车辆加载下煤矸石路基填料变形特性研究

孙 磊，张田云龙，王依凡，陈志航，吴 瑕

(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

我国以煤炭为主要能源形式的格局在短时间内难以打破，因此，日益增长的煤炭能源需求与其产生的环境污染问题之间的矛盾将长期存在。煤炭开采产生的煤矸石山不仅侵占大量的土地资源而且严重污染周边环境。随着我国对生态环境的日益重视，加快推进煤矸石的资源化利用已上升为国家战略，于国于民都意义重大[1]。

煤矸石的资源化利用形式主要涉及煤矸石发电、有用矿物提取、生产建筑材料(如水泥、砖等)、采空区充填以及筑路等[2]。由于路基对填料的要求相对较低，将煤矸石用于路基填筑一方面可以实现其最大程度的资源化利用，另一方面也可以有效缓解我国道路交通工程建设对土石等原材料的巨大需求[3-4]。目前，煤矸石大多用于低等级道路路基的填筑工程，尤其当煤矸石道路修建于煤炭采空区附近时，在交通车辆的反复加载作用下极易发生路基开裂、路面破损等病害，对行车安全极为不利[5]。

煤矸石作为路基填料是道路结构的重要组成部分，其在道路的整个服役过程中发挥着至关重要的作用。随着煤矸石在道路工程中的不断应用，许多专家学者针对煤矸石的路用性能开展了大量的研究工作，刘松玉等[6]通过室内试验研究发现煤矸石中残留的煤炭、有机质以及软岩等成分不利于路基的填筑，容易引发煤矸石路基沉降问题。结合现场碾压模拟试验Michalski等[7]指出煤矸石的粒度分布是影响煤矸石压实度的重要因素之一。于保阳等[6]从无强度、抗冻以及温缩性能等方面探究了辽宁地区煤矸石的路用性能，建议采用石灰和水泥对煤矸石进行改良后作为路基的基层材料。邬俊等[8]通过室内大三轴静态加载试验研究了围压、级配以及压实度等参数对煤矸石强度和变形特性的影响，发现煤矸石的最佳压实度为93%，并利用双曲线模型对煤矸石应力-应变曲线进行了拟合分析。然而，上述研究中均未考虑交通车辆反复加载这一导致路基沉降的重要因素。尽管已有部分学者尝试利用动三轴对煤矸石路基填料开展动力特性测试，但大多模拟煤矸石在地震作用下的动强度、模量或阻尼等动力特性，关于交通车辆反复加载下煤矸石路基填料的变形特性的认知和理解还比较匮乏[9-11]。鉴于此，以宿州朱仙庄煤矿的煤矸石为研究对象，借助DSZ-2型电磁振动三轴加载设备进行了一系列的煤矸石路基填料循环加载试验，试验过程中综合考虑了围压、频率以及动应力水平等因素对煤矸石应变累积特性的影响。研究成果能够为煤矸石在道路工程中的应用提供更加坚实的理论依据并推进煤矸石在道路路基工程中的广泛应用。

1 试验材料与方法

1.1 试验仪器

本文试验采用的动力加载设备为江苏永昌科教仪器制造有限公司生产的振动三轴仪(DSZ-2型)，如图1所示，图中从左至右依次为计算机(控制软件)、振动加载控制柜、主机(激振器和压力室)、压力控制柜(围压、反压及轴压)以及空压机(供压)等核心部件。该设备自带动力加载控制软件，可以实现不同频率(1～10Hz)、不同波形(方波、三角波、正弦波、半正弦波)的动力加载试验。

图1 DSZ-2型电磁振动三轴仪

1.2 试验材料及试样制备

本文试验所用煤矸石材料取自宿州朱仙庄煤矿附件的矸石山，受三轴试样尺寸限制，本试验采用煤矸石细料进行试验。通过土工试验测定，煤矸石细颗粒的液塑限分别为23.57%和17.25%，塑性指数IP=6.32。进一步通过击实试验获得煤矸石细粒料的最大干密度和最优含水率分别为1.92g/cm3和8.83%，按照邬俊等人[8]研究中建议的93%的压实度以及三轴试样的尺寸(高80mm，直径39.1mm)计算出所需煤矸石细料的质量，然后按照10%的含水率制成一定含水率的湿试样并在密封袋中浸润2天，并利用如图2所示的静压模具分五层制备成标准的圆柱体三轴试样。

