高速鐵路路基粗粒土填料動(dòng)靜力力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王天亮，張 飛，宋宏芳，卜建清，尹趙愛

(1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050043)

我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展，列車速度的不斷增加，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和平順度的要求越來(lái)越高，對(duì)路基填料性能也提出了更高的要求。粗粒土填料近些年被廣泛地應(yīng)用在諸多工程中，例如，砂石壩、鐵路、公路工程，主要得益于其優(yōu)越的力學(xué)性能。路基作為鐵路線路的重要組成部分，具有承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)自重和列車運(yùn)行中產(chǎn)生的動(dòng)荷載沖擊的作用。細(xì)粒含量和含水率對(duì)粗粒土的力學(xué)性能有著重要影響，特別是不同細(xì)粒含量的粗粒土往往呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能，所適用的工程特征也不盡相同。

在粗粒土靜動(dòng)力學(xué)特性研究方面，目前主要以試驗(yàn)和數(shù)值仿真等方法為主[1]。在粗粒土填料靜力學(xué)特性研究方面，彭勃等[2]對(duì)紅砂巖粗粒土的壓實(shí)特性進(jìn)行了研究，分析了壓實(shí)厚度和能量對(duì)粗粒土壓實(shí)特性的影響。陳樂求等[3]對(duì)改良粗粒土的靜動(dòng)力強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究，研究結(jié)果表明，水泥改良后的泥質(zhì)板巖粗粒土靜動(dòng)力學(xué)性能明顯提高。冷伍明等[4]借助大型三軸剪切試驗(yàn)，分析了重載鐵路路基粗粒土填料的力學(xué)性能。楊堯[5]、劉軼[6]分別對(duì)低圍壓條件不同壓實(shí)度、含水率和排水條件下的粗粒土靜力特性進(jìn)行了研究，分析了粗粒土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。

由于路基承受上部列車長(zhǎng)期動(dòng)荷載的沖擊作用，許多學(xué)者進(jìn)一步開展了粗粒土填料動(dòng)力特性相關(guān)研究，對(duì)于粗粒土的動(dòng)力特性研究多集中在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[7-8]、動(dòng)彈性模量[9-10]和累積塑性變形[11-12]等方面。冷伍明等[13-14]分析了粗粒土填料臨界動(dòng)應(yīng)力和累積塑性應(yīng)變隨圍壓和含水率的變化規(guī)律。梅慧浩等[15]、周文權(quán)等[16]針對(duì)動(dòng)荷載作用下重載鐵路路基粗粒土填料的累積塑性應(yīng)變特征進(jìn)行了分析，建立了相應(yīng)的塑性應(yīng)變預(yù)測(cè)模型。Zhai等[17]提出一種預(yù)測(cè)飽和粗粒土臨界動(dòng)應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)方法。Zhang等[18]研究了低溫條件下不同粗粒含量粉土的動(dòng)靜力特性，認(rèn)為粗粒土的含量對(duì)于凍土混合料的動(dòng)靜力特性有較大影響。Mei等[19]通過分析粗粒土的累積塑性應(yīng)變特征，建立了考慮不同應(yīng)力狀態(tài)和軸向加載次數(shù)的塑性應(yīng)變預(yù)測(cè)模型。以上研究可以看出，針對(duì)不同水分和溫度條件下的粗粒土動(dòng)力特性研究較為深入，但是關(guān)于不同細(xì)粒含量下粗粒土的動(dòng)力特性研究相對(duì)較少。

綜上所述，本文開展不同含水率和細(xì)粒含量下粗粒土的動(dòng)靜力學(xué)特性試驗(yàn)研究,分析在不同靜荷載和圍壓下粗粒土的應(yīng)力-應(yīng)變特征、變形模量以及抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，考慮反復(fù)動(dòng)荷載作用下，研究不同圍壓和動(dòng)應(yīng)力幅值下粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線變化規(guī)律，分析粗粒土動(dòng)彈性模量和累積塑性變形特征。研究結(jié)果可為高速鐵路粗粒土路基設(shè)計(jì)和早期病害發(fā)現(xiàn)提供重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本次試驗(yàn)選用細(xì)圓礫土路基填料，顆粒粒徑最大為20 mm，粒徑大于2 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%，粗顆粒形狀以渾圓為主，屬于AB組路基填料。其中，粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土液限含水量為23.8%，塑性指數(shù)為8.77，塑限含水量為15.03%。

