凍融循環(huán)條件下的路基土動三軸實驗研究

王晶 鄧寧

文章在動回彈模量實驗的基礎(chǔ)上，研究了凍融前后細(xì)顆粒土動力特征的改變情況，探索了物理狀況、不同的應(yīng)力狀態(tài)以及反復(fù)的凍結(jié)與融化對動回彈模量的作用。結(jié)果表明：圍壓和壓實度越高，土體的動回彈模量越大，而偏應(yīng)力和含水率的增大則會出現(xiàn)相反的規(guī)律;含水率和圍壓對動回彈模量的作用效果要高于壓實度和偏應(yīng)力;凍融循環(huán)會破壞土體的結(jié)構(gòu)，在第3次凍融前動回彈模量會出現(xiàn)較大程度的衰弱，隨后趨于平緩。

路基土;動回彈模量;凍融循環(huán)

U416.03A150533

0 引言

路基土在長期車載作用下會發(fā)生疲勞破壞，從而會使路基穩(wěn)定性和公路運營安全得不到保障。國內(nèi)外專家和研究人員早就針對路基土的動力特征和永久應(yīng)變做了大量的實驗。而Seed[1]和Dragos[2]在大量實驗的基礎(chǔ)上提出了回彈模量的公式，闡明了路基的回彈特性。宋前進(jìn)等[3]分析了孔隙比對粉土動力特征的作用，發(fā)現(xiàn)在固結(jié)圍壓不變時，粉土動力特性參數(shù)隨孔隙比的增大而降低;在同等實驗狀況下，小孔隙比粉土的動剪切模量更大。臧濛[4]對動態(tài)荷載作用下湛江黏土的動力特性進(jìn)行實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黏土在動態(tài)荷載作用下表現(xiàn)出脆性破壞特征，固結(jié)壓力對天然黏土動力特性的作用效果較大。邱欣等[4]和李志勇等[5]認(rèn)為回彈模量因含水率和壓實度的改變會出現(xiàn)較大范圍的波動。

目前已有不少學(xué)者對動回彈模量及其相關(guān)要素做出大量研究。本文主要開展凍融條件下的室內(nèi)動三軸實驗，分析土的物理狀況和應(yīng)力特征對動回彈模量的作用。

1 實驗材料及實驗方案

1.1 土樣

通過室內(nèi)常規(guī)實驗確定了土樣的基本物理性質(zhì)，如表1所示。

1.2 試件制備

首先將風(fēng)干土過5 mm篩，然后進(jìn)行擊實實驗，再按照所需壓實度準(zhǔn)備土料，加水拌和均勻后裝袋密封12 h，試件制樣使用液壓機(jī)靜壓成型，試件直徑為100 mm、高度為200 mm的圓柱體。以最佳含水率ω0、ω0±2%和壓實度96%前提下制作試樣來探討含水率對回彈模量的作用規(guī)律，每組3個。

1.3 動三軸實驗方法

本實驗所用儀器為英國GDS動三軸測試系統(tǒng)，實驗的加載波形荷載為頻率為1 Hz的半正弦波，其中持載時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s。考慮到我國道路的結(jié)構(gòu)組成和荷載水平，本實驗中選取4種不同的圍壓應(yīng)力和4種不同的偏應(yīng)力，實驗所用加載序列如表2所示。取倒數(shù)5次回彈變形的平均值，按式（1）計算試件的回彈模量：

MR=σdεR（1）

式中：MR——回彈模量;

σd——偏應(yīng)力，σd=σ1-σ3，σ1為豎向應(yīng)力，σ3為圍壓應(yīng)力;

εR——軸向回彈應(yīng)變均值。

1.4 凍融循環(huán)實驗方法

凍融循環(huán)實驗選擇在凍融箱內(nèi)進(jìn)行，1次循環(huán)包括1次凍結(jié)1次融化，共設(shè)置0～5次循環(huán)。凍結(jié)溫度設(shè)置為-15 ℃，持續(xù)12 h，融化溫度設(shè)置為15 ℃，同樣持續(xù)12 h。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 含水率與回彈模量的關(guān)系

在96%壓實度下，不同含水率（ω）對動回彈模量（MR）的作用結(jié)果如表3所示：可以看出土體MR受ω作用效果較大，ω的降低會導(dǎo)致MR的增大。在偏應(yīng)力一定（60 kPa）時，以45 kPa圍壓為例，土體在ω0下的MR為125.30 MPa;當(dāng)含水率為ω0-2%時，MR由125.30 MPa上升到140.53 MPa，增長了12.15%;當(dāng)含水率為ω0+2%時，MR由125.30 MPa降低到103.23 MPa，減小了17.61%。ω的增加會使得土體的水膜厚度增大從而導(dǎo)致顆粒間的吸引力減小，起到了潤滑的作用，應(yīng)變量的增大使得土體的整體抗變形能力降低，因此MR出現(xiàn)了較大的降幅。

