文摘
路基的服务性能取决于动态弹性模量(米R路基土壤)。与此同时,由于降雨入渗等复杂条件下,高温蒸发,和地下水位波动,它可以安全地说,湿度状态和重复wetting-drying (WD)周期的影响米R路基土壤。本研究的对象是进行一系列动态三轴测试后WD周期调查的特点米R在各种因素。主要结果如下:(i)米R随着偏应力的增加下降与围压的增长和玫瑰;(2)含水率的增加引起的加湿效果减弱米R;(3)损害了WD的积累周期米R;然而递减率逐渐推迟直到稳定WD周期5倍;(iv)的令人满意的预测模型米R路基土壤提出了考虑WD周期和验证。预期研究结果可以为公路工程提供有价值的贡献。
1。介绍
动态弹性模量(米R)是一个关键的参数描述路基土的刚度特性(1,2),作为基本输入使用确定路面结构厚度和组合方法,例如,在中国的沥青路面设计标准(JTG d50 - 2017)和指导美国州国家公路运输官员协会(AASHTO 2002)。此外,考虑稳定性和耐用性在操作期间,除了满足刚度要求,由于复杂的工作环境影响道路服务性能的材料,如沥青混合物(3,4),级配碎岩石(5),和路基土壤6也是一个至关重要的问题,不容忽视。一个普遍出现路基土壤湿度的变化等原因造成的一个严重的降雨入渗。根据长期的实地测试数据,路基土壤的湿度不是恒定的,而是逐渐超过最优含水率(OMC)和最终稳定下来7,8]。有害的润湿效果变弱米R路基土壤的不同程度,因为许多路面疾病归因于这一现象,例如,发情的(9],开裂[10),和膨胀11]。因此,研究具有重要意义上湿度状态的影响米R路基土壤。
目前,研究人员已经进行了许多研究湿度变化的影响米R路基土壤。通过两年的现场监测,艾略特et al。12)发现,实际的路基土的含水率逐渐增加到1.1 OMC。随后,Zhang et al。13)进行土壤湿度调查一些高速公路在中国南部和报道,路基土壤的水分含量继续增加,最后稳定在OMC 116%左右。在此基础上,他们准备的高塑性粘土试样的含水率条件下0.9 OMC, OMC, 1.1 OMC, OMC 1.2和1.3 OMC,分别执行相应的重复加载三轴(RLT)测试14]。结果表明,在给定的压力和压实状态下,试样的含水率的增加减少了米R。这个规则的测试结果中观察到姚明et al。(15和汉族等。16)对低液限粘土和加拿大的七种不同的粘土,分别。低液限粘土标本与不同水分含量(OMC - 2%, OMC, OMC + 2%)受到冻融循环,赵et al。17)声称,无论是关闭或打开冻结法,水分含量越高,越低米R,但衰减的程度是不同的。Zhang et al。18)也用这种级别的含水率紧凑的粗粒度的填料和组织RLT测试。结果捕获的湿度增长疲软的影响米R,同意发现粘结颗粒材料报道顾et al。19)和回收建筑废物报道Azam et al。20.]。
除了实验研究,预测模型有助于更好的理解米R路基土壤。根据先前的研究,一些代表模型是可用的米R预测。希克斯等。21)表明,应力水平是影响的主要因素米R材料和发达k-θ模型只包含大部分压力,见以下方程: 在哪里θ是大部分压力,θ=σ1+σ2+σ3,σ1,σ2,σ3是最大主应力、中间主应力与围压,分别和k1和k2回归系数。
立顿等。22)采用了八面体剪应力的剪切效应,和模型最终体现在AASHTO 2002,见以下方程: 在哪里P一个= 101.3 kPa,大气压力;τ10月八面体剪应力, ,σd=σ1- - - - - -σ3是偏应力;k3回归系数。
一些学者提出的湿度状态的影响米R应该直接反映在预测模型。因此,湿度参数通常用于不饱和土壤力学,也就是说,基质吸力,被广泛纳入预测模型。梁等。23]认为基质吸力有约束的影响,如大部分压力,所以基质吸力和大部分的压力被合并到相同的项,见以下方程: 在哪里χ有效应力参数(χ∈[0,1],由不同材料的特性);ψ基质吸力,ψ=u一个- - - - - -u ,u一个是孔隙气压力,u 孔隙水压力。
