高速公路粉土路基填料結(jié)構(gòu)特性三軸試驗研究

黃克峰， 廉楊， 王景輝， 韓海洋， 謝郭靜， 李永靖， 張淑坤

(1.中建國際投資(安徽)有限公司， 安徽 合肥 230000； 2.中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院)

沈珠江提出，21世紀(jì)土力學(xué)研究的核心是結(jié)構(gòu)性問題，土體的強度和變形很大程度上受到其結(jié)構(gòu)性影響[1]。研究土結(jié)構(gòu)性的方法一般包括擾動狀態(tài)理論、綜合結(jié)構(gòu)勢理論、巖土破損力學(xué)理論和四維空間理論[2-5]。其中，最常用的綜合結(jié)構(gòu)勢理論將結(jié)構(gòu)性參數(shù)分為應(yīng)力結(jié)構(gòu)性參數(shù)和應(yīng)變結(jié)構(gòu)性參數(shù)。該理論能夠描述土體在球應(yīng)力或剪應(yīng)力單獨影響下的結(jié)構(gòu)性變化，而工程實際中土體表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)性變化是受球應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用的[6-8]。因此，采用劉家順等[3，9]提出的球應(yīng)力和剪應(yīng)力耦合影響結(jié)果的應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)，描述路基填料的結(jié)構(gòu)特性。車輛荷載等作用下，高速公路的路基將產(chǎn)生不同程度變形與破壞，同時粉土作為路基填料，經(jīng)歷鋪筑、壓實過程使原狀土變成了重塑土，結(jié)構(gòu)性發(fā)生了變化。該文以安徽省蚌埠至五里河高速公路的粉土路基為研究對象，開展以圍壓、壓實度為變量的三軸壓縮試驗，以便為粉土在路基填料中的應(yīng)用提供結(jié)構(gòu)性參數(shù)依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

蚌埠至五里河高速公路13#土場，取地表下5.2～5.5 m的土樣。取出后，在現(xiàn)場立即嚴(yán)格按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》對土樣顆粒級配、液塑限、最優(yōu)含水率等相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定[10-11]。試驗結(jié)果表明：大于0.075 mm粒徑的顆粒占總質(zhì)量的45.22%，塑性指數(shù)IP=8.4，最優(yōu)含水率為14.4%，最大干密度為1.70 g/cm3，經(jīng)鑒別此土為粉土。

1.2 試樣制備

原狀土：土樣坑是表層土體開挖5.2～5.5 m深度，并保證留設(shè)的土柱直徑要遠(yuǎn)大于試樣的直徑。自制薄壁圓管取土器，直徑為39.1 mm，入土的端面斜切45°，將內(nèi)壁均勻涂抹一層潤滑劑后，將取土器平緩地壓進(jìn)留設(shè)的土柱5.5 m處。到達(dá)指定深度后，靜止1 min，平緩取出并密封取土器，并以最短的時間運回試驗室。

重塑土：將取回的土樣碾碎，曬干至均勻，過2 mm細(xì)篩網(wǎng)，均勻攪拌。按照J(rèn)TG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[12]，分5層擊實，并保證壓實度各為92%、94%、96%、98%，采用重力型靜力法制作試件，試件尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm。

1.3 試驗方案

在DDS-70動三軸試驗系統(tǒng)上進(jìn)行固結(jié)排水試驗，加載速率為0.012 mm/s，由現(xiàn)場勘測得出當(dāng)?shù)胤弁羾鷫簽?0～150 kPa。因此，此次試驗研究圍壓σ3分別為50、100、150、200、250 kPa，在軸向應(yīng)變?yōu)?5%或試件徹底破壞時終止試驗，具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖1為原狀土和重塑土的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(a) 圍壓50 kPa

(b) 圍壓100 kPa

(c) 圍壓150 kPa

(d) 圍壓200 kPa

(e) 圍壓250 kPa

由圖1可知：

(1) 圍壓不大于150 kPa情況下，原狀土的σ-ε曲線呈應(yīng)變軟化現(xiàn)象。當(dāng)圍壓大于150 kPa時，曲線走勢逐漸向理想彈塑性和應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)化；壓實度不同的重塑土σ-ε曲線整體走勢均呈理想彈塑性向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)化。

(2) 荷載作用初期，軸向應(yīng)力增長的速度相對較快，但表現(xiàn)出的變形增長較慢。隨著剪切作用的繼續(xù)，應(yīng)力增長速度逐漸變慢，但表現(xiàn)出的變形增長相對較大。在圍壓一定時，原狀土抵抗變形的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于重塑土。這是由于原狀土在沉積和地質(zhì)作用過程中，形成了特有結(jié)構(gòu)。重塑土的壓實度越大，其極限強度越大，抵抗變形的能力越強；壓實度一定時，圍壓增加，可使土體的極限強度增大。

2.2 應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)

基于綜合結(jié)構(gòu)勢理論，采用應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)mη，描述外部因素、球應(yīng)力與剪應(yīng)力耦合應(yīng)力綜合影響，具體表達(dá)式見式(1)[3]：

(1)

式中：p為球應(yīng)力，p=(σ1+2σ3)/3；q為剪應(yīng)力，q=(σ1-σ3)/2；η為應(yīng)力比，η=q/p；ηi為原狀土的應(yīng)力比；ηrs為飽和重塑土的應(yīng)力比。

