中砂類B組路基土靜力特性試驗(yàn)分析*

(1. 沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 沈陽 110168； 2. 遼寧有色勘察研究院 試驗(yàn)檢測中心， 沈陽 110013)

中砂類B組路基土靜力特性試驗(yàn)分析*

趙儉斌1， 張玉杰1， 劉 瀟1， 李 偉2， 張 學(xué)1

(1. 沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 沈陽 110168； 2. 遼寧有色勘察研究院 試驗(yàn)檢測中心， 沈陽 110013)

為了研究中砂類B組路基土的靜力特性，在了解其物理特性的基礎(chǔ)上，采用中砂及粉質(zhì)黏土配置了4種不同細(xì)粒含量的中砂類B組土，根據(jù)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)研究了圍壓和細(xì)粒含量對試驗(yàn)土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及靜強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明，在相同細(xì)粒含量條件下，隨著圍壓的增大，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升顯著，在同一應(yīng)變值時，應(yīng)力相差較大，且150 kPa的曲線應(yīng)力差值最為明顯；在相同圍壓條件下，細(xì)粒含量對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響不明顯，細(xì)粒含量低于30%時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢幾乎一致，應(yīng)變增大的同時應(yīng)力提高.

中砂類B組土； 靜力特性； 三軸壓縮試驗(yàn)； 圍壓； 細(xì)粒含量； 應(yīng)力-應(yīng)變曲線； 靜強(qiáng)度； 路基土

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，鐵路的建設(shè)規(guī)模不斷壯大，高鐵項(xiàng)目成為鐵路交通的主要發(fā)展路線，然而，鑒于高鐵運(yùn)輸速度及載重的因素，對路基的整體性以及路基填料的力學(xué)性能提出了更高的要求.由于路基作為鐵路構(gòu)造的重要組成部分，既承受著自身的巖土自重和路面重力，又受路面?zhèn)鱽硇熊嚭奢d的影響.根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，車輛跑動時土中應(yīng)力約為車輛靜止時的三倍，因此，在注重地基靜強(qiáng)度的同時，應(yīng)更加注重高速鐵路產(chǎn)生的行車荷載的影響.

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對土體的動力特性進(jìn)行了大量的理論分析、現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗(yàn)等，Stavnitser等[1]利用共振吸收系數(shù)的測定方法描述土的阻尼特性，并開展了一系列試驗(yàn)來分析土的共振特性影響因素；屈暢姿[2]采用等效非線性本構(gòu)關(guān)系建立了武廣高速鐵路路基典型剖面的有限元分析模型，計算了不同動力計算參數(shù)取值組合工況下的路基動響應(yīng)，同時對影響路基動響應(yīng)的動力計算參數(shù)進(jìn)行了分析；劉瀟等[3]通過一系列動三軸試驗(yàn)，對比分析了飽和尾礦砂在單雙向振動不同作用下的滯回曲線和骨架曲線的差異，并提出用單向振動來替換雙向振動的適用條件.綜上所述，國內(nèi)外許多學(xué)者[4-12]對土體在循環(huán)荷載作用下的動力特性已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論分析及試驗(yàn)，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，取得了許多重要的結(jié)論和成果，但對中砂類B組土體的靜力學(xué)特性試驗(yàn)研究還相對較少.

因此，本文以京沈高速鐵路沿線廣泛存在的中砂類B組土為研究對象，應(yīng)用DSC2000多功能三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對中砂類B組土的靜力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.同時，根據(jù)圍壓及細(xì)粒含量等參數(shù)對土樣進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了圍壓和細(xì)粒含量對試驗(yàn)土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及土體靜強(qiáng)度的影響，深入分析了細(xì)粒含量對靜強(qiáng)度影響規(guī)律及細(xì)粒含量和圍壓大小對土體靜強(qiáng)度產(chǎn)生影響的原因.同時應(yīng)用Konder提出的雙曲線模型建立了土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，該研究成果為中砂類B組土的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

本文采用應(yīng)變控制模式進(jìn)行固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，考慮到試樣屬于中砂土，故采用的剪切速率為0.03 mm/min，并在試驗(yàn)過程中對孔壓進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)表明，在此過程中產(chǎn)生了極小的孔壓，其值均在5 kPa以下，因此認(rèn)為此剪切速率合理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由儀器自動采集，具體試驗(yàn)安排如表1所示.

