加筋碎石基层作为道路结构体系中的关键承重层,其长期服役性能直接关系到路面结构的稳定性与耐久性。近年来,随着交通荷载运输向高速化和重载化方向发展,碎石基层中细粒污染问题日益突出,其对基层力学性能的不利影响已成为岩土工程领域的研究热点。细粒侵入会破坏级配碎石的骨架结构,削弱颗粒间嵌锁作用与应力传递能力,从而导致基层刚度下降、永久变形累积加剧,严重影响道路结构的长期使用性能。现有研究主要围绕细粒污染条件下碎石类材料的力学响应展开。王志杰等
[1]通过大尺寸三轴试验分析了不同加筋形式碎石混合料的力学特性与变形规律,建立了橡胶碎石混合料应力-应变关系的预测模型。Osouli
[2]基于室内动三轴试验,系统研究了细粒污染对路基填料累积应变发展的影响,为基层永久变形及车辙演化评估提供了依据。刘飞禹等
[3]开展直剪试验,指出提高填料含石量及粒径可显著增强界面摩擦效应,从而提升加筋界面的抗剪强度。周圆兀等
[4]通过拉拔试验揭示不同土工格栅嵌入长度(
L)和砂土类型对加筋土界面特性的影响。
然而,室内直剪试验和拉拔试验主要获取的是加筋碎石填料的界面参数,难以反映加筋土结构的整体承载与变形特性;而常规三轴试验在边界条件及受力模式上也难以真实模拟道路结构中加筋碎石基层的实际工作状态。为此,部分学者开始采用大型模型试验方法,对加筋碎石基层及相关结构的承载变形行为进行研究。边学成等
[5]、蒋红光等
[6]基于有砟轨道路基模型试验,揭示了土工格栅通过对级配碎石颗粒的侧向约束作用有效控制轨道沉降的机理。Suku
[7]在循环荷载作用下对加筋路基的承载性能进行了模型试验研究,并结合PLAXIS数值分析进行了验证。王家全等
[8-10]通过大比例地基模型试验,对纯砂地基及土工格栅加筋地基在静、动荷载作用下的破坏模式与变形特征进行了系统对比分析,并基于已有室内试验结果采用有限差分法建立加筋地基数值模型,探讨筋土结构的内部土体和土工格栅应力位移场的演变规律。
现有研究对细粒污染条件下加筋碎石基层的关注仍相对有限,尤其是在循环荷载与细粒污染耦合作用背景下,加筋碎石基层内部应力分布演化、颗粒运动机理及长期变形预测等方面,尚缺乏系统性的模型试验研究。此外,土工格栅在级配碎石基层中的合理埋深及其优化机理仍有待进一步明确。
基于此,依托DJM-500双轴振动电液伺服加载模型试验系统,施加多幅值半正弦波循环荷载,模拟不同轴重车辆匀速行驶工况。通过布设土压力盒与微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)无线姿态传感器,综合考虑细粒污染程度与加筋状态,系统研究土工格栅在级配碎石基层中的最优埋深、基层表面沉降特征、内部应力扩散机制及粗颗粒转角演化规律,揭示细粒污染条件下加筋碎石基层承载性能的劣化机理。研究成果可为碎石基层细粒污染防治及结构优化设计提供试验依据与理论参考。
1 试验装置、材料及设计
1.1 试验装置
模型试验系统主要由竖向加载系统、模型箱及数据采集系统组成(
图1)。加载系统采用DJM-500双轴振动电液伺服加载系统,轴向荷载范围为0~500 kN,加载频率范围为0.1~25 Hz。模型箱采用三面高强度钢板焊接而成,正面安装有钢化玻璃以便对填料进行可视化观察,其整体尺寸为2 000 mm(长)×1 000 mm(宽)×1 300 mm(高)。荷载由竖向加载系统铰接尺寸为200 mm(长)×200 mm(宽)×50 mm(厚)的加载板施加在碎石填料基层上,加载板长度与模型箱宽度比值为0.2,尺寸效应可忽略。数据采集系统通过数据线与动态应变采集仪连接,实时获取采集仪输出的土压力变化规律。
为获取加载过程中碎石基层粗颗粒的运动规律,在碎石界面布置MEMS无线姿态传感器(
图2[11]),实时监测并捕捉碎石粗颗粒的空间姿态变化特征。传感器尺寸为23.5 mm(长)×18.7 mm(宽)×11.6 mm(高),为确保测量数据的可靠性并保护传感器,设计了正方体外壳。试验选用BW型动土压力盒采集不同深度以及同一深度不同水平分布的土压力变化规律,其最大量程为1 MPa。
1.2 试验材料
