泡沫轻质土CBR试验模型相似性分析

石苏意,刘勇,廖亚雄,关宏信

(1.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004;2.包头市公路工程质量监督站,内蒙古包头 014040)



泡沫轻质土CBR试验模型相似性分析

石苏意1,刘勇2,廖亚雄1,关宏信1

(1.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004;2.包头市公路工程质量监督站,内蒙古包头 014040)

摘要:泡沫轻质土作为一种新型路基填料,具有强度高、整体性及抗裂性好等诸多优良性质,在道路建设中得到越来越多的应用。为了使泡沫轻质土CBR试验能更好地反映实际泡沫轻质土路基承载能力,文中通过建立典型道路结构模型,计算道路在车辆荷载作用下的应力状态;根据相似原理初步得出试验模型尺寸,运用有限元软件进行数值模拟,得到模型内部应力状态并与实际路基进行比较;依照二者相似程度调整模型尺寸,综合确定泡沫轻质土CBR试验模型尺寸,并提出相应的试验条件和数据处理方法。

关键词:公路;泡沫轻质土;CBR试验;数值模拟

泡沫轻质土又称气泡混合轻质土,是按照一定的比例在原料土中添加固化剂、水和气泡,经过充分混合、搅拌后形成的轻型填土材料,具有轻质、整体性及耐久性等优点。20世纪80年代,美国首次应用泡沫轻质土处理地基,随后日本将其大规模用于公路建设中,有效解决了桥头跳车、道路滑坡、新旧路基沉降差等问题。21世纪初,中国学者开始研究泡沫轻质土技术,并逐步将其运用到公路建设中,取得了良好效果,同时编写了泡沫轻质土填筑技术行业规范。

CBR是评定基层材料承载能力的试验方法,是表征路基土、粒料、稳定土强度的一种指标,不同的CBR试验模型和方法对材料路用性能的反映有较大影响。杨和平等针对膨胀土改进了标准CBR试验方法,取得良好试验效果;任蛟龙提出了适合级配碎石的CBR试验条件。而泡沫轻质土作为新型路基材料,其CBR试验模型还少有学者做过深入探讨。为此,该文运用道路结构计算软件分析实际路面受力状态,根据相似原理缩小实际受力区域初拟试验模型,对比二者的受力状态相似程度,提出泡沫轻质土CBR试验模型尺寸和试验方法,为泡沫轻质土和其他材料试验模型的确定提供参考。

1 道路结构受力分析

1.1 道路结构及其参数的选取

半刚性基层沥青路面是中国目前使用最多的路面结构形式,故采用表1所示典型路面结构的泡沫轻质土路基进行分析。

表1 道路材料计算参数

1.2 车辆荷载作用下道路的受力分析

首先假定路面的尺寸足够大,各层材料均为各向同性材料。为了应用方便,对于轮胎的简化采用单圆荷载,采用标准荷载0.7 MPa。在建模时,各结构层采用上述代表性的路面结构,荷载采用半径为21.3 cm的圆形均布荷载。根据上述假定模型,通过道路仿真软件对道路进行结构计算,得到道路中心路基沿深度方向的竖向应力变化(见图1)。

图1 路基中心竖向应力沿深度方向的变化

由图1可看出:路基中心竖向应力随深度的增加而减小,当路基深度为3.6 m时,其竖向应力已趋近于零,说明该车轮荷载对道路的影响深度在路基顶面以下3.6 m时已经很小,可将路基顶面以下3.6 m作为该道路结构车辆荷载影响范围。

为确定其对路基的横向影响范围,分别对路基顶面及路基顶面以下3.6 m处的竖向应力从路基中心沿径向的变化进行分析,结果见图2和图3。

图2 路基顶面竖向应力沿径向的变化

图3 距路基顶面3.6 m处竖向应力沿径向的变化

由图2可看出:路基顶面竖向应力沿径向呈减小趋势,路基顶面中心向外扩散至1.5 m处时,竖向应力趋近于零,说明车轮荷载对路基顶面的影响范围为直径3 m的圆形。由图3可看出:车轮荷载对路基顶面向下3.6 m深处的影响范围为直径12 m的圆形。

综上,根据最大影响范围,可将车轮对路基的影响区域简化为12 m×3.6 m的圆柱形区域,而由路面传递至路基顶部的车辆荷载作用区域为直径3 m的圆形。

2 ANSYS数值模拟分析

2.1 有限元模型的建立

根据上述道路结构应力分析结果及相似原理,将路基受力区域缩小100倍作为室内试验的试件尺寸,采用轴对称模型,试件为12 cm×3.6 cm的圆柱体,材料参数按表1中泡沫轻质土参数选取。因CBR试验在试模中进行,在其底面和径向外圆均加以约束,使其位移为零。计算模型见图4。

