛度、強(qiáng)度最大,多余的孔隙水會(huì)減少顆粒間的黏聚力,導(dǎo)致剛度、強(qiáng)度減低。

4)采用臨界狀態(tài)孔隙水壓力和有效應(yīng)力的理論,解釋顆粒間含水狀態(tài)對(duì)填料振動(dòng)壓實(shí)的影響,即當(dāng)含水率超過(guò)wv后,在外界總應(yīng)力保持不變的情況下,pp增大,pe減小,導(dǎo)致成型后填料強(qiáng)度下降。