中砂類B組路基土靜力特性試驗分析*

(1. 沈陽建筑大學 土木工程學院， 沈陽 110168； 2. 遼寧有色勘察研究院 試驗檢測中心， 沈陽 110013)

中砂類B組路基土靜力特性試驗分析*

趙儉斌1， 張玉杰1， 劉 瀟1， 李 偉2， 張 學1

(1. 沈陽建筑大學 土木工程學院， 沈陽 110168； 2. 遼寧有色勘察研究院 試驗檢測中心， 沈陽 110013)

為了研究中砂類B組路基土的靜力特性，在了解其物理特性的基礎上，采用中砂及粉質黏土配置了4種不同細粒含量的中砂類B組土，根據常規三軸壓縮試驗研究了圍壓和細粒含量對試驗土體應力-應變關系及靜強度的影響.結果表明，在相同細粒含量條件下，隨著圍壓的增大，試樣的應力-應變曲線上升顯著，在同一應變值時，應力相差較大，且150 kPa的曲線應力差值最為明顯；在相同圍壓條件下，細粒含量對應力-應變曲線的影響不明顯，細粒含量低于30%時，應力-應變曲線走勢幾乎一致，應變增大的同時應力提高.

中砂類B組土； 靜力特性； 三軸壓縮試驗； 圍壓； 細粒含量； 應力-應變曲線； 靜強度； 路基土

近年來，隨著我國經濟建設的不斷發展，鐵路的建設規模不斷壯大，高鐵項目成為鐵路交通的主要發展路線，然而，鑒于高鐵運輸速度及載重的因素，對路基的整體性以及路基填料的力學性能提出了更高的要求.由于路基作為鐵路構造的重要組成部分，既承受著自身的巖土自重和路面重力，又受路面傳來行車荷載的影響.根據現有經驗，車輛跑動時土中應力約為車輛靜止時的三倍，因此，在注重地基靜強度的同時，應更加注重高速鐵路產生的行車荷載的影響.

目前，國內外許多學者對土體的動力特性進行了大量的理論分析、現場測試和室內試驗等，Stavnitser等[1]利用共振吸收系數的測定方法描述土的阻尼特性，并開展了一系列試驗來分析土的共振特性影響因素；屈暢姿[2]采用等效非線性本構關系建立了武廣高速鐵路路基典型剖面的有限元分析模型，計算了不同動力計算參數取值組合工況下的路基動響應，同時對影響路基動響應的動力計算參數進行了分析；劉瀟等[3]通過一系列動三軸試驗，對比分析了飽和尾礦砂在單雙向振動不同作用下的滯回曲線和骨架曲線的差異，并提出用單向振動來替換雙向振動的適用條件.綜上所述，國內外許多學者[4-12]對土體在循環荷載作用下的動力特性已經進行了大量的理論分析及試驗，積累了大量的經驗，取得了許多重要的結論和成果，但對中砂類B組土體的靜力學特性試驗研究還相對較少.

因此，本文以京沈高速鐵路沿線廣泛存在的中砂類B組土為研究對象，應用DSC2000多功能三軸試驗系統對中砂類B組土的靜力學特性進行了試驗研究.同時，根據圍壓及細粒含量等參數對土樣進行了常規三軸壓縮試驗，研究了圍壓和細粒含量對試驗土體應力-應變關系以及土體靜強度的影響，深入分析了細粒含量對靜強度影響規律及細粒含量和圍壓大小對土體靜強度產生影響的原因.同時應用Konder提出的雙曲線模型建立了土體應力-應變關系模型，該研究成果為中砂類B組土的工程應用提供了理論依據和數據支持.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

本文采用應變控制模式進行固結排水剪切試驗，考慮到試樣屬于中砂土，故采用的剪切速率為0.03 mm/min，并在試驗過程中對孔壓進行監控，數據表明，在此過程中產生了極小的孔壓，其值均在5 kPa以下，因此認為此剪切速率合理，試驗數據由儀器自動采集，具體試驗安排如表1所示.

表1 常規三軸試驗方案Tab.1 Conventional triaxial test scheme

1.2 試驗土樣及制備方法

本文采用的土樣基本性質及物理指標如表2所示.細粒按15%、25%、30%、40%的含量配置土樣，對于四種細粒含量的土樣分別按95%的壓實度控制干密度，并按6.1%、7.5%、8%、9.5%最優含水率加蒸餾水拌勻浸潤一晝夜，之后利用三瓣飽和器分四層擊實而成，試樣高度H=80 mm，直徑D=39.1 mm.具體的顆粒級配曲線和土樣擊實曲線如圖1、2所示.

