交通荷載作用下礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

王 婧，劉大鵬，楊曉華

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

交通荷載作用下礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

王 婧1，劉大鵬1，楊曉華2

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

礫類土是新疆綠洲-荒漠區(qū)常用的一種路基填料，因此有必要研究其在交通荷載作用下的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系。通過動(dòng)三軸研究了不同工況時(shí)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)可以采用R.L.Kondner雙曲線模型對(duì)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述，并得出了不同工況時(shí)模型參數(shù)?；谠囼?yàn)結(jié)果分析了含水率、圍壓、壓實(shí)度、初始靜偏應(yīng)力和循環(huán)荷載作用頻率等因素對(duì)礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的影響規(guī)律，得出了含水率和最佳含水率越接近，圍壓越大、壓實(shí)度越高，礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線越接近應(yīng)力軸，初始靜偏應(yīng)力為0 kPa和10 kPa的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線較接近，動(dòng)荷載作用頻率為1 Hz和2 Hz的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線也較接近。研究成果對(duì)新疆綠洲-荒漠區(qū)礫類土路基的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

道路工程；礫類土；交通荷載；本構(gòu)關(guān)系；動(dòng)三軸

0 引 言

礫類土是新疆綠洲-荒漠區(qū)常用的一種路基填料，其細(xì)粒含量較少(<5%)，礫粒組的含量較多(>60%)，且含有一定的鹽分。隨著新疆 “三年攻堅(jiān)、五年跨越”交通戰(zhàn)略的實(shí)施，在新疆將會(huì)出現(xiàn)越來越多的礫類土路基。礫類土在汽車或者火車等交通荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系與靜載作用下的本構(gòu)關(guān)系有著明顯區(qū)別，交通荷載是一種長(zhǎng)期、周期性的荷載，在其作用下易引起路基的疲勞破壞，以往基于靜載作用下的本構(gòu)關(guān)系在進(jìn)行路基受力分析時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差，另外在進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬時(shí)也需要采用動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，因此有必要研究交通荷載作用下礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系。

對(duì)于土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開展了大量的研究工作，且取得了豐碩的研究成果。劉曉紅等[1]針對(duì)原狀結(jié)構(gòu)紅黏土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，研究了不同試驗(yàn)條件時(shí)，紅黏土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式，并分析了圍壓、固結(jié)比、含水比對(duì)紅黏土動(dòng)本構(gòu)特征的影響。張譽(yù)等[2]研究了砂卵石土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，分析了圍壓、固結(jié)比和動(dòng)荷載振動(dòng)頻率對(duì)其動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的影響規(guī)律，并采用雙曲線方程對(duì)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了描述。王權(quán)民等[3]研究了廈門砂土的動(dòng)力特性，并確定了中粗砂與細(xì)粉砂的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系。唐益群等[4]研究了粉質(zhì)黏土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，得到了一定圍壓下不同動(dòng)荷載頻率作用下的粉質(zhì)黏土在凍融前后的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。雷華陽等[5]研究了天津?yàn)I海新區(qū)結(jié)構(gòu)性軟土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，并得出了振動(dòng)波型對(duì)于結(jié)構(gòu)性軟土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系影響不大。王峻等[6]研究了不同粉煤灰摻入量時(shí)黃土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系，給出了黃土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的雙曲線模型，且粉煤灰摻入量對(duì)模型參數(shù)有一定的影響。對(duì)于新疆礫類土，許文輝等[7]曾對(duì)其回彈模量進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了含水率、壓實(shí)度以及細(xì)粒土含量對(duì)回彈模量的影響。劉大鵬等[8]研究了礫類土在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應(yīng)變，分析了圍壓、初始靜偏應(yīng)力、循環(huán)荷載作用頻率、循環(huán)荷載大小和固結(jié)比對(duì)礫類土累計(jì)塑性變形的影響規(guī)律。劉大鵬等[9]研究了礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力，分析了含水率和圍壓等對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律。對(duì)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的研究還未見報(bào)道，筆者采用新疆綠洲-荒漠區(qū)的礫類土，研究了其在交通循環(huán)荷載作用下的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系。

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，取自新疆綠洲-荒漠區(qū)，其級(jí)配情況如表1，基本物理力學(xué)性質(zhì)通過室內(nèi)試驗(yàn)確定，具體如表2。

表1 礫類土的級(jí)配Table 1 Gradation of gravel soil

表2 礫類土的基本物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic physical and mechanical parameters of gravel soil

1.2 試驗(yàn)儀器

采用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀器，該儀器可進(jìn)行動(dòng)、靜三軸和動(dòng)、靜扭剪試驗(yàn)，本文中的試驗(yàn)選用其中的動(dòng)三軸模塊，空心圓柱扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)土工樓進(jìn)行。

圖1 空心圓柱扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Hollow cylinder torsional shear test system