图2 三轴制样模具

1.3 试验方法及方案

受试验仪器的限制，所有试样均在饱和状态下进行动力加载试验，因此，首先将制备好的试样利用真空饱和缸进行抽真空饱和，其次将真空饱和后的试样取出并在其周边及上下端贴上滤纸，最后将试样用橡皮膜包裹并装入三轴压力室，具体流程如图3所示。

待试样安装完毕之后将压力室外罩固定好并对所有电气设备进行检查和校准，然后打开进水阀门往压力室内注水约漫过试样顶1cm后关闭。根据仪器自带压力平衡表，首先对试样施加20kPa的初始围压和200kPa的反压对试样进行二次饱和，以保证试样处于完全饱和状态(通常以B值大于0.95为准)。反压饱和完成之后保持反压不变继续增大围压到设定值，然后对试样进行固结，本文从路基土体的真实工况以及规律性研究两方面综合考虑选取围压(P0)分别为30kPa、60kPa和100kPa。待试样固结完成之后关闭排水阀门，利用设备自带的动力测试软件对试样进行不排水循环加载试验，选择半正弦波模拟交通循环荷载(如图4所示)，加载频率分别选取1.0Hz和5.0Hz模拟慢车和快车两种运行状况，试验过程中通过设定不同的动应力幅值(qampl)模拟交通循环荷载对路基土体的影响。试验终止的标准为循环10 000次或达到设定加载次数之前试样提前破坏(应变大于10%)。具体试验方案如表1所示。

表1 试验方案设计

2 试验结果分析

2.1 煤矸石填料应变累积特性分析

图5给出了所有试样在循环荷载作用下轴向累积应变(εa)随循环加载次数(N)的变化曲线，其中图5(a)为低频加载情况(1Hz)，图5(b)为高频加载情况(5Hz)。比较图5(a)和(b)中的轴向应变发展曲线可以看出，试样在不同的加载频率、动应力水平以及围压等试验条件下的轴向累积应变发展规律基本相同，在循环加载初期轴向应变快速累积，然后应变累积速率逐渐降低。从图5中还可以看出，在相同的加载频率以及循环加载次数下，试验施加的动应力幅值越大，试样产生的累积应变就越大，这主要是随着动应力幅值的不断增大，试样内部的结构性逐渐丧失的结果。根据循环安定理论可近似将试样的轴向应变累积曲线划分为塑性安定(M-1、M-2、M-5、M-6、M-7、K-1、K-2、K-5、K-6、K-7)和塑性蠕变两种状态(M-3、M-4、K-3、K-4)[13]，在这两种状态下，试样的变形发展均处在可控状态，但是一旦动应力幅值继续增大并随着荷载循环的持续作用，试样则会由塑性蠕变状态转变为增量塑性破坏状态，加速试样应变的发展和破坏，在道路结构设计过程中应当避免这种情况的发生，因此，在交通路基结构设计过程中，严格控制由交通车辆反复加载所产生的路基结构中的附加动应力水平是决定路基填料在该动应力长期作用下能否达到动态稳定的关键。

(a)f=1Hz

2.2 循环动应力水平的影响

从图5(a)和(b)中可以看出，当加载频率和围压一定时，施加较大的动应力幅值将导致试样在相同循环次数下产生较大的轴向累积应变。当施加的动应力幅值较低时(M-1、M-2、K-1、K-2),试样的轴向累积应变在经历加载初期的快速增长阶段后增长速率逐渐降低并最终趋于稳定。试样的大部分应变累积主要在前2000次循环内完成。随着循环动应力幅值的增大(M-3、M-4、K-3、K-4)，试样的轴向应变累积速率虽然在经历早期快速增长阶段后有所变缓，但是在加载结束之前并没有趋于稳定而是呈现继续缓慢累积的状态。根据散体材料的安定理论，上述两种情况分别对应塑性安定和塑性蠕变两种状态[12]。

