動力及濕化作用下粗粒土路堤填料的力學性能

何忠明，盧逸恒，向達，劉正夫

(1. 長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙，410004；2. 中國路橋工程有限責任公司，北京100011)

粗粒土在我國南方多雨地區分布廣泛，獲取便捷，與其他土體相比，粗粒土在充分壓實后的力學性能較好，抗剪強度較高，因此，在該區域進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]。隨著粗粒土工程應用不斷增加，國內外研究人員對粗粒土物理力學特性的研究不斷深入。在考慮循環荷載對粗粒土力學性能的影響方面，龍堯等[3-5]通過動三軸試驗對循環荷載作用下粗粒土的動力特性進行分析，得到了動荷載作用下的粗粒土變形特性及物理力學參數變化規律；何忠明等[6]通過室內模型試驗對動力濕化作用下粗粒土高路堤的動力特性進行了分析，發現隨著深度增加，路堤內部土體的動力響應會出現明顯的滯后現象；陳樂求等[7]以水泥改良泥質板巖粗粒土為研究對象開展不同干濕循環條件下的大型動三軸壓縮試驗，探討了干濕循環作用對水泥改良泥質板巖粗粒土動穩定性的影響；王康宇等[8]研究了鐵路基床表層粗粒土填料的動力響應，擬合出以圍壓為變量的臨界動應力經驗公式；梅慧浩等[9]根據動三軸試驗，分析了粗粒土軸向永久應變發展規律，建立了考慮應力狀態及加載次數的永久變形預測模型；潘家軍等[10]基于大型真三軸試驗對粗粒土在不同中主應力系數條件下的應力-應變規律進行了研究，發現當固結壓力一定時，應力在峰值后的回落會隨著中主應力比增大而愈加明顯；劉維正等[11]對含水率和壓實度等因素作用下紅黏土路基填料的動態回彈模量變化規律進行了研究，建立了考慮含水率和應力水平影響的壓實路基土動態回彈模量預估模型；馮懷平等[12]通過GDS 動三軸系統，對浸水作用下重載鐵路基床動回彈模量衰減規律進行了研究。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，發現細顆粒含量會對粗粒土的力學特性產生重要影響；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，對改良級配粗粒土的物理力學特性進行了研究，并對試樣三軸試驗的體積應變和切線泊松比進行了預測；TRINH 等[15-17]利用靜三軸壓縮試驗研究了含水率對粗粒土應力-應變關系、力學強度及變形特性的影響，分析了濕化作用對粗粒土物理力學性能的影響。此外，QU等[18]開展了粗粒土凍融循環試驗，研究了不同凍融條件下的粗粒土單軸力學特性發展規律，結果表明試樣在凍融循環作用下的力學參數劣化程度與試樣干密度和含水率有較大關聯；張俊文等[19]基于全自動三軸滲流實驗系統對砂巖進行了無水與排水條件下的應力-滲流耦合試驗，分析了應力-滲流耦合作用下砂巖的變形、強度和滲流率的演變規律。可見，目前研究者大多對粗粒土在靜動荷載作用下力學響應進行了研究。而在長期雨水浸滲和周期性的外部車輛荷載作用下，當路堤內部含水率出現較大變化時，路堤粗粒土力學特性也會發生較大變化[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強度特性的影響規律，而研究粗粒土路堤失穩現象發現，運營期粗粒土路堤填料抗剪強度在動力濕化作用下逐漸劣化是引起路堤失穩的重要原因[21]，為此，本文開展粗粒土路堤填料的動、靜三軸試驗，對不同動力及濕化因素下粗粒土試件的動力響應及力學強度特性變化規律進行研究，以便為粗粒土路堤的合理設計及加固分析提供參考。

1 三軸試驗研究

1.1 儀器和試件參數

本試驗采用長沙理工大學公路工程實驗中心的R-8001T大型動、靜三軸試驗系統，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。通過室內常規土工試驗得到粗粒土顆粒級配如表1所示，各基本物理力學參數如表2所示。進行擊實試驗時，使用重型擊實錘進行擊實。在本次試驗中，各試件壓實度為96%，各參數均符合JTG D30—2015“公路路基設計規范”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參數Table 2 Basic physical and mechanical parameters of coarse-grained soil

