陳建峰,俞松波,葉鐵鋒,石振明

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系,上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3.上海機(jī)場(chǎng)(集團(tuán))有限公司,上海 200335)

離心模型試驗(yàn)可使小比例尺模型在加速度離心力場(chǎng)中達(dá)到與原型相同的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),并能顯著縮短土層的滲透固結(jié)時(shí)間,因而在軟土地基路堤或堤壩研究中得到了廣泛應(yīng)用[1-10].但目前的離心模型試驗(yàn)都采用重塑土制備地基,其結(jié)構(gòu)性要比原狀土差,而結(jié)構(gòu)性對(duì)軟黏土地基沉降變形的影響很大[11-12],因此,采用重塑土的模型試驗(yàn)結(jié)果與原型情況會(huì)有較大差異.

因取材方便,且建設(shè)成本較低,石灰土路堤已在我國(guó)公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[13-15].對(duì)高液限、高含鹽量和高壓縮性的黏土和亞黏土,經(jīng)石灰改性后,能達(dá)到規(guī)范要求的物理力學(xué)性能.如江蘇沿長(zhǎng)江南北的高速公路,地基土為含水率較高、塑性指數(shù)為10～25的黏土和亞黏土,施工中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取土經(jīng)曬干粉碎,摻5%～8%的石灰進(jìn)行路堤填筑,取得良好效果[15].

本文采用原狀軟土制備模型地基,進(jìn)行石灰土路堤離心模型試驗(yàn),研究石灰土路堤和地基在填筑過(guò)程中的變形及穩(wěn)定性.

1 離心模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TLJ-150復(fù)合型巖土離心試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1)上進(jìn)行.其最大容量為150 g·t,最大離心加速度為200g,有效半徑為3.0 m,拖動(dòng)功率為250 kW.

圖1 TLJ 150巖土離心試驗(yàn)機(jī)Fig.1 TLJ 150 type geotechnica l centrifugemachine

1.2 模擬對(duì)象及模型尺寸

模擬對(duì)象為高度6 m、頂寬13 m、坡率1∶1的石灰土路堤,25 m厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地基,0.50m厚砂墊層,地下水位位于地面處.試驗(yàn)采用的模型率n為100,模型箱尺寸為0.9 m×0.7 m×0.7 m(長(zhǎng)×寬×高).模型尺寸如圖2所示.

圖2 模型尺寸(單位:mm)Fig.2 Model dim ensions(un it:mm)

1.3 模型材料及制備

原狀土取自上海浦東世博園某基坑地表以下4 m處.將模型箱運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng),用挖土機(jī)抓斗挖土后一次性放入模型箱內(nèi),在運(yùn)輸過(guò)程中采取適當(dāng)避振措施,以減少模型箱振動(dòng).所取原狀土土性為上海地區(qū)第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土.

石灰土路堤是由風(fēng)干的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土摻5%生石灰制成.經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最優(yōu)含水率為18%,最大干密度為1.75 g·cm-3.本次試驗(yàn)參照公路規(guī)范[16]取石灰土路堤壓實(shí)度為93%.

砂墊層為過(guò)孔徑1.25 mm篩子的黃沙,其堆積密度為1.24 g·cm-3.

石灰土模型路堤和原狀地基土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 路堤土及地基土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Properties o f em bankment an d foundation soils

1.4 儀器埋設(shè)及布置

在模型路堤和地基表面安裝4個(gè)差動(dòng)式位移傳感器,其安裝位置如圖2所示.為避免對(duì)原狀土地基的擾動(dòng),不在地基中埋設(shè)孔隙水壓力和土壓力傳感器.

另外,用大頭針將彩色硬封面紙剪成的標(biāo)記點(diǎn)布置在地基土側(cè)面,以觀測(cè)路堤加載過(guò)程中地基土的位移.

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

(1)將地基土在100g離心力作用下運(yùn)轉(zhuǎn)2.5 h,以使模型地基土達(dá)到與原型相近的應(yīng)力狀態(tài).

(2)卸去模型箱側(cè)面有機(jī)玻璃板布置位移標(biāo)記點(diǎn),鋪設(shè)5 mm厚的砂墊層,在砂墊層上放置預(yù)制的石灰土路堤,并安裝位移計(jì).

