路基在低温条件下的冲击动力特性模型试验.docx
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路基在低温条件下的冲击动力特性模型试验
中国地质大学
研究生课程论文
课程名称土动力学
教师姓名方云、严绍军、马淑芝
研究生姓名雷银
研究生学号120120452
研究生专业地质工程
所在院系工程学院
类别:
A.博士√B.硕士C.进修生
日期:
2013年7月3日
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南方路基在低温条件下的冲击动力特性模型试验
雷银
(中国地质大学(武汉)工程学院,武汉430074)
摘要:
选取贵州境内泸瑞主干线三穗——凯里高速K105+250~350路基模型,分层夯实过程中初始含水量不变,温度均匀。
利用环境发生器模拟气候条件,将环境发生器内温度分别设为0C。
及-5C。
,并持续作用。
通过对路基模型中不同位置的温度和土压力的测试与分析,研究在冲击荷载作用下的路基土的动力响应。
研究结果表明,路基动应力曲线沿深度的变化规律是呈幂函数规律变化,在模型深度10cm到20cm处土压力衰减快,低温的持续作用对路基的影响是沿深度方向逐渐变小,且当路基模型内的温度高于10.1C。
时,路基中的土压力与温度相关性小,路基土温度低于10.1C。
时,土压力峰值随着温度的降低而逐渐增大。
关键词:
模型试验;低温;冲击荷载;路基
ThemodelexperimentfordynamiccharacteristicsoftheroadbedinlowtemperatureenvironmentofsouthernChina
LeiYin
(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074)
Abstract:
Themodelhadconstantinitialwatercontentandwaskeptinhomogeneoustemperatureduringsuperficialcompactionenvironmenttemperaturewassetat0C。
and-5C。
whenthemodelwassubjectedtodynamicforces.Temperatureandearthpressureinthemodelweremeasuredduringthetest.Theresultsshowthattheearthpressuredistributionalongdepthdirectionvariesasapowerfunction;theimpactenergyhasalinearrelationshipwiththeearthpressure;theearthpressuredecaysrapidlybetween10cmand20cmfromtopofthemode;ltheinfluenceoflowtemperatureonroadbeddecreaseswiththeincreaseofdepth;theearthpressurehaslittlerelationwithtemperaturewhenitisabove10.1C。
;andtheearthpressureincreaseswiththedecreaseoftemperaturewhenitisbelow10.1C。
.
Keywords:
modeltest;lowtemperature;dynamicload;roadbed.
一、引言
南方地区的冰冻灾害不同于常年低温地区,具有自身的特殊性。
低温条件下,力学稳定性不仅是南方地区工程建设中需要面对的问题,也是南方地区遭遇极端气候灾害保证工程整体安全的基础【1】。
南方雨雪冰冻天气具有低温持续时间短、且环境温度相对北方冻土地区高的特点,土体中可能会出现负温度,但是负温度基本出现于路基表层且土体中并没有大量出现冰胶结状态【2】,从组分上看土体绝大部分为三相体。
