廣西典型黏土動力特性及動剪切強度分析

譚澤文 朱文偉 黃顯智 覃江濤

摘要：動力特性是路基結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)及運營維護的重要依據(jù)。文章結(jié)合廣西交通建設(shè)需求，開展以廣西典型黏土路基填土為研究對象的動力特性測定和動剪切強度分析，并基于試樣土在低應(yīng)力條件下的動強度和動模量，分析了土體的動力特性變化規(guī)律，推導(dǎo)了動剪切強度及相關(guān)參數(shù)，為廣西交通建設(shè)中路基的性能評價提供了借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：路基;動力特性;動強度;動模量;動剪切強度

0 引言

“一帶一路”政策和國家交通強國戰(zhàn)略的施行推進了廣西壯族自治區(qū)交通建設(shè)的加速發(fā)展。對于廣西而言，嶺谷相間、山地環(huán)繞，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[1]。路基是道路結(jié)構(gòu)層之一，作為道路的持力層和基礎(chǔ)支撐層，其性能好壞往往決定了道路的基本使用表現(xiàn)和服務(wù)功能[2]。

對于路基而言，強度和變形特征等力學(xué)特性是公路、鐵路設(shè)計中的重要依據(jù)，也是預(yù)估道路使用壽命和服役特性的重要依據(jù)[3-4]。相比于靜力特征，動態(tài)荷載下的動力特征更能反映路基結(jié)構(gòu)在真實車輛荷載下的性能反應(yīng)。目前，作為土體動荷載下的強度破壞特征和變形特性的最直接體現(xiàn)，動強度及動模量是道路設(shè)計、建設(shè)及運營階段的重要評價指標(biāo)。Murthy[5]等人對美國西部大孔隙素土進行動力試驗，以動模量和阻尼比為重要指標(biāo)評價其改良治理效果。V.C.Xenaki和G.A.Athanasopoulos[6]評估了飽和細砂土的液化強度，并詳細研究了塑形纖維法降低其孔隙率提高其抗液化強度的適用性。J.Li和D.W.Ding[7]研究了小應(yīng)變下土樣動力特性的非線性特征，詳細討論了試驗圍壓、循環(huán)加載次數(shù)作用下動強度和動模量的變化規(guī)律，為更準(zhǔn)確地認識和評價動力特性提供了重要幫助。我國幅員遼闊，各類土質(zhì)分布廣泛，各地區(qū)的研究人員對所屬地區(qū)的路基土質(zhì)進行了動力性能的測定，用于指導(dǎo)工程建設(shè)。如中南大學(xué)賀建清、陳樂求[8-9]等人對湖南地區(qū)的泥質(zhì)板巖土的動力特性、動力響應(yīng)表現(xiàn)進行全面研究。吉林大學(xué)魏海斌、王靜[10-11]以動強度和彈性模量為指標(biāo)，評價了東北地區(qū)常見粉質(zhì)黏土和黏土路基在凍融循環(huán)作用下的性能表現(xiàn)。

廣西壯族自治區(qū)地處我國華南地區(qū)，其典型的黏土路基具有液塑限高、保水性強等特點，在外界動載作用下力學(xué)表現(xiàn)復(fù)雜。此外，剪切強度是路基填土性能評價的最常用指標(biāo)。然而，目前通用的剪切強度和相關(guān)特征參數(shù)多基于靜力分析，缺少動態(tài)理論下的分析方法創(chuàng)新，造成了土體剪切強度動力分析的空缺。

綜上，為突破傳統(tǒng)理論分析局限，豐富動力分析方法，本文開展廣西典型黏土的動力特性及動剪切強度研究，為廣西交通建設(shè)中的路基設(shè)計、性能評估提供借鑒和指導(dǎo)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗土特性

試驗土為廣西典型黏土，取自南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)高新大道某施工現(xiàn)場。其顆粒密度為2.49 g/cm3，塑性指數(shù)為17.5%（塑限22.8%、液限40.3%），最大干密度和最佳含水量分別為1.98 g/cm3和15%。試驗前，依照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2017）要求將土樣過2 mm篩，并擊實成型制成圓柱試樣（直徑為39.2 mm，高度為80 mm），如圖1所示。

1.2 試驗儀器及方案

試驗采用英國GDS公司產(chǎn)DYNTTS型號動三軸試驗系統(tǒng)，動強度及動模量試驗標(biāo)準(zhǔn)均依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT/50123-2019）規(guī)定步驟及要求進行。

試驗前，進行試樣的儀器外浸泡飽和。結(jié)合原位試驗，選定固結(jié)系數(shù)為1.9，以荷載應(yīng)力幅值作為控制變量，通過單側(cè)加載方式模擬土樣的真實受力狀況。本文的試驗荷載頻率為1 Hz，試驗圍壓分別選取50 kPa、100 kPa和200 kPa，每級圍壓下從小到大依次增加動應(yīng)力，當(dāng)土樣破壞（包括液化）或縱向累積塑性應(yīng)變達到5%時，結(jié)束試驗。在動模量試驗中，采取每級10次循環(huán)，逐級增大荷載的加載方式。

