車輛荷載作用下路基填料動力特性研究

張 婷

（蘭州信息科技學院， 蘭州 730030）

隨著道路服役期限的增加， 長期作用于其上的交通荷載尤其是重載車輛， 會導致道路路基由于受到較大的外力作用局部發生破碎， 破碎的填料會填入粗粒填料之中， 導致路基填料的工作性能發生較大改變，影響道路的長期服役性能。故需要對粗粒路基填料中侵入細粒的現象進行研究， 了解其動力響應特性，為道路設計提供建議，更好地保障公路路基填料的長期服役性能。

國內外學者對于公路路基填料的動力特性進行了大量研究，并且隨著儀器設備的改進，動力特性的研究從地震的高圍壓、大應變［1-2］轉入交通荷載的低圍壓、低應變，研究角度也更加多樣。 Inam等［3］研究了粗粒土試樣在循環剪應力作用下的影響， 其研究結果表明常規三軸實驗忽略剪應力會導致材料的強度特性被高估， 材料的累積變形在循環剪應力的作用下會增大。Xiao等［4］對粗粒土填料進行了常圍壓和變圍壓兩種情況下的大型三軸試驗， 發現粗粒土試樣的累積變形與應力路徑有很大關系。 孫田等［5］對砂礫土的顆粒形狀在動力作用下的特性進行了研究，研究表明，圓礫土比角礫土在動力荷載作用下動剪切模量更大。 Saberian等［6］針對不同橡膠屑含量和尺寸引起的路基填料長期變形特性進行了研究，研究結果表明路基填料的累積變形會隨著橡膠屑含量及尺寸的增大而增大。

本文主要從影響公路路基填料的細粒含量、動偏應力及荷載頻率3個因素出發，對其在動力作用下的體應變、回彈特性及軸向累計變形3個動力特性進行分析， 研究成果可為相關路基工程設計和施工提供借鑒。

1 實驗方案

本次公路路基粗粒填料動力實驗采用的是英國GDS公司生產的循環三軸儀，如圖1。 該儀器系統主要由激振器、 位移傳感器、試樣圍壓控制系統、實驗數據采集及信號調節裝置組成，能夠滿足公路路基填料動力特性實驗所需。

圖1 循環三軸儀

儀器操作步驟主要為：①粗粒填料配置制樣；②模具安裝及試樣調整；③實驗儀器調整；④施加所需圍壓；⑤分階段啟動動力加載程序；⑥實驗記錄與分析。其中第5步驟在分級加載實驗中十分重要，必須要保證試樣內的孔壓在每一級加載結束后能夠充分消散， 才能夠得到正確的動力特性規律。

1.1 實驗材料

本系列實驗用料主要采用的是某公路沿線開采的天然巖料。巖料開采后，進行清洗、烘干、篩分等過程， 分別根據實驗需求加入適量的高嶺土作為細粒材料。為了消除實驗中材料的尺寸效應，本實驗中的試件高度為30cm，直徑取15cm。 表1給出了不同細粒含量下試驗用料的物理力學參數。

表1 不同細粒含量下試驗用料的物理力學參數

1.2 實驗方案

為了更好地研究不同細粒含量下的該公路填料的動力特性，對該公路路基填料實施分級加載，每級加載的循環次數為10000次。 在每級加載中，保持圍壓σ3不變， 只增大路基填料所受到的動偏應力qampl。又由于道路路基填料在服役期間所受到的交通荷載頻率在0.1～10Hz之間， 本文研究的加載荷載選擇了其中的兩個頻率（1，3Hz）進行研究，具體實驗工況如表2。表中的細粒含量為細顆粒干質量占粗顆粒干質量的百分比。

表2 試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 體應變發展規律

圖2給出了1，3Hz荷載頻率下的不同細粒含量試樣的體應變發展曲線。 從圖2可看出，不同荷載頻率下，試樣的體應變發展規律類似：即保持試樣圍壓不變，試樣的體應變隨著動偏應力的增大而增大。在動偏應力施加初期，體應變累積速率較大，體應變增長迅速，隨著動偏應力循環次數的增大，試樣的體應變累積速率不斷減小，體應變曲線最后趨于穩定。但隨著動偏應力的增加， 試樣趨于穩定所需的循環次數也增加，在動偏應力為100kPa時，兩種荷載頻率下的試樣在30000次循環作用后， 都未達到穩定狀態，其體應變仍在繼續增大。