圖2為壓實度為92%、94%、96%、98%的重塑土，在圍壓50、100、150、200、250 kPa作用下的應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系。

由圖2可得：

(a) 圍壓50 kPa

(b) 圍壓100 kPa

(c) 圍壓150 kPa

(d) 圍壓200 kPa

(e) 圍壓250 kPa

(1) 在剪切作用整個階段，mη是在變形增大的過程中逐漸減小的，后期趨于穩(wěn)定。這是由于重塑土在壓實過程中會產(chǎn)生平衡的次生結(jié)構(gòu)，在剪切作用下，原有的次生結(jié)構(gòu)被破壞，后期持續(xù)的剪切作用使土體又形成新的次生結(jié)構(gòu)，因此抑制了土體結(jié)構(gòu)的損傷，但增加剪切作用。mη逐漸趨近于1，將導(dǎo)致土體逐漸損失其結(jié)構(gòu)性。當(dāng)mη=1時，則結(jié)構(gòu)性徹底損失。

(2) 圍壓一定時，增大重塑土體的壓實度，應(yīng)力比結(jié)構(gòu)參數(shù)減小。剪切作用初期，壓實度越小，應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)減小得越快。表明剪切作用初期，降低重塑土的壓實度，其結(jié)構(gòu)損傷情況越劇烈；壓實度和應(yīng)變不變，增加圍壓，應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)呈遞減的趨勢，表明圍壓變大促進(jìn)了結(jié)構(gòu)損傷。

2.3 初始應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)

重塑土的mη-ε曲線延伸至與縱坐標(biāo)軸相交的數(shù)值，即初始應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)mη0[8]。圖3為mη0分別以圍壓、壓實度為變量的變化規(guī)律。由圖3可得，當(dāng)土體壓實度固定時，隨著圍壓增加mη0呈緩慢的減小趨勢，重塑土初始結(jié)構(gòu)受圍壓影響較??；當(dāng)圍壓一定時，增加重塑土壓實度，mη0減小的速度較快?？梢姡瑝簩嵍鹊母淖?，對重塑土的mη0影響較大。

圖3 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與圍壓、壓實度的關(guān)系

運用Origin9.1對不同壓實度狀態(tài)下的初始應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與圍壓、壓實度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)mη0與圍壓呈三次多項式的關(guān)系，與壓實度呈良好的線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.88，具體結(jié)果見表2。

表2 初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)與圍壓、壓實度的關(guān)系表達(dá)式

2.4 結(jié)構(gòu)性損傷量

在整個固結(jié)試驗過程中，由于粉土在結(jié)構(gòu)性方面的變化而導(dǎo)致抵抗變形能力降低，進(jìn)而表現(xiàn)出應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)的減小，減小量即為結(jié)構(gòu)性損傷量mηd[3，8]，其表達(dá)式見式(2)。其中，mη根據(jù)圖2取ε=15%對應(yīng)的值。圖4為結(jié)構(gòu)損傷量與圍壓、壓實度對應(yīng)的關(guān)系曲線。

mηd=mη0-mη

(2)

由圖4可知:固定重塑土的壓實度，增大圍壓，結(jié)構(gòu)性損傷量是先增大后減小。圍壓為50～150 kPa時，結(jié)構(gòu)性損傷量呈遞增趨勢，為150～200 kPa時，結(jié)構(gòu)性損傷量減小，結(jié)構(gòu)性損傷量波動的范圍為0.33～0.79；圍壓一定時，增大重塑土的壓實度，結(jié)構(gòu)性損傷量逐漸減小，波動范圍為0.5～1.02?？梢?，壓實度的改變對重塑土的結(jié)構(gòu)損傷量的影響也較大。

圖4 結(jié)構(gòu)性損傷量與圍壓、壓實度的關(guān)系

運用Origin9.1對不同壓實度狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)性損傷量與圍壓、壓實度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷量與圍壓之間滿足三次多項式的關(guān)系，與壓實度間滿足線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.88，具體見表3。

表3 結(jié)構(gòu)性損傷量與圍壓、壓實度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1) 從應(yīng)力-應(yīng)變曲線看，原狀土的極限強度顯著高于重塑土，且隨圍壓的增大，極限強度遞增。原狀土表現(xiàn)為3種狀態(tài)：應(yīng)變軟化型、理想彈塑性型、應(yīng)變硬化型，重塑土則表現(xiàn)為理想彈塑性型和應(yīng)變硬化型。提高重塑土壓實度，極限強度增強。

(2) 應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)在剪切作用的整個過程中逐漸減小，且前期減小的速度較快，后期較為緩慢，并逐漸趨于1。圍壓增大、壓實度提高應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)遞減，表明圍壓和壓實度可破壞土體結(jié)構(gòu)。

(3) 初始應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨圍壓、壓實度的增大而減小。其中，圍壓對其的影響較小，而受壓實度的影響較大。mη0與圍壓的關(guān)系呈三次多項式，mη0與壓實度呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)性好。

(4) 結(jié)構(gòu)性損傷量mηd與圍壓的關(guān)系式為三次多項式，具體表現(xiàn)為：隨著圍壓的增大，mηd先遞增，再趨于平穩(wěn)，最后又遞減，總體上遞增；mηd隨壓實度的增大線性減小，相關(guān)性好。