【doc】 全风化花岗岩动强度特性研究

【doc】 全风化花岗岩动强度特性研究 全风化花岗岩动强度特性研究 第3O卷第3期 2005年9月 中南公路工程 CentralSouthHighwayEngineering Vo1.30.No.3 Sep.,2005 全风化花岗岩动强度特性研究 李志勇,谢强 (西南交通大学土木工程学院,四川成都610031) [摘要】采用动三轴试验研究了全风化花岗岩的动强度和动模量,分析了动强度和动模量的影响因素. [关键词]全风化花岗岩;动强度;动模量;影响因素 [中图分类号]U416.03[文献标识码]A[文章编号]1002-1205(2005)03—0028—04 DynamicStrengthPropertiesofFullyDecomposedGranite LIZhiyong,XIEQiang (SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sich uan610031,China) [Abstract]Thedynamicstrengthandmodulusoffullydecomposedgranitewe reanalyzedwithtriaxial testresults.Alsoanalyzedinthispaperaretheinfluencefactorsofthestrengtha ndmodulus. [Keywords]fullydecomposedgranite;dynamicstrength;dynamicmodulus; influencefactors 花岗岩在我国南方广泛出露,广东占全省总面 积的30%,40%,福建省约占4JD%,香港特别行政 区占30%以上,湖南,广西,江西等省分别占本省总 面积的l0%,20%.全风化花岗岩的主要特点是 云母含量高,结构松散,水稳性差,粘结力小,其路用 工程性质的研究尚未引起足够的重视,许多工程性 质尚没有进行完整的系统研究,因此,其在公路中的 应用受到限制.京珠高速公路l临湘至长沙段,主线 通过72km连续里程的全风化花岗岩地带,联络线 通过22km全风化花岗岩路段.为了保证公路建设 质量,对全风化花岗岩进行动力特性试验研究.根 据动强度的试验结果确定路基的处理,公路通 车2a来路基稳定. 1动三轴试验概况 试验使用13本产DTC一306型伺服动态三轴仪, 采用计算机进行数据采集处理.在进行正式试验 前,对动态三轴仪进行全面的检测,对各种传感器进 行标定.试样直径为35mm,试样高度为试样直径 的2倍. 试样用土的配制按试验要求进行,按下列 步骤进行加载.第1步,加围压,让试样产生固结, 固结时间为30min.第2步,施加静止轴向应力,以 保证当动荷载作用时不产生拉应力.第3步,当静 轴向应力作用下试样变形稳定后,进行动态试验. 动荷载采用正弦波形,频率为5Hz. 加载次数控制:正常情况下,若试样不产 生破坏,每个试样加载1万次后停止试验.若试样 变形过大,应变大于l5%而产生破坏则中止试验. 图1荷载波形图 Figure1Loadingwaveshape 对k148+220土样共进行了6组,表1是第2组 试验的加载条件.每组4,7个试样的动三轴试验, 试验含水量分2种,含水量为l0.8%是最佳含水 量,含水量为l6.7%接近于饱和状态,它是在饱和 后进行试验,并在试验后测定的含水量值.试验的 压实度均为95%,动荷载采用正弦波形,选择25, 50,100,200kPa共4种围压进行实验并研究低围压 (25kPa)情况下,全风化花岗岩的动强度随围压的 [收稿日期]2004—09—25 [基金项目]交通部优秀青年专业技术人才专项基金(95—05—05一l9) [作者简介]李志勇(1965一),男,湖南祁东人,教授级高工,现任职于湖南省交通科学研究院湖南省交通建设工程重点实验室,主要从事 道路及岩土工程研究. 第3期李志勇,等:全风化花岗岩动强度特性研究29 变化.若试样不产生破坏,每个试样加载1万次后 停止试验.若试样变形过大而产生破坏则中止试 验. 表1s148+220第2组试验条件(W=10.8%,P=95%) Table1Testconditionsofthe2thgroupfors148+220(W: 10.8%.P=95%) k155+020处土样进行了5组,一组试样为饱和 状态,压实度为95%,试后含水量为18.4%.其余 各组的含水量为10.5%,接近于最佳含水量.改变 各组的压实度,分别为85%,90%,93%和95%,分 析不同压实度情况下试样的动强度随压实度的变化 规律. 2全风化花岗岩动变形和动强度 2.1累积残余应变与加载次数的关系 在重复荷载作用下,试样的变形包括弹性变形 和残余变形.残余变形卸载后不可恢复,随加载次 数而累积.图2是k148+020处土样累积残余应变 随加载次数的变化曲线. 3O 25 . 望15 10 5 O —— ?.