(3)采用變加速度方法模擬路堤的3級(jí)堆載,加速度分別為33.3g,66.7g和100.0g,以模擬路堤堆載2,4和6 m高度,每1級(jí)堆載完成后休止1個(gè)月時(shí)間,在相應(yīng)加速度下模型的休止時(shí)間分別為39.0,10.0和4.3min.加載曲線(xiàn)如圖3所示.

圖3 加速度 時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relation ship curve betw een acceleration and time

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖4是位移計(jì)測(cè)得的路堤沉降-時(shí)間關(guān)系圖,表2為各加速度階段測(cè)點(diǎn)的沉降值.從圖4和表2可以看到,路堤中心s1和路肩s2點(diǎn)沉降明顯,s2點(diǎn)沉降在33.3g以前稍小于s1點(diǎn)沉降,而在33.3g以后開(kāi)始大于s1點(diǎn)沉降,這與石灰土路堤在33.3g～66.7g階段斷裂有關(guān);在地基表面的s3,s4點(diǎn)表現(xiàn)為隆起,s4點(diǎn)隆起量稍大于s3點(diǎn).

圖4 路堤沉降 時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship curve between settlement and tim e dur ing em bankment construction

表2 各加速度階段測(cè)點(diǎn)的沉降值Tab.2 Sett lem ent values at the measurement poin ts at each constru ction stage

圖5為拍攝的33.3g休止期結(jié)束時(shí)(33.3g末)布置在地基側(cè)表面的標(biāo)記點(diǎn)變形情況.圖6為根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)位置變化所繪制的水平位移和沉降等值線(xiàn)圖.從圖5可以看到,33.3g時(shí),即堆載至2m高時(shí),石灰土路堤是穩(wěn)定的.從圖6可以看到,水平位移等值線(xiàn)圖在地基左右兩邊有差異,最大水平位移位置都在路堤坡腳下,但左邊約在30 mm深度,右邊約在70mm深度,且路堤底部土體向左和向右水平位移的分界線(xiàn)(水平位移的零等值線(xiàn))在路堤中線(xiàn)偏左一些.路堤沉降等值線(xiàn)左右兩邊也稍有差異.這與地基土并非完全均一有關(guān).

圖5 33.3g休止期結(jié)束時(shí)路堤和路基變形情況Fig.5 Deform ation of markers at the end of 33.3g

圖6 33.3g休止期結(jié)束時(shí)地基水平位移和沉降等值線(xiàn)圖Fig.6 Contou r lines of horizon tal and vertical disp lacemen t at the end of 33.3g

圖7為拍攝的66.7g開(kāi)始時(shí)(即33.3g～66.7g堆載階段結(jié)束時(shí))標(biāo)記點(diǎn)變形情況.圖8為該時(shí)刻水平位移和沉降等值線(xiàn)圖.從圖7可以看到,此時(shí)石灰土路堤在路堤中心偏左約20 mm處斷裂,并分別向兩側(cè)位移.從圖8看到,路堤左右兩側(cè)地基中的最大水平位移位置與33.3g休止期結(jié)束時(shí)的位置基本相同.在路堤破裂面以下土體形成一三角楔體(如圖8b),斷裂后的路堤沿楔體兩側(cè)位移.

圖9為拍攝的100.0g休止期結(jié)束時(shí)標(biāo)記點(diǎn)變形情況.圖10為該時(shí)刻水平位移和沉降等值線(xiàn)圖.從圖9可以看到,石灰土路堤破裂面擴(kuò)大,地基土體嵌入其中.圖10顯示,最大水平位移位置仍保持不變,破裂面下的三角楔體繼續(xù)增大,地基土產(chǎn)生較明顯的滑移趨勢(shì).

圖7 66.7g開(kāi)始時(shí)路堤和路基變形情況Fig.7 Deformation ofmarkers at the beginning of 66.7g

圖9 100.0g休止期結(jié)束時(shí)路堤和路基變形情況Fig.9 Deform ation o f markers at the end of 100.0g

圖11為在各加速度下地基表面變形情況.由圖可見(jiàn),地基表面最大沉降位置仍在路堤中心處,在路堤破裂面以下地基中兩側(cè)滑移面的夾角大致為75°.