可见南方低温条件下的路基情况与冻土地区有很大的区别,然而南方地区的地下水及降雨相对北方地区丰富,水在低温条件下的迁徙同样会对路基造成极大影响。
在持续低温作用下,路基顶端会出现结冰现象,造成体积膨胀而损害路面结构,而气温升高冰层融化又严重影响路基的稳定性。
低温雨雪冰冻天气在广西北部常有发生,近10年气候资料显示【3】,桂林市每年均会出现道路结冰状况,1999年和2008年出现了极端的寒潮天气【4】,最低气温达到了-7C。
。
由于该地区路面断板现象比较严重【5】,超限车也比较多,综合以上因素,研究雨雪冰冻气候条件下路基土冲击特性将具有理论价值和实际意义。
本文在理论及试验方法上借助研究成果相对较多的冻土研究,揭示南方地区特别是广西地区的低温对路基的力学特性的影响,目前该方面的研究成果还鲜见报道。
2试验模型设计
2.1试验土样物理力学性质
试验土样的物理力学性质如表1所示。
2.2模型制作
将土样过5mm筛,去除杂质,采用最大干密度及最优含水率对试验坑进行分层填筑。
在整个填筑的过程中,严格控制含水量和压实度指标,在每层碾压后都要对这两个指标进行检测,以保证试验土体填筑达到压实度要求,使实际填筑的各项指标的误差控制于5%以内。
路基土模型为1.60mX1.45mX1100m(长X宽X深),模型内的温度量测采用温度传感器,湿度量测采用TDR(时域反射)土壤湿度计,动应力量测采用YT-200型土压力盒,低温环境由环境发生器来模拟。
试验模型及传感器埋设如图1所示。
3试验方法
采用重锤通过不同落距来控制能量方式加载,即按照200、400、600、800J进行,每种能量作为一加载组来进行加载,每加载组冲击数为10次。
试验表明,在冲击能量低于800J时,土体的能量累积较小,且10次冲击所采集到的各个深度的土压力差异不大,处于稳定状态,冲击荷载使土体产生的塑性变形可以忽略不计,也就是说冲击荷载并没有对土体产生持续的影响,在设定的冲击能量状态下,土体不同深度的受力基本处于稳定状态[6],因此,可以取用10次冲击的平均值进行研究分析。
环境温度选用T=0C。
和T=-5C。
开展研究,冲击荷载施加的时间间隔为24h,冲击作用时分别采集温度、含水量和土压力的变化规律。
试验步骤的相应参数见表2。
4低温条件下路基土动力响应的模拟试验
利用环境发生器分别控制环境温度在T=0C。
和T=-5C。
然后对路基模型进行冲击加载,采集试验过程中土体温度、土压力峰值变化规律,揭示低温作用下路基土的的动力学特性。
4.1低温条件下温度分布规律
路基土模型四周设置了保温板,不考虑热量从四周传递,只考虑温度对路基表面的作用。
分别保持0C。
和-5C。
的恒温环境,采集各个冲击时刻不同深度路基土中的温度,如表3所示。
从表3看出,环境温度T=0C。
和T=-5C。
时,0~24h时间段内的温度降幅最大,随着环境温度作用时间的延长,路基土中不同深度的温度降幅逐渐减小。
以环境温度T=0e为例,路基土深度10cm处在144h内温度较初始温度的总降幅度达到14.9C。
随着深度的增加降幅逐渐减小;而土体深度为100cm处土温的总降幅仅为3.9C。
且变化率也是随着深度的增加而逐渐减小,说明随着路基土深度的增加,土体温度降幅是逐渐降低的。
4.2低温条件下土压力变化规律
土体中存在滞回阻尼【7】,则实际所采集的应力波形与实际反映波形之间会有一定的差异,但是两者在整体上是相似的。
实测土压力时程关系曲线如图2所示。
从图2看出,作用冲击能量800J时,其中曲线表示土压力的反映值,在试验中,动应力的影响深度能够达到55cm,但是在55cm处的应力反应就已经比较微小了。
其中土体深度在10cm和20cm处的应力变化较明显,而在土体深度20cm以下的应力变化较小,能量在土体的某段深度影响显著,而且此深度在接近冲击源处。