表2 土樣基本性質及物理指標Tab.2 Basic nature and physical indices of soil

1.3 試驗過程

本試驗分為5步進行，即試樣安裝、飽和階段、固結階段、加載階段和結束試驗.試驗安裝時，首先把橡皮膜套在承模筒內，兩端翻貼出筒外，對著吸氣孔吸氣，使膜緊貼承模筒內壁上，然后套在試樣外，翻起橡皮膜的兩端，分別在試樣兩端依次放上過濾紙和透水石，之后取出承模筒，并用橡皮圈將包裹著土樣的橡皮膜兩端分別扎緊在壓力室底座和試樣帽上.對于飽和階段，采用了水頭飽和法以及反壓飽和法的方式進行飽和，在壓力室注滿無氣水后打開進水閥門以及排水閥門進行水頭飽和，一般情況下水頭飽和時間為6 h.水頭飽和完成后進行加反壓飽和，通過逐步增大反壓，試樣逐漸接近飽和狀態，通常，當反壓達到190 kPa時，試樣的孔壓系數可達到0.95以上.飽和階段完成之后，打開排水閥，使試樣排水固結，研究中采用等壓固結，根據京沈鐵路沿線基床填筑范圍為3～7 m，以3 m為例，填筑重度以20 kN/m3計，可計算出地基表層豎向土壓力為60 kPa，依此類推，選取60、100、150 kPa為試驗典型圍壓值.砂土固結時間比較快，固結10 min后，其排水量變化小于0.1 cm3，因此，控制固結時間為0.5 h.當固結完成后，施加所需的圍壓，開始加載，試驗采用應變控制，并觀察加載過程中的應力-應變曲線.試驗結束后，卸去圍壓以及軸向荷載，取下試樣，沖洗儀器.

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle size distribution curves of soil

2 路基土應力-應變關系

為了探討應力-應變曲線的關系，本文根據圍壓及細粒含量兩種參數的變化進行研究.

圖2 不同細粒含量土樣擊實曲線Fig.2 Compaction curves of soil withdifferent fine particle contents

2.1 圍壓的影響

圖3為某一細粒含量的土樣在不同圍壓條件下的應力-應變關系曲線，橫軸為應變，縱軸為應力的差值.由圖3可知，在相同細粒含量條件下，圍壓對試樣應力-應變曲線的影響非常明顯.隨著圍壓的增大，試樣的應力-應變曲線上升顯著，在同一應變值時，應力相差較大，尤其150 kPa的曲線應力差值更加明顯.同時，初始模量隨著圍壓的增大而增大，說明試樣抵御變形的能力增強，應力-應變曲線呈現應變硬化型.隨著應變的增大，應力逐漸增大，沒有明顯的峰值點，說明試樣呈現塑性破壞，同時，應力-應變關系近似符合雙曲線形狀.

圖3 不同圍壓下土樣應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves at different confining pressure

2.2 細粒含量的影響

圖4為不同細粒含量的土樣在不同細粒含量條件下的應力-應變關系曲線.由圖4可知，在相同圍壓條件下，細粒含量對應力-應變曲線的影響不明顯.細粒含量低于30%時，應力-應變曲線的走勢幾乎一致，應變增大的同時應力提高.當細粒含量達到40%時，試樣應力-應變曲線下移較大，同時，初期模量在相同應變值時，應力相差較大，說明試樣抵御變形的能力大幅減弱，但試樣的破壞依然呈現出塑性破壞的形態，即應變硬化型曲線.

圖4 不同細粒含量試樣應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of samples withdifferent fine particle contents

3 路基土靜強度分析

3.1 靜強度與圍壓的關系

圖5為抗剪強度與圍壓關系曲線.試驗土樣的靜強度與圍壓值呈現出良好的線性關系.細粒含量為15%的試樣與30%的試樣直線斜率相近，隨著圍壓值的增大，抗剪強度也隨之增大，呈平行狀態，如圖5a所示，說明增大的圍壓壓密試樣使試樣孔隙變小，因此試樣的抗剪強度提高.由圖5b可知，細粒含量為25%的試樣斜率要大于細粒含量為40%的試樣，隨著圍壓值的增大，40%細粒含量的抗剪強度上升趨勢緩慢，曲線不再成線性關系.說明土樣的細粒含量超過一定范圍時，圍壓的大小對土樣孔隙的有利影響較小，對細粒含量的影響較大，然而試驗所采取的圍壓不足以使土樣中由于細粒存在而產生的孔隙體積得到有效減小，相反隨著圍壓的增大，土樣的骨架更易產生大變形，同時使不同細粒含量的土樣隨著圍壓的增大，抗剪強度差值也越來越大.

圖5 抗剪強度與圍壓關系曲線Fig.5Relationship between shear strengthand confining pressure

3.2 靜強度與細粒含量的關系

圖6給出了相同圍壓條件下抗剪強度與細粒含量之間的關系.由圖6可知，當細粒含量在15%～30%之間時，試樣的抗剪強度逐漸上升，并且抗剪強度的上升速率隨圍壓值的增大逐漸減小；當細粒含量超過30%時，三種圍壓下的試樣抗剪強度均出現快速下降的現象.當細粒含量小于30%時，圍壓對土樣抗剪強度的影響大于細粒含量對土樣性質的影響，并且這種影響隨土樣細粒含量的增大而減小；當細粒含量繼續增大時，圍壓的增大對土樣的影響不足以抵消細粒含量增大對土樣抗剪強度的削弱效果，此時細粒含量對土的靜強度影響成為主導性因素.

