動力及濕化作用下粗粒土路堤填料的力學(xué)性能

何忠明，盧逸恒，向達(dá)，劉正夫

(1. 長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410004；2. 中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京100011)

粗粒土在我國南方多雨地區(qū)分布廣泛，獲取便捷，與其他土體相比，粗粒土在充分壓實(shí)后的力學(xué)性能較好，抗剪強(qiáng)度較高，因此，在該區(qū)域進(jìn)行修筑路堤時通常會因地制宜地將其作為路堤填筑材料[1-2]。隨著粗粒土工程應(yīng)用不斷增加，國內(nèi)外研究人員對粗粒土物理力學(xué)特性的研究不斷深入。在考慮循環(huán)荷載對粗粒土力學(xué)性能的影響方面，龍堯等[3-5]通過動三軸試驗(yàn)對循環(huán)荷載作用下粗粒土的動力特性進(jìn)行分析，得到了動荷載作用下的粗粒土變形特性及物理力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律；何忠明等[6]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對動力濕化作用下粗粒土高路堤的動力特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著深度增加，路堤內(nèi)部土體的動力響應(yīng)會出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象；陳樂求等[7]以水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土為研究對象開展不同干濕循環(huán)條件下的大型動三軸壓縮試驗(yàn)，探討了干濕循環(huán)作用對水泥改良泥質(zhì)板巖粗粒土動穩(wěn)定性的影響；王康宇等[8]研究了鐵路基床表層粗粒土填料的動力響應(yīng)，擬合出以圍壓為變量的臨界動應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)公式；梅慧浩等[9]根據(jù)動三軸試驗(yàn)，分析了粗粒土軸向永久應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，建立了考慮應(yīng)力狀態(tài)及加載次數(shù)的永久變形預(yù)測模型；潘家軍等[10]基于大型真三軸試驗(yàn)對粗粒土在不同中主應(yīng)力系數(shù)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固結(jié)壓力一定時，應(yīng)力在峰值后的回落會隨著中主應(yīng)力比增大而愈加明顯；劉維正等[11]對含水率和壓實(shí)度等因素作用下紅黏土路基填料的動態(tài)回彈模量變化規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了考慮含水率和應(yīng)力水平影響的壓實(shí)路基土動態(tài)回彈模量預(yù)估模型；馮懷平等[12]通過GDS 動三軸系統(tǒng)，對浸水作用下重載鐵路基床動回彈模量衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。在粗粒土靜力特性研究方面，凌華等[13]分別對不同細(xì)粒含量的無黏粒和含黏粒粗粒土開展了大型三軸排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒含量會對粗粒土的力學(xué)特性產(chǎn)生重要影響；石熊等[14]對級配改良后的粗粒土開展了大型三軸剪切試驗(yàn)，對改良級配粗粒土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并對試樣三軸試驗(yàn)的體積應(yīng)變和切線泊松比進(jìn)行了預(yù)測；TRINH 等[15-17]利用靜三軸壓縮試驗(yàn)研究了含水率對粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、力學(xué)強(qiáng)度及變形特性的影響，分析了濕化作用對粗粒土物理力學(xué)性能的影響。此外，QU等[18]開展了粗粒土凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了不同凍融條件下的粗粒土單軸力學(xué)特性發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明試樣在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)參數(shù)劣化程度與試樣干密度和含水率有較大關(guān)聯(lián)；張俊文等[19]基于全自動三軸滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對砂巖進(jìn)行了無水與排水條件下的應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)，分析了應(yīng)力-滲流耦合作用下砂巖的變形、強(qiáng)度和滲流率的演變規(guī)律?？梢姡壳把芯空叽蠖鄬Υ至Ｍ猎陟o動荷載作用下力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究。而在長期雨水浸滲和周期性的外部車輛荷載作用下，當(dāng)路堤內(nèi)部含水率出現(xiàn)較大變化時，路堤粗粒土力學(xué)特性也會發(fā)生較大變化[20]，但目前較少研究交通荷載和含水率變化對粗粒土路堤填料變形及力學(xué)強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，而研究粗粒土路堤失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，運(yùn)營期粗粒土路堤填料抗剪強(qiáng)度在動力濕化作用下逐漸劣化是引起路堤失穩(wěn)的重要原因[21]，為此，本文開展粗粒土路堤填料的動、靜三軸試驗(yàn)，對不同動力及濕化因素下粗粒土試件的動力響應(yīng)及力學(xué)強(qiáng)度特性變化規(guī)律進(jìn)行研究，以便為粗粒土路堤的合理設(shè)計(jì)及加固分析提供參考。

