分階段交通荷載作用下鹽漬土動力特性研究

王鵬程 徐安花

(1.青海大學土木工程學院 西寧 810016;2.青海交通職業(yè)技術(shù)學院 西寧 810016)

引 言

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略和西部地區(qū)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)設施建設的需求日益加大，交通荷載作用下鹽漬土地區(qū)的道路病害頻發(fā)已引起學者們的密切關(guān)注，同時也成為交通巖土中的熱點與難點問題[1-4]。與地震荷載相比，交通荷載有一個很突出的特征就是循環(huán)次數(shù)多，可以達到上百萬次。土體在遭受循環(huán)往復的振動加載后，其動力特性會發(fā)生改變，隨后的動態(tài)響應會出現(xiàn)明顯差異。目前對交通荷載作用下土體動力學問題的研究，主要針對持續(xù)性的恒定動荷載或多級動荷載作用下土體動力特性變化規(guī)律。趙福堂等[5-6]通過開展多級循環(huán)荷載作用下的動三軸試驗，探究了季凍區(qū)路基鹽漬土的動強度特性，并從微觀角度分析了不同循環(huán)應力比和振動頻率作用下土體的破壞機理，發(fā)現(xiàn)圍壓和溫度對動強度的影響較強，頻率的影響較弱。王耐賀等[7]分析了硫酸鹽漬土在雙向循環(huán)荷載作用下的動力特性，研究了不同試驗條件下鹽漬土的極限破壞振次及變化原因。

事實上，道路上行駛的車輛并不是持續(xù)不斷的，交通荷載的作用也不是均勻分布的，而是某一段時間里荷載比較集中，其余時間可能比較少，也就是說土體在經(jīng)歷某一時段的振動荷載后，會出現(xiàn)停振，然后又會繼續(xù)振動。因此，探究分階段荷載作用下土體的動力特性變化與路面實際的使用情況更接近，也更具參考價值。董超等[8]采用分階段加載的方式，探究了循環(huán)荷載和排水條件對溫州黏土動力特性的影響，并發(fā)現(xiàn)應變和孔隙壓力在第一階段增長迅速，隨后的階段增長速度減慢。李亞峰等[9]開展多種試驗條件下持續(xù)性與間歇性加載的動三軸試驗，研究了不同加載方式下細粒土的孔壓、回彈模量等參數(shù)的變化規(guī)律，表明土體因停振階段的存在，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以及時調(diào)整，后續(xù)荷載的承受能力有所提高。丁建宇等[10]在排水條件下開展階段性加載試驗，表明孔壓會由大到小變化，停振期的累積應變會隨著階段數(shù)的增加而減小，動應力也是如此。

本文對過氯鹽漬土開展持續(xù)性和分階段的循環(huán)加載試驗，考慮到加載瞬間土體不能及時固結(jié)排水，因此采用不固結(jié)不排水(UU)試驗，研究過鹽漬土在不同加載方式下的累積應變與動剪切模量發(fā)展規(guī)律，對比研究持續(xù)性加載與分階段加載對鹽漬土動力特性的影響。

1 試驗簡介

1.1 鹽漬土物理性質(zhì)

本次試驗所用土樣采自國道215線澀北至察爾汗段公路路基修筑現(xiàn)場，取樣樁號K113+832。根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》[11]進行界限含水率、顆粒分析等基本物理試驗，得到其最大干密度為1.81g/cm3，最優(yōu)含水率為5.20%，液塑限分別為20.47%、7.44%。通過離子色譜法測得試驗土樣總含鹽量為29.97%，Cl-與SO42-的比值為28.05>8>2，根據(jù)《鹽漬土地區(qū)公路設計與施工指南》[12]，可知試驗土樣為氯鹽類過鹽漬土。