2 試驗(yàn)方案

考慮到現(xiàn)場(chǎng)路基和地基的實(shí)際情況，選擇了10、20和30 kPa三種圍壓，含水率選擇了3種，分別為7.5%(最佳含水率)、6%(小于最佳含水率)和10%(大于最佳含水率)，壓實(shí)度選擇了96%和90%兩種，初始靜偏應(yīng)力選擇了0 kPa和10 kPa，依據(jù)石峰等[10]以及王晅等[11]對(duì)車輛荷載作用下路基動(dòng)應(yīng)力的實(shí)測(cè)結(jié)果，路基和地基受到的車輛作用符合半正弦波變化規(guī)律，因此進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí)，施加的荷載波形選用半正弦波，每種工況下動(dòng)應(yīng)力幅值均以10 kPa遞增，半正弦波通過編程后加載到空心圓柱扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)，通過應(yīng)力控制的方式進(jìn)行加載，循環(huán)荷載作用頻率選擇1 Hz和2 Hz，荷載循環(huán)次數(shù)均為5 000次，利用重塑土制作圓柱體試樣，直徑為100 mm，高為200 mm。共進(jìn)行了134組試樣的動(dòng)三軸試驗(yàn)，具體如表3。

3 礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系模型

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)循環(huán)荷載作用次數(shù)為10次時(shí)，其動(dòng)應(yīng)變值較穩(wěn)定且累積塑性應(yīng)變部分較小，因此選取第10個(gè)循環(huán)的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變進(jìn)行分析，得出了不同工況下礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線，如圖2～圖6。

表3 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案Table 3 Dynamic tri-axial test scheme

圖2 不同含水率時(shí)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.2 Dynamic constitutive relationship curves with different water contents

圖3 不同圍壓時(shí)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.3 Dynamic constitutive relationship curves with different confining pressure

圖4 不同壓實(shí)度時(shí)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.4 Dynamic constitutive relationship curves with different compaction degrees

圖5 不同初始靜偏應(yīng)力時(shí)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.5 Dynamic constitutive relationship curves with different initial static deviatoric stresses

圖6 不同循環(huán)荷載作用頻率時(shí)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.6 Dynamic constitutive relationship curves with different cyclic loading frequencies

從圖2～圖6可以看出，不同工況下礫類土的動(dòng)應(yīng)變均隨著動(dòng)應(yīng)力的增加非線性增加，且初期增加較慢，后期隨著動(dòng)應(yīng)力的增加，動(dòng)應(yīng)變迅速增大，試樣發(fā)生破壞，礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系符合R.L.Kondner 雙曲線模型：

(1)

式中：σd為動(dòng)應(yīng)力幅值；εd為動(dòng)應(yīng)變幅值；a、b為與試驗(yàn)工況有關(guān)的參數(shù)。

通過擬合求解，可以得出不同試驗(yàn)條件時(shí)式(1)中模型參數(shù)的取值以及決定系數(shù)(R2)，如表4，從表4中可以得出，決定系數(shù)均大于0.95，另外從圖2～圖6可以發(fā)現(xiàn)不同工況時(shí)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)曲線和采用R.L.Kondner 雙曲線模型進(jìn)行擬合得到的曲線都比較接近，說明可以采用R.L.Kondner 雙曲線模型描述礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系。

表4 不同試驗(yàn)條件時(shí)礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系雙曲線模型參數(shù)Table 4 Hyperbolic model parameters of gravel soil dynamic constitutive relationship under different test conditions

4 礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系影響因素分析

4.1 含水率

當(dāng)?shù)[類土含水率為6%、7.5%和10%時(shí)，礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系如圖2。從圖2可以看出，含水率為7.5% 時(shí)，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線最接近應(yīng)力軸，說明當(dāng)?shù)[類土的含水率為最佳含水率時(shí)，其動(dòng)強(qiáng)度大于含水率為6%和10%時(shí)的動(dòng)強(qiáng)度，由此可以推出當(dāng)?shù)[類土含水率低于7.5%時(shí)，隨著含水率的增加，礫類土的動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著增加，當(dāng)?shù)[類土的含水率高于7.5%時(shí)，其動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著含水率的增加而減小。

4.2 圍壓

圍壓分別為10、20和30 kPa時(shí)，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線如圖3，從圖3可以看出，動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線接近應(yīng)力軸的次序和圍巖有關(guān)，圍壓越大，其約靠近應(yīng)力軸，說明礫類土的動(dòng)強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增加。

4.3 壓實(shí)度

壓實(shí)度分別為90%和96%，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線如圖4，從圖4可以看出，當(dāng)?shù)[類土的壓實(shí)度為96%時(shí)，其動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線距離應(yīng)力軸較近，壓實(shí)度為90%時(shí)其動(dòng)本構(gòu)關(guān)系距應(yīng)力軸較遠(yuǎn)，說明礫類土的動(dòng)強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增大。