選取細(xì)粒占比分別為5%、10%和15%的粗粒土填料[20-21]，開展動(dòng)力性能試驗(yàn)，顆粒級(jí)配曲線和基本物理指標(biāo)如表1和圖1所示。由表1可知，隨著細(xì)粒含量的增加，粗粒土的最大干密度先增大后減小[22]，這主要是由于細(xì)顆粒填充粗顆?？紫叮瑔挝惑w積粗粒土干土質(zhì)量增大，干密度隨之增加；當(dāng)細(xì)顆粒超過一定含量后，細(xì)顆粒將占據(jù)粗顆粒的空間，粗顆粒減少，單位體積粗粒土干質(zhì)量減少，干密度隨之降低。

表1 粗粒土的最大干密度和最優(yōu)含水率

圖1 粗粒土顆粒級(jí)配曲線

試驗(yàn)采用GDS動(dòng)靜三軸儀。靜力試驗(yàn)的加載運(yùn)用應(yīng)變控制方式，在加載過程中速率取值為2 mm/min，當(dāng)試樣變形達(dá)到15%后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)過程考慮三種不同的含水率，分別為4%、6%和8%。

動(dòng)力加載采用應(yīng)力控制循環(huán)加載方式，施加正弦波形軸向循環(huán)應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)最大值設(shè)定為50 000次，根據(jù)高速鐵路列車運(yùn)行速度和車長(zhǎng)，計(jì)算得到荷載頻率為5 Hz，動(dòng)荷載應(yīng)力幅值最大取120 kPa(表2)。試驗(yàn)時(shí)使用壓力傳感器采集循環(huán)荷載，使用位移傳感器采集試樣軸向變形。當(dāng)試樣的軸向累積應(yīng)變達(dá)到5%，或試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的50 000次時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

表2 粗粒土動(dòng)力特性試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試樣制備及安裝

在試樣制作過程中，采用控制干密度法分三層擊實(shí)試樣。試驗(yàn)前稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量的各種粒徑的土顆粒，攪拌均勻，配制預(yù)先設(shè)計(jì)的含水量，試樣尺寸為直徑100 mm、高度200 mm，配制好的試樣用保鮮膜密封24 h。試樣制備好后，將試樣放至于三軸試驗(yàn)壓力室中，通過注水的方式施加圍壓。軸向力施加時(shí)，由于試驗(yàn)裝置壓力室不透明，不能直接進(jìn)行位移控制，因此，先采用試接觸的方式讓加載軸與試樣緊密接觸，故設(shè)定0.01 kN接觸力作為控制接觸條件，當(dāng)軸向力達(dá)到該值且穩(wěn)定后，位移值清零，啟動(dòng)試驗(yàn)加載程序。

1.3 圍壓施加及排水條件

依據(jù)鐵路路基填料原位應(yīng)力條件，反映在試驗(yàn)中主要包含固結(jié)壓力σ3、固結(jié)應(yīng)力比Kc等指標(biāo)。考慮基床結(jié)構(gòu)周圍所受壓力較低，根據(jù)相關(guān)研究對(duì)路基圍壓實(shí)測(cè)值，試驗(yàn)圍壓最終選取為30、60、90 kPa[23]。

試驗(yàn)所用試樣為按照要求擊實(shí)的粗顆粒料，在試驗(yàn)過程中不考慮固結(jié)問題。考慮基床填料埋深較淺，且列車荷載作用具有瞬時(shí)特性，造成一定深度內(nèi)基床填料的水來(lái)不及排出。因此，不考慮填料的排水問題，試驗(yàn)條件為不固結(jié)不排水。