本试验选用聚丙烯TGSG5050双向土工格栅(
图3[11]),其具体技术指标如
表1所示。
级配碎石取自柳州市某采石场,根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)
[12]配制G-A-4级配碎石。该级配不均匀系数
Cu=28.33,曲率系数
Cc=2.69,级配良好。细粒原料取自柳州市某高速路施工现场路基土,对路基土进行室内试验,其比重
Gs=2.71,液限
WL=26.21%,塑限
WP=18.59%,塑性指数
Ip=7.62≤10,确定其分类为黏质粉土,在中国公路工程中较为常见,通常来源于基层下伏土层,在长期交通荷载和环境作用下易迁移并侵入碎石基层,形成细粒污染。因此,选用黏质粉土作为污染细粒材料,能够较好反映实际道路工程中黏质粉土对碎石基层力学性能的影响。将黏质粉土烘干处理后,进行研磨,过0.075 mm的网筛获得粒径小于0.075 mm的黏质粉土细粒。将黏质粉土与级配碎石以不同比例进行掺配,其中细粒污染程度采用掺入细粒含量的百分数表示(即掺入细粒质量与填料总质量比值),分别配制10%、20%和30%三种细粒含量,其中将未掺配细粒的规范级配命名为0,代表未被污染碎石填料进行后续分析。
试验采用人工掺配的方式有效控制细粒污染的比例,研究不同污染程度对加筋碎石基层承载性能的影响。试验设置的细粒污染工况可视为实际工程中细粒迁移污染的过程。不同污染程度填料的粒径级配曲线如
图4所示,各细粒污染程度详细级配参数如
表2所示。
1.3 试验设计
目前关于土工格栅在级配碎石基层中合理埋置深度的研究尚不充分,尤其缺乏确定最佳铺设深度的系统性成果。设计探究200 mm碎石基层最优格栅埋深以及研究最优埋深下不同细粒污染程度对土工格栅加筋效果影响两部分试验。
设计探究200 mm碎石基层最优格栅埋设深度以及最优埋深下不同细粒污染程度对土工格栅加筋效果影响两部分试验。为确定土工格栅在200 mm碎石基层中的合理埋设深度,在无细粒污染条件下设置格栅埋深(50、100、150、200 mm),学者们普遍用格栅埋设深度与加载板宽度(
B)的比值来描述格栅的埋设位置
[13],对应的4种埋设深度分别为0.25
B、0.5
B、0.75
B和
B(
表3)。
第二部分试验200 mm碎石基层中土工格栅最优埋设深度0.5
B的基础上,开展不同程度细粒污染级配碎石基础模型试验研究。试验方案如
表4所示。
模型箱设计为上、下两部分。上层为200 mm的碎石基层
[14],依据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)
[12]配制并使用振动夯实机分层压实填料,以质量控制级配碎石填筑时的压实度
K为0.96
[12]。下层为700 mm的粉土路基层,压实度
K为0.94
[15]。将粉土分层填入模型箱中并进行击实、找平。MEMS传感器、土压力盒布设与加筋工况土工格栅铺设位置如
图5所示。
电液伺服加载系统施加频率为2 Hz
[16]半正弦波循环荷载模拟荷载。单级循环荷载的施加时间为1 000 s,即一个循环加载阶段振动2 000次,完成后进入下一阶段继续加载,完成5个循环加载阶段后终止试验。循环荷载的施加过程如
图6所示。循环荷载幅值(P1~P5)分别为200、400、600、800、1 000 kPa。
2 试验结果与分析
2.1 确定格栅最佳埋设深度
图7为不同格栅埋深表面沉降与循环次数关系曲线。可以看出,相邻两个循环加载阶段,前一循环基层碎石填料的表面沉降始终小于后者,且刚开始进入下一循环时,沉降量随着循环荷载提高发生“突降”现象。当对填料施加P3阶段(对应荷载为600 kPa)的循环荷载时,格栅埋深为0.25
B的工况沉降量的下降出现了放缓的趋势,而剩余3个工况下降速度相似。这是因为埋深为0.25
B工况碎石基层表面沉降量在P3阶段时已经接近格栅的埋设深度50 mm,格栅此时已经发生了较大的挠曲变形,将应力向周围扩散。试验结束后格栅发生网兜现象[
图8(a)],这是因为格栅埋置深度过浅,上层填料应力扩散不充分,导致格栅上方局部应力集中,使格栅与碎石填料界面发生剪切滑移。网兜现象是加筋失效的前兆,试验结束时观察到格栅断裂[