1.2 動、靜三軸試驗方案設計

本次試驗分為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行動三軸試驗，以模擬車輛荷載對土體的影響；第二階段去掉動荷載，對試件進行固結排水條件下的靜三軸壓縮試驗。根據室內基礎土工試驗結果，試件的最佳含水率和飽和含水率分別為7.8%和18.6%，結合試驗結果和相關文獻，本試驗中試件的含水率ω分別設定為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，動三軸試驗圍壓設置為28 kPa[26-28]。加載波形選擇半正弦波，當加載周期T=1.0 s 時，該周期內的加載時間為0.2 s，卸載時間為0.8 s[26]。根據多組試驗結果并結合文獻[29]，擬定動荷載循環加載次數為10 000次。固結排水條件下的靜三軸壓縮試驗所采用圍壓分別為100，200和300 kPa[29]。

2 動三軸試驗結果分析

根據動三軸試驗結果繪制不同動偏應力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次數的關系曲線，如圖1所示。

由圖1可知：粗粒土路堤填料試件在循環動荷載的作用下，其軸向永久變形會隨著動荷載循環次數增加而變大，在累積應變為塑性安定狀態條件下，當加載次數達到1 000次時，各試件的軸向永久變形達總變形的83%以上，之后試件軸向永久變形逐漸趨于穩定。從圖1(a)可見：不同粗粒土試件所受動偏應力σd越大，對應軸向永久變形也越大；當動偏應力為30 kPa 時，試件的軸向永久變形為0.064%；當動偏應力增加至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力σd一致。從圖1(b)可見：當粗粒土試件含水率為7.8%時，其軸向永久變形為0.097%；而當試件的含水率增大至18.6%時，試件軸向永久變形達0.223%，增加幅度達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部結構產生變形，在后續的卸載階段由于時間過短，導致變形中的彈性部分無法得到充分恢復，因此，試件產生的軸向永久變形也就愈大；當荷載頻率從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%。可見，含水率ω、荷載頻率f和動偏應力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性能

3.1 不同動力及濕化條件下粗粒土路堤填料應力與應變特性

基于靜三軸試驗，研究不同控制因素對粗粒土試樣偏應力σ0-軸向應變ε1曲線的影響規律。不同試件的σ0-ε1曲線如圖2～4所示。

圖2 不同動偏應力條件下粗粒土路堤填料試件偏應力-軸向應變曲線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和動偏應力σd均會對試件的偏應力σ0-軸向應變ε1曲線產生較大影響，粗粒土試件的偏應力σ0和軸向應變ε1表現出明顯的非線性關系，且在3組試驗中均表現為應變硬化；粗粒土試件經過動荷載循環加載后，其σ0-ε1曲線的斜率會隨著三軸壓縮試驗中所受圍壓增大而增加，試件達到最大軸向應變時所對應的偏應力峰值也越大。由圖2可知：隨著動偏應力σd增大，靜三軸壓縮過程中試件達到同一軸向應變時所對應的靜偏應力越小；在不同動偏應力(30，40和50 kPa)作用下，試件在靜三軸壓縮試驗中達到最大軸向應變時所對應的偏應力分別為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到最大軸向應變時所對應的偏應力分別為512，445 和402 kPa，后兩者較前者相比分別減少了13.1%和21.5%。這是因為粗粒土試件中的體積含水率越高，其基質吸力越低，粗粒土之間的有效應力也越低，抗剪強度越小，試件達到相同的軸向應變所需要的軸向偏應力也越小。從圖4可見：當荷載頻率從0.5 Hz 提升到1.0 Hz 時，偏應力平均降低6.9%；而當荷載頻率從1.0 Hz提升到2.0 Hz時，偏應力平均降低15.9%。

