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基于最大极限负载计算的路基抗剪强度测试
作者:沧州交通发展(集团)有限责任公司 张锋 来源:《中国交通建设监理》 时间:2023-10-11

为延长路基使用寿命,保障道路行车安全性与稳定性,本文研究基于最大极限负载计算的路基抗剪强度测试。具体制作三组路基材料,其中L1组由水泥、粉煤灰、碎石组成,L2组由石灰、粉煤灰、碎石构成,L3组则由石灰、粉煤灰及沙砾构成。通过最大极限负载计算方法,测试每组试样的极限负载能力,并通过重型击实试验,测试试样的抗剪强度。经试验测试得知:三组试样中,经过养护后L1组试样的干缩量与干缩应变在三组试样中保持最小,不会轻易产生干缩变形;在养护28d与90d后的单向加载测试下,L1组试样的最大极限负载力均大于140kPa,其他两组试样的负载力均低于L1组,且L1组试样的无侧限抗压强度较大,可以保持较高的抗压效果;当处于不同压实度的剪切测试下,L1组试样的抗剪强度、内摩擦角以及黏聚力均保持最高水平。因此,得出采用水泥、粉煤灰、碎石制成的路基材料试样的应用效果最佳。

路基是道路工程中的重要组成部分,能够承受车辆荷载,将车辆荷载传递到下方的地基中,保证道路的稳定性和安全性;还可以保护地基,减少地基承受车辆荷载的压力和变形,延长地基使用寿命。路基抗剪强度的测试是土工领域中一项重要的研究内容。路基承受着交通运输载荷,其抗剪强度的大小直接关系到道路的使用寿命、安全性和经济效益。路基抗剪强度的测试能够帮助工程师了解路基材料的力学特性,从而指导路基工程的设计和施工。其次,通过路基抗剪强度的测试,可以评估路基的稳定性和承载能力,为道路使用寿命的预测和维护提供科学依据。此外,路基抗剪强度的测试还能促进道路建设技术的发展和革新,推动土工领域的研究和创新。在路基的设计和施工中,需要根据实际情况合理确定路基的抗剪强度,才能够保障路基具有足够的承载能力和稳定性,因此需要及时测试路基的抗剪能力。

有较多学者对路基材料的抗剪能力进行了研究,例如某学者研究超固结土固结不排水试验抗剪强度分析,该方法测试了超固结低液限粉质黏土的抗剪效果,并测试了其含水率变化情况,但此方法并未测试土体的抗压能力,导致测试结果不够全面;又例如某学者研究基于动力触探确定钙质粗粒料抗剪强度指标方法,该方法通过大型剪切实验测试了钙质粗粒料的抗剪效果,但其测试得到的试样黏聚力并不稳定,导致测试精准度不足。

路基的最大极限负载指在一定条件下,路基所能承受的最大荷载。通常该负载力受到多种因素的影响,包括路基的材料、厚度、强度、地基条件等。因此,计算路基的最大极限负载情况可以有效反映路基材料的应用效果。为此,本文基于最大极限负载计算,测试路基材料的抗剪强度,为路基施工选取最佳铺设材料。

一、路基材料性能测试

(一)试验材料准备

本文在研究路基性能中,制备不同的路基材料试件,试验使用原材料为水泥、石灰、粉煤灰及骨料。

(1)水泥:水泥选用425#普通硅酸盐水泥。

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(2)石灰:石灰材料选用熟石灰,通过消解后过9.5mm方孔筛,满足公路路面施工需求标准。

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(3)粉煤灰:试验用粉煤灰为I级粉煤灰,其氧化物含量大于70%,烧失量为6%。

(4)骨料:选取碎石与沙砾作为本文试验用骨料。

(二)试验材料配比

在测试路基材料的应用效果时,本文制备不同的混合路基材料,验证不同材料的抗剪能力与承载力。

由表2可知,本文共制备三组不同材料的路基混合材料,分别对比不同混合材料的应用性能。

(三)试验方法

1.试样干缩性能测试方法

将每组试样材料混合后,制成大小为50mm×50mm×200mm的试样,并在养护箱养护90d后,按照《公路路面基层施工技术细则》测试试样的干缩量与干缩应变,评估路基试样的基础性能。

2.路基最大极限负载测试方法

按照《公路路面基层施工技术细则》测试路基土材料性能,每组试样规格设计为50mm×50mm×200mm,通过压力机静压成型,制作完成后,将全部试样放置在养护箱内进行90d养护。经养护后,通过加载装置对每组试样进行不同程度的单向载荷加载,并分别计算每组试样的最大极限负载力、无侧限抗压强度。

本文所研究的路基最大极限负载实质上是指路基极限承载力fu,可通过太沙基极限承载力计算公式进行计算,如公式(1)所示:

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公式(1)中,c为路基材料的粘聚力;q为边载;γ为路基材料容重;B为路基基底宽度,Nc、Nq、Nγ依次表示负载力系数。

路基负载力的满足程度如公式(2)所示:

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公式(2)中,表示路基载荷水平,为路堤填料容重,H为路堤高度。

