P5含量對路基粗粒土動力特性影響規(guī)律試驗研究

毛永強,陳世豪,袁青,王琳,熊齊歡

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室)

1 前言

粗粒土因其良好的力學性能及透水性能被廣泛應用于路基填筑工程。路基作為承受交通荷載的關鍵結構，其在服役過程中經歷包括多個(靜動)加載-(臨界)破壞-再(靜動)加載-(臨界破壞)的過程，此外由于降雨入滲水力坡降作用和地震等都會導致路基填料粗粒含量產生漸進變化和演化歷史。級配的變化又加劇路基填料層的剛度劣化與變形累積，最終表現為道路病害。級配變化直觀反映為粗粒含量的變化，而粗粒含量對路基粗粒土填料有著巨大影響，準確掌握不同粗粒含量的粗粒土填料在大次數交通循環(huán)荷載下的強度及變形特性是進行道路設計及道路沉降控制的前提。近年來不斷有學者研究路基粗粒土的動力特性及其影響因素。何忠明，劉森峙等基于不同荷載條件下粗粒土大型動三軸試驗結果，指出試樣的初始動彈性模量隨圍壓的增大而增大，動應力幅值越大，累計軸向變形越大，荷載頻率越大，滯回圈越陡峭；B.Indraratna選取圍壓為60 kPa,荷載頻率為10～40 Hz(列車所對應的荷載頻率)在循環(huán)應力比(動應力幅值與圍壓的比值)為6～9的條件下開展粗粒土飽和排水試驗，得出試樣的累計變形隨荷載頻率增大而增大;胡煥校運用工業(yè)CT對動三軸試驗前后兩個階段的試樣進行掃描，認為試樣顆粒在試驗過程中存在擠密、錯動、融合的現象；孔祥勛利用GDS動三軸儀開展了不同圍壓、不同細粒(<0.075 mm)含量的粗粒土動三軸試驗研究，研究表明粗粒土的強度、動彈性模量、抗剪強度指標隨細粒(<0.075 mm)含量的增加而增加，阻尼比隨細粒(<0.075 mm)含量的增加而減??；De Zhang等為了研究凍土混合物的動態(tài)特性，采用粉質土壤制備土樣，并摻加不同含量的粗顆粒(礫石直徑為2.0～4.0 mm)，試樣尺寸為φ61.8 mm×125.0 mm，粗粒(直徑為2.0～4.0 mm)含量分別為10%、20%、40%、60%、80%。試驗結果表明：隨著粗粒含量的增加，動彈性模量增加；同等圍壓條件下隨粗粒含量增加，阻尼比減小；傅華等研究級配對粗粒土動力特性的影響，指出低圍壓狀態(tài)下，級配對粗粒土動力特性影響不大，隨著圍壓提高，級配優(yōu)的粗粒料最大動彈性模量增加明顯；Tennakoon,N.等指出軸向應變和體變隨細粒含量增加而增加，此外由于粗粒料之間的細料提供了“緩沖作用”保護粗料免受劇烈磨損，因此隨細粒含量增加顆粒的破碎率逐漸降低。

可見，前人的研究多集中于圍壓、荷載的幅值、頻率對粗粒土動力特性的影響，P5(粒徑大于5 mm的顆粒)含量對粗粒土動力特性的影響鮮有報道，且前人由于試驗儀器限制且粗粒土大型試驗極為耗時費力，故研究多采用直徑39 mm的小樣，最大粒徑只有5 mm，該文針對以上不足，基于路基真實動應力水平，開展不同P5含量的粗粒土大型動三軸試驗，討論P5含量對粗粒土動力特性及軸向累積應變的影響。

2 大型動三軸試驗設計

2.1 試驗儀器

試驗在成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室GDS-DYNTTS粗粒土大型動三軸試驗系統(tǒng)進行。試驗儀器如圖1所示。試驗儀器可施加的最大軸向荷載為60 kN，最大頻率為5 Hz,最大圍壓為1 MPa，位移量程為100 mm，位移精度為0.07%，軸向力的精度小于等于荷重傳感器量程的1%，軸向力分辨率為16位，每個周期可控制的數據點數為10 000點/s，最大可以存儲的數據點數為1 000點/周期，加載波形可選擇正弦波、方波、三角波以及自定義波形。