2 靜力特性分析

2.1 不同含水率條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2～圖4為粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，隨著含水率的增加，偏應(yīng)力總體呈下降趨勢(shì)。試樣含水率為4%，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.5×10-2～3.3×10-2時(shí)，試樣達(dá)到最大強(qiáng)度；當(dāng)試樣含水率上升為6%時(shí)，峰值強(qiáng)度有所降低，峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.8×10-2～4.2×10-2；含水率分別為4%和6%時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)試樣含水率為8%時(shí)，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力呈現(xiàn)出先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的特征，試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性。這主要是由于隨著土體中自由水含量增多，水對(duì)顆粒起到潤(rùn)滑作用，加劇了顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度降低。隨著含水率的升高，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線由軟化型逐步過渡到硬化型。

圖2 細(xì)粒含量為5%的粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著圍壓的增大，偏應(yīng)力逐漸增大，在含水率和細(xì)粒含量相同的條件下，不同圍壓下粗粒土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相似的變化趨勢(shì)。同時(shí)，在低含水率條件下，圍壓對(duì)于增大土體強(qiáng)度的作用效果較為明顯，隨著含水率的增加，圍壓對(duì)粗粒土強(qiáng)度的影響減弱。這主要是由于圍壓對(duì)土體的側(cè)向約束作用，導(dǎo)致顆粒間的咬合力增大，限制了土體的側(cè)向變形，進(jìn)而土體強(qiáng)度增大。含水率增加至一定程度時(shí)，粗粒土顆粒間的摩擦力和咬合力減小，致使圍壓的作用減弱。

圖3 細(xì)粒含量為10%的粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 細(xì)粒含量為15%的粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)于不同細(xì)粒含量的粗粒土而言，在相同的含水率和圍壓作用下，細(xì)粒含量為10%的試樣抗剪強(qiáng)度高于其他兩種試樣。由此可見，當(dāng)細(xì)粒摻量為10%時(shí)，粗粒土試樣可以形成最優(yōu)的配比組合[24]，此時(shí)，粗粒土試樣抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。這主要是由于當(dāng)細(xì)粒含量較小時(shí)，粗顆粒間的孔隙不能被填滿，粗粒土之間的黏結(jié)力較小。隨著細(xì)顆粒含量不斷增多，細(xì)顆粒逐漸充滿了粗顆粒之間的孔隙，隨著細(xì)顆粒含量繼續(xù)增加，細(xì)顆粒會(huì)將粗顆粒包裹，粗顆粒間摩擦力減小，導(dǎo)致另外兩種情況粗粒土的抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低。

2.2 變形模量特征

采用割線模量法[25]，計(jì)算粗粒土的變形模量。其中，對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變軟化型試樣，變形模量采用其峰值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于沒有明顯峰值點(diǎn)的試樣，變形模量計(jì)算選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，略有波動(dòng)或應(yīng)力不再增大的點(diǎn)進(jìn)行變形模量計(jì)算[26]。對(duì)于硬化型無(wú)峰值點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，取軸向應(yīng)變0.06對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差作為峰值強(qiáng)度進(jìn)行分析。由此得到不同含水率與變形模量之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 變形模量與含水率關(guān)系曲線

由圖5可看出，隨著含水率的增加，粗粒土變形模量逐漸減小，變形也逐漸增大；細(xì)粒含量為10%，含水率由6%增加到8%時(shí)，變形模量急劇減小。由于圍壓對(duì)試樣軸向變形具有一定的抑制作用，因此，變形模量則隨著圍壓的不斷增大而增大，但在含水率不斷增大的情況下，圍壓對(duì)變形模量的影響作用逐漸減小。含水率為4%和6%時(shí)，圍壓對(duì)試樣的徑向抑制作用導(dǎo)致變形模量受圍壓影響較大。當(dāng)試樣細(xì)粒含量不同時(shí)，在同一圍壓下，變形模量隨著細(xì)粒含量增大而增大；當(dāng)含水率為8%時(shí)，圍壓對(duì)變形模量影響不明顯。細(xì)粒含量為15%的粗粒土試樣變形模量比其他細(xì)粒含量大，說(shuō)明在一定條件下細(xì)粒含量增加有利于提升粗粒土抵抗變形的能力。當(dāng)含水率為8%時(shí)，細(xì)粒含量對(duì)粗粒土試樣變形模量影響不大，表明此時(shí)含水率是影響變形模量的主要因素。

