改良膨脹土動力特性試驗研究

文章編號：1001-4179（2025）06-0191-07

中圖法分類號：TU443 文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.06.025

0 引言

膨脹土在中國分布廣泛，是一種工程性質差，具有雙重脹縮性質的黏性土[1]，隨著城市建設發展的需要，越來越多基礎設施建設不可避免地穿越膨脹土層。為此，學者提出了各種改良方法，其中化學穩定、加筋技術以及兩者結合的方法最受關注。復合改良由于其加固效果好和經濟性等特點受到越來越多的關注。其中，研究改良膨脹土的動力特性對于保障交通及地震工況下的安全運行具有重要意義。

目前，眾多國內外學者已經利用動三軸試驗就圍壓、動應力幅值、循環加載次數、孔隙比、飽和度等因素對土體動力特性的影響進行了大量研究。Ghorbani等[2]通過循環三軸試驗，研究了稻殼灰、水泥穩定聚丙烯纖維加筋砂土的動力性能。Narani等[3]對不同廢輪胎紡織纖維含量的砂土進行重復加載三軸試驗，研究纖維含量對土體永久應變、彈性模量、能量耗散能力和阻尼比等參數的影響。李麗華等[4]通過動三軸試驗，重點研究了廢舊輪胎顆粒含量及圍壓對混合土動力特性參數的影響規律。賈宇峰等[5]使用動三軸儀對紅石巖新堆積體進行了動剪切模量比與阻尼比試驗，研究了不同顆粒級配和不同干密度對新堆積體動應力應變特性的