應(yīng)力加載路徑對(duì)風(fēng)積沙的臨界動(dòng)應(yīng)力影響研究

王婧+劉大鵬+張紅偉

摘要： 利用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了新疆風(fēng)積沙在不同試樣分別加載和同一試樣分級(jí)加載兩種應(yīng)力路徑下的臨界動(dòng)應(yīng)力。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得出兩種應(yīng)力路徑作用下的曲線均可分為三種類型：衰減型、臨界型和破壞型。動(dòng)應(yīng)力不同時(shí)，分級(jí)加載與分別加載的累積塑性應(yīng)變一般也不相同，分級(jí)加載時(shí)風(fēng)積沙的臨界動(dòng)應(yīng)力比分別加載時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力高10kPa左右，因此進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試時(shí)，為了保證研究成果的準(zhǔn)確性，應(yīng)選擇合適的應(yīng)力加載路徑。

Abstract： The critical dynamic stress of aeolian sand in Xinjiang was studied by using two different loading paths，one is respectively loading on different samples，the other is multi-stage loading on one sample. The curves of the two kinds of stress paths can be divided into three types： attenuation type，critical type and failure type. The cumulative plastic strain is not the same when dynamic stress is different in the case of two stress paths. The critical dynamic stress of multi-stage loading is 10kPa more than respectively loading. In order to ensure the accuracy of the research results， appropriate stress loading paths should be chosen.

關(guān)鍵詞： 風(fēng)積沙；應(yīng)力路徑；臨界動(dòng)應(yīng)力；試驗(yàn)研究

Key words： aeolian sand；loading path；critical dynamic stress；experimental study

中圖分類號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）31-0118-03

0 引言

風(fēng)積沙是新疆荒沙漠地區(qū)公路常用的路基填料，以往的設(shè)計(jì)都是基于靜態(tài)參數(shù)，易導(dǎo)致路基早期病害的出現(xiàn)，特別是采用低路堤方案時(shí)，因此有必要對(duì)風(fēng)積沙的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，對(duì)于新疆風(fēng)積沙的動(dòng)力特性研究方面，劉大鵬等[1]研究了風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的變形特性。土的臨界動(dòng)應(yīng)力是土的動(dòng)力特性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于土的臨界動(dòng)應(yīng)力，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。關(guān)彥斌等[2]研究了壓實(shí)粉土的臨界動(dòng)應(yīng)力，肖軍華等[3]研究了路基壓實(shí)粉土的臨界動(dòng)應(yīng)力，劉曉紅等[4]采用動(dòng)三軸試驗(yàn)研究了原狀結(jié)構(gòu)紅粘土的臨界動(dòng)應(yīng)力。上述研究在進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)確定土體的臨界動(dòng)應(yīng)力和變形特性時(shí)，沒(méi)有考慮應(yīng)力加載路徑的影響，從而會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性較差，而在進(jìn)行數(shù)值模擬和其他計(jì)算中需要準(zhǔn)確的參數(shù)，因此需要考慮應(yīng)力加載路徑的影響。

為了探明應(yīng)力加載路徑對(duì)土體動(dòng)力特性的影響，特別是對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響，本文采用新疆某高速公路路基填料取土場(chǎng)的風(fēng)積沙進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了不同試樣分別加載和同一試樣分級(jí)加載兩種應(yīng)力路徑下的臨界動(dòng)應(yīng)力，得出了應(yīng)力路徑對(duì)風(fēng)積沙臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)儀器

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用風(fēng)積沙，取自新疆某高速公路某路基填料取土場(chǎng)，風(fēng)積沙的基本物理力學(xué)性質(zhì)已通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)確定，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀。主要包括三大系統(tǒng)：壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和主機(jī)設(shè)備。壓力控制系統(tǒng)主要進(jìn)行圍壓、軸壓和反壓的設(shè)置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括采集設(shè)備和GDSLAB軟件，在試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；主機(jī)設(shè)備可進(jìn)行軸向和徑向雙向加載，軸向加載范圍為0～10kN，頻率變化范圍為0～2Hz，加載波形可根據(jù)試驗(yàn)要求選取或采用用戶自定義波形。該儀器可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)真三軸試驗(yàn)，空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀如圖1所示。

