新疆三莎高速公路礫類土的臨界動應(yīng)力試驗(yàn)研究?

劉大鵬，楊曉華，王婧，楊曉東

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064；3.新疆交通科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830000)

礫類土是新疆綠洲區(qū)常用的路基填料，隨著新疆交通“三年攻堅(jiān)、五年跨越”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，礫類土路基也會越來越多．車輛荷載施加給路基的是長期循環(huán)荷載，如果路基受到的實(shí)際動應(yīng)力大于其臨界動應(yīng)力，路基就會破壞，因此為了保持路基的長期動力穩(wěn)定性，需要明確礫類土路基的臨界動應(yīng)力．

對于土的臨界動應(yīng)力，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，劉曉紅等[1]研究了原狀結(jié)構(gòu)紅黏土的臨界動應(yīng)力，得到了不同條件時的臨界動應(yīng)力值，并考慮了含水比、圍壓和固結(jié)比的臨界動應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；焦貴德等[2]研究了凍結(jié)粉土的臨界動應(yīng)力，分析了振動頻率對臨界動應(yīng)力的影響規(guī)律；周葆春等[3]研究了石灰改良膨脹土在不同含水率和不同振動頻率下的臨界動應(yīng)力，得到了含水率對石灰改良膨脹土的臨界動應(yīng)力影響有限，振動頻率對臨界動應(yīng)力的影響較弱的結(jié)論；冷伍明等[4]對鐵路路基粗顆粒土填料的臨界動應(yīng)力進(jìn)行了研究，得到了不同含水率時粗顆粒土的臨界動應(yīng)力，并給出了臨界動應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；唐益群等[5]對南京地鐵三山街站淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的臨界動應(yīng)比進(jìn)行了研究，得到了不同固結(jié)狀態(tài)、不同固結(jié)比、不同軸向循環(huán)壓力和頻率時的臨界動應(yīng)比；蔡英等[6]研究了成都粘土的臨界動應(yīng)力，分析了加載次數(shù)、荷載頻率和圍壓對臨界動應(yīng)力的影響規(guī)律．

對于礫類土的變形特性，劉大鵬等[7]曾進(jìn)行了相關(guān)研究，但對其臨界動應(yīng)力的研究還未見報(bào)道，本文采用新疆三岔口至莎車高速公路礫類土的重塑試樣進(jìn)行了動三軸試驗(yàn)．

1 試驗(yàn)材料和儀器

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用礫類土，取自新疆三岔口至莎車高速公路某路基填料場．此種類型的礫類土在新疆三岔口至莎車高速公路上應(yīng)用較多，具有一定的代表性，通過篩分試驗(yàn)確定了礫類土的顆粒級配情況，具體如表1所示，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了礫類土的基本物理力學(xué)性質(zhì)，具體如表2所示．

表1 礫類土的顆粒級配

表2 礫類土的基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器

動三軸試驗(yàn)在長安大學(xué)土工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用英國GDS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪儀，該儀器可進(jìn)行動、靜三軸以及動、靜扭剪試驗(yàn)，本次試驗(yàn)選用其中的動三軸模塊、空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀器如圖1所示．

1.3 試驗(yàn)試樣

由于礫類土顆粒較大，因此采用圓柱體大尺寸試樣，尺寸為100×200（mm），采用空心圓柱扭剪儀配套的三瓣模制作，制作完成的試樣如圖2所示．

圖1 空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀器

圖2 試樣

2 試驗(yàn)方案

為了全面分析含水率、圍壓、壓實(shí)度、動荷載作用頻率和初始靜偏應(yīng)力對礫類土臨界動應(yīng)力的影響，進(jìn)行了不同工況下的動三軸試驗(yàn)，采用了三種含水率，分別為7.5%（最佳含水率）、10%（大于最佳含水率）和6%（小于最佳含水率）．考慮到路基和車輛荷載的實(shí)際情況[8?12]，選擇了3種圍壓，分別為10 kPa、20 kPa和30 kPa，2種壓實(shí)度，分別為96%和90%，2種動荷載作用頻率，分別為1 Hz和2 Hz，2種初始靜偏應(yīng)力，分別為0 kPa和10 kPa．動荷載采用半正弦波進(jìn)行加載，具體試驗(yàn)方案如表3所示．