鉴于大部分压力不能单独的约束效应和剪切效应,因为大部分压力包含围压应力和最大循环应力,姚明et al。(15)定义的最小批量压力θ米和建造 在哪里θ米=σ1+σ2+σ3- - - - - -σd=3σ3最小批量压力;k4回归系数。
Zhang et al。18),从RLT测试获得法律的基础上建设和拆迁废料、建立模型,该模型可以考虑冻融循环的数量,密实度,湿度状态,和应力状态见以下方程: 在哪里N冻融循环的数量;C是密实度;和k5和k6回归系数。
一般而言,相关研究提供深刻的和建设性的评论到湿度状态的影响米R路基土壤。然而,最好的作者的知识,由于雨水的渗透和横向迁移,在高温时期和蒸腾作用,路基土壤的湿度不是不断增加,而是经历了复杂的湿润和干燥过程,最终达到一个平衡状态。因此,标本直接与最终的平衡含水率和准备测试未能进行准确地符合实际路基土壤的湿度变化过程。同时,有限的繁琐和耗时的测试过程24,25),不方便使用基质吸力的湿度参数。此外,很少有报告的预测模型米R考虑到重复wetting-drying (WD)周期。
为了解决上述问题,通过一系列路基土壤进行调查WD周期测试和RLT测试。从实验结果,应力状态的影响,湿度状态,和WD周期米R进行了分析。在此基础上,预测模型米R可以考虑重复WD周期建立和验证。总结了本研究的主要发现在最后一节,可供应小说贡献路面设计理论和技术支持。
2。实验方法
2.1。材料和标本
研究了土壤在这项研究来自长沙的城市,湖南省,中国。图中列出的粒度分析1。重型压实标准测试进行收购OMC和最大土的干密度。依照中国指导有关公路工程的测试方法的土壤,另一个主要基本物理性质也决定在表1。基于这些参数,土壤被命名为高液限砂浆(MH)根据统一的土壤分类系统。
确保一致的密实度和湿度之间的标本,所有的土壤都在实验室做好准备。首先,土壤被压碎,收集5毫米筛过滤后然后在105°C干12 h。随后,干燥的土壤与蒸馏水混合在OMC为了模拟土壤的初始湿度状态在地基的填充(26),然后存储在一个密封的塑料袋24 h,水分是统一的。同时,密实度的标本将96%基于中国目前的路床的要求。之后,计算的湿土壤质量是由五层压实成一个圆柱体,直径是100毫米和200毫米高。最后,标本包装以避免水蒸发。
2.2。Wetting-Drying周期
目前,常见的做法来实现WD周期是在水中浸泡标本目标湿端含水率,然后把它们放进烤箱在高温干燥到目标干燥水分含量(27,28]。尽管这种模式加快测试过程,标本的吸水和脱水显然远远高于实际路基土壤水的汇率。为此,本研究应用一种新颖的方法,如图2;即标本中设置雾化器产生的雾气扩散通过毛细管作用吸收水分和增加湿度。后标本的含水率达到目标价值,他们转移到烤箱内部温度50°C的干燥。这种方式更适合描述土壤的湿润和干燥条件。
(一)
(b)
考虑到可能的变化范围的平衡路基土壤的湿度状态,最后实际水分标本的内容设置为0.9 OMC, OMC, 1.1 OMC, 1.2 OMC,和1.3 OMC,分别。准备的标本在OMC第一湿润OMC然后除湿OMC的1.3升至0.9。两部分被视为一个WD周期,然后等等。WD周期的数量在这个研究被设计为0,1,3,5。标本经历了预设WD周期后,他们改变了从0.9 OMC含水率期望的目标。以WD周期3倍和1.2 OMC的最终实际含水率作为一个例子,湿度变化路径如下:OMC⟶1.3 OMC⟶0.9 OMC⟶1.3 OMC⟶0.9 OMC⟶1.3 OMC⟶0.9 OMC⟶1.2 OMC⟶包装和允许代表1 - 2天⟶RLT测试。为了确定饱和含水量时的关键节点和除湿含水率达到目标水平的标本,有必要掌握湿度变化率。在这项研究中,标本重每10 h,结果在图进行了总结3。基于这一发现,当湿度的标本可以估计达到了目标值,即重频率可以增加一段时间这一刻控制所需的试样的含水率。