图4 有限元计算模型

考虑到需用试验设备的便利性与可操作性,同时考虑路基使用的安全性,将其顶面的车轮荷载作用力简化为直径3 cm的均布荷载,应力大小取其顶面车轮所产生应力的最大值。此外,该试验模型还需考虑路基顶部所承受的上部路面带来的压力,故在上述基础上再加上路面重力所产生的应力。

2.2 试验模型受力分析

根据试件尺寸,考虑到模型受力条件与实际路面的差别,建立试验模型,进行有限元分析,并在考虑上部路面重力的条件下将其受力情况与实际路面受力情况进行等效对比,结果见图5、图6。

图5 试验模型与实际路基顶面沿径向竖向应力对比

图6 试验模型与实际路基沿深度方向竖向应力对比

由图5可知:试验模型顶面竖向应力数值大小由中心向两边呈递减趋势,在接近边缘处已基本趋于稳定,这与路基顶面实际受力状态十分接近,表明试件直径大小和压头尺寸基本符合要求。

从图6可以看出:在竖向受力上,试验模型与实际路面数值一样也呈递减趋势,但试验模型数值降低较慢,且不能趋于稳定,与实际路基受力状态存在一定差距,故需对试件厚度进行调整。

2.3 试验模型尺寸调整分析

由上述分析可知3.6 cm厚度试件与实际路面状态存在较大差异。为了寻求合适的厚度尺寸,分别将模型尺寸改为120 mm×72 mm、120 mm× 120 mm、120 mm×132 mm、120 mm×144 mm进行竖向受力分析,结果见图7。

图7 不同厚度试验模型与实际路基沿深度方向竖向应力对比

由图7可以看出:试件厚度越大,试件深度方向竖向应力变化最后越趋于稳定,受力状态也越接近实际路面受力情况。而当试件厚度达到120 mm 时,再增加试件厚度,受力变化很小,曲线趋于稳定。故从试模与试件制作方便及成本考虑,选用120 mm作为试验试件厚度。

为验证其径向应力,将其与实际道路和120 mm×36 mm试件进行对比,结果见图8。从中可见,120 mm×120 mm试件竖向应力的径向变化与实际道路较为接近。

图8 两种试验模型沿径向竖向应力变化与实际路基对比

综上,确定泡沫轻质土CBR试验模型尺寸为120 mm×120 mm圆柱体试件,压头直径为3 cm。

3 泡沫轻质土CBR试验条件与数据处理

3.1 试验条件

泡沫轻质土由于其材料属性的不同,试验条件应与土工试验方法中的CBR试验有所不同。根据其受力原理,应使试件在带试模的条件下养生后进行试验,使用钢压头进行加载的同时在钢压头周围用铁块加载上浮压力,从而模拟路基中的实际受力状态。同时确定其他试验条件,如加载方式、环境温度等。对于环境温度,由于泡沫轻质土温度敏感性很低,试验温度选为常温;道路中的车辆荷载越接近静载,路面材料的力学响应越不利,故加载速率选取1 mm/min,加载至压力出现明显降低或位移达到5 mm时为止。

3.2 试验数据的处理方法

根据上述试验方法,泡沫轻质土CBR试验所得数据可依照土工CBR试验的处理方法,采用贯入量为2.5 mm时的单位压力与标准压力之比作为材料的承载比。同时,考虑到泡沫轻质土材料的特性,其破坏过程存在弹性、压密、破坏等阶段,当其裂缝开始贯穿时应出现拐点,因而可用试验数据曲线中拐点来表示其抗压强度。

4 结论

(1)泡沫轻质土受车辆荷载的影响从中心点向外扩散逐渐减小,到一定范围时可忽略不计,可将该范围作为其受车辆荷载的影响范围。

(2)不同厚度CBR试件竖向应力的变化趋势基本相同;试件厚度越大,试件深度方向竖向应力变化最后越趋于稳定,受力状态也越接近实际路面受力情况。选择3 cm压头和12 cm×12 cm圆柱体试验模型能更加真实地模拟该典型泡沫轻质土路基的受力状态。

(3)泡沫轻质土CBR试验条件为:试件在试模中养生完成后带试模在常温条件下进行试验,压头加载速率为1 mm/min,加载至压力明显降低或位移达到5 mm时为止。

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收稿日期:2016-01-05

中图分类号:U416.1

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0113-03