凍融循環條件下的路基土動三軸實驗研究

王晶 鄧寧

文章在動回彈模量實驗的基礎上，研究了凍融前后細顆粒土動力特征的改變情況，探索了物理狀況、不同的應力狀態以及反復的凍結與融化對動回彈模量的作用。結果表明：圍壓和壓實度越高，土體的動回彈模量越大，而偏應力和含水率的增大則會出現相反的規律;含水率和圍壓對動回彈模量的作用效果要高于壓實度和偏應力;凍融循環會破壞土體的結構，在第3次凍融前動回彈模量會出現較大程度的衰弱，隨后趨于平緩。

路基土;動回彈模量;凍融循環

U416.03A150533

0 引言

路基土在長期車載作用下會發生疲勞破壞，從而會使路基穩定性和公路運營安全得不到保障。國內外專家和研究人員早就針對路基土的動力特征和永久應變做了大量的實驗。而Seed[1]和Dragos[2]在大量實驗的基礎上提出了回彈模量的公式，闡明了路基的回彈特性。宋前進等[3]分析了孔隙比對粉土動力特征的作用，發現在固結圍壓不變時，粉土動力特性參數隨孔隙比的增大而降低;在同等實驗狀況下，小孔隙比粉土的動剪切模量更大。臧濛[4]對動態荷載作用下湛江黏土的動力特性進行實驗研究，結果發現黏土在動態荷載作用下表現出脆性破壞特征，固結壓力對天然黏土動力特性的作用效果較大。邱欣等[4]和李志勇等[5]認為回彈模量因含水率和壓實度的改變會出現較大范圍的波動。

目前已有不少學者對動回彈模量及其相關要素做出大量研究。本文主要開展凍融條件下的室內動三軸實驗，分析土的物理狀況和應力特征對動回彈模量的作用。

1 實驗材料及實驗方案

1.1 土樣

通過室內常規實驗確定了土樣的基本物理性質，如表1所示。

1.2 試件制備

首先將風干土過5 mm篩，然后進行擊實實驗，再按照所需壓實度準備土料，加水拌和均勻后裝袋密封12 h，試件制樣使用液壓機靜壓成型，試件直徑為100 mm、高度為200 mm的圓柱體。以最佳含水率ω0、ω0±2%和壓實度96%前提下制作試樣來探討含水率對回彈模量的作用規律，每組3個。

1.3 動三軸實驗方法

本實驗所用儀器為英國GDS動三軸測試系統，實驗的加載波形荷載為頻率為1 Hz的半正弦波，其中持載時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s。考慮到我國道路的結構組成和荷載水平，本實驗中選取4種不同的圍壓應力和4種不同的偏應力，實驗所用加載序列如表2所示。取倒數5次回彈變形的平均值，按式（1）計算試件的回彈模量：

MR=σdεR（1）

式中：MR——回彈模量;

σd——偏應力，σd=σ1-σ3，σ1為豎向應力，σ3為圍壓應力;

εR——軸向回彈應變均值。

1.4 凍融循環實驗方法

凍融循環實驗選擇在凍融箱內進行，1次循環包括1次凍結1次融化，共設置0～5次循環。凍結溫度設置為-15 ℃，持續12 h，融化溫度設置為15 ℃，同樣持續12 h。

2 實驗結果分析

2.1 含水率與回彈模量的關系

在96%壓實度下，不同含水率（ω）對動回彈模量（MR）的作用結果如表3所示：可以看出土體MR受ω作用效果較大，ω的降低會導致MR的增大。在偏應力一定（60 kPa）時，以45 kPa圍壓為例，土體在ω0下的MR為125.30 MPa;當含水率為ω0-2%時，MR由125.30 MPa上升到140.53 MPa，增長了12.15%;當含水率為ω0+2%時，MR由125.30 MPa降低到103.23 MPa，減小了17.61%。ω的增加會使得土體的水膜厚度增大從而導致顆粒間的吸引力減小，起到了潤滑的作用，應變量的增大使得土體的整體抗變形能力降低，因此MR出現了較大的降幅。