3.试样抗剪强度测试方法

将每组材料掺和后进行重型击实试验,按照94%、96%以及98%不同压实度,将每种路基材料压制成150m×150m的试样,测试每组试样的抗剪强度。

材料的抗剪强度主要由摩擦阻力和黏结力构成,可通过公式(3)进行计算:

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公式(3)中,T为抗剪强度;S表示试样黏结力;为试样内摩阻角;为剪切滑动面上的法向应力。

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采用应变控制式直剪仪对每组试样进行实验。将制备好的试样放置在仪器中,设置剪切加载法向应力分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa、350kPa、400kPa,剪切速率设置为0.8mm/min,要求试样在3~5min内完成剪切。

经过图1步骤的剪切后,即表明试样已被剪损,此时可计算试样剪切强度等指标。

二、试验测试结果分析

(一)试样干缩性能分析

测试每组试样在养护过程中的干缩量与干缩应变,以此验证试样的基础应用效果。

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根据图2可知,随着养护龄期的增加,每组试样的干缩量与干缩应变均随之上升。其中,L3组试样的干缩量与干缩应变上升幅度相对较大,其在80d时干缩量已达到0.35mm以上。而其他两组试样的干缩量均在0.30mm以下,L1组、L2组试样的干缩应变同样保持较低水平,且L1组试样干缩应变并未呈现大幅度升高。这说明该组试样的在养护过程中的抗裂能力较强,不会轻易发生收缩现象,因此L1组的应用效果要高于其他两组试样。

(二)试样最大极限负载能力分析

在养护龄期28d与90d时分别对试样载荷加载,并计算加载过程中最大极限负载力变化。

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根据图3可知,在28d的养护龄期下,试样的负载力明显低于90d养护后,说明28d的养护不足以让试样达到最佳状态,当试样养护达到90d时,三组试样的最大极限负载力明显处于较高水平。在载荷加载过程中,经28d养护的试样负载力会随着加载强度的上升迅速下降,而90d养护后的试样负载力下降幅度则相对较慢,在三组试样中,L1组试样最大极限负载力始终保持最高水平,说明该组试样的承载效果较强,可在较大载荷下维持良好的路基性能,保障路面稳定。

测试每组路基试样在加载过程中的无侧限抗压强度。

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根据图4可知,当载荷强度不断加大,每组试样的无侧限抗压强度也会随之降低。其中,L3组试样在载荷等级为0.40kN时的抗压强度下降至5.0MPa以下,此时其他两组试样的抗压强度均处于6.0MPa以上,同时,L2组试样的抗压强度始终低于L1组。因此,载荷加载过程中,L1组始终有良好的抗压能力,则该组试样的承载效果相对较好。

(三)试样抗剪能力测试

分析经过不同压实度制成的试样在法向应力加载过程中的抗剪强度变化情况。

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根据图5可知,在试样测试过程中,当压实度逐渐增大,则试样的抗剪能力也会增强,使抗剪强度一并增大。当压实度为98%时,三组试样的抗剪强度均处于较高水平;而当法向应力增大后,在试样剪切过程中的抗剪强度则会随之提升,说明试样材料经受压后的抗剪能力会逐渐增强。三组试样中,L3组试样的抗剪强度始终最低,而L2组抗剪强度虽然高于L3组,但依然远远低于L1组,因此,使用水泥+粉煤灰+碎石材料制成的路基在受压过程中的抗剪能力最强。

分析不同压实度状态下,每组试样在法向应力加载过程中的黏聚力变化,当试样黏聚力越高,其黏结效果越强,则可以提升自身的抗剪性能。

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根据图6可知,随着施加给试样的法向应力逐渐增大,试样黏聚力也随之增强。同时,当压实度越大,试样黏聚力越高。当压实度为98%时,三组试样的黏聚力处于最高水平。其中,L3组试样黏聚力由120kPa上升至170kPa以上,L2组试样的黏聚力最高则达到190kPa左右,L1组试样黏聚力最高,在该压实度下达到200kPa以上。可以看出,L1组试样始终保持较高的黏聚力。因此该组试样在剪切过程中,可以有效保障自身黏结性能,增强抗剪效果。

分析每组试样在不同压实度与法向应力下的内摩擦角变化,当试样内摩擦角越大,说明其抵抗剪力的能力就越强。

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由表3可知,当压实度越大,试样的内摩擦角就越大。说明在较大的压实度下,L2、L3组试样的内摩擦角在任何法向应力状态下均要低于L1组试样。因此,L1组试样可在剪切过程中保持良好的抵抗能力,使路基更加安全稳定。

三、结语

路基抗剪强度的测试在道路建设和维护中具有重要的地位和作用,其研究旨在提高路基工程的质量和效益,为出行提供更加安全、舒适和便捷的道路交通环境。本文研究基于最大极限负载计算的路基抗剪强度测试,制备不同材料的路基试样,对每种试样的最大极限负载能力进行计算,并测试试样在剪切作用下的抗剪能力,选取最佳路基材料,保障路基施工安全。在未来研究过程中,可继续向现有路基材料添加复合材料,使其应用效果得到更大程度的优化。

【编辑:王威】

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