3 礫類土的εp?N關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制礫類土的εp?N關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)εp?N關(guān)系曲線有三種類型，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd較小，在加載初期，累計(jì)塑性εp應(yīng)變隨著動荷載循環(huán)次數(shù)N的增加而增加，當(dāng)動荷載循環(huán)次數(shù)增加到一定程度時，累計(jì)塑性應(yīng)變εp達(dá)到一定值，此后動荷載循環(huán)次數(shù)增加，累計(jì)塑性應(yīng)變εp保持不變，此種類型的εp?N關(guān)系曲線為穩(wěn)定型．當(dāng)動應(yīng)力幅值σd較大時，累計(jì)塑性應(yīng)變εp會隨著動荷載循環(huán)次數(shù)N增加而一直增加，當(dāng)N達(dá)到一定值時，累計(jì)塑性應(yīng)變εp達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)（5%），試樣破壞，此種類型的εp?N關(guān)系曲線為破壞型．介于穩(wěn)定型和破壞型之間的εp?N關(guān)系曲線為臨界型，臨界型所對應(yīng)的動應(yīng)力幅值σd為臨界動應(yīng)力．

表3 動三軸試驗(yàn)方案

4 不同工況下礫類土的臨界動應(yīng)力

4.1 含水率

當(dāng)含水率為6%，動應(yīng)力幅值σd為130kPa、140kPa、150kPa、160kPa、170kPa和180kPa時εp?N曲線如圖3所示．含水率為7.5%，動應(yīng)力幅值σd為140kPa、150kPa、160kPa、170kPa、180kPa和190kPa時εp?N曲線如圖4所示．含水率為10%，動應(yīng)力幅值σd為120 kPa、130 kPa、140 kPa和150 kPa時εp?N曲線如圖5所示．從圖3可知，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為130 kPa、140 kPa、150 kPa和160 kPa時，εp?N曲線為穩(wěn)定型，動荷載循環(huán)次數(shù)N達(dá)到5 000次時，累計(jì)塑性應(yīng)變εp均小于2%．當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為180 kPa時，動荷載循環(huán)次數(shù)N為1 500次時，累計(jì)塑性應(yīng)變εp就達(dá)到了5%，試樣發(fā)生破壞，εp?N曲線為破壞型．當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為170 kPa時，動荷載循環(huán)次數(shù)N為5 000次時，累計(jì)塑性應(yīng)變εp約為3%，εp?N曲線為臨界型，此時礫類土的臨界動應(yīng)力約為170 kPa．同理，從圖4和圖5可以得到，含水率為7.5和10%時，礫類土的臨界動應(yīng)力分別為180 kPa和140 kPa．可見當(dāng)含水率為7.5%（最佳含水率）時，礫類土的臨界動應(yīng)力最大，當(dāng)含水率小于最佳含水率時，臨界動應(yīng)力隨著含水率的增加而增大，當(dāng)含水率大于最佳含水率時，臨界動應(yīng)力隨著含水率的增加而減?。?/p>

4.2 圍壓

圍壓為10 kPa，動應(yīng)力幅值σd為130 kPa、140 kPa、150 kPa、160 kPa和170 kPa時εp?N曲線如圖6所示，σd為130 kPa、140 kPa和150 kPa時，εp?N曲線為穩(wěn)定型，σd為160 kPa時，εp?N曲線為臨界型，σd為170 kPa時，εp?N曲線為破壞型，因此可得圍壓為10 kPa時的臨界動應(yīng)力為160 kPa．圍壓為20 kPa，動應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa、170 kPa、180 kPa和190 kPa時εp?N曲線如圖4所示，可以得出臨界動應(yīng)力為180 kPa．圍壓為30 kPa，動應(yīng)力幅值σd為160 kPa、170 kPa、180 kPa、190 kPa、200 kPa和210 kPa時εp?N曲線如圖7所示，從圖7可知，此時的臨界動應(yīng)力為200 kPa．可見圍壓為30 kPa時，礫類土的臨界動應(yīng)力最大，圍壓為10 kPa時，礫類土的臨界動應(yīng)力最小．可見圍壓越大，礫類土的臨界動應(yīng)力越大，工程中可以通過采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┰黾勇坊膰鷫?，從而來提高路基土的臨界動應(yīng)力．