图8(b)],可以很好地验证此观点。从
图8(a)可以看出,下层路基层与碎石层界面不平整,存在土颗粒侵入碎石层的迹象。这是由于在循环动载作用下,下层路基土局部发生液化现象,细颗粒在振动作用下向上迁移,侵入并污染了碎石基层底部,进一步加剧了界面软弱化和格栅的不利受力状态。
对比三组不同埋深工况(0.5B、0.75B、1B)在沉降量与循环次数关系曲线可知,随着循环荷载幅值及次数的增加,0.75B与1B埋深工况的沉降速率显著高于0.5B工况,其曲线斜率更大。各工况的最终沉降量分别为65.15、75.97和83.79 mm,相较于0.5B工况,0.75B与1B工况分别增加了16.61%和28.61%。试验后检查发现,各工况的土工格栅均未发生结构破坏或界面滑移,表明格栅在本试验参数范围内保持正常工作状态。
综上,确定0.5B(100 mm)为级配碎石基层中土工格栅的最佳埋置深度。
2.2 碎石基层填料表面沉降分析
2.2.1 细粒污染对未加筋填料沉降量的影响
图9为不同细粒污染程度碎石填料在循环荷载作用下循环次数与沉降量的关系曲线。可以看出,随着循环次数增加,细粒污染程度越高,碎石填料表面沉降量增长越显著。在高循环次数下,沉降下降速度加快,表明细粒污染会加速填料承载性能劣化。加载结束时,各污染程度填料的最终沉降量分别为85.58、89.05、97.6、102.68 mm,较未污染填料分别加深了4.1%、14.05%和19.98%。当细粒污染程度为 10% 时,其沉降曲线与未污染填料相近。这是因为未污染填料按照底基层规范配制,级配中含有粒径小于0.075 mm的细粒约5%,两者细粒含量差距较小。这一现象与拉拔试验得出的结论相一致
[11]。
结合文献[
17]可知,当细粒污染程度为10%时,加筋碎石基层的承载性能尚未出现显著劣化。在循环荷载初期阶段(P1、P2),10%细粒污染工况的沉降量略低于未污染工况,但随着循环次数和荷载幅值的逐步增加(P3~P5),沉降随细粒污染程度的增加而明显增大,该趋势在20%和30%污染工况下尤为显著。从颗粒结构角度分析,在低污染水平(≤10%)条件下,细粒主要分布于粗颗粒孔隙中,尚未显著破坏粗颗粒之间的直接接触关系,基层仍以粗颗粒嵌锁骨架作为主要承载结构。随着细粒含量进一步提高,细粒逐渐侵入粗颗粒接触界面,导致有效嵌锁点数量减少,骨架连续性遭到破坏,同时细粒对颗粒接触界面的包裹作用增强了润滑效应,从而加速了承载性能的劣化。因此,可将10%的细粒污染视为加筋碎石基层承载性能由稳定状态向显著劣化状态转变的临界阈值。
2.2.2 细粒污染对加筋填料沉降量的影响
图10为不同细粒污染程度下循环次数与加筋级配碎石填料沉降的关系曲线。结果表明,即便铺设土工格栅,碎石基层仍会因细粒污染发生沉降劣化,且污染程度越高,在相同循环荷载作用下的累计沉降量越大。当细粒污染为30%时,加筋碎石基层在1×10
4次循环荷载后沉降量达到77 mm,较未污染加筋工况(65.15 mm)增加18.09%。当细粒污染程度为10%、20%、30%时,加筋工况沉降增幅分别为3.6%、11.9%和18.09%,呈非线性加速特征,王家全等
[11]针对细粒污染条件下加筋碎石基层的界面特性进行拉拔试验,发现细粒污染会显著降低土工格栅的加筋效果。细粒在土工格栅与粗颗粒之间形成润滑层,使嵌锁于土工格栅网孔间的粗颗粒界面摩擦减弱。同时,细粒对碎石骨架孔隙的填充作用使基层结构逐渐由粗颗粒骨架向细粒填充结构转化,导致粗颗粒与土工格栅之间的机械咬合与嵌锁效应下降,进而削弱加筋体系的整体性能。
2.2.3 细粒污染条件下土工格栅加固碎石填料承载特性演化规律
图11为不同细粒污染程度下加筋与未加筋碎石基层的沉降关系图。结果表明,各工况下,铺设土工格栅均可降低碎石基层的累计沉降量。当细粒污染程度为30%时,加筋碎石基层的累计沉降量为77.00 mm,较未加筋工况(102.68 mm)降低33.35%,说明土工格栅在高污染条件下仍可以显著减少碎石基层沉降。这是因为加载区下方易形成局部应力集中区,铺设土工格栅可使碎石基层的应力沿格栅面发生扩散,从而减小施加在细粒骨架上的局部应力。