2.2 壓實度與回彈模量的關(guān)系

最佳含水率狀態(tài)下，不同壓實度對動回彈模量（MR）的作用結(jié)果如表4所示：土體的壓實度越高，MR越大。在偏應(yīng)力一定（60 kPa）時，以45 kPa圍壓為例，96%壓實度時土體的MR為125.30 MPa;當(dāng)壓實度為100%時，MR由125.30 MPa上升到135.51 MPa，增長了8.15%;當(dāng)壓實度為94%時，MR由125.30 MPa降低到112.69 MPa，減小了10.06%。當(dāng)壓實度降低，土體變得相對松散，土體的空隙變大，受到荷載作用時產(chǎn)生的變形量也較大，而壓實度的增大使得土體的密實度也相應(yīng)得到提高，抵抗荷載作用的能力得到提升。因此在道路施工過程中需要盡量提高土體的壓實度。

2.3 應(yīng)力狀況與回彈模量的關(guān)系

在相同的實驗狀況下，應(yīng)力的變化與動回彈模量（MR）的關(guān)系如表5所示。在圍壓相同時，偏應(yīng)力的增加會使MR減小。以30 kPa的圍壓為例，偏應(yīng)力從30 kPa增加到105 kPa時，MR分別降低了9.88 MPa、18.94 MPa和29.85 MPa，降幅分別為8.81%、16.89%和26.60%。當(dāng)偏應(yīng)力不變時，提高圍壓會增大土體的MR，并且不同圍壓狀態(tài)下的增長幅度略有差異，整體近似于線性增長。以55 kPa的偏應(yīng)力為例，將圍壓從15 kPa逐級提高到60 kPa，MR分別增加了21.97 MPa、34.91 MPa和51.63 MPa，增幅分別為27.34%、43.45%和64.26%。從中可以看出路基土的MR對圍壓和偏應(yīng)力均有較強(qiáng)的敏感性。通過對比分析，可以推斷出圍壓對MR的提升效果要高于偏應(yīng)力的劣化效果。

2.4 凍融循環(huán)與回彈模量的關(guān)系

凍融次數(shù)對于路基土動回彈模量（MR）的作用關(guān)系如表6所示。經(jīng)歷過若干次凍融后，土體的MR均有所降低。在圍壓>15 kPa條件下，土體在3次凍融循環(huán)后，MR的降幅減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，這說明前3次的凍融作用對土體的破壞作用最大，MR的降幅最明顯，之后的凍融循環(huán)過程中，土體的MR幾乎不變。且在不同圍壓狀態(tài)下受凍融循環(huán)的作用不同，低圍壓的情況下受凍融作用更加顯著，以15 kPa圍壓為例，在5次循環(huán)后，MR下降了20.19 MPa，降幅為33.42%，在60 kPa圍壓時僅降低了8.99 MPa，降幅為8.36%，這是由于圍壓越大，土體的約束力也越強(qiáng)，圍壓對土體具有壓密作用。

3 結(jié)語

本文基于動三軸實驗，探討含水率、壓實度和應(yīng)力對細(xì)顆粒土動回彈模量的作用，結(jié)果表明：

（1）含水率的降低會使動回彈模量增大，而含水率的增大則會出現(xiàn)相反的規(guī)律;壓實度的提升會使動回彈模量增大。通過比較發(fā)現(xiàn)，含水率對動回彈模量的作用比壓實度更大，在路基施工過程應(yīng)嚴(yán)控含水率的變化，同時盡可能提高土體的壓實度。

（2）圍壓不變，偏應(yīng)力的增大會使土體的動回彈模量降低;當(dāng)偏應(yīng)力不變時，圍壓越大，動回彈模量越高。圍壓對土體動回彈模量的作用要高于偏應(yīng)力。

（3）凍融次數(shù)越多，土體顆粒破碎越嚴(yán)重，動回彈模量越低。其中，在前3次凍融的動回彈模量衰減幅度最高，凍融循環(huán)的衰減率隨圍壓的提高而降低，低圍壓的條件下動回彈模量衰減率最高。

[1]Seed H.B，Chan C.K，Lee C.E.Resilience characteristics of subgrade soils and their relation to fatigue failures in aspHalt pavements[A].Proceedings International Conference on Structural Design of AspHalt Pavement[C].University of Michigan，1962.

[2]Dragos A，Matthew W.W，Charles W.S.Harmonized resilient modulus test method for unbound pavement materials[A].82th Annual Meeting of Transportation Research Board [C].Washington，2003.

[3]宋前進(jìn)，程 磊，賀為民.孔隙比對土體動力特性參數(shù)的影響——以豫東平原粉土為例[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（7）：2 830-2 835.

[4]臧 濛，太 俊，汪為巍.循環(huán)荷載下結(jié)構(gòu)性黏土的動力特性試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（32）：13 348-13 354.

[5]邱 欣，錢勁松，張世洲.基于基質(zhì)吸力的粘性路基土動回彈模量預(yù)估模型研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38（3）：49-53.

[6]李志勇，董 城，鄒靜蓉，等.湘南地區(qū)紅黏土動態(tài)回彈模量實驗與預(yù)估模型研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（7）：1 840-1 846.