1 三軸試驗(yàn)研究

1.1 儀器和試件參數(shù)

本試驗(yàn)采用長沙理工大學(xué)公路工程實(shí)驗(yàn)中心的R-8001T大型動、靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，其最大軸向荷載為50 kN，軸向力測試精度為±1 μm，軸向最大位移為150 mm，軸向位移精度為±1 μm，最大圍壓為1 MPa，圍壓精度為±0.1 kPa。通過室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)得到粗粒土顆粒級配如表1所示，各基本物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)時，使用重型擊實(shí)錘進(jìn)行擊實(shí)。在本次試驗(yàn)中，各試件壓實(shí)度為96%，各參數(shù)均符合JTG D30—2015“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”的要求。

表1 粗粒土顆粒級配Table 1 Gradation of coarse-grained soil particles

表2 粗粒土基本物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic physical and mechanical parameters of coarse-grained soil

1.2 動、靜三軸試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)分為2個階段：第一個階段對不同含水率的粗粒土試件施加既定的動荷載進(jìn)行動三軸試驗(yàn)，以模擬車輛荷載對土體的影響；第二階段去掉動荷載，對試件進(jìn)行固結(jié)排水條件下的靜三軸壓縮試驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)基礎(chǔ)土工試驗(yàn)結(jié)果，試件的最佳含水率和飽和含水率分別為7.8%和18.6%，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)，本試驗(yàn)中試件的含水率ω分別設(shè)定為7.8%，13.2%和18.6%[22-23]。為有效模擬車輛荷載對粗粒土路堤填料的影響，本文參考已有研究成果[24-25]確定動偏應(yīng)力σd為30，40和50 kPa，荷載頻率f為0.5，1.0 和2.0 Hz，動三軸試驗(yàn)圍壓設(shè)置為28 kPa[26-28]。加載波形選擇半正弦波，當(dāng)加載周期T=1.0 s 時，該周期內(nèi)的加載時間為0.2 s，卸載時間為0.8 s[26]。根據(jù)多組試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)[29]，擬定動荷載循環(huán)加載次數(shù)為10 000次。固結(jié)排水條件下的靜三軸壓縮試驗(yàn)所采用圍壓分別為100，200和300 kPa[29]。

2 動三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)動三軸試驗(yàn)結(jié)果繪制不同動偏應(yīng)力σd、不同含水率ω、不同荷載頻率f作用下試件的軸向永久變形與動荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖1所示。