圖1 GDS-DYNTTS粗粒土大型動、靜三軸試驗系統(tǒng)

2.2 試驗方案

試驗所用土樣為強風化灰?guī)r土石混合體，試樣取回后測其天然含水率為9.5%，風干含水率為3.1%。試樣風干后依據JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》對土料進行篩分，篩分時分出粒徑大于5 mm的顆粒和粒徑小于5 mm的顆粒，并將兩者按一定比例混合，控制粒徑大于5 mm的顆粒含量分別為10%、30%、50%、70%和90%，即P5含量分別為10%、30%、50%、70%和90%，級配曲線如圖2所示。先對不同P5含量的土料在不同含水率條件下進行粗粒土大型擊實試驗，得到每種土料的最大干密度和最優(yōu)含水率。

在擊實試驗的基礎上，動三軸試樣在最優(yōu)含水率條件下，控制壓實度為95%進行試備，試樣尺寸φ300 mm×600 mm，試樣分5層填裝，層與層之間進行刮毛處理。試樣的制備條件如表1所示，試樣的加載方案如表2所示。根據已有研究文獻，公路路基荷載的頻率為0.1～10 Hz，1 Hz最為常見，故試驗頻率多采用1 Hz。動三軸試驗圍壓確定為50 kPa用以模擬路面下1.0～3.0 m深度路基粗粒土側壓環(huán)境。加載波形采用正弦波，循環(huán)偏應力示意圖如圖3所示。由圖3可知，實測路基動應力為31～185 kPa。為了消除由于試樣兩端輕微的不規(guī)則性造成初始階段變形以及孔壓的產生，參考Wichtmann進行加載時，第一圈循環(huán)荷載的頻率控制為f=0.01 Hz。

表1 試樣制備信息

表2 試樣加載方案

圖3 加載波形示意圖

2.3 試驗數據處理方法

由于土的應力應變關系具有明顯的非線性特征，在周期荷載作用下土的應力與應變的關系為滯回環(huán)，如圖4所示。

圖4 動應力-動應變滯回環(huán)

依據式(1)、(2)計算動彈性模量Ed、阻尼比λd：

Ed=(σdmax-σdmin)/(εdmax-εdmin)

(1)

λd=A/(4πAS)

(2)

式中：A為滯回環(huán)ABCDA的面積；AS為三角形OAE的面積；σdmax、σdmin分別為滯回環(huán)軸向最大、最小動應力；εdmax、εdmin為滯回環(huán)軸向最大、最小動應變。

對于此次試驗中的土樣，無論是動力模型還是靜力模型(例如Duncan-Chang模型)，都定義初始動彈性模量Edmax是εd→0的模量。最大動彈性模量Edmax求取方法是在普通直角坐標系統(tǒng)中，繪制εd/σd～εd關系曲線，在圖中εd=0處截取縱標a=1/Edmax，a的倒數就是Edmax。

最大阻尼比的確定有通過經驗公式和試驗確定兩種方式，該文采用試驗確定。當動應變水平較低時，動應力-動應變滯回環(huán)面積較小，求得的阻尼比點較離散，誤差較大；當動應力動應變水平較高時，動應力動應變曲線圍成的滯回環(huán)面積較大，求得的阻尼比也較為準確，當阻尼比隨動應變上升較平緩時，將其漸進常數作為最大阻尼比λdmax。

3 P5含量對動彈性模量的影響

動彈性模量是材料在動荷載作用下所表現出來的彈性力學性能參數，其數值越大說明材料的彈性承載性能越好。

通過對試驗數據進行整理，對同一P5含量的試樣，選擇每級荷載下的第10個滯回環(huán)來計算動彈性模量。圖5為不同P5含量的試樣動彈性模量與動應變的關系曲線。圖6為試樣的最大動彈性模量隨P5含量變化曲線。