为了更好地评估循环动应力水平对煤矸石试样轴向累积应变的影响，图6进一步给出了特定循环次数下(N=10、100、1 000、5 000和10 000)加载频率与围压一定时，试样轴向累积应变随动应力幅值增大的变化曲线。通过分析发现可以采用幂函数(y=axb)的形式对上述结果进行拟合，拟合结果如图6(a)和(b)中的虚线所示。

(a)f=1Hz，P0=30kPa

2.3 固结围压的影响

比较图5(a)和(b)中试样在其他试验条件相同，不同围压下的轴向应变变化曲线可以看出，施加60kPa的循环偏应力，试样在不同围压下的轴向累积应变发展规律基本相同，均在加载初期快速累积然后逐渐趋缓并最终达到塑性安定状态。

(a)f=1Hz，qamp=60kPa

为了更好地分析围压对煤矸石试样轴向累积应变的影响，图7进一步给出了特定循环次数下(N=10、100、1 000、5 000和10 000)试样轴向累积应变随固结围压增大的变化曲线。通过比较可以看出，当加载频率、偏应力幅值以及循环次数等试验条件一定时，试样的轴向累积应变随着固结围压的增大逐渐降低，两者之间近似呈负的幂函数关系(y=ax-b)。这主要是由于围压的增大能够有效的提高土体的强度和刚度进而限制土体在循环荷载作用下轴向应变的发展[13]。

2.4 加载频率的影响

进一步对比图5(a)和(b)中的累积应变试验结果可以看出，当固结围压、循环动应力幅值以及循环次数等试验条件相同时，煤矸石试样在高频(5Hz)加载下产生的轴向累积应变低于低频(1Hz)加载产生的量值。由于频率与周期互为倒数，加载频率为1Hz时，试样循环一次历时1s，加载频率为5Hz时，试样循环一次历时0.2s，也就是说高频(5Hz)循环一次相当于低频(1Hz)循环了5次，而试样应变的累积是需要时间的，因此试样在低频(1Hz)加载下的应变累积相对高频(5Hz)加载情况下的要大。

图8和图9分别给出了不同频率下试样经历10 000次循环加载后的轴向累积应变随循环动应力幅值和固结围压的变化曲线。

图8 不同频率下试样的轴向累积应变与动应力幅值之间的关系

图9 不同频率下试样的轴向累积应变与围压之间的关系

图8和图9中的结果表明加载频率对试样轴向累积应变的影响与循环动应力幅值以及固结围压有关。如图8所示，随着循环动应力幅值的增大，加载频率对试样轴向累积应变的影响程度越发显著。然而在图9中，固结围压对加载频率则表现出与循环动应力幅值截然相反的影响规律，即固结围压越大，加载频率对试样轴向累积应变的影响程度越低。

3 结论

通过一系列低频与高频循单向三轴循环加载试验，探究了煤矸石路基填料在车辆反复加载下的轴向应变累积特性并得出以下结论：

(1)煤矸石路基填料在单向三轴循环加载下的轴向累积应变随着循环次数的增加近似呈两阶段增长模式，在加载初期快速累积然后累积速率逐渐降低并趋于稳定或继续缓慢累积，达到塑性安定或塑性蠕变状态。

(2)在其他试验条件相同的情况下，循环动应力幅值的增大将促进煤矸石填料轴向应变的累积，而固结围压及加载频率的增大则会不同程度上限制其轴向应变的发展。通过幂函数公式可以较好的表征给定循环次数与加载频率条件下，煤矸石填料轴向累积应变与循环动应力幅值或固结围压之间的关系。

(3)受时间与试验条件限制，本试验并没有考虑级配对煤矸石路基填料在车辆反复加载作用下的轴向应变累积特性的影响，相关工作还有待进一步的展开。