2.3 土压力变化规律分析
为分析细粒污染条件下碎石基层内部的应力传递特征,对土压力盒进行编号,其布置如
图12所示。考虑试验布置的对称性及碎石基层与土石界面处力学响应差异,选取碎石基层内1-7测点及土石界面处1-1、1-5测点的土压力数据进行分析。
图13为位于土石界面处1-1监测点所记录的土压力。可以看出,在0、P5条件下,监测点1-1处未加筋碎石基层的土压力为77.05 kPa,加筋工况下为58.85 kPa,较未加筋工况降低23.6%,铺设土工格栅可显著降低该监测点处土压力,表明格栅能够有效扩散竖向荷载并减小传递至下伏路基的应力水平。随着细粒污染程度的增加,P5条件下加筋与未加筋工况下的土压力差从18.2 kPa减小至4.43 kPa,降幅达75.66%,说明细粒削弱了级配碎石骨架结构及格栅嵌锁效果,应力扩散能力降低。
图14(a)为碎石基层内1-7测点的土压力变化情况。结果表明,在部分循环加载阶段,加筋工况下该测点土压力低于未加筋工况,且该现象在高细粒污染条件下更为明显。这主要是由于土工格栅改变了碎石基层内部的应力传递路径,使部分竖向荷载沿格栅面向两侧扩散,从而降低加载区正下方局部区域的竖向应力水平。如
图14(b)所示,P5条件下当细粒污染程度由0%增加至30%时,加筋级配碎石监测点1-5处土压力由720.15 kPa增至908.15 kPa,增幅为26.1%;在30%污染程度下,加筋工况对应土压力为135.55 kPa,较未加筋工况降低12.4%,土石界面处1-5测点的土压力随细粒污染程度增加而显著增大,表明高污染条件下碎石基层对循环荷载的扩散能力减弱,更多荷载直接向下传递并在界面处形成应力集中,该现象与沉降随污染程度增大的规律一致。综上,碎石基层内部的应力传递特征受细粒污染程度和加筋状态共同控制。在低细粒污染条件下,碎石基层仍以粗颗粒骨架承载为主,土工格栅能够有效发挥侧向约束和应力扩散作用;而随着细粒污染程度增加,级配碎石骨架结构逐渐劣化,格栅嵌锁与应力扩散效果减弱,加载区下方易形成应力集中区,加剧碎石基层沉降发展。
2.4 颗粒偏转角度分析
基于文献[
18],本试验将无线姿态传感器分2层布置于模型箱内部不同位置,每层各布置4个,
图15为布置示意图,级配碎石填料层命名为1#、2#、3#和4#。土石界面处命名为5#、6#、7#和8#。为区分不同位置处无线姿态传感器,将距填料表面100 mm的级配碎石填料层命名为上层,距离填料表面200 mm的土石界面处命名为下层。由于各工况同一层中所布置的无线姿态传感器所呈现的规律大体相同,因此用1#、5#传感器分别代表上、下层颗粒的偏转情况进行分析。
2.4.1 未加筋填料颗粒偏转角度
颗粒累积偏转角度通过对相邻测点间偏转角度变化量的绝对值进行逐次累加求和得到。以无筋工况条件下不同细粒污染程度时下层级配碎石颗粒沿
X、
Y、
Z 坐标轴方向产生的累积偏转角度为例进行分析,其结果如
图16所示。
由
图16可知,随着细粒污染程度的增加,碎石基层中粗颗粒的累积偏转角度整体呈减小趋势。在循环动荷载作用下,当荷载较大并直接作用于粗颗粒时,细粒的润滑作用削弱了粗颗粒之间的嵌锁与咬合作用,降低力链传递效率,使粗颗粒难以获得足够驱动力发生偏转;而在荷载较低阶段,细粒对粗颗粒孔隙的填充效应同样对其转动产生约束作用
[19]。当细粒污染程度由0增至10%时,粗颗粒累积偏转角由156.95°降低至140.12°,降幅为10.70%;当污染程度进一步增至20%时,累积偏转角降至118.33°,降幅达15.50%,为单阶最大降幅;当污染程度为30%时,累积偏转角进一步降至101.69°,降幅为14.10%。结合该非线性变化特征及前文沉降分析结果,可认为细粒污染程度约为10%时,级配碎石填料的颗粒运动特征和承载行为发生明显变化,建议将其作为级配碎石细粒污染临界阈值。当细粒污染程度超过该阈值后,碎石基层承载性能将进入加速劣化阶段,应及时采取相应加固措施。
2.4.2 加筋填料颗粒偏转角度
