红黏土工程性状的干湿循环效应与路基动力响应特征试验研究

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红黏土是一种典型的特殊土,在我国西南地区广泛分布,由于湿热多雨的气候环境影响以及交通荷载的循环往复作用,红黏土路基灾害频发。考虑湿热多雨环境下红黏土工程性状的干湿循环效应,同时兼顾路基在交通荷载循环作用下的动力响应特征,是红黏土地区高速公路建设与运营过程中需要给予高度重视的重要问题。本文以广西来宾至马山高速公路为工程背景,以红黏土地段路基的长期性能为主线,以红黏土的室内静力与动力试验为基础,着重探讨干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对其力学性状的影响规律;并通过现场试验,分析红黏土路基在交通荷载作用下的动力响应特征。主要研究内容与所得结论如下:  (1)研究所用红黏土具有不良物理特性与一定的膨缩性,同时还具有压缩性较低与强度较高的力学性状;随着压实度的提高,红黏土的压缩模量有较大提高,同时可明显提高其有效粘聚力,且对摩擦角影响不显著;不同压实度的红黏土持水特征均可采用van Genuchten四参数模型较好表征。  (2)提出实现不同干湿循环次数试样的制备方法与含水率变化幅度的控制技术,基于三轴试验与固结试验结果,获取了干湿循环次数与含水率变化幅度对压实红黏土强度特性及压缩模量的影响规律。发现首次干湿循环对压实红黏土粘聚力与内摩擦角的衰减显著,其后较弱并趋于稳定,内摩擦角衰减比粘聚力要小,且在低应力水平下的抗剪强度随干湿循环衰减更加显著;压缩模量的衰减规律与强度参数类似,但衰减幅度小于粘聚力而大于内摩擦角。含水率干湿循环变化幅度在wopt±4%范围内,变化幅度越大,其强度特性与压缩模量衰减也相对较大,但衰减程度均较小,且主要表现为粘聚力与压缩模量略有减小,摩擦角基本不变,呈现出相对稳定的力学性能特征。  (3)系统开展了压实红黏土的动三轴试验,并同时考虑了干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对其动力特性的影响,分析出压实红黏土的动力特性与干湿循环效应。发现压实红黏土的动应力-应变关系呈现硬化型,随着压实度与围压增大,相应应变减小,应力固结比越高更易发生变形;累积塑性应变随含水率与动应力幅值增大而增大,且达到相对稳定累积的塑性应变的稳定时间会进一步延长,不同动应力幅度下累积塑性应变随振动次数的变化规律可用Stewart模型表征;红黏土的动弹性模量随着含水率与振动次数的增大而减小,含水率与压实度都对红黏土的阻尼比有显著影响,阻尼比随着含水率的提高而逐渐增加,随着压实度的提高而逐渐降低。  (4)压实红黏土的动力特性具有明显的干湿循环效应,随着干湿循环次数的增加,其动应力应变关系由近似线性关系逐渐演变为非线性关系,动弹性模量逐渐降低,阻尼比则逐渐增大,且累积塑性应变则呈现出持续逐渐增大趋势,说明在历经多次干湿循环后,红黏土路基在循环荷载作用下会促发其灾害发生,采用保湿措施对确保红黏土路基的长期稳定性十分重要;干湿循环含水率变化幅度对红黏土动力特性的影响也较显著,随着含水率在最优含水率上下一定范围内变动,发现随着含水率变化幅度的增大,其近似线性动应力-应变关系的对应斜率不断减小,动弹性模量也随之衰减,阻尼比与累积塑性应变则明显增长,但动弹性模量依然保持较高水平,累积塑性应变的总体变形也处于较小量级。  (5)在广西来宾至马山高速公路现场,建立了交通荷载下红黏土路基原位动力响应测试系统,开展了施工荷载与车辆荷载作用下路基的动力响应试验。发现在压路机施工荷载作用下,路基土体动应力随着深度增加逐渐衰减,在100cm深度处衰减达90%,而达到220cm时动应力接近0kPa:加速度峰值随深度衰减速率要弱于动应力,衰减达90%时的土层深度为350cm。路床顶行车荷载作用下路基动应力与加速度响应特征总体上和施工阶段试验变化规律类似,且随着车速与载重的增大,动应力与加速度也越大,但其在不同深度处随行车速度增大的变化规律有所不同,在路基表层呈现非线性关系,而在较深层位表现出线性关系,相应的动应力转变临界深度小于50cm,而加速度则在100cm左右。  (6)路面行车荷载作用下的路基动力响应试验进一步证明,路基动应力峰值与加速度峰值随均随着车速的增大而明显增加,呈现近似线性关系,但路基在不同深度层位处动应力对车速的敏感响应不同,浅层响应更大;加速度也呈现相似特征;路基不同深度层位的动应力与加速度均随着轴重的增加显著变大,也呈现近似线性关系,车速虽然对动应力与加速度大小有很大影响,但对路基动力响应的变化总体规律影响较小。
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