2.3。重复加载三轴测试
DYNATRIAX-100/14,动态三轴试验设备,用于测量米R本研究的样本。负载形式采用half-sine波,频率是1赫兹,动作时间是0.2秒,间歇时间是0.8秒。路基的应力条件称为RLT序列罗提出的细粒度的土壤(29日),如表所示2,得益于其路基的应力范围的全面覆盖在中国工作区域。在这个序列中,偏量应力设计从低到高四组,每组和围压被分成四个级别从大到小,从而降低过早失效的可能性的标本在加载过程中。过去五周期的测试数据在每个压力组合获得相应的米R价值。
3所示。动态弹性模量的影响因素分析
3.1。偏应力对动态弹性模量的影响
图4显示的变化米R与偏应力在不同围压和含水率在WD周期。它可以观察到米R随偏应力的增强。这种现象背后可能的原则是,偏应力的增长导致垂直应变的增加,增加的垂直应变大于应力偏量的增加,最终导致下降米R。把事件30 kPa的围压和含水率1.1 OMC作为一个例子,当偏应力从30 kPa 55 kPa, 75 kPa,和105 kPa,米R变弱了12.03%、14.18%和30.55%,分别。很明显,土壤标本呈现软化行为,与前面的结果一致,许多研究人员(14,15]。值得指出的是,因为 ,八面体剪应力和偏应力的规则有相同的影响米R。
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3.2。围压对动态弹性模量的影响
图5揭示了非线性之间的正相关关系米R围压与不同含水率和偏应力WD周期1次。例如,75 kPa和偏应力下0.9 OMC的水分含量,随着围压逐渐的增加来自15个kPa 30 kPa, 40 kPa,和60 kPa,米R价值扩大19.74%,分别为28.95%和43.42%。可以看出,围压有一个相当大的侧向约束影响标本,所以它有更好的抵抗垂直变形刚度控股能力更高的偏应力下,同意获得的结果在过去的几十年里14,16,30.]。同样,根据等价关系θ米=3σ3,最低压力和围压也有一致的影响米R。
(一)
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3.3。含水率对动态弹性模量的影响
图6表明,在给定的应力状态下,加湿效果明显降低米R的标本。例如,对于WD周期5倍和40个kPa的围压,随着含水率的增加从0.9到1.3 (OMC OMC,衰减范围米R各种压力偏量是43.02% - -67.35%。这表明湿度的增加导致标本软化。可能的解释是,水在土壤颗粒有一定的润滑效果。水分含量减少时,水膜表面的土壤粒子更薄,土壤颗粒之间的相对运动是更加困难,所以标本有更强的抗变形能力。相反,含水量的增加使土壤颗粒之间的相对运动简单,和标本不太耐变形;即,刚度降低。
(一)
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3.4。Wetting-Drying周期对动态弹性模量的影响
为了直观地反映了WD重复周期的影响米R,指Zhang et al。18)定义了冻融损伤因素,本研究采用WD损伤因子作为评价指标,见以下方程: 在哪里DWD破坏因素;米R (0)是米R在WD周期;米R(我)是米R后我乘以WD周期,我= 0、1、3、5。