表1 常規(guī)三軸試驗(yàn)方案Tab.1 Conventional triaxial test scheme

1.2 試驗(yàn)土樣及制備方法

本文采用的土樣基本性質(zhì)及物理指標(biāo)如表2所示.細(xì)粒按15%、25%、30%、40%的含量配置土樣，對于四種細(xì)粒含量的土樣分別按95%的壓實(shí)度控制干密度，并按6.1%、7.5%、8%、9.5%最優(yōu)含水率加蒸餾水拌勻浸潤一晝夜，之后利用三瓣飽和器分四層擊實(shí)而成，試樣高度H=80 mm，直徑D=39.1 mm.具體的顆粒級配曲線和土樣擊實(shí)曲線如圖1、2所示.

表2 土樣基本性質(zhì)及物理指標(biāo)Tab.2 Basic nature and physical indices of soil

1.3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)分為5步進(jìn)行，即試樣安裝、飽和階段、固結(jié)階段、加載階段和結(jié)束試驗(yàn).試驗(yàn)安裝時，首先把橡皮膜套在承模筒內(nèi)，兩端翻貼出筒外，對著吸氣孔吸氣，使膜緊貼承模筒內(nèi)壁上，然后套在試樣外，翻起橡皮膜的兩端，分別在試樣兩端依次放上過濾紙和透水石，之后取出承模筒，并用橡皮圈將包裹著土樣的橡皮膜兩端分別扎緊在壓力室底座和試樣帽上.對于飽和階段，采用了水頭飽和法以及反壓飽和法的方式進(jìn)行飽和，在壓力室注滿無氣水后打開進(jìn)水閥門以及排水閥門進(jìn)行水頭飽和，一般情況下水頭飽和時間為6 h.水頭飽和完成后進(jìn)行加反壓飽和，通過逐步增大反壓，試樣逐漸接近飽和狀態(tài)，通常，當(dāng)反壓達(dá)到190 kPa時，試樣的孔壓系數(shù)可達(dá)到0.95以上.飽和階段完成之后，打開排水閥，使試樣排水固結(jié)，研究中采用等壓固結(jié)，根據(jù)京沈鐵路沿線基床填筑范圍為3～7 m，以3 m為例，填筑重度以20 kN/m3計，可計算出地基表層豎向土壓力為60 kPa，依此類推，選取60、100、150 kPa為試驗(yàn)典型圍壓值.砂土固結(jié)時間比較快，固結(jié)10 min后，其排水量變化小于0.1 cm3，因此，控制固結(jié)時間為0.5 h.當(dāng)固結(jié)完成后，施加所需的圍壓，開始加載，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制，并觀察加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.試驗(yàn)結(jié)束后，卸去圍壓以及軸向荷載，取下試樣，沖洗儀器.

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distribution curves of soil

2 路基土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

為了探討應(yīng)力-應(yīng)變曲線的關(guān)系，本文根據(jù)圍壓及細(xì)粒含量兩種參數(shù)的變化進(jìn)行研究.

圖2 不同細(xì)粒含量土樣擊實(shí)曲線Fig.2 Compaction curves of soil withdifferent fine particle contents

2.1 圍壓的影響

圖3為某一細(xì)粒含量的土樣在不同圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，橫軸為應(yīng)變，縱軸為應(yīng)力的差值.由圖3可知，在相同細(xì)粒含量條件下，圍壓對試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響非常明顯.隨著圍壓的增大，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升顯著，在同一應(yīng)變值時，應(yīng)力相差較大，尤其150 kPa的曲線應(yīng)力差值更加明顯.同時，初始模量隨著圍壓的增大而增大，說明試樣抵御變形的能力增強(qiáng)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型.隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力逐漸增大，沒有明顯的峰值點(diǎn)，說明試樣呈現(xiàn)塑性破壞，同時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似符合雙曲線形狀.