2.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

為分析粗粒土的抗剪強(qiáng)度，采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則求得粗粒土的黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ，見表3。

表3 粗粒土的剪切強(qiáng)度指標(biāo)

由表3中數(shù)據(jù)可知，粗粒土內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而逐漸減小，但土體的黏聚力變化則正好相反。含水率增加導(dǎo)致細(xì)粒土中自由水含量增大，細(xì)顆粒的潤(rùn)滑作用降低了粗顆粒之間的咬合力和摩擦力，致使粗粒土的內(nèi)摩擦角降低；然而，在有限的含水率條件下，細(xì)顆粒之間的黏聚力和結(jié)合水占據(jù)主導(dǎo)作用，且粗顆粒之間的孔隙被細(xì)顆粒充填，粗顆粒之間的黏結(jié)性在一定程度上發(fā)生了改變，致使粗粒土試樣黏聚力增大。相同含水率情況下，內(nèi)摩擦角隨細(xì)粒含量的增加變化不大，黏聚力先增大后減小，在細(xì)粒含量為10%時(shí)黏聚力最大，表明細(xì)粒含量可以有效地提高粗粒土黏聚力，且存在一個(gè)最優(yōu)的細(xì)粒含量值。

3 動(dòng)力特性分析

3.1 累積塑性應(yīng)變

安定性理論可以用來(lái)描述顆粒狀材料的累積變形，基于該理論，軸向累積變形分為增量破壞、塑性蠕變和塑性安定三個(gè)范圍，如圖6所示[27]。

圖6 不同動(dòng)應(yīng)力荷載下軸向累積變形與循環(huán)次數(shù)關(guān)系

為進(jìn)一步對(duì)每個(gè)范圍進(jìn)行量化，Chen等[27]對(duì)安定范圍標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義。

其中，1/as為圖7所示三種累積應(yīng)變曲線擬合曲線的斜率[27]。

圖7 二次變形與二次循環(huán)壓縮次數(shù)關(guān)系示意

圍壓為60 kPa，細(xì)粒含量為10%時(shí)，不同含水率及動(dòng)應(yīng)力幅值下軸向累積應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系如圖8所示。細(xì)粒含量分別為5%和15%的粗粒土在圍壓為30 kPa，含水率為6%條件下，不同動(dòng)應(yīng)力幅值下軸向累積應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系如圖9所示。

圖8 細(xì)粒含量為10%、圍壓為30 kPa時(shí)，累積塑性應(yīng)變與軸向加載次數(shù)曲線

圖9 含水率為6%、圍壓為30 kPa時(shí)累積塑性應(yīng)變與軸向加載次數(shù)曲線

由圖8可以看出，含水率4%條件下，動(dòng)應(yīng)力分別為60 kPa和90 kPa時(shí)，土體處于塑性安定范圍，土體的累積變形穩(wěn)定在0.35%～0.70%。隨著動(dòng)應(yīng)力的進(jìn)一步增大，土體逐漸過渡到塑性蠕變范圍。當(dāng)含水率增加到6%時(shí)，試樣逐漸過渡到塑性蠕變范圍(動(dòng)應(yīng)力幅值為60 kPa)，或處于增量破壞范圍(動(dòng)應(yīng)力幅值分別為90、120 kPa)。當(dāng)含水率達(dá)到8%時(shí)，試樣全部處于增量破壞范圍。

此外，處于塑性安定范圍和塑性蠕變范圍內(nèi)的試樣，前10個(gè)軸向加載周期會(huì)出現(xiàn)較大的累積軸向變形，累積軸向變形接近50%。對(duì)于已經(jīng)位于增量破壞范圍的土樣，達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所需要的軸向加載次數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而逐漸減小。在較低的含水率下，較小的動(dòng)應(yīng)力幅值使軸向累積變形增加緩慢；在較高的含水率下，軸向累積變形增加顯著。

