交通荷载下掺土煤矸石的永久应变特性
时间：2023-06-27 11:35:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙 磊，沈 露，张田云龙
(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)
煤炭在我国能源消耗中长期占据主导地位，煤炭开采产生的大量煤矸石一般就近堆放在矿区周边，不仅占用了宝贵的土地资源，而且会对周边的生态环境产生极大的污染和破坏，严重危害人们的健康[1-2]。煤矸石作为煤炭开采的伴生或共生产物产量巨大，若合理利用势必产生极大的经济和环境效益。作为路基填料修筑道路是当前煤矸石综合利用的重要方式之一，随着我国道路交通建设事业的高速发展，这种综合利用有着广阔的应用前景[3-4]。但是，目前以煤矸石作为路基填料的道路在实际服役过程中路面开裂、破损等病害(图1)较为突出，严重影响行车的舒适性和安全性。
图1 煤矸石道路破坏情况
煤矸石与天然土体在粒度及组分上都存在较大差异，煤矸石中往往含有残留的煤炭、有机质及软岩等容易导致煤矸石发生变形和强度降低的成分，对路基的修筑极为不利[5]。因此，在路基修筑过程中，路基填料的压实度对后期整个道路的服役性能来说至关重要。Michalski等[6]通过以不同类型煤矸石作为路基填料的现场模拟碾压试验表明，煤矸石的粒度分布(通常用不均匀系数Cu表征)与煤矸石的可压实程度密切相关，Cu越大表明煤矸石越容易压实。鉴于煤矸石粒度分布对其压实程度的重要性，姜振泉等[7]进一步在煤矸石中掺入不同比例的粉煤灰和黏土等细粒成分后进行压实和渗透试验发现，适当增加细小颗粒的含量能够有效改善煤矸石的压实程度和水稳性，说明粒度成分是影响煤矸石压实性的重要因素。贺建清等[8]通过对煤矸石的路用工程力学特性及填筑技术的研究发现，掺入适量黏土同样可以有效改善煤矸石的工程力学特性。然而目前大多数研究都从静力学角度出发，忽略了路基土体不管是在施工过程中还是在服役阶段都将长期承受车辆引起的动力响应这一工程实际，这也是目前无法准确预测和控制道路沉降导致道路病害的关键所在[9]。部分学者也尝试通过动力加载试验对掺土煤矸石的动力特性进行探究，然而他们关注的焦点多在于地震作用对其强度的影响[10-11]。可见，目前人们对交通循环荷载作用下掺土煤矸石路基填料变形特性的认知和理解还非常不足。鉴于此，本研究利用DSZ-2型电磁振动三轴仪开展了一系列模拟掺土煤矸石路基填料的循环加载试验，探究了黏土掺量、动力加载参数等因素对试样永久应变的影响，研究成果将有助于加深人们对煤矸石路基填料在交通循环荷载长期作用下变形特性的认知。
1.1 试验设备
本研究采用如图2所示的江苏永昌科教仪器制造有限公司生产的DSZ-2型电磁振动三轴仪进行试验，该设备主要由计算机(控制软件)、主机(激振器和压力室)、电气柜(压力控制柜和振动加载控制柜)及空气压缩机(供压)等构成。该设备通过气压施加侧向压力与轴向压力，采用电磁力作为振动力,可以通过施加正弦波、半正弦波、三角形波、方波及随机波等不同波实现对地震作用、交通及风浪等循环荷载的模拟。
图2 DSZ-2型电磁振动三轴仪
1.2 试样的制备及试验过程
本研究所用煤矸石取自宿州朱仙庄矿附近的煤矸石堆场，土样则采用人工制备黏土(85%高岭土与15%膨润土混合，质量比)，以满足试验可重复性和规律性研究的需要。参照文献[11]中模拟现场施工工艺的试样制备方法，首先将风干后的煤矸石过5 mm的筛，然后按照0%、10%、20%、30%和50%的人工黏土掺入比(质量比w)进行配料混合，充分搅拌均匀后制成一定含水率的湿试样，放置在保湿缸内浸润4 d后测定其含水率，并按照最新的公路路基设计规范采用95%的压实度标准控制干密度，最后利用三瓣膜分五层击实，制成高度80 mm、直径39.1 mm的标准三轴单元体试样。
近年来全球气候多变且极端天气频发，为了模拟路基在遭遇极端暴雨天气由于排水不畅处于雨水浸泡下的不利工况，所有试验均采用饱和试样。首先利用图2中的真空饱和缸对试样进行2 d的抽真空饱和，在试样的安装过程中将其周边贴上滤纸作为排水路径，并在安装到三轴压力室的过程中尽可能减少人为因素对试样的扰动；
然后待试样安装完毕且电气设备检查校准之后，利用压力控制柜施加10 kPa的初始围压和200 kPa的反压对试样进行二次饱和，以确保试样的饱和度B>0.97；
最后待试样完全饱和之后保持反压继续增大、有效围压为50 kPa对试样进行固结，以模拟真实路基土体的初始应力状态，待固结完成之后关闭排水阀门，利用设备自带的控制软件设置循环加载参数，加载波形选择半正弦波，加载频率设为1 Hz，加载终止条件为循环5 000次或达到设定振次之前试样提前破坏(应变大于10%)。为了便于衡量循环动应力水平的影响，定义循环应力水平CSR=qampl/2p0′,其中p0′为有效固结围压50 kPa。详细试验方案如表1所示。
表1 参照循环三轴试验方案
2.1 典型试验结果
图3 循环荷载作用下试样的典型试验结果
2.2 永久轴向应变的变化规律
图4 永久轴向应变随循环次数变化曲线
图5 试样经历5 000次循环后永久轴向应变与CSR和w的关系
借助DSZ-2型电磁振动三轴仪，用半正弦波模拟交通荷载，探究了掺土煤矸石路基填料在交通荷载作用下的永久轴向应变累积特性。主要结论如下：
(1)在本试验所施加的循环偏应力水平下，掺土煤矸石路基填料的永久轴向应变均随着循环次数的增加先迅速累积，然后累积速率逐渐降低并趋于恒定。当黏土掺量一定时，试样永久轴向应变值与施加的循环动应力水平正相关，循环应力水平值越大试样产生的应变越大。而在给定的循环动应力水平下，试样永久轴向应变值却随着黏土掺量的增加先变小后增大，证实了黏土最佳掺量的存在。
(2)分别利用线性函数和多项式函数构建了试样经历5 000次循环后的永久轴向应变与循环应力水平和黏土掺量之间的定量关系，并通过求导得到了黏土的最佳掺量为22%，与前人的研究结论一致。
(3)由于时间和条件有限，加之影响交通荷载作用下路基填料变形特性的因素众多，今后将在本研究的基础上进一步拓展深度和广度，比如将压实度、初始应力状态、超固结及交通循环荷载在路基土体中诱发的复杂应力路径等因素纳入其中，在构建路基填料应变累积经验模型的同时，结合安定理论确定适用于煤矸石道路路基沉降控制的循环动应力阈值。
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