1.2 試樣制備

將現(xiàn)場取回的土樣在105℃溫度下烘干8h，碾碎并過2mm篩，然后以最大干密度和最優(yōu)含水率分別計算出所需土樣的質(zhì)量和水的質(zhì)量，配制出所需材料，密封保存在相應容器中12h后，采用三瓣模分5次擊實制得重塑試樣，試樣為直徑39.1mm、高度80mm的圓柱體。

1.3 試驗儀器

采用英國GDS雙向動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)，通過GDSLAB軟件進行試驗操控，數(shù)據(jù)采集均由儀器配備的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字控制系統(tǒng)自動完成，系統(tǒng)穩(wěn)定、測試精度高。試驗儀器如圖1所示。

圖1 GDS雙向動態(tài)三軸試驗系統(tǒng)

1.4 試驗方案

本次試驗圍壓設定為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa，振動頻率設定為1.0Hz，試驗方案見表1。選用正弦波模擬現(xiàn)場交通實際循環(huán)荷載，并作為動三軸試驗的動力荷載，振動幅值σd設定為20kPa。試驗分兩種方式：(1)持續(xù)性加載，每個試樣連續(xù)加載5000次，加載示意圖如圖2(a)所示；(2)分階段加載，振動8min，停振8min，然后繼續(xù)振動，每個試樣共進行5個階段的加載-停振試驗，加載示意圖如圖2(b)所示。當試樣振動次數(shù)達到5000次后試驗終止[13]。

表1 試驗方案設計

圖2 動力加載示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)性加載結(jié)果分析

交通荷載作用下過鹽漬土累積應變在持續(xù)性加載下隨圍壓的發(fā)展形態(tài)如圖3所示。由圖可見，隨著振動次數(shù)的不斷增加，過鹽漬土的累積應變均呈現(xiàn)持續(xù)增長并逐步收斂的趨勢，加載初期增長速率較大，后期增長速度逐漸緩慢。同時也可以看出，圍壓越大，應變增長越快，最終的累積應變會越大。這是因為在較小圍壓下，土樣產(chǎn)生的初始剪切位移較大，變形比較困難，交通荷載作用下的累積應變也就較小。

圖3 持續(xù)性加載累積應變發(fā)展曲線

由動三軸試驗可以繪制動應力-動應變的關(guān)系曲線，在假定泊松比的前提下，可得到動彈性模量[14]。其中，動彈性模量Ed的計算如式(1)：

(1)

進一步，動剪切模量可表示為式(2)：

(2)

式中：σd、εd分別為同一循環(huán)荷載下的軸向動應力和軸向動應變；μ為動泊松比，根據(jù)徐學燕等[15]的研究，取為0.30。

持續(xù)性加載下動剪切模量隨動應變的變化關(guān)系曲線如圖4所示，分析可知，在交通荷載作用下，過鹽漬土動剪切模量隨動應變的增加而減小，加載初期減小速率較快，后期減小速率逐漸減低。由于土樣在重塑過程中形成的結(jié)構(gòu)骨架具有較強的抵抗剪切變形能力，因此表現(xiàn)為交通荷載加載初期在較小的動應變下有較大的動剪切模量，而隨著動應變的增加，骨架逐漸被破壞，動剪切模量迅速減??；隨著荷載的持續(xù)加載，動應變不斷增加，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土顆粒排列重組形成的再生結(jié)構(gòu)使得動剪切模量在后期變化逐漸減小。

從圖中也可以看出，動剪切模量隨著圍壓的增加而不斷增大。試樣在較大圍壓下，孔隙比會逐漸減小，土顆粒之間的接觸更為緊密，土顆粒之間的咬合力和黏結(jié)力增大，抵抗剪切變形能力不斷增強，動剪切模量逐漸增大。