圖3 不同圍壓下土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves at different confining pressure

2.2 細(xì)粒含量的影響

圖4為不同細(xì)粒含量的土樣在不同細(xì)粒含量條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖4可知，在相同圍壓條件下，細(xì)粒含量對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響不明顯.細(xì)粒含量低于30%時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的走勢幾乎一致，應(yīng)變增大的同時應(yīng)力提高.當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到40%時，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線下移較大，同時，初期模量在相同應(yīng)變值時，應(yīng)力相差較大，說明試樣抵御變形的能力大幅減弱，但試樣的破壞依然呈現(xiàn)出塑性破壞的形態(tài)，即應(yīng)變硬化型曲線.

圖4 不同細(xì)粒含量試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of samples withdifferent fine particle contents

3 路基土靜強(qiáng)度分析

3.1 靜強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

圖5為抗剪強(qiáng)度與圍壓關(guān)系曲線.試驗(yàn)土樣的靜強(qiáng)度與圍壓值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.細(xì)粒含量為15%的試樣與30%的試樣直線斜率相近，隨著圍壓值的增大，抗剪強(qiáng)度也隨之增大，呈平行狀態(tài)，如圖5a所示，說明增大的圍壓壓密試樣使試樣孔隙變小，因此試樣的抗剪強(qiáng)度提高.由圖5b可知，細(xì)粒含量為25%的試樣斜率要大于細(xì)粒含量為40%的試樣，隨著圍壓值的增大，40%細(xì)粒含量的抗剪強(qiáng)度上升趨勢緩慢，曲線不再成線性關(guān)系.說明土樣的細(xì)粒含量超過一定范圍時，圍壓的大小對土樣孔隙的有利影響較小，對細(xì)粒含量的影響較大，然而試驗(yàn)所采取的圍壓不足以使土樣中由于細(xì)粒存在而產(chǎn)生的孔隙體積得到有效減小，相反隨著圍壓的增大，土樣的骨架更易產(chǎn)生大變形，同時使不同細(xì)粒含量的土樣隨著圍壓的增大，抗剪強(qiáng)度差值也越來越大.

圖5 抗剪強(qiáng)度與圍壓關(guān)系曲線Fig.5Relationship between shear strengthand confining pressure

3.2 靜強(qiáng)度與細(xì)粒含量的關(guān)系

圖6給出了相同圍壓條件下抗剪強(qiáng)度與細(xì)粒含量之間的關(guān)系.由圖6可知，當(dāng)細(xì)粒含量在15%～30%之間時，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸上升，并且抗剪強(qiáng)度的上升速率隨圍壓值的增大逐漸減小；當(dāng)細(xì)粒含量超過30%時，三種圍壓下的試樣抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象.當(dāng)細(xì)粒含量小于30%時，圍壓對土樣抗剪強(qiáng)度的影響大于細(xì)粒含量對土樣性質(zhì)的影響，并且這種影響隨土樣細(xì)粒含量的增大而減小；當(dāng)細(xì)粒含量繼續(xù)增大時，圍壓的增大對土樣的影響不足以抵消細(xì)粒含量增大對土樣抗剪強(qiáng)度的削弱效果，此時細(xì)粒含量對土的靜強(qiáng)度影響成為主導(dǎo)性因素.

4 路基土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線理論分析

基于不同圍壓和細(xì)粒含量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，B類路基土基本呈現(xiàn)出了應(yīng)變硬化形態(tài)，本文根據(jù)Konder對應(yīng)變硬化型應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行研究，采用雙曲線模型擬合軸向應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變ε之間的關(guān)系，如圖7所示.

圖6 抗剪強(qiáng)度與細(xì)粒含量關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between shear strengthand fine particle content

圖7 雙曲線模型Fig.7 Hyperbola model

對于某一圍壓σ3，則有

(1)

式中，a、b為試驗(yàn)常數(shù).

