道路石灰改良土的蠕变特性与长期变形预测


在长期持续荷载(如路堤自重、交通荷载的静载分量)作用下,石灰稳定土像许多土工材料一样,会发生随时间缓慢增长的塑性变形,即蠕变。准确表征其蠕变特性,并预测其在数十年服务期内的变形,对于控制路堤沉降和基层变形至关重要。
蠕变机理:
石灰土的蠕变源于其内部结构的渐进性调整。在荷载的持续作用下,胶凝产物(C-S-H凝胶)与土颗粒之间的粘结可能发生滑移或微破坏,孔隙结构被进一步压缩,土颗粒发生重新排列和定向。这个过程远慢于瞬时弹性变形。
蠕变本构模型:
为了预测长期变形,需要建立描述蠕变应变与时间、应力水平关系的数学模型。常用模型包括:
经验模型:
幂函数模型: ε_c(t) = A * σ^m * t^n
其中,ε_c 为蠕变应变,σ 为应力,t 为时间,A, m, n为通过试验确定的材料参数。该模型形式简单,应用广泛。
对数模型: ε_c(t) = a + b * log(t) 适用于描述衰减型蠕变。
元件模型:
用弹簧、粘壶和摩擦块等理想元件的组合来模拟材料的力学行为。例如,伯格斯模型可以较好地描述材料的瞬时弹性、延迟弹性和粘塑性流动。
试验与参数确定:
通过室内三轴蠕变试验或单轴压缩蠕变试验,对石灰土试件施加不同水平的恒定偏应力,长期观测其应变随时间发展的曲线。利用试验数据,通过回归分析拟合出上述模型的参数。
工程应用与长期变形预测:
路堤沉降计算: 在软基上修建石灰稳定土路堤时,将蠕变模型嵌入有限元软件,可以更准确地计算工后沉降随时间的发展,判断沉降稳定时间。
基层变形分析: 评估在长期交通荷载下,基层本身的永久变形(车辙)累积情况。

耦合效应考量: 在实际环境中,蠕变与干湿循环、冻融循环等环境因素相互耦合,加剧变形。未来的模型需要向多场耦合的方向发展。
对蠕变特性的深入研究,弥补了传统设计只关注强度而忽视长期变形的不足,使工程师能够更全面地掌控石灰稳定土结构在全生命周期内的服役性能。