圖3 不同含水率條件下粗粒土路堤填料試件偏應力-軸向應變曲線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力-軸向應變曲線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“土工試驗方法標準”，取軸向應變為15%所對應的偏應力作為試件破壞偏應力，對應的軸向應力為試件破壞時的最大主應力，根據試驗結果繪制不同動力及濕化條件下粗粒土試件的莫爾應力圓與抗剪強度包絡線，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度包絡線近似于直線，其強度參數符合庫侖公式τf=c+σtanφ；不同動力及濕化條件下粗粒土試件的黏聚力c和內摩擦角φ見表3，各影響因素與黏聚力c、內摩擦角φ的關系曲線見圖8～10。

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

圖5 不同動偏應力σd下循環加載后粗粒土試件的莫爾應力圓及其包絡線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下粗粒土試件循環加載后的莫爾應力圓及其包絡線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下循環加載后粗粒土試件的莫爾應力圓及其包絡線Fig.7 Mohr's stress circle and its envelope curve of coarse-grained soil samples after cyclic loading with different load frequencies

圖8 動偏應力σd與強度參數c和φ的關系Fig.8 Relationship between dynamic triaxial deviator stress σd and strength parameter c and φ

圖9 含水率ω與強度參數c和φ的關系Fig.9 Relationship between water content ω and strength parameter c and φ

圖10 荷載頻率f與強度參數c和φ的關系Fig.10 Relationship between load frequencyfand strength parametercand φ

從圖8～10 可知：粗粒土試件的抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ均隨動偏應力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度參數的擬合經驗公式如表4 所示。從表4 可以看出，在強度參數中，與內摩擦角φ相比，黏聚力c對動偏應力σd、含水率ω以及荷載頻率f的變化更敏感。

表4 強度參數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變特性

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

圖11 不同動偏應力條件下路堤填筑試件體應變εv-軸向應變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：粗粒土試件在試驗中均表現為剪切收縮，在相同動力及濕化條件下，圍壓越大，試件所累積的體應變εv也越大，這是由于試件在三軸壓縮過程中主要產生軸向壓縮，而橫向膨脹相對軸向壓縮較小；當圍壓一定時，動偏應力σd、含水率ω及荷載頻率f與試件達到相同軸向應變時所產生的體應變εv呈正比，且對其峰值的影響較明顯。從圖11(a)可見：當動偏應力σd從30 kPa 增加至50 kPa 時，粗粒土路堤填料試件的體應變峰值從3.19%上升到4.26%，增長幅值達33.5%。同樣，單獨考慮含水率ω和加載頻率f的影響(見圖12(a)和圖13(a))，且當含水率ω從低到高時，試件體應變峰值變化幅度為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，土體得到恢復的時間就愈短，導致變形中的部分彈性變形無法充分恢復。因此，在實際道路運營管理中，在南方多雨地區需依據當地實情采取適當措施，如對上下路床進行加固處置，并對道路上的超載車輛進行限制，以減小道路運營過程中所產生的路基沉降。

圖12 不同含水率條件下粗粒土路堤填料試件的體應變εv-軸向應變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變εv-軸向應變ε1曲線Fig.13 Curves of body strain εv-axial strain ε1 of embankment filled specimens under different load frequencies

4 結論

1)粗粒土路堤填料試件的軸向永久變形隨著動荷載循環次數的增加而變大，在累積應變為塑性安定狀態條件下，當加載次數達到1 000 次時，各試件的軸向永久變形達到總變形的83%以上；動偏應力σd、含水率ω和荷載頻率f均會對試件的軸向永久變形產生較顯著影響，當動偏應力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中的應力-應變關系表現為明顯的非線性關系。動三軸循環加載過程中的動偏應力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中達到同一軸向應變所對應的偏應力越低。

3)基于靜三軸試驗擬合得到各控制因素與粗粒土路堤填料試件黏聚力c和內摩擦角φ的經驗公式，c和?均隨動偏應力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中均表現為剪切收縮，在相同動力及濕化條件下所受圍壓越大，所累積的體應變εv也越大；當圍壓一定時，動偏應力σd、含水率ω及荷載頻率f與試件達到相同軸向應變時所產生的體應變εv呈正比。