由圖8(b)和圖9可以看出，不同細(xì)粒含量與較低動(dòng)應(yīng)力幅值條件下，累積塑性應(yīng)變先增大后趨于穩(wěn)定。動(dòng)應(yīng)力幅值的不斷增大，累積塑性應(yīng)變隨著加載次數(shù)的增大而明顯增大。細(xì)粒含量為5%，且動(dòng)應(yīng)力幅值σd分別為30、60 kPa時(shí)，粗粒土試樣處于安定范圍內(nèi)；隨著動(dòng)應(yīng)力幅值增大(90 kPa時(shí))，粗粒土試樣處于塑性蠕變范圍內(nèi)；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力為120 kPa時(shí)，土體逐漸過渡到增量破壞范圍。當(dāng)試樣細(xì)粒含量上升至10%，施加的動(dòng)應(yīng)力幅值為60 kPa時(shí)，粗粒土試樣處于塑性蠕變范圍內(nèi)，但塑性蠕變與增量破壞之間的界限未能明確；隨著動(dòng)應(yīng)力幅值繼續(xù)增大(大于90 kPa)，粗粒土試樣位于增量破壞范圍內(nèi)。當(dāng)細(xì)粒含量為15%，且動(dòng)應(yīng)力幅值分別為30、60 kPa時(shí)，粗粒土試樣位于安定范圍內(nèi)；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值持續(xù)增大(大于90 kPa)，粗粒土試樣則直接躍至增量破壞范圍。在此過程中，塑性蠕變范圍不能明確得知，究其原因主要是試驗(yàn)所施加的動(dòng)應(yīng)力幅值跳躍較大，導(dǎo)致了塑性蠕變范圍邊界值缺失。綜上可知，相同含水率條件下，細(xì)粒含量為5%的粗粒土抵抗塑性變形能力較好。

3.2 滯回曲線

圖10給出了細(xì)粒含量為15%，圍壓為30 kPa，加載次數(shù)為10 000次，動(dòng)應(yīng)力幅值分別為30、60、90、120 kPa時(shí)，粗粒土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈曲線。由圖10可知，動(dòng)應(yīng)力幅值分別為30、60、90 kPa時(shí)，動(dòng)應(yīng)變分別為0.29×10-2、0.31×10-2、2.32×10-2，試樣均未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)應(yīng)力幅值為120 kPa時(shí)，試樣出現(xiàn)破壞?？梢钥闯?，隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大，在相同的加載次數(shù)下動(dòng)應(yīng)變逐漸變大。但隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大，試樣破壞時(shí)所需的加載次數(shù)逐漸減小。前10次的加載滯回曲線隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大逐漸密集，主要是由于隨著動(dòng)應(yīng)力幅值增大，粗粒土初期壓實(shí)速度逐漸變快，在較低的動(dòng)應(yīng)力幅值作用下初期壓實(shí)需要更多次的循環(huán)加載。

圖10 不同動(dòng)應(yīng)力幅值下粗粒土的滯回圈曲線

3.3 動(dòng)彈性模量

動(dòng)彈性模量是土動(dòng)力學(xué)中最重要的參數(shù)之一，等效線性本構(gòu)模型是對(duì)動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變衰減規(guī)律的定量描述。試驗(yàn)中的動(dòng)荷載具有周期性，使得動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變之間表現(xiàn)出滯回關(guān)系，根據(jù)滯回曲線，粗粒土的動(dòng)彈性模量可計(jì)算為

(1)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算不同細(xì)粒含量和含水率條件下粗粒土的動(dòng)彈性模量Ed。圖11列出了動(dòng)應(yīng)力幅值為120 kPa，圍壓為30 kPa，含水率為4%時(shí)，不同細(xì)粒含量條件下動(dòng)彈性模量與軸向加載次數(shù)之間的關(guān)系。圖12給出了動(dòng)應(yīng)力幅值為120 kPa，圍壓為30 kPa，細(xì)粒含量為10%時(shí)，不同含水率條件下動(dòng)彈性模量與軸向加載次數(shù)之間的關(guān)系。