-Sl480—28 — 1卜Sl480—27 —1卜Sl480—26 — Sl480—23 — Sl480—22 l0lOOlOOOlOOOO 加载次数/N 图2累积应变与加载次数曲线 Figure2Accumulatedstrainversusloadingrepetitions 累积残余应变与加载次数的拟合关系式为: e=a?(1) 式中:e为累积残余应变;N为加载次数;a,卢为试 验系数. 利用式(1)对累积应变与加载次数得到的拟合 参数和相关系数如表2所示. 表2试验参数 Table2Experimentalp~ametem 2.2全风化花岗岩的动强度 取应变1%作为全风化花岗岩所能承受的应 变,在此应变条件下,得到在不同的试验条件下的动 强度曲线(s148—2组),如图3所示,动强度曲线也称 疲劳曲线,使用幂函数式来描述: 口d, l厂=?(2) 式中:k,为试验参数,与试样的压实度,围压有关; O”d,为对应曲线的加载次数下,试样应变不超过1% 所能承受的最大动应力幅值,s148—2组: 口,:216.32N一.?蝴 根据公路的年限内通过的车辆轴数换算为 标准轴数10以上,以10作为路基填土在使用期限 内所能承受的加载次数,在此加载次数下,得到各组 的动强度如表3所示. z.. R150 .0E 图3动强度线 Figure3Dynamicstren~h 表3允许应变为1%,加载次数为l0.的动强度值 Table3Dynamicstrengthfor1%allowablestrainandloading 试验组别动强度试验组别动强度 k155—063.48s148—392.45 k155—556.16s148—4136.49 k155—449.74s148—5193.Ol k155—741.67s148—634.86 k155—931.48s148—757.o6 s148—266.O8 2.3全风化花岗岩动强度影响因素分析 a.围压的影响.动强度与围压的关系如图4 所示,动强度应力园如图5所示,动粘聚力c= 21.01kPa,动内摩擦角?d=15.27.,静强度c= 25O 200 150 篓loo 蒋50 O 图4k148+220动强度与围压相关关系 Figure4Relationshipbetweendynamicstrengthandconfining pressurefork148+220 30中南公路工程第30卷 日 \ 0 翟 蜜 0100200300400 围压/kPa 图5l【1484-220动抗剪强度曲线 Figure5Dynamicshearstrengthofk148+220 37.2kPa,.=36.19.,可见全风化花岗岩的动抗剪 强度远小于静抗剪强度,随着围压的增大,动强度也 增大. b.压实度的影响.k155+020不同压实度下的 试验结果如图6所示,随着压实度提高,动强度增 加,并用幂函数表示如下: , ,=,f,o,Pf(3) 式中:.,.100为对应压实度为100%的动强度;P为 压实度. 得到:dd. ,=74.722P(4) 图6k155+020动强度与压买度相关关系 Figure6Relationshipbetweendynamicstrengthandcompaction degreefork155+020 c.含水量的影响.在95%的压实度时,k148+ 220和k155+020这2处最佳含水量和饱和含水量 的动强度如表4所示,动强度受含水量的影响较大, 当含水量从最佳含水量上升到接近饱和含水量时, 在围压为25kPa时,k155的动强度降低约50%, k148的动强度降低约48%.在围压为25kPa时, k148的动强度降低38.7%. 表4动强度与含水量的关系 Table4Relationshipbetweendynamicstrengthandwatercontent d.加载次数.花岗岩的初始动强度值,即作用 一 次时,k155—0是206.61kPa,s148—2是216.32kPa, 加载l0次后,动强度分别为63.48kPa和 66.08kPa,基本上是初始强度的1/3,可见,全风化 花岗岩的动强度值随交通重复荷载作用而大幅衰 减. 3全风化花岗岩及水泥稳定土动模量 3.1动模量的概念 土的动模量反映土体在受到动荷载作用时应力 一 应变关系的一个重要力学指标,其定义为动应力 与动变形,之比,即: Ed=o-d/ed(5) 3.2动模量与动应力幅值的关系 针对风化花岗岩动模量的特点,使用线性模型 来描述动模量与动应力幅值的关系,即: E=Ed0一d(6) 式中:E抛,为试验参数;Ed.为当动应力为0时的 试样的动模量,可以理解为试样的原始模量;p动模 量随动应力的变化情况. 各组的拟合参数如表5所示,从相关性来看,尺 除极个别组外,均大于0.8,说明线性模型是合理的. 表5k155各组的拟合参数Edo.值. Table5Valuesoffittingp~ametemE?andfork155 全风化花岗岩在围压25kPa作用下,分别进行 固结排水与固结不排水条件下的循环荷载作用,轴 向应变如图7,图9所示,可见在固结排水条件下 的应变小于固结不排水条件下的应变,且在固结不 排水条件下只要加载500次即很快趋于稳定. 3.3动模量的影响因素分析 a.