由圖1可知：粗粒土路堤填料試件在循環(huán)動荷載的作用下，其軸向永久變形會隨著動荷載循環(huán)次數(shù)增加而變大，在累積應(yīng)變?yōu)樗苄园捕顟B(tài)條件下，當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到1 000次時，各試件的軸向永久變形達(dá)總變形的83%以上，之后試件軸向永久變形逐漸趨于穩(wěn)定。從圖1(a)可見：不同粗粒土試件所受動偏應(yīng)力σd越大，對應(yīng)軸向永久變形也越大；當(dāng)動偏應(yīng)力為30 kPa 時，試件的軸向永久變形為0.064%；當(dāng)動偏應(yīng)力增加至40 kPa 和50 kPa 時，試件的軸向永久變形分別增大至0.097%和0.130%，最大增幅為103.1%。同樣，從圖1(b)和圖1(c)可以看出，含水率ω、荷載頻率f對試件軸向永久變形的影響與動偏應(yīng)力σd一致。從圖1(b)可見：當(dāng)粗粒土試件含水率為7.8%時，其軸向永久變形為0.097%；而當(dāng)試件的含水率增大至18.6%時，試件軸向永久變形達(dá)0.223%，增加幅度達(dá)129.9%。這是由于隨含水率增加，土顆粒表面水膜的潤滑作用會使顆粒之間的摩阻力變小，試件變形過程中土顆粒間克服摩擦力需作的功比試件在最佳含水率時所作的功低，相同的偏應(yīng)力所引起的軸向永久變形更大。從圖1(c)可見：由于荷載頻率提高，試件土體在加載階段其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，在后續(xù)的卸載階段由于時間過短，導(dǎo)致變形中的彈性部分無法得到充分恢復(fù)，因此，試件產(chǎn)生的軸向永久變形也就愈大；當(dāng)荷載頻率從0.5 Hz提升至2.0 Hz時，試件的軸向永久變形則從0.076%增大到0.113%，增長幅度為48.7%?？梢姡师?、荷載頻率f和動偏應(yīng)力σd對粗粒土試件軸向永久變形的影響較顯著。

圖1 不同參數(shù)下軸向永久變形曲線Fig.1 Axial permanent deformation curves in different parameters

3 考慮動力濕化作用影響的粗粒土路堤填料力學(xué)性能

3.1 不同動力及濕化條件下粗粒土路堤填料應(yīng)力與應(yīng)變特性

基于靜三軸試驗(yàn)，研究不同控制因素對粗粒土試樣偏應(yīng)力σ0-軸向應(yīng)變ε1曲線的影響規(guī)律。不同試件的σ0-ε1曲線如圖2～4所示。

圖2 不同動偏應(yīng)力條件下粗粒土路堤填料試件偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 Deviatoric stress-axial strain curves of coarsegrained soil specimens filled with embankment under different dynamic deviatoric stress conditions

從圖2～4 可以看出：含水率ω、荷載頻率f和動偏應(yīng)力σd均會對試件的偏應(yīng)力σ0-軸向應(yīng)變ε1曲線產(chǎn)生較大影響，粗粒土試件的偏應(yīng)力σ0和軸向應(yīng)變ε1表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，且在3組試驗(yàn)中均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化；粗粒土試件經(jīng)過動荷載循環(huán)加載后，其σ0-ε1曲線的斜率會隨著三軸壓縮試驗(yàn)中所受圍壓增大而增加，試件達(dá)到最大軸向應(yīng)變時所對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值也越大。由圖2可知：隨著動偏應(yīng)力σd增大，靜三軸壓縮過程中試件達(dá)到同一軸向應(yīng)變時所對應(yīng)的靜偏應(yīng)力越??；在不同動偏應(yīng)力(30，40和50 kPa)作用下，試件在靜三軸壓縮試驗(yàn)中達(dá)到最大軸向應(yīng)變時所對應(yīng)的偏應(yīng)力分別為575，512和458 kPa，后兩者較前者分別減少了11.0%和20.3%(圖2(a))。

從圖3 和圖4 可以看出含水率ω和加載頻率f對試件的影響與動偏應(yīng)力σd對試件的影響類似。從圖3(a)可見：不同含水率的試件在達(dá)到最大軸向應(yīng)變時所對應(yīng)的偏應(yīng)力分別為512，445 和402 kPa，后兩者較前者相比分別減少了13.1%和21.5%。這是因?yàn)榇至Ｍ猎嚰械捏w積含水率越高，其基質(zhì)吸力越低，粗粒土之間的有效應(yīng)力也越低，抗剪強(qiáng)度越小，試件達(dá)到相同的軸向應(yīng)變所需要的軸向偏應(yīng)力也越小。從圖4可見：當(dāng)荷載頻率從0.5 Hz 提升到1.0 Hz 時，偏應(yīng)力平均降低6.9%；而當(dāng)荷載頻率從1.0 Hz提升到2.0 Hz時，偏應(yīng)力平均降低15.9%。