4 路基土應力-應變關系曲線理論分析

基于不同圍壓和細粒含量試樣的應力-應變關系曲線，B類路基土基本呈現出了應變硬化形態，本文根據Konder對應變硬化型應力-應變曲線進行研究，采用雙曲線模型擬合軸向應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε之間的關系，如圖7所示.

圖6 抗剪強度與細粒含量關系曲線Fig.6 Relationship between shear strengthand fine particle content

圖7 雙曲線模型Fig.7 Hyperbola model

對于某一圍壓σ3，則有

(1)

式中，a、b為試驗常數.

根據切線模量的定義，則有

(2)

由式(1)可得

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

當(σ1-σ3)→∞時，可得初始彈性模量Ei為

(5)

當(σ1-σ3)→0時，抗剪強度的極限值為

(6)

在多數情況下，ε不能趨于無窮大，因此，通常規定一個ε值，并認為當ε達到此值時，土體被破壞，即定義一個應變破壞標準.設破壞時的偏應力為(σ1-σ3)f，并規定

(7)

將式(5)～(7)代入式(4)可得

(8)

令應力水平s的表達式為

(9)

則有

Et=(1-Rfs)2Ei

(10)

圖8給出了各個試樣常規三軸試驗測得的試驗點與模型曲線對比結果.由圖8可知，雙曲線模型較好地描述出土樣三軸試驗的應力-應變關系，并且兩種曲線幾乎完全吻合.同時試驗點與模型曲線的貼合隨細粒含量的增加變得更加緊密，驗證了雙曲線模型擬合出的應力-應變關系曲線理論分析具有一定的有效性，其中，不同細粒含量、圍壓下的模型參數如表3所示.

5 結 論

本文通過分析得出以下結論.

1) 在相同細粒含量條件下，圍壓對試樣應力-應變曲線的影響非常明顯.隨著圍壓的增大，試樣的應力-應變曲線上升顯著，在同一應變值時，應力相差較大.

圖8 雙曲線模型擬合結果Fig.8 Fitting results with hyperbola model

2) 在相同圍壓條件下，細粒含量對應力-應變曲線的影響不明顯.細粒含量低于30%時，應力-應變曲線的走勢幾乎一致，應變增大的同時應力提高.當細粒含量達到40%時，試樣應力-應變曲線下移較大.

3) 試驗土樣的靜強度與圍壓值呈現出良好的線性關系.當細粒含量低于30%時，試樣直線斜率相近，隨著圍壓值的增大，抗剪強度也隨之增大，呈平行狀態.

表3 模型參數Tab.3 Parameters for model

4) 在相同圍壓條件下，細粒含量30%為抗剪強度強弱的分界線，低于30%時，試樣的抗剪強度逐漸上升，并且抗剪強度的上升速率隨圍壓值的增大逐漸減小；當細粒含量超過30%時，三種圍壓下的試樣抗剪強度均出現快速下降的現象，說明細粒含量對土的靜強度影響成為主導性因素.

5) 雙曲線模型較好地描述出土樣三軸試驗的應力-應變關系，并且兩種曲線幾乎完全吻合.同時試驗點與模型曲線的貼合隨細粒含量的增加變得更加緊密，驗證了雙曲線模型擬合出的應力-應變關系曲線理論分析具有一定的有效性.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

ExperimentalanalysisonstaticcharacteristicsofmediumsandclassBgroupsubgradesoil

ZHAO Jian-bin1, ZHANG Yu-jie1, LIU Xiao1, LI Wei2, ZHANG Xue1

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Center of Test and Detection, Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013, China)

In order to explore the static characteristics of medium sand class B group subgrade soil, four kinds of medium sand class B group soil with different fine particle contents were prepared with the medium sand and silty clay based on understanding the physical properties of subgrade soil. The influence of confining pressure and fine particle content on the stress-strain relationship and static strength of the testing soil was studied with the conventional triaxial compression test. The results show that at the same fine particle content, the stress-strain curve of the sample significantly increases with increasing the confining pressure. At the same strain value, the stress difference is large, and the stress difference on the 150 kPa curve is the most obvious. At the same confining pressure, the fine particle content has no obvious influence on the stress-strain curve. When the fine particle content is less than 30%, the trend of stress-strain curve is almost unanimously, and the stress increases with increasing the strain.

medium sand class B group soil; static characteristic; triaxial compression test; confining pressure; fine particle content; stress-strain curve; static strength; subgrade soil

TU 213

： A

： 1000-1646(2017)05-0584-07

2016-07-14.

遼寧省自然科學基金資助項目(Z2415078).

趙儉斌(1960-)，男，黑龍江呼蘭人，教授，博士，主要從事巖土工程等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 18∶00在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1800.030.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.20