圖2 不同細粒含量試樣的體應變發展曲線

細粒含量對于體應變的影響較大， 當細粒含量從0%增大到3%時，可以明顯看出試樣的體應變也相應增大，但當細粒含量從3%增大到6%時，體應變隨著細粒含量的增加，其值明顯變小，尤其是當荷載加載頻率未3Hz時， 其6%細粒含量下的試樣的體應變大小甚至小于無細粒含量的試樣。 這主要是由于細粒含量在試樣骨架中的作用導致， 細粒含量較小的時候，其主要起到潤滑作用，減少了粗顆粒之間的摩擦阻力，使得試樣更容易被壓縮，導致體應變較大，而細粒含量較大時，其填充于粗粒孔隙之中，加強了粗顆粒的骨架支撐，導致不易被壓縮，體應變也隨之變小。

圖3為所有荷載循環加載結束后的，細粒含量與試樣體應變終值的關系圖。 由圖3可知，試樣的體應變隨著細粒含量的增加呈現出先增大后減小的現象。 在這3種細粒含量下，試樣的體應變都在3%時達到最大，當細粒含量為6%時，其體應變顯著減小。 并且不同荷載頻率下， 細粒含量對于體應變的影響也不一樣。當荷載頻率較大時，其體應變受細粒含量影響的程度不同，3Hz時的體應變變化速率明顯大于1Hz時的試樣體應變變化速率。

圖3 各荷載頻率下細粒含量和體應變關系

2.2 回彈特性

圖4為3種細粒含量下的各試樣回彈模量變化曲線圖。由圖4可知，保持圍壓不變時，回彈模量的大小受循環動偏應力的影響顯著。隨著動偏應力的增大，各細粒含量下的試樣的回彈模量大小都顯著增大。當荷載作用頻率為1Hz時，不同細粒含量的粗粒土試樣的回彈模量都隨著動偏應力的增大而增大； 當荷載加載頻率為3Hz時，無細粒含量的粗粒試樣組的回彈模量變化規律與1Hz類似， 但當其細粒含量增加，比如3%和6%， 此時回彈模量隨著動偏應力的增大，在加載初期出現驟減，隨著荷載加載次數的增大，其回彈模量逐漸減小并趨于穩定。 出現該現象的原因主要是由于含細粒土的粗粒土試樣在高頻率及循環應力下，出現孔壓累積現象，使得試樣土體的有效應力下降，導致最后出現試樣回彈模量顯著減小的現象。

圖4 不同細粒含量試樣在各個荷載頻率下的回彈模量隨循環次數發展曲線

2.3 軸向累積應變

圖5分別為1，3Hz下的粗粒土試樣在各個加載階段的軸向累積應變發展曲線。 由圖5可知，當動偏應力較小時（20kPa和60kPa），軸向累積應變隨加載循環次數的發展曲線都是初期迅速增大， 隨著荷載循環次數的增加， 其累積應變增速減小， 直至趨于穩定。而當動偏應力為100kPa時，不同細粒含量及不同加載頻率下的試樣的軸向累積應變規律不同。 當細粒含量為0%時，100kPa循環荷載下的土樣在兩種加載頻率下的軸向累積變化規律都是先增大， 后趨于穩定。 但當細粒含量為3%和6%時，其軸向累積變形都不能趨于穩定，隨著荷載循環次數的增大，試樣將會發生破壞。

圖5 試樣軸向累積應變發展曲線

為了更直觀地體現各循環應力作用下細粒含量對于試樣軸向累積應變的影響，圖6給出了所有加載階段完成后的軸向累積應變值隨細粒含量的變化規律圖。 由圖6可知，當循環動偏應力為20kPa時，細粒含量的增加會使得試樣的累積應變增大， 粗粒土的累積應變在3%情況下達到最大，當細粒土含量為6%時，其軸向累積應變變小。 當動偏應力為100kPa時，3Hz情況下的6%細粒含量的試樣軸向累積應變較小速率明顯小于1Hz情況下的減小速率。

圖6 加載階段完成后的軸向累積應變值隨細粒含量的變化規律圖

3 結語

通過對公路路基粗粒填料進行的循環動力實驗研究，可以得到以下結論：

（1）公路上的荷載頻率、循環動載值及路基粗粒填料中的細粒含量對于路基填料的長期服役性能都有較大影響， 尤其是當粗粒填料處于高循環動應力及高頻率作用下時， 其路基粗粒填料更容易出現孔壓累積現象， 導致粗粒路基在長期交通荷載作用下不能達到穩定狀態，出現破壞。

（2）細粒含量的增加對于粗粒土體應變的影響存在一個最優值。 在實驗中，3%的細粒含量時，粗粒試樣的體應變達到最大；超過3%后，其體應變開始減小。

（3）循環作用的動偏應力較小時，粗粒填料的回彈模量會隨著加載頻率的增大而增大。 當加載動偏應力較大時， 細粒含量低的粗粒填料其回彈模量仍會隨加載頻率的增大而增大， 但當細粒含量為6 %時， 在3Hz作用下的試樣就會因為土體的孔壓累積，導致回彈模量出現減小。