根據(jù)切線模量的定義，則有

(2)

由式(1)可得

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

當(dāng)(σ1-σ3)→∞時，可得初始彈性模量Ei為

(5)

當(dāng)(σ1-σ3)→0時，抗剪強(qiáng)度的極限值為

(6)

在多數(shù)情況下，ε不能趨于無窮大，因此，通常規(guī)定一個ε值，并認(rèn)為當(dāng)ε達(dá)到此值時，土體被破壞，即定義一個應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn).設(shè)破壞時的偏應(yīng)力為(σ1-σ3)f，并規(guī)定

(7)

將式(5)～(7)代入式(4)可得

(8)

令應(yīng)力水平s的表達(dá)式為

(9)

則有

Et=(1-Rfs)2Ei

(10)

圖8給出了各個試樣常規(guī)三軸試驗(yàn)測得的試驗(yàn)點(diǎn)與模型曲線對比結(jié)果.由圖8可知，雙曲線模型較好地描述出土樣三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并且兩種曲線幾乎完全吻合.同時試驗(yàn)點(diǎn)與模型曲線的貼合隨細(xì)粒含量的增加變得更加緊密，驗(yàn)證了雙曲線模型擬合出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線理論分析具有一定的有效性，其中，不同細(xì)粒含量、圍壓下的模型參數(shù)如表3所示.

5 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論.

1) 在相同細(xì)粒含量條件下，圍壓對試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響非常明顯.隨著圍壓的增大，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升顯著，在同一應(yīng)變值時，應(yīng)力相差較大.

圖8 雙曲線模型擬合結(jié)果Fig.8 Fitting results with hyperbola model

2) 在相同圍壓條件下，細(xì)粒含量對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響不明顯.細(xì)粒含量低于30%時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的走勢幾乎一致，應(yīng)變增大的同時應(yīng)力提高.當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到40%時，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線下移較大.

3) 試驗(yàn)土樣的靜強(qiáng)度與圍壓值呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.當(dāng)細(xì)粒含量低于30%時，試樣直線斜率相近，隨著圍壓值的增大，抗剪強(qiáng)度也隨之增大，呈平行狀態(tài).

表3 模型參數(shù)Tab.3 Parameters for model

4) 在相同圍壓條件下，細(xì)粒含量30%為抗剪強(qiáng)度強(qiáng)弱的分界線，低于30%時，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸上升，并且抗剪強(qiáng)度的上升速率隨圍壓值的增大逐漸減??；當(dāng)細(xì)粒含量超過30%時，三種圍壓下的試樣抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象，說明細(xì)粒含量對土的靜強(qiáng)度影響成為主導(dǎo)性因素.

5) 雙曲線模型較好地描述出土樣三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并且兩種曲線幾乎完全吻合.同時試驗(yàn)點(diǎn)與模型曲線的貼合隨細(xì)粒含量的增加變得更加緊密，驗(yàn)證了雙曲線模型擬合出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線理論分析具有一定的有效性.

[1] Stavnitser L R，Nikitaeva G A.Resonance method of determining the damping characteristics of soils [J].Soil Mechanics and Foundation Engineering，2008，45(1)：9-12.

[2] 屈暢姿.高速鐵路相鄰過渡段路基動響應(yīng)及長期動力穩(wěn)定性研究 [D].長沙：中南大學(xué)，2013.

(QU Chang-zi.Dynamic response and long-term dynamic stability of closely spaced transition sections subgrade for high-speed railway [D].Changsha：Central South University，2013.)

[3] 劉瀟，張學(xué)，趙儉斌，等.單、雙向振動條件下飽和粉砂變形特性對比試驗(yàn)研究 [J].地震工程學(xué)報，2015，37(3)：748-753.

(LIU Xiao，ZHANG Xue，ZHAO Jian-bin，et al.Study on deformation characteristics of saturated silty sand in uni-and bidirectional cyclic triaxial tests [J].China Earthquake Engineering Journal，2015，37(3)：748-753.)

[4] 孔祥輝，蔣關(guān)魯，鄒祖銀.高速鐵路路基基床動力響應(yīng)的試驗(yàn)研究 [J].鐵道建筑，2013，11(4)：77-81.

(KONG Xiang-hui，JIANG Guan-lu，ZOU Zu-yin.Experimental study on dynamic response of subgrade bed of high speed railway [J].Railway Engineering，2013，11(4)：77-81.)

[5] 王軍，蔡袁強(qiáng)，郭林，等.分階段循環(huán)加載條件下溫州飽和軟黏土孔壓和應(yīng)變發(fā)展規(guī)律 [J].巖土工程學(xué)報，2012，34(7)：1349-1354.

(WANG Jun，CAI Yuan-qiang，GUO Lin，et al.Pore pressure and strain development of Wenzhou saturated soft soil undercyclic loading by stages [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(7)：1349-1354.)