3 穩(wěn)定性分析

作者曾對(duì)路堤工程幾種變形控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析,認(rèn)為地基中最大水平位移增量Δδmax與路堤中心下地基沉降增量 ΔS之比值,可以用于判斷路堤的穩(wěn)定性[17].表3為各堆載和休止階段兩者的比值.由表3可以看到,在66.7g～100.0g堆載階段,Δδmax/ΔS值從前一堆載階段的 0.47增至0.67,發(fā)生突變,預(yù)示路堤趨于失穩(wěn),這與離心模型試驗(yàn)情況吻合,在該階段地基產(chǎn)生較明顯的滑移.杭甬高速公路塑料排水板處理試驗(yàn)段當(dāng) Δδmax/ΔS值為0.46時(shí),路堤趨于失穩(wěn)[17],該比值小于本文離心模型試驗(yàn)的比值.其原因應(yīng)是塑料排水板處理后的地基結(jié)構(gòu)性受到一定的破壞,且因排水,使得沉降量較大,水平位移量相對(duì)較小;而原狀土地基在結(jié)構(gòu)未破壞前,沉降量較小,水平位移量相對(duì)較大[11-12].

圖10 100.0g休止期結(jié)束時(shí)地基水平位移和沉降等值線(xiàn)圖Fig.10 Con tour lines o f horizontal an d vertica l disp lacem ent at the end o f 100.0g

圖11 地基表面在各加速度下的變形情況Fig.11 Ground surface deform ation at each acce leration

表3 最大水平位移增量Δδmax與路堤中心下地基沉降增量ΔS之比Tab.3 Ratio of the maximum lateral disp lacement increment(Δδmax)to the ground settlement increment at the emban kment center(ΔS)

當(dāng)采用不排水剪指標(biāo)(即內(nèi)摩擦角 φu=0)和基礎(chǔ)埋置深度為零時(shí),太沙基地基承載力qu為[18]

式中:cu為不排水條件下的粘聚力.

將表1中地基土cu=21.0 kPa代入式(1)中,得到qu=119.7 kPa;而100.0g加速度時(shí)(原型路堤堆載至6 m)地基的上覆荷載γH=19.1 kN·m-3×6m=114.6 kPa.設(shè)地基的穩(wěn)定性系數(shù)K為

則100.0g時(shí)地基的穩(wěn)定性系數(shù)K=1.04,表明此時(shí)路堤接近極限狀態(tài),這與前面分析結(jié)果一致.

另外,如前所述,在33.3g～66.7g堆載階段(即2～4m的路堤填高)石灰土路堤開(kāi)始斷裂,其原因?yàn)?石灰土呈脆性,抗拉強(qiáng)度很低,地基中的不均勻沉降易造成其開(kāi)裂.在離心模型試驗(yàn)中,2 m填高的路堤仍是穩(wěn)定的,因此可在實(shí)際工程中采用低填土的形式,也可在路堤中采用加筋的方法,不僅可提高其整體性和抗拉強(qiáng)度,同時(shí)可減小地基的不均勻沉降[10].

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原狀軟土地基石灰土路堤離心模型試驗(yàn),得出如下結(jié)論:

(1)原狀軟土地基上的石灰土路堤在堆載至2 m高度時(shí)尚能穩(wěn)定,在2～4m的堆載過(guò)程中路堤斷裂.地基中最大水平位移出現(xiàn)在路堤坡腳下,且其位置在堆載過(guò)程中基本未變.

(2)地基中最大水平位移增量Δδmax與路堤中心下地基沉降增量ΔS之比值在4～6m的路堤堆載階段發(fā)生突變,預(yù)示地基趨于失穩(wěn),這與離心模型試驗(yàn)及采用不排水剪指標(biāo)的太沙基地基承載力計(jì)算的結(jié)果一致.原狀土地基路堤的Δδmax/ΔS值要大于擾動(dòng)土地基路堤的相應(yīng)值.

(3)在實(shí)際石灰土路堤工程中可采用小于2 m高度的低路堤形式;亦可在石灰土路堤中采用加筋的方式來(lái)提高其整體性和抗拉強(qiáng)度,并可減小地基的不均勻沉降.

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