选取污染程度0、20%工况分析下层颗粒偏转角度与循环次数的关系曲线(
图17)。由
图17可知,土工格栅的铺设能够有效限制级配碎石颗粒的偏转,即使在细粒污染程度较高的条件下,粗颗粒的偏转角度仍明显小于无筋工况。在细粒污染程度0和20%时,累积偏转角度值分别从无筋工况的156.95°(污染0)和118.33°(污染20%),下降至加筋工况的112.21°(污染0)和37.03°(污染20%),降幅达28.51%和68.71%。这是因为土工格栅通过网孔结构将级配碎石颗粒嵌锁固定,使筋-土界面处的颗粒稳定排布;且格栅对上覆荷载产生的应力具有扩散作用,显著降低传递至格栅下层填料的振动能量。该能量衰减机制导致格栅下层的粗颗粒无法获得足够的振动能量以实现偏转。这一作用效果在曲线中表现为加筋工况下各轴偏转角度曲线的细小往复波动显著减少。
3 碎石基层沉降拟合参数分析
王家全等
[20]研究发现,不细粒含量饱和砾性土轴向累积应变与振次的关系曲线符合单对数模型。选用二次函数模型对不同细粒污染程度下碎石基层整体累积沉降与荷载振次关系曲线进行拟合。
式(1)中:S为累积沉降;N为荷载振次;a、b、c为与细粒污染程度相关的拟合参数。
经过多次拟合发现拟合参数
a、
c随污染程度加深基本不变,表明污染程度对参数
a、
c无明显影响,参数
b对细粒污染程度较敏感,反映基层结构劣化速率,细粒污染程度越大,参数
b越大,与前文结论一致,故对各个拟合函数参数
a、
c共享后进行拟合。拟合结果如
图18所示,不同细粒污染程度的拟合曲线与试验所得整体累积沉降与荷载的关系曲线基本一致。
结合
表5可知,相关系数
R2均大于0.95,表明二次函数模型适用于不同细粒污染程度下碎石基层整体累积沉降与荷载振次关系曲线拟合。沉降参数
b随着细粒污染程度的增大,未加筋工况下分别增加19.9%、45.5%、57.4%,加筋工况下分别增加8.8%、23.1%、38.4%,且均在10%后突增,与累积沉降随污染程度变化规律相同,因此可将10%设为细粒污染阈值;未加筋工况下参数
a、
c均大于加筋工况,且未加筋工况下参数
b的增长速率大于加筋工况,表明铺设土工格栅可以减小碎石基层累积沉降,与前文结论一致。通过对式(1)中的参数
b进行拟合分析,发现参数
b与细粒污染程度
Cf存在一次函数关系(
图19),参数
b随细粒污染程度
Cf增加而增大。
4 结论
在交通循环荷载作用下,探讨了细粒污染对加筋碎石基层承载性能的影响。得出如下主要结论。
(1)土工格栅在碎石基层中的最优埋置深度为0.5B(B为加载板宽度)。埋深过浅(0.25B)会导致格栅出现网兜效应甚至断裂,埋深过深(0.75B、1.0B)则会使加载板沉降较0.5B工况分别增大16.61% 和28.61%,过浅或过深埋设均会劣化加筋碎石基层的承载性能。
(2)细粒污染会显著加剧碎石基层累积沉降,10% 可作为承载性能加速劣化的临界阈值。未加筋工况下,10%、20%、30%细粒污染的基层最终沉降较无污染工况分别增加4.10%、14.05%、19.98%;加筋工况对应增幅为3.60%、11.90%、18.09%,污染程度超10%后沉降增长速率明显加快。
(3)土工格栅可通过应力扩散与颗粒嵌锁作用提升基层稳定性,但细粒污染会削弱其加筋效应。加筋后基层沉降最大降幅达33.35%(30%污染工况),未污染条件下土石界面土压力降低23.6%;而30%污染时,加筋与未加筋工况的土压力差降幅达75.66%,且土石界面土压力较无污染工况增大26.1%,加载板下方易形成应力集中,加剧沉降发展。
(4)土工格栅能有效抑制粗颗粒偏转,强化基层结构稳定性。细粒污染程度为0%和20%时,加筋工况下粗颗粒累积偏转角较未加筋工况分别降低28.51%和68.71%,其核心机制是格栅网孔对颗粒的嵌锁固定及振动能量衰减作用。此外,碎石基层累计沉降与荷载振次符合二次函数模型(R2>0.95),且模型参数b与细粒污染程度呈线性相关,可为不同污染等级下基层长期变形预测提供量化模型。
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