[6] 唐小薇，李濤，馬玲，等.黏粒和砂?；旌贤馏w的動態(tài)液化性能研究 [J].地震工程學(xué)報，2015，37(1)：6-10.

(TANG Xiao-wei，LI Tao，MA Ling，et al.Dynamic liquefaction properties of sand-clay mixture [J].China Earthquake Engineering Journal，2015，37(1)：6-10.)

[7] 劉漢龍.土動力學(xué)與土工抗震研究進(jìn)展綜述 [J].土木工程學(xué)報，2012，45(4)：148-164.

(LIU Han-long.A review of recent advances in soil dynamics and geotechnical earthquake engineering [J].China Civil Engineering Journal，2012，45(4)：148-164.)

[8] 申權(quán)，李明俊，蔣文明，等.動三軸試驗(yàn)測試土阻尼的影響因素與不足 [J].江西科學(xué)，2013，31(1)：84-89.

(SHEN Quan，LI Ming-jun，JIANG Wen-ming，et al.Influence factors of soil damping used by dynamic triaxial test and its deficiency [J].Jiangxi Science，2013，31(1)：84-89.)

[9] 張志淵.高速鐵路列車特殊振動下土體動三軸試驗(yàn)研究 [D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

(ZHANG Zhi-yuan.The study on soil dynamic trixial teat with the vibration of high-speed railway train [D].Chengdu：Southwest Jiaotong University，2013.)

[10]劉文化，楊慶，唐小微，等.干濕循環(huán)條件下粉質(zhì)黏土在循環(huán)荷載作用下的動力特性試驗(yàn)研究 [J].水利學(xué)報，2015，46(4)：425-432.

(LIU Wen-hua，YANG Qing，TANG Xiao-wei，et al.Experimental study on the dynamic characteristics of silt clay subjected to drying-wetting cycles under cyclic loading [J].Journal of Hydraulic Engineering，2015，46(4)：425-432.)

[11]胡軍，王凱凱，董建華.基于BCABC-SVM 的邊坡穩(wěn)定性預(yù)測 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，38(2)：222-227.

(HU Jun，WANG Kai-kai，DONG Jian-hua.Forecasting of slope stability based on BCABC-SVM [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(2)：222-227.)

[12]周文權(quán)，冷伍明，劉文劼，等.低圍壓循環(huán)荷載作用下飽和粗粒土的動力特性與骨干曲線模型研究 [J].巖土力學(xué)，2016，37(2)：415-423.

(ZHOU Wen-quan，LENG Wu-ming，LIU Wen-jie，et al.Dynamic behavior and backbone curve model of saturated coarse-grained soil under cyclic loading and low confining pressure [J].Rock and Soil Mecha-nics，2016，37(2)：415-423.)

(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

ExperimentalanalysisonstaticcharacteristicsofmediumsandclassBgroupsubgradesoil

ZHAO Jian-bin1, ZHANG Yu-jie1, LIU Xiao1, LI Wei2, ZHANG Xue1

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Center of Test and Detection, Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013, China)

In order to explore the static characteristics of medium sand class B group subgrade soil, four kinds of medium sand class B group soil with different fine particle contents were prepared with the medium sand and silty clay based on understanding the physical properties of subgrade soil. The influence of confining pressure and fine particle content on the stress-strain relationship and static strength of the testing soil was studied with the conventional triaxial compression test. The results show that at the same fine particle content, the stress-strain curve of the sample significantly increases with increasing the confining pressure. At the same strain value, the stress difference is large, and the stress difference on the 150 kPa curve is the most obvious. At the same confining pressure, the fine particle content has no obvious influence on the stress-strain curve. When the fine particle content is less than 30%, the trend of stress-strain curve is almost unanimously, and the stress increases with increasing the strain.

medium sand class B group soil; static characteristic; triaxial compression test; confining pressure; fine particle content; stress-strain curve; static strength; subgrade soil

TU 213

： A

： 1000-1646(2017)05-0584-07

2016-07-14.

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Z2415078).

趙儉斌(1960-)，男，黑龍江呼蘭人，教授，博士，主要從事巖土工程等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 18∶00在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1800.030.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.20