4.4 初始靜偏應(yīng)力

初始靜偏應(yīng)力為0 kPa和10 kPa，礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線如圖5，從圖5可以看出，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線靠近應(yīng)力軸存在分界點(diǎn)，分界點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值為90 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值小于90 kPa時(shí)，初始靜偏應(yīng)力為0 kPa的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線比10 kPa時(shí)的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線靠近應(yīng)力軸，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值大于90 kPa時(shí)，則相反。因此可以得出礫類土在初始靜偏應(yīng)力為0 kPa和10 kPa時(shí)表現(xiàn)出的動(dòng)強(qiáng)度也隨著動(dòng)應(yīng)力的變化存在分界點(diǎn)，動(dòng)應(yīng)力幅值小于90 kPa時(shí)，初始靜偏應(yīng)力為0 kPa時(shí)表現(xiàn)出的動(dòng)強(qiáng)度比初始靜偏應(yīng)力為10 kPa時(shí)表現(xiàn)出的動(dòng)強(qiáng)度大，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值大于90 kPa時(shí)，則相反。

4.5 循環(huán)荷載作用頻率

循環(huán)荷載作用頻率分別為1 Hz和2 Hz，礫類土動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線如圖6，從圖6可以看出，循環(huán)荷載作用頻率為1 Hz時(shí)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線和2 Hz的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線比較接近，說明循環(huán)荷載作用頻率在1～2 Hz變化對(duì)礫類土動(dòng)強(qiáng)度影響較小。循環(huán)荷載作用頻率為1 Hz和2 Hz時(shí)，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線存在分界點(diǎn)，分界點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值為120 kPa。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值小于120 kPa時(shí)，循環(huán)荷載作用頻率為2 Hz的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線比頻率為1 Hz的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線靠近應(yīng)力軸，可以得出當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值小于120 kPa時(shí)，礫類土在頻率為2 Hz的動(dòng)荷載作用下表現(xiàn)出的動(dòng)強(qiáng)度比1 Hz時(shí)大，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值大于120 kPa時(shí)，規(guī)律則相反。

5 結(jié) 論

1) 礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系可以采用R.L.Kondner雙曲線模型進(jìn)行描述。

2) 含水率、圍壓和壓實(shí)度對(duì)礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系的影響較大，含水率和最佳含水率越接近，圍壓越大、壓實(shí)度越高，其動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線越接近應(yīng)力軸，說明含水率越接近最佳含水率、圍壓越大、壓實(shí)度越高，礫類土動(dòng)強(qiáng)度越大。

3) 初始靜偏應(yīng)力分別為0 kPa和10 kPa，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線存在分界點(diǎn)，分界點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值為90 kPa。

4) 循環(huán)荷載作用頻率為1Hz和2 Hz時(shí)，礫類土的動(dòng)本構(gòu)關(guān)系曲線存在分界點(diǎn)，分界點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值為120 kPa。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Experimental Study on Dynamic Constitutive Relationship of Gravel Soil under Traffic Loading

WANG Jing1，LIU Dapeng1，YANG Xiaohua2

(1.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，P.R.China；2.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P.R.China)

Gravel soil is a kind of commonly used subgrade filling in Xinjiang oasis-desert region，so it is necessary to study its dynamic constitutive relation under the traffic loading.Dynamic constitutive relationships of gravel soil under different conditions were studied through dynamic triaxial tests.It was found that dynamic constitutive relationship of gravel soil could be described by R.L.Kondner hyperbolic model，and then the model parameters under different conditions were obtained.The effect rules of water content，confining pressure，compaction degree，the initial static deviatoric stress and cyclic loading frequency on the dynamic constitutive relationship of gravel soil were studied based on the test results.The closer the relationship between moisture content and optimum moisture content，the greater the confining pressure，the higher the compaction degree, the dynamic constitutive relationship curve of gravel soil was closer to the stress axis.Dynamic constitutive relationship curve is relatively closer when the initial static deviatoric stress is 0 kPa and 10 kPa.It is also relatively closer when the dynamic load frequency is 1 Hz and 2 Hz.The study results have important reference value for the application of gravel soil subgrade in Xinjiang oasis-desert region.

highway engineering；gravel soil；traffic loading；constitutive relationship；dynamic triaxial test

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.09

2016-05-02；

2016-06-26

西部交通建設(shè)科技資助項(xiàng)目(2011318797600)；江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(JYQZ16-04)；江蘇住建廳科技項(xiàng)目(2016ZD81)

王 婧(1982—)，女，甘肅蘭州人，講師，主要從事交通工程方面的研究工作。E-mail：136089261@qq.com。

U416.1

A

1674-0696(2017)08-049-05