围压.在压实度,含水量等试验条件基本相 同,各组动模量随动应力幅值的拟合参数E.,p值 随围压的变化如图7所示.随着围压的增加,Ed0, 25O 2OO 妄150 t100 5O 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 006 0.04 0.800.840.880.920.96 03/kPa (b)卢值与围压 图7Ea0,值与围压(s155) Figure7EdoandatdifferentconfiningpressuresforS155 的参数变化均增加,其中Ed0值随围压的变化可用 幂函数方程来描述: Ed0=E(d3/po)(7) 第3期李志勇,等:全风化花岗岩动强度特性研究3l 式中:Eo为试验参数,为围压,P.为无量纲化引入 的大气压力,100kPa. 围压较低时,』9值的变化较大,随围压增加,』9 值的增加速率逐渐降低.这说明,围压越高,动模量 随动应力增加而减少的速度越大. b.压实度.拟合参数E加,值随压实度的变 化如图8所示.E加随压实度增加而增加,值随压 实度增加而减少,说明压实度越大,动模量的初始模 量越大,且随动应力增加而减少的速度越少. C.含水量.当含水量大于最佳含水量时,拟合 参数E.减少,值增加. 120 l00 ? 呈80 \ 60 40 20 0. 140 120 100 80 60 4O 20 5. 0”3/kPa (a)Ed0与压实度03/kPa (b)值与压实度 图8Edo,值与压实度(k155) Figure8Ed0and卢atdifferentcompactiondegreefork155 03/kPa0”3/kPa (a)Ed0与含水量(b)值与含水量 图9Edo,值与含水量(m155) Figure9Ed0and卢atdifferentwatercontentform155 d.加载次数.分析试验结果,每组试验的动模 量随加载次数的变化都存在2种情况.第1种情况 是动模量随加载次数呈波动变化,但总的变化趋势 是随加载次数而增加.第2种情况是动模量随加载 次数首先呈波动变化,但一定次数后随加载次数而 急剧减少.对比累积应变与动模量的变化,出现第 2种情况的试样均是在试样将要产生剪切破坏时才 出现动模量下降的.也就是讲,出现动模量下降意 味着试样将会因累积应变过大而破坏. 4结论 ?全风化花岗岩的累积应变随加载次数而累 积;?全风化花岗岩动强度和动模量随围压增加而 增加;?全风化花岗岩动强度和动模量受含水量的 影响较大,在最佳含水量附近,全风化花岗岩的动强 度和动模量有最大值.接近饱和含水量的动强度比 最佳含水量的动强度低38.7%一50%;?全风化 花岗岩的动模量随动应力增加而减少,全风化花岗 岩的动模量受围压影响较大,随围压增加而增加. [参考文献] [1]张永波,张云.花岗岩残积土工程类型划分体系研究[J].地 球,1997,(2). [2]陈洪江,崔冠英.花岗岩残积土物理力学指标的概率统计分析 [J].华中科技大学,2001,29(5):95,97. [3]陈洪江,崔冠英.花岗岩残积土物理力学指标的概率分布检验 [J].华中科技大学,2001,29(5):9,95. [4]Li,D.,andSelig,E.T.ResilientModulusforFine—grained SubgradeSoilslJJ.J.Geo.Eng.,ASCE,1994,120(6). [5]罗建华.全风化花岗岩路基施工技术研究[J].湖南交通科技, 2002,(4). [6]彭国建.全风化花岗岩路基施工与质量控制[J].湖南交通科 技,2002,(4). [7]郑小龙.花岗岩碎石沥青混合料的路用性能评价[J].中南公路 工程,2004,(2). (上接弟27页) 而流量为:Q=(2n0—1)6q=6.13×10一m/s 所以:日一z=芝l-[-n-4.549一 乏ln(r??r;?r;?r;?A?r)】=0.69m 即在路面中线处地下水位降低0.69m. 4结语 针对低洼平坦地带地下排水设计时所遇到的渗 沟出水El难于布设的问题,根据特殊路段的具体地 质情况,提出了封闭式渗沟的新型地下排水构造型 式,并就封闭式渗沟的主要构造,施工要点做了简要 介绍,重点阐述了封闭式渗沟的水力计算方法.封 闭式渗沟是基于承压排水井的原理,在浅层不透水 层下存在流动显着的承压地下水的路段,可以作为 是解决低洼平坦地带降低地下水的一种有效措施. [参考文献] [1]JTJ018—97,公路排水设计规范[S]. [2]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册(路基)[M].人民 交通出版社,1998. [3]吴桢祥,杨玲霞,李国庆.水力学[M].北京:气象出版社,1994. [4]苑莲菊,李振栓,武胜忠.工程渗流力学及应用[M].北京:中国 建材工业出版社,2001. [5]罗志刚.沥青路面水损害浅析与排水处治措施[J].湖南交通科 技,2002,(4). [6]梁昌巩.海文高速公路排水设计[J].中南公路工程,2003,(4).