1.3 試樣

采用專門(mén)的制樣設(shè)備制作重塑試樣，試樣含水率為12%（最佳含水率），壓實(shí)度為96%，試樣尺寸為100×200（mm）。制作試樣時(shí)，分三層進(jìn)行，稱取一層土的質(zhì)量，然后放入制樣設(shè)備，通過(guò)專用設(shè)備壓實(shí)。為了保證層與層之間連接，在放入上層土前，將下層土表面拉毛。

2 試驗(yàn)方案

交通荷載傳遞到路基的應(yīng)力變化規(guī)律為：當(dāng)交通荷載接近特定點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)受到的應(yīng)力從無(wú)到有，從零變化到最大值，而后交通荷載遠(yuǎn)離該點(diǎn)，荷載從最大值逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)，該點(diǎn)受到的應(yīng)力重新變?yōu)榱?，符合半正弦波的特征，因此本試?yàn)中加載波形選用半正弦波。通過(guò)編制波形程序加載到相應(yīng)模塊，即可實(shí)現(xiàn)半正弦波的加載。同時(shí)考慮交通荷載和路基的實(shí)際情況，確定圍壓和荷載作用頻率。共采用7組試樣，對(duì)前6組試樣，每組只施加一種類型的動(dòng)應(yīng)力，對(duì)第7組試樣施加6種不同的動(dòng)應(yīng)力，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于風(fēng)積沙路基來(lái)說(shuō)先承受較小的動(dòng)應(yīng)力然后再承受較大的動(dòng)應(yīng)力，可以提高其動(dòng)應(yīng)力，對(duì)保持路基的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性具有積極的意義。

4 結(jié)論

①不同應(yīng)力加載路徑時(shí)，風(fēng)積沙的？著p-N關(guān)系曲線類型均有三種：衰減型、臨界型和穩(wěn)定型。

②當(dāng)動(dòng)應(yīng)力小于臨界動(dòng)應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，分級(jí)加載的累積塑形應(yīng)變小于分別加載時(shí)的累積塑形應(yīng)變。

③對(duì)同一試樣分級(jí)加載時(shí)得到的臨界動(dòng)應(yīng)力比對(duì)不同試樣分別加載得到的臨界動(dòng)應(yīng)力要大，因此在進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí)，要根據(jù)試驗(yàn)要求選擇合適的應(yīng)力加載路徑。

④為了保持路基的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性，道路修建完成后可以先采用較小的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)壓。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉大鵬，楊曉華，王永威.風(fēng)積沙在循環(huán)荷載作用下的變形特性試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，3（6）：103-108.

[2]關(guān)彥斌，肖軍華，陳建國(guó).動(dòng)荷載下壓實(shí)粉土的動(dòng)力特性[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2009，9（2）：28-31.

[3]肖軍華.動(dòng)荷載下路基壓實(shí)粉土的臨界應(yīng)力與應(yīng)變水平[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37（5）：61-66.

[4]劉曉紅， 楊果林，方薇.紅黏土臨界動(dòng)應(yīng)力與高鐵無(wú)碴軌道路塹基床換填厚度[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（3）：348-3533.

[5]劉增榮，王鑫，張柯，等.黃土在地鐵列車荷載作用下的臨界動(dòng)應(yīng)力比及動(dòng)應(yīng)變發(fā)展模型的試驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，42（6）：761-767.

[6]董城，冷伍明，李志勇，等.重復(fù)荷載作用下粉性路基土累積塑性變形研究[J].巖土力學(xué)，2014，35（12）：3437-3442.

[7]陳能，肖宏彬，李珍玉，等.應(yīng)力路徑對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響[J].公路工程，2015，40（3）：19-24.