圖11 不同細(xì)粒含量粗粒土動(dòng)彈性模量

圖12 不同含水率粗粒土動(dòng)彈性模量

從圖11可以看出，在前10次加載過程中，粗粒土動(dòng)彈性模量隨著加載次數(shù)的增加逐漸增大，細(xì)粒含量為10%的粗粒土動(dòng)彈性模量最大，說(shuō)明在較低的軸向加載次數(shù)下，細(xì)粒含量為10%的粗粒土最先被壓實(shí)，而細(xì)粒含量為5%的粗粒土則正好相反。當(dāng)加載次數(shù)為10～100次時(shí)，細(xì)粒含量為15%和10%的粗粒土動(dòng)彈性模量增速逐漸減小，細(xì)粒含量為5%的粗粒土動(dòng)彈性模量則繼續(xù)保持較高的增長(zhǎng)速度。

當(dāng)粗粒土試樣加載次數(shù)超過100次時(shí)，除細(xì)粒含量為5%的粗粒土動(dòng)彈性模量持續(xù)增加外，其他兩種類型粗粒土動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；當(dāng)加載次數(shù)超過1 000次時(shí)，細(xì)粒含量為5%的粗粒土動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)加?。划?dāng)加載次數(shù)超過5 000次時(shí)，細(xì)粒含量為5%的粗粒土的動(dòng)彈性模量已經(jīng)超過其他兩種類型的粗粒土。這主要是由于細(xì)粒含量較低的粗粒土在加載初期由于土顆粒間的孔隙較大，導(dǎo)致其變形較大，隨著加載次數(shù)增加，粗粒土顆粒之間逐漸形成一定的咬合骨架。細(xì)顆粒含量較大的粗粒土，加載初期由于細(xì)粒土的存在，粗粒土之間的孔隙相對(duì)較小，多被細(xì)顆粒填充，因此變形也較小，但細(xì)粒含量較高，抑制了粗顆粒之間穩(wěn)定的咬合骨架的形成，導(dǎo)致摩擦力減小。

從圖12中可以發(fā)現(xiàn)，在前10次加載過程中，含水率為4%的粗粒土動(dòng)彈性模量最大，最先被壓實(shí)，更易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；含水率為8%的粗粒土則正好相反，其動(dòng)彈性模量在加載初期最小，隨著加載次數(shù)不斷增加其增長(zhǎng)速率最快。當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，三種含水率的粗粒土動(dòng)彈性模量逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)含水率為4%的粗粒土動(dòng)彈性模量最大；當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到1 000次時(shí)，含水率為6%和8%的粗粒土動(dòng)彈性模量開始減小，且含水率為8%的粗粒土動(dòng)彈性模量減小速率要明顯大于含水率為6%的粗粒土，而含水率為4%的粗粒土動(dòng)彈性模量基本保持不變。這主要是由于含水率越大，顆粒之間的摩擦力越小，隨加載次數(shù)的增加，土體的變形持續(xù)增大，動(dòng)彈性模量減小。

4 結(jié)論

(1)細(xì)粒含量、含水率和圍壓對(duì)粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變有較大影響。圍壓增大了顆粒間的咬合力，提高了粗粒土的強(qiáng)度；含水率和細(xì)粒含量對(duì)粗粒土靜力特性存在顯著的耦合效應(yīng)。細(xì)粒含量為10%的粗粒土配比可以形成最優(yōu)組合。

(2)含水率較低時(shí)，圍壓和細(xì)粒含量的增加均可提高粗粒土的變形模量，含水率增加為8%時(shí)，粗粒土變形模量急劇減小，此時(shí)含水率起主導(dǎo)作用。粗粒土的內(nèi)摩擦角隨含水率的增大逐漸減小，黏聚力則呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(3)在動(dòng)應(yīng)力作用下，粗粒土試樣均滿足安定理論。在較低的含水率與較小的動(dòng)應(yīng)力幅值作用下，軸向累積變形處于塑性安定和塑性蠕變范圍內(nèi)；較高的含水率則使軸向累積變形很快達(dá)到增量破壞范圍。相同的含水率條件下，5%細(xì)粒含量的粗粒土抵抗塑性變形的性能最優(yōu)。

(4)加載初期的動(dòng)彈性模量，細(xì)粒含量為10%的粗粒土最大，細(xì)粒含量為5%的最小；隨著加載次數(shù)增加，細(xì)粒含量為5%粗粒土的動(dòng)彈性模量遠(yuǎn)超細(xì)粒含量10%、15%的粗粒土。