圖3 含水率為6%時εp?N曲線

圖4 含水率為7.5%時εp?N曲線

圖5 含水率為10%時εp?N曲線

圖6 圍壓為10 kPa時εp?N曲線

4.3 壓實(shí)度

壓實(shí)度為90%，動應(yīng)力幅值σd為110 kPa、120 kPa、130 kPa和140 kPa時εp?N曲線如圖8所示，可見動應(yīng)力幅值σd為110 kPa和120 kPa，εp?N曲線為穩(wěn)定型，動應(yīng)力幅值σd為130 kPa，εp?N曲線為臨界型，動應(yīng)力幅值σd為140 kPa，εp?N曲線為破壞型，此時的臨界動應(yīng)力為130 kPa．其他條件相同，壓實(shí)度為96%，不同動應(yīng)力幅值作用下的εp?N曲線如圖4所示，此時的臨界動應(yīng)力為180 kPa，可見隨著壓實(shí)度的增加，礫類土的臨界動應(yīng)力也增大，因此在實(shí)際工程中可以通過提高路基的壓實(shí)度來增大其臨界動應(yīng)力．

圖7 圍壓為30 kPa時εp?N曲線

圖8 壓實(shí)度為90%時εp?N曲線

4.4 動荷載作用頻率

動荷載作用頻率為2 Hz，動應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa、170 kPa、180 kPa和190 kPa時εp?N曲線如圖9所示，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa和170 kPa時，εp?N曲線為穩(wěn)定型，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為180 kPa，εp?N曲線為臨界型，動應(yīng)力幅值σd為190 kPa，εp?N曲線為破壞型，此時的臨界動應(yīng)力為180 kPa．其他條件相同，動荷載作用頻率為1 Hz，不同動應(yīng)力幅值作用下的εp?N曲線如圖4所示，此時的臨界動應(yīng)力為180 kPa，可見當(dāng)動荷載作用頻率為1 Hz和2 Hz時具有相同的臨界動應(yīng)力，只是在不同動應(yīng)力作用下應(yīng)變大小略有差別，可見動荷載作用頻率對礫類土的臨界動應(yīng)力影響較?。?/p>

4.5 初始靜偏應(yīng)力

初始靜偏應(yīng)力為10 kPa，動應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa、170 kPa、180 kPa和190 kPa時εp?N曲線如圖10所示，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa和170 kPa時，εp?N曲線為穩(wěn)定型，當(dāng)動應(yīng)力幅值σd為180 kPa，εp?N曲線為臨界型，動應(yīng)力幅值σd為190 kPa，εp?N曲線為破壞型，此時的臨界動應(yīng)力為180 kPa．其他條件相同，初始靜偏應(yīng)力為0 kPa，不同動應(yīng)力幅值作用下的εp?N曲線如圖4所示，此時的臨界動應(yīng)力為180 kPa，可以得到初始靜偏應(yīng)力為0 kPa和10 kPa時礫類土的臨界動應(yīng)力均為180 kPa，只是在不同動應(yīng)力作用下應(yīng)變大小略有差別，可見小于10 kPa的初始靜偏應(yīng)力對礫類土的臨界動應(yīng)力影響較小．

圖9 作用頻率為2 Hz時εp?N曲線

圖10 初始靜偏應(yīng)力為10 kPa時εp?N曲線

5 結(jié)論

（1）動荷載循環(huán)作用下礫類土的εp?N曲線可分為三種類型：穩(wěn)定型、臨界型和破壞型；

（2）其他條件一定，當(dāng)含水率為最佳含水率時，礫類土的臨界動應(yīng)力最大；

（3）其他條件一定時，圍壓越大，礫類土的臨界動應(yīng)力越大；壓實(shí)度越大，礫類土的臨界動應(yīng)力越大；

（4）其他條件一定，循環(huán)荷載作用頻率在1Hz～2Hz變化時，礫類土的臨界動應(yīng)力變化較?。?～10kPa范圍的初始靜偏應(yīng)力對礫類土的臨界動應(yīng)力影響也較??；

（5）實(shí)際路基工程中可以通過修建路基支擋結(jié)構(gòu)、在最佳含水率時壓實(shí)路基土以及增大壓實(shí)度等措施提高路基的長期動力穩(wěn)定性．

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