周期值随着深度的增加而减小;从动应力的衰减情况来看,其斜率基本是相等的,可以说明各深度能量传播速度基本相同;从峰值情况来看,峰值并没有在同一时间点上,而是随着深度的增加出现一定的滞后性,表面的土体先到达应力峰值,随着深度的增加相继达到峰值,说明土体具有较大的阻尼作用。
环境温度T=0C。
作用下,不同冲击能量下的土压力峰值与土体深度规律如图3所示。
环境温度T=-5C。
的分布规律与T=0C。
相同,不冗述。
从图3看出,路基土受到冲击荷载作用后,土压力峰值随着路基土深度的增加土压力峰值减小,就冲击能量800J来说,在环境温度T=0C。
条件下,路基土深度10cm处所产生的土压力是深度55cm处土压力的2.7~16.6倍;而在环境温度T=-5C。
条件下,土体深度10cm处所产生的土压力是深度55cm处土压力的5.9~10.7倍。
4.3低温条件下土压力随温度的变化规律
以冲击能量800J进行分析,在环境温度T=0C。
和T=-5C。
条件下,土压力峰值与土体温度的变化规律如图4所示。
从图4(a)中看出,路基土深度10cm处,土压力峰值与土体温度之间的对应关系呈不规则的变化规律,路基体深度在20、35、55cm处的规律性比较明显,有明显的拐点,原因是由于土体受到第一次冲击,促使土颗粒之间重新排列【8】,而造成数据的偏大离散。
排除第一次冲击组作用点后,土压力峰值与温度变化的总体趋势是随着温度的降低土压力峰值趋于稳定。
从图4看出,环境温度T=-5C。
条件与T=0C。
条件下的土压力峰值与土体温度曲线具有相似的规律,其中相同性在于路基土深度10cm处的土压力随温度的变化曲线仍不规则,因为冲击荷载的作用是高度非线性[9],而土体深度10cm距冲击荷载作用处的距离较近,干扰较大,因此这种不规则的曲线形态也符合理论情况【10~11】。
环境温度T=-5C。
条件下,路基土深度在20、35、55cm处的土压力峰值已经趋于稳定。
但是通过对比图4(a)和图4(b)中土体各深度处的土压力峰值,可以发现土压力峰值随着温度的降低有增大的趋势。
为了进一步研究路基土温度对土压力值的影响,选取深度20cm处的土压力峰值进行对比分析,如图5所示。
由图5看出,土压力随着温度的降低分两个阶段变化,出现明显拐点,其中以10.1C。
为界,分为稳定段及上升段,当温度高于10.1C。
时,土压力处于稳定状态,基本不受温度影响,而土体温度低于10.1C。
时,土压力峰值随着温度的降低具有增加的趋势。
现有的冻土研究成果可【12】,在冻土中,随着温度的降低土体的弹性模量和泊松比与温度之间存在一定的关系,由崔托维奇的研究成果[13]可知,弹性模量:
E=(0.5+0.23T)X100MPa;泊松比:
L=-0.032|T|+0.416,由公式看出,随着温度的降低,弹性模量线性递增,而泊松比线性减小,随着弹性模量的增大,荷载作用后土压力值也会逐渐增加,这个趋势与图5土压力峰值随温度的降低而增加相同。
5结语
通过室内路基模型试验,探讨了环境温度分别为T=0e和T=-5e条件下路基土压力峰值的变化规律,获得了以下主要结论:
1、路基土温度在低温环境作用下发生了变化,路基表面温度变化较大,沿深度呈抛物线变化趋势;
2、冲击荷载作用下,路基土会产生沿着深度分布的土压力,越接近路基顶部土压力衰减速度越快;
3、路基土不同深度的土压力值与冲击能量呈线性关系;
4、路基土中1011e是一个敏感的温度值,当路基土温度高于1011e时,土压力随温度变化不大,而当路基土温度低于1011e时,冲击荷载作用下路基的土压力将随着温度的降低有增大的趋势。
本文在室内开展了南方低温路基冲击荷载的模型试验,在一定程度上反映了路基土的温度和土压力的变化趋势,但是试验中忽略了冲击所产生的塑性变形,对测试结果有一定的影响,建议下一步试验可以考虑更多的影响因素,比如地下水、不同土质等,并布设水平方向传感器,采集横向分布规律,有条件时考虑改变冲击荷载类型,开展更为深入的研究。
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- 路基 低温 条件下 冲击 动力 特性 模型 试验