圖3 不同含水率條件下粗粒土路堤填料試件偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.3 Deviatoric stress-axial strain curves of coarsegrained soil specimens filled with embankment under different water content conditions

圖4 不同荷載頻率條件下粗粒土路堤填料試件偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.4 Deviatoric stress-axial strain curves of coarsegrained soil specimens filled with embankment under different load frequencies

3.2 不同動力及濕化條件下粗粒土路堤填料強(qiáng)度特性

考慮到各試樣σ0-ε1曲線均無明顯的軸力峰值，參考GB/T 50123—2019“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”，取軸向應(yīng)變?yōu)?5%所對應(yīng)的偏應(yīng)力作為試件破壞偏應(yīng)力，對應(yīng)的軸向應(yīng)力為試件破壞時的最大主應(yīng)力，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同動力及濕化條件下粗粒土試件的莫爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖5～7所示。

由圖5～7可以看出，不同動力及濕化條件下粗粒土路堤填料試件抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線近似于直線，其強(qiáng)度參數(shù)符合庫侖公式τf=c+σtanφ；不同動力及濕化條件下粗粒土試件的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ見表3，各影響因素與黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系曲線見圖8～10。

表3 不同動力及濕化條件下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φTable 3 Shear strength parameters c and φ under different dynamic and humid conditions

圖5 不同動偏應(yīng)力σd下循環(huán)加載后粗粒土試件的莫爾應(yīng)力圓及其包絡(luò)線Fig.5 Moiré stress circle and its envelope curves of coarse-grained soil specimens after cyclic loading of different dynamic deviatoric stresses

圖6 不同含水率ω下粗粒土試件循環(huán)加載后的莫爾應(yīng)力圓及其包絡(luò)線Fig.6 Moiré stress circle and its envelope curves after cyclic loading of coarse-grained soil samples with different moisture contents

圖7 不同荷載頻率f下循環(huán)加載后粗粒土試件的莫爾應(yīng)力圓及其包絡(luò)線Fig.7 Mohr's stress circle and its envelope curve of coarse-grained soil samples after cyclic loading with different load frequencies

圖8 動偏應(yīng)力σd與強(qiáng)度參數(shù)c和φ的關(guān)系Fig.8 Relationship between dynamic triaxial deviator stress σd and strength parameter c and φ

圖9 含水率ω與強(qiáng)度參數(shù)c和φ的關(guān)系Fig.9 Relationship between water content ω and strength parameter c and φ

圖10 荷載頻率f與強(qiáng)度參數(shù)c和φ的關(guān)系Fig.10 Relationship between load frequencyfand strength parametercand φ

從圖8～10 可知：粗粒土試件的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均隨動偏應(yīng)力σd、含水率ω以及荷載頻率f的增大而呈線性遞減。不同動力濕化因素對粗粒土路堤填料強(qiáng)度參數(shù)的擬合經(jīng)驗(yàn)公式如表4 所示。從表4 可以看出，在強(qiáng)度參數(shù)中，與內(nèi)摩擦角φ相比，黏聚力c對動偏應(yīng)力σd、含水率ω以及荷載頻率f的變化更敏感。

表4 強(qiáng)度參數(shù)c和φ與各影響因素的擬合公式Table 4 Fitting formulas of intensity parametersc,φ and various influencing factors

3.3 不同動力及濕化條件下粗粒土路堤填料體應(yīng)變特性

根據(jù)靜三軸壓縮試驗(yàn)得到不同動力及濕化因素作用下試件的體應(yīng)變εv與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系如圖11～13所示(體應(yīng)變以體積縮小為正)。

圖11 不同動偏應(yīng)力條件下路堤填筑試件體應(yīng)變εv-軸向應(yīng)變ε1曲線Fig.11 Curves of body strain εv-axial strain ε1 of embankment filled specimens under different dynamic deviatoric stress conditions