2 試驗結(jié)果

2.1 動強度分析

如表1所示，試樣的動強度隨著圍壓和破壞次數(shù)的增加，分別呈現(xiàn)提高和降低的趨勢，這一規(guī)律符合我們的預(yù)期，即高應(yīng)力條件下土樣的破壞動強度越高。值得注意的是，破壞動應(yīng)力比與圍壓的變化規(guī)律與動強度相反，如圍壓200 kPa下破壞周數(shù)為11次的動應(yīng)力比為1.88，遠低于50 kPa圍壓下10次破壞周數(shù)的動應(yīng)力比2.28。究其原因，主要是高圍壓導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)更為致密，對于縱向破壞應(yīng)力的敏感性更低。因此，雖然動強度增大，但其真實的破壞動應(yīng)力比下降。對于實際工程應(yīng)用，動應(yīng)力比可更加真實地體現(xiàn)土樣的動力強度和破壞特征。

2.2 動模量

基于試驗中每級動荷載下滯回圈所對應(yīng)的動應(yīng)力σd與動應(yīng)變εd的比值，可獲得軸向應(yīng)變-動模量曲線，見圖2。

由上述可知，三個圍壓下的擬合直線的相關(guān)系數(shù)均>0.98，代表了結(jié)果的可信性。表2中，試樣土的最大動模量Emax與軸向最大應(yīng)力σmax隨著圍壓的變大呈現(xiàn)上升趨勢。究其原因，高圍壓下的土樣結(jié)構(gòu)更密實，相同壓力下的變形量更小，動模量更大。

2.3 動剪切強度分析

本文根據(jù)動強度破壞原理，選定固定破壞次數(shù)下的動強度作為臨界破壞狀態(tài)，以圍壓和動強度作為大、小主應(yīng)力，套用摩爾庫倫定律，則可求解相應(yīng)強度特征值。參照靜剪切強度及特征參數(shù)定義，可將所得結(jié)果定義為動態(tài)剪切強度及強度參數(shù)。

在圖4中，σ1a、σ2a、σ3a為σ1c、σ2c、σ3c動強度試驗圍壓下的軸向破壞應(yīng)力，數(shù)值上為動強度與軸向固結(jié)應(yīng)力之和。本文固結(jié)系數(shù)為1.9，選定破壞次數(shù)為10次、50次和100次下的破壞強度，求解摩爾庫倫圓參數(shù)如表3所示。

在表3中，摩爾庫倫圓的半徑隨著圍壓的增大而增大，隨著破壞周數(shù)的增大而減少，圓心位置也顯現(xiàn)規(guī)律性變化。依據(jù)s-t法，繪制（s，t）空間數(shù)據(jù)，進行線性擬合，獲得試驗土的動強度特征參數(shù)（如圖5所示）。

如表4所示，隨著破壞次數(shù)的增多，內(nèi)摩擦角和粘聚力都逐漸下降，即體現(xiàn)了抗剪強度的下降，這種現(xiàn)象可能與多次數(shù)荷載作用下疲勞破壞導(dǎo)致的強度衰減有關(guān)。土體在動力下更易破壞，而試驗土的動摩擦角仍高于國內(nèi)其他地區(qū)粉質(zhì)黏土及粉土靜摩擦角[10-12]，這意味著廣西典型黏土試樣在高壓下仍具有良好的動力表現(xiàn)。

3 結(jié)語

基于廣西交通建設(shè)對常用路基填土性能的儲備需求，本文對廣西常用黏土進行了動力特性的測定，并基于摩爾庫倫強度理論，提出了動剪切強度及特征參數(shù)概念，獲得結(jié)論如下：

（1）廣西典型黏土路基材料的動強度隨著破壞周數(shù)的提高而下降，隨著圍壓的增加而提高，變化規(guī)律符合已有研究。相比傳統(tǒng)動強度參數(shù)，采用動應(yīng)力比可更加真實地評估土樣的動力強度和破壞特征。

（2）在低應(yīng)力條件下（200 kPa），廣西典型黏土的動模量為20～160 MPa，最大動模量可達166.67 MPa。

（3）參照靜剪切強度的動態(tài)剪切強度和相關(guān)參數(shù)推導(dǎo)和分析是合理的。廣西典型黏土在破壞次數(shù)為10～100次時，其動摩擦角和粘聚力分別為39.05°～43.63°，9.64～12.92 kPa。

（4）廣西典型黏土的動摩擦角甚至高于國內(nèi)常用的粉質(zhì)黏土及粉土的靜摩擦角，這意味著其在高圍壓下仍將具有良好的動力表現(xiàn)。

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