2.2 壓實度與回彈模量的關系

最佳含水率狀態下，不同壓實度對動回彈模量（MR）的作用結果如表4所示：土體的壓實度越高，MR越大。在偏應力一定（60 kPa）時，以45 kPa圍壓為例，96%壓實度時土體的MR為125.30 MPa;當壓實度為100%時，MR由125.30 MPa上升到135.51 MPa，增長了8.15%;當壓實度為94%時，MR由125.30 MPa降低到112.69 MPa，減小了10.06%。當壓實度降低，土體變得相對松散，土體的空隙變大，受到荷載作用時產生的變形量也較大，而壓實度的增大使得土體的密實度也相應得到提高，抵抗荷載作用的能力得到提升。因此在道路施工過程中需要盡量提高土體的壓實度。

2.3 應力狀況與回彈模量的關系

在相同的實驗狀況下，應力的變化與動回彈模量（MR）的關系如表5所示。在圍壓相同時，偏應力的增加會使MR減小。以30 kPa的圍壓為例，偏應力從30 kPa增加到105 kPa時，MR分別降低了9.88 MPa、18.94 MPa和29.85 MPa，降幅分別為8.81%、16.89%和26.60%。當偏應力不變時，提高圍壓會增大土體的MR，并且不同圍壓狀態下的增長幅度略有差異，整體近似于線性增長。以55 kPa的偏應力為例，將圍壓從15 kPa逐級提高到60 kPa，MR分別增加了21.97 MPa、34.91 MPa和51.63 MPa，增幅分別為27.34%、43.45%和64.26%。從中可以看出路基土的MR對圍壓和偏應力均有較強的敏感性。通過對比分析，可以推斷出圍壓對MR的提升效果要高于偏應力的劣化效果。

2.4 凍融循環與回彈模量的關系

凍融次數對于路基土動回彈模量（MR）的作用關系如表6所示。經歷過若干次凍融后，土體的MR均有所降低。在圍壓>15 kPa條件下，土體在3次凍融循環后，MR的降幅減小，并逐漸趨于穩定，這說明前3次的凍融作用對土體的破壞作用最大，MR的降幅最明顯，之后的凍融循環過程中，土體的MR幾乎不變。且在不同圍壓狀態下受凍融循環的作用不同，低圍壓的情況下受凍融作用更加顯著，以15 kPa圍壓為例，在5次循環后，MR下降了20.19 MPa，降幅為33.42%，在60 kPa圍壓時僅降低了8.99 MPa，降幅為8.36%，這是由于圍壓越大，土體的約束力也越強，圍壓對土體具有壓密作用。

3 結語

本文基于動三軸實驗，探討含水率、壓實度和應力對細顆粒土動回彈模量的作用，結果表明：

（1）含水率的降低會使動回彈模量增大，而含水率的增大則會出現相反的規律;壓實度的提升會使動回彈模量增大。通過比較發現，含水率對動回彈模量的作用比壓實度更大，在路基施工過程應嚴控含水率的變化，同時盡可能提高土體的壓實度。

（2）圍壓不變，偏應力的增大會使土體的動回彈模量降低;當偏應力不變時，圍壓越大，動回彈模量越高。圍壓對土體動回彈模量的作用要高于偏應力。

（3）凍融次數越多，土體顆粒破碎越嚴重，動回彈模量越低。其中，在前3次凍融的動回彈模量衰減幅度最高，凍融循環的衰減率隨圍壓的提高而降低，低圍壓的條件下動回彈模量衰減率最高。

[1]Seed H.B，Chan C.K，Lee C.E.Resilience characteristics of subgrade soils and their relation to fatigue failures in aspHalt pavements[A].Proceedings International Conference on Structural Design of AspHalt Pavement[C].University of Michigan，1962.

[2]Dragos A，Matthew W.W，Charles W.S.Harmonized resilient modulus test method for unbound pavement materials[A].82th Annual Meeting of Transportation Research Board [C].Washington，2003.

[3]宋前進，程 磊，賀為民.孔隙比對土體動力特性參數的影響——以豫東平原粉土為例[J].科學技術與工程，2021，21（7）：2 830-2 835.

[4]臧 濛，太 俊，汪為巍.循環荷載下結構性黏土的動力特性試驗研究[J].科學技術與工程，2020，20（32）：13 348-13 354.

[5]邱 欣，錢勁松，張世洲.基于基質吸力的粘性路基土動回彈模量預估模型研究[J].水文地質工程地質，2011，38（3）：49-53.

[6]李志勇，董 城，鄒靜蓉，等.湘南地區紅黏土動態回彈模量實驗與預估模型研究[J].巖土力學，2015，36（7）：1 840-1 846.