由圖11～13可以看出：粗粒土試件在試驗(yàn)中均表現(xiàn)為剪切收縮，在相同動力及濕化條件下，圍壓越大，試件所累積的體應(yīng)變εv也越大，這是由于試件在三軸壓縮過程中主要產(chǎn)生軸向壓縮，而橫向膨脹相對軸向壓縮較?。划?dāng)圍壓一定時，動偏應(yīng)力σd、含水率ω及荷載頻率f與試件達(dá)到相同軸向應(yīng)變時所產(chǎn)生的體應(yīng)變εv呈正比，且對其峰值的影響較明顯。從圖11(a)可見：當(dāng)動偏應(yīng)力σd從30 kPa 增加至50 kPa 時，粗粒土路堤填料試件的體應(yīng)變峰值從3.19%上升到4.26%，增長幅值達(dá)33.5%。同樣，單獨(dú)考慮含水率ω和加載頻率f的影響(見圖12(a)和圖13(a))，且當(dāng)含水率ω從低到高時，試件體應(yīng)變峰值變化幅度為25.77%；在不同加載頻率f下，粗粒土路堤填料試件的體應(yīng)變峰值變化幅度為17.3%。這是由于隨荷載頻率提高，土體得到恢復(fù)的時間就愈短，導(dǎo)致變形中的部分彈性變形無法充分恢復(fù)。因此，在實(shí)際道路運(yùn)營管理中，在南方多雨地區(qū)需依據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)情采取適當(dāng)措施，如對上下路床進(jìn)行加固處置，并對道路上的超載車輛進(jìn)行限制，以減小道路運(yùn)營過程中所產(chǎn)生的路基沉降。

圖12 不同含水率條件下粗粒土路堤填料試件的體應(yīng)變εv-軸向應(yīng)變ε1曲線Fig.12 Curves of Volume Strain εv-axial strain ε1 of coarse grained soil specimens filled with embankment under different moisture contents

圖13 不同荷載頻率條件下路堤填筑試件體應(yīng)變εv-軸向應(yīng)變ε1曲線Fig.13 Curves of body strain εv-axial strain ε1 of embankment filled specimens under different load frequencies

4 結(jié)論

1)粗粒土路堤填料試件的軸向永久變形隨著動荷載循環(huán)次數(shù)的增加而變大，在累積應(yīng)變?yōu)樗苄园捕顟B(tài)條件下，當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到1 000 次時，各試件的軸向永久變形達(dá)到總變形的83%以上；動偏應(yīng)力σd、含水率ω和荷載頻率f均會對試件的軸向永久變形產(chǎn)生較顯著影響，當(dāng)動偏應(yīng)力σd、含水率ω和荷載頻率f增大時，試件軸向永久變形增加幅度分別為103.1%，129.9%和48.7%。

2)粗粒土路堤填料試件在靜三軸壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為明顯的非線性關(guān)系。動三軸循環(huán)加載過程中的動偏應(yīng)力σd、土體含水率ω、荷載頻率f越高，粗粒土試件在靜三軸壓縮試驗(yàn)中達(dá)到同一軸向應(yīng)變所對應(yīng)的偏應(yīng)力越低。

3)基于靜三軸試驗(yàn)擬合得到各控制因素與粗粒土路堤填料試件黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的經(jīng)驗(yàn)公式，c和?均隨動偏應(yīng)力σd、含水率ω以及荷載頻率f的增大呈線性遞減，且相較于內(nèi)摩擦角φ，黏聚力c對各因素變化更敏感。

4)粗粒土試件在不同試驗(yàn)中均表現(xiàn)為剪切收縮，在相同動力及濕化條件下所受圍壓越大，所累積的體應(yīng)變εv也越大；當(dāng)圍壓一定時，動偏應(yīng)力σd、含水率ω及荷載頻率f與試件達(dá)到相同軸向應(yīng)變時所產(chǎn)生的體應(yīng)變εv呈正比。