2.2 分階段加載結(jié)果分析

分階段加載下累積應變的發(fā)展形態(tài)如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，分階段加載下累積應變的發(fā)展規(guī)律與持續(xù)性加載相似，累積應變隨圍壓的增加而增大，但是由于停振階段的存在，后續(xù)加載階段的累積應變有所降低。在分階段加載條件下，第1階段的累積應變迅速增大，停振階段應變不發(fā)生變化，后續(xù)振動過程中應變繼續(xù)增大，但是增大幅度越來越小。這是因為，由于分階段加載給予試樣的卸載作用，孔隙水雖不能及時排出，但是停振期內(nèi)，荷載作用下產(chǎn)生的殘余應變逐漸恢復，振動階段數(shù)越多，可恢復的殘余應變越來越多，土體顆粒結(jié)構(gòu)及時重新調(diào)整，承受荷載的能力有所提高。同時，停振也可以減緩后期加載過程中累積應變的發(fā)展，試樣的累積總應變就會減小。

圖4 持續(xù)性加載下的動剪切模量 圖5 分階段加載下累積應變發(fā)展曲線

分階段加載下動剪切模量隨動應變的變化關(guān)系曲線如圖6所示，由圖可知，分階段加載條件下，動剪切模量仍然隨動應變的增大而減小，但卻未呈現(xiàn)隨圍壓的增加逐漸增大的趨勢，這與持續(xù)性加載是有明顯區(qū)別的。第1階段的動剪切模量數(shù)值較大，停振階段持續(xù)減小，在經(jīng)歷一次停振后，動剪切模量迅速減小，階段數(shù)越大，動剪切模量的減小速率越小。因為振動期間，土體產(chǎn)生的變形沒有充足的時間去恢復，但停振以后，由于土體本身的塑性，部分變形會恢復，隨著階段數(shù)的增多，土體能夠抵抗變形的能力逐漸增強，動剪切模量衰減速度降低。

圖7給出了持續(xù)性加載與分階段加載條件下累積應變的變化曲線，可知在兩種加載方式下，試樣未出現(xiàn)破壞，最終均達到穩(wěn)定狀態(tài)。在圍壓為100kPa、200kPa和300kPa下，分階段加載的累積應變小于持續(xù)性加載，而在400kPa、500kPa下卻截然相反。究其原因，主要是因為在較小圍壓下，停振階段可以起到緩沖作用，部分變形可以得到恢復，而在較大圍壓下，圍壓對土體的擠密作用較強，停振后，土體的變形仍然被束縛，不能夠及時恢復，因此表現(xiàn)為較小圍壓下，持續(xù)性加載的累積應變大；而在較大圍壓下，分階段加載的累積變形大。

圖6 分階段加載下的動剪切模量 圖7 不同加載方式下的累積應變

3 結(jié) 論

通過對國道215線澀北至察爾汗段公路所用鹽漬土開展兩種不同加載方式下的動三軸試驗，分析了不同加載方式下累積應變與動剪切模量的變化規(guī)律，對比分析了兩種加載方式下土樣累積應變出現(xiàn)差異的原因，得到主要結(jié)論如下：

(1)持續(xù)性加載條件下，土樣的累積變形增長迅速，最終趨于穩(wěn)定。動剪切模量隨動應變的增大逐漸減小，隨圍壓的增大而增大。

(2)分階段加載條件下，土樣的累積變形在第1階段增長迅速，停振期不發(fā)生變化，后續(xù)階段變形繼續(xù)增大，但是增大幅度隨階段數(shù)的增大而減小。動剪切模量隨動應變的增大而減小，隨圍壓的變化規(guī)律不明顯；停振期內(nèi)，動剪切模量會急劇降低，但在下一階段振動時又有所恢復。

(3)持續(xù)性加載和分階段加載下試樣未出現(xiàn)明顯的破壞，逐漸達到壓密穩(wěn)定狀態(tài)。較小圍壓下，持續(xù)性加載的累積應變大，而較大圍壓下，分階段加載的累積應變大。因此，可以看出分階段加載對鹽漬土動力特性的影響比較明顯，在開展研究時考慮停振階段可以更準確地揭示交通荷載對鹽漬土路基的動態(tài)效應，得到更貼近實際的試驗結(jié)果。