图7表明,在给定的含水率和应力状态下,损伤因子随WD的积累周期。特别是,衰减的米R由第一个WD效应最明显,和损失因子范围从0.27到0.54。与WD周期的数量的增加,损伤因素的增长速度逐渐减慢,最后基本稳定。同时,损失系数米RWD周期5次后是0.63到0.95。与WD的侧吹风循环周期相比,损伤因子的增加小于10%。可以认为,试件的刚度是稳定后5 WD周期。
(一)
(b)
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(e)
注释:(60 kPa, 30 kPa)表示,围压60 kPa,偏应力是30 kPa。为了清晰起见,只有部分测试结果在不同应力状态。
4所示。预测模型的动态弹性模量与Wetting-Drying周期
本节的目标是建立一个现象学的模型米R可以考虑WD的周期。一个令人满意的综合预测模型应包括影响因素和合理地反映各因素的影响规律米R(31日]。基于上一节的分析,WD周期的数据,实际的水分含量,选择最小批量压力,和八面体剪应力作为独立的变量。特别是,实际含水量代替基质吸力的湿度状态,和重写指数形式应用于反映了WD周期的影响,建立了模型所示(7)。总共4×5×16 (WD周期的数量××实际含水量水平应力状态)= 320的测试数据集在这项研究被用来适应模型,和结果总结表3。 在哪里NWD周期的数量;是实际的水分含量;k1∼k5模型参数,和其他符号有相同的意义如上所述。
为适应的结果,k1是系数,必须是一个正数,因为米R不能是负数。k2作为一个指数必须是一个负数,因为与WD的数量的增长周期,米R减少了。k3应该是一个负数,因为实际含水率越高,越小米R。根据约束效应造成的最小批量压力和八面体剪应力产生的软化效应对土壤标本,它可以推断k4> 0,k5< 0。显然,结果见表3符合实验的分析规则在这项研究。此外,确定系数的值R2超过0.9,表明该预测模型在(7)是优秀的。为了在这个模型中,有信心完成本研究结合相关其他研究者的实验数据来验证(7)[32),结果如图所示8。可以看出,测量米R接近的预测价值。虽然R2略有降低,这可能是由于不同的标本在实际过程中受到WD周期,导致减少的准确性(7),但是预测的效果仍然是优秀的基于推荐的评估标准R2在公路工程(33- - - - - -35]。因此,可以推测这个模型是适用于其他土壤虽然只有提出基于高液限泥浆从长沙城市,中国,在这项研究中。
5。结论
本研究旨在揭示湿度状态的影响米R路基土壤考虑WD周期。为此,本研究进行了一系列的WD周期和RLT测试。基于实验结果的分析,本研究的主要结果可以概括如下:(1)创新的加湿方法实现了通过使用雾化器,它更符合实际的WD路基土的循环条件。根据探索性测试,时间和含水率变化关系的加湿和除湿标本的过程中掌握,以精确控制关键节点提供技术支持的WD周期。(2)的应力状态对路基土的刚度有明显的影响;也就是说,米R随着偏应力的增加和减少增加随着围压的崛起。同时,加湿由于水分含量的增长导致下降米R。此外,重复WD周期减毒的积累米R,但衰变速率逐渐减慢,直到稳定后5 WD周期。(3)本研究采用实际含水率比OMC的湿度状态,改进的指数形式反映WD的影响周期,最小批量压力和八面体剪应力体现约束和剪切效应,分别。在此基础上,小说和优秀的预测模型米R建立了路基土壤。
值得强调的是,尽管该模型的适用性,其他研究人员成功的数据,重点在未来应继续寻找更多的土壤测试数据验证,以确保模型的鲁棒性。
数据可用性
部分或全部数据和模型支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者欣然承认程序提供的山东高速集团创新研究所:绿色和智能关键技术建设持久高速公路(cyzx - jt - 2020 - 05),和金融支持科技研发项目(2021 - zjkj qncx17)从中国通信建设有限公司有限公司