圖5 不同P5含量試樣動彈性模量隨動應變變化曲線

圖6 最大動彈性模量隨P5含量變化曲線

由圖5可知：不同P5含量的試樣，其動彈性模量隨動應變變化趨勢基本相同，即動彈性模量隨動應變的增加而減小，具有明顯的非線性特征。在圖中所示應變范圍內，動彈性模量變化呈現緩慢降低～快速降低～趨于平緩的過程，即在動應變較小時，動彈性模量隨動應變的增大而緩慢減小，在εd=1×10-6～1×10-4時曲線趨于水平，表明土體處于近似彈性狀態(tài)，隨動應變繼續(xù)增大，試樣內部裂隙擴展，動彈性模量出現斷崖式下跌，以P5為10%的試樣為例，動應變由1×10-4增大至1×10-2，動彈性模量降低83.1%，表明土體處于彈塑性狀態(tài)；當動應變由1×10-2繼續(xù)增大，動彈性模量繼續(xù)減小，但減小幅度明顯降低，動應變從1×10-2增大至2×10-2動彈性模量減小9.8 MPa。

由圖6可知：P5含量對試樣最大動彈性模量有重大影響。當P5含量小于70%時，增加P5含量，最大動彈性模量顯著增大，當P5含量從50%增至70%時，最大動彈性模量增長26.2%。當P5含量大于70%時，曲線呈下降趨勢，當P5含量從70%增至90%時，最大動彈性模量降低10.3%。這是因為試樣的彈性模量取決于試樣內部結構的致密程度與裂隙的發(fā)育情況，結構越致密、裂隙越少則彈性模量越大。當P5含量小于70%時，隨著P5含量增多，粗顆粒逐漸形成骨架，細顆粒填充粗顆粒間的孔隙，粗粒、細粒的相互作用在P5=70%時達到最強，此時試樣的致密性最強，剛度最大，最大動彈性模量達到最大541 MPa。當P5含量超過70%，隨著P5含量繼續(xù)增大，細料填不滿粗料間的孔隙，試樣的致密性減弱，此外外荷載也主要由粗顆粒骨架承擔，粗粒之間的細粒不能承擔相應的作用力，試樣的剛度降低，動彈性模量減小。

4 P5含量對阻尼比的影響

土的阻尼比表示土體在動荷載作用下一個周期內消耗的能量與作用在土體上總彈性能量的比值。巖土體的阻尼參數是工程抗震設計中的重要指標，也是地震反分析和場地安全性評價的重要參數。阻尼比表征振幅衰減快慢，阻尼比越大，說明振幅衰減得越快，土體能量損耗越大。

對同一P5含量的試樣取每級荷載下第10個滯回環(huán)進行阻尼比的計算。不同P5含量試樣阻尼比隨動應變變化曲線如圖7所示。最大阻尼比隨P5含量變化曲線如圖8所示。

圖7 不同P5含量試樣阻尼比隨動應變變化曲線

由圖7可知：不同P5含量的試樣，其阻尼比隨動應變變化趨勢基本相同，即阻尼比隨動應變的增加而增加，具有明顯的非線性特征，呈現出緩慢增長～快速增長～趨于平緩的過程，在動應變較小時，阻尼比隨動應變的增大緩慢增大，以P5含量為70%的試樣為例，動應變從1×10-6增大至1×10-5阻尼比增大0.002 7；隨動應變繼續(xù)增大阻尼比快速增長，最后有趨于平緩的趨勢，例如對于P5含量為10%的試樣，動應變從1×10-5增大至5×10-3阻尼比增加0.059 8，動應變從1×10-2增大至2×10-2阻尼比增大0.002 1。

圖8 最大阻尼比隨P5含量變化曲線

由圖8可知：當P5含量小于70%時，增加P5含量，最大阻尼比顯著減小，例如P5含量從50%增至70%時，最大阻尼比減小12.1%。當P5含量大于70%時，曲線呈上升趨勢，例如P5含量從70%增至90%時，最大阻尼比增長6.2%。這主要是因為P5含量為70%時，土料內部致密性最強，在動荷載作用下一個周期內消耗的能量最小，振幅衰減得最慢，動力特性表現最佳。

5 P5含量對滯回曲線的影響

將不同P5含量試樣在循環(huán)偏應力q=20 kPa，振次N=10次的滯回曲線單獨繪制進行對比分析，如圖9所示。

圖9 不同P5含量試樣的滯回曲線

由圖9可知：其他條件相同的情況下，在P5含量為10%～70%時，隨P5含量的增加，滯回環(huán)的斜率增大，面積減小。表現為動彈性模量增大，阻尼比減小，土樣剛度增加。當P5含量為70%～90%時，隨P5含量增加，滯回環(huán)往橫坐標軸傾斜，斜率減小，動彈性模量減??；滯回環(huán)面積增大，阻尼比增大，內部孔隙率增大，土樣剛度下降。

6 P5含量對軸向累積應變的影響

通過對試驗數據進行整理，繪制不同P5含量試樣軸向累積應變隨振次發(fā)展曲線如圖10所示。循環(huán)應力比η=2.8時，不同P5含量試樣的軸向累積應變隨振次發(fā)展曲線如圖11所示。

由圖10可知：不同P5含量試樣的軸向累積應變發(fā)展曲線形態(tài)基本相似，表現為前期軸向累積應變迅速發(fā)展，后期增長速率減小，曲線變緩并趨于穩(wěn)定。在振次N=1 000次以前試樣完成大部分變形累積，例如P5=30%，η=3.6，在振次N=1 000次以前試驗完成軸向累積應變的89%。在振次N大于1 000次以后，軸向累積應變增長速率保持在一個較低水平，試樣只有很小的累積變形，曲線趨于穩(wěn)定，表明試樣在該級荷載下處于穩(wěn)定狀態(tài)，其動力響應也趨于彈性。出現這種現象主要是因為在循環(huán)振動荷載下顆粒間沿接觸面產生剪應力，并在剪應力的作用下顆粒發(fā)生重新排列并伴隨破碎和滑移，顆粒間較大的孔隙首先被填充，而后顆粒運動空間減小，顆粒間阻力增加，土體滑移速率減小，經過一定時間后達到新的平衡。

由圖11知：當荷載幅度相同時，試樣最終軸向累積應變隨P5含量增加先減小后增大，在P5=70%時，軸向累積應變達到最小值。以第4級荷載循環(huán)應力比η=2.8為例，當P5含量從10%增至70%時，軸向累積應變減小67.8%，當P5含量從70%增至90%時，軸向累積應變增大111.5%。這是因為當P5=10%～70%時，隨土體粗粒含量增加，因粗粒料顆粒大相應顆粒個數少，代替同重量的個數多、比表面積大的細粒料，形成單位體積土重增加，孔隙比減??；當P5含量為70%左右時，粗料形成完整骨架，細料能填滿孔隙，孔隙比最小，相同荷載下變形量最??；當P5含量超過70%以后，由于粗粒料含量增多，細粒料含量減小，細料填不滿粗料的孔隙，試樣孔隙比增大，相同荷載下變形量增加。

圖10 軸向累積應變隨振次發(fā)展曲線

圖11 η=2.8時不同P5含量試樣的軸向累積應變發(fā)展曲線

7 結論

基于路基真實動應力水平，開展路基粗粒土填料大型動態(tài)三軸剪切試驗，研究P5含量對粗粒土動力特性的影響規(guī)律，得到以下結論：

(1)當P5=10%～70%時，增加P5含量，最大動彈性模量快速增長，當P5=70%～90%時，增加P5含量最大動彈性模量降低。

(2)最大阻尼比隨P5含量增加先減小后增大，在P5含量為70%時達到最小值0.031。

(3)當P5=10%～70%時，增加P5含量，滯回環(huán)的面積減小，斜率增大，當P5=70%～90%時，隨P5含量增加滯回環(huán)面積增大，斜率減小。

(4)相同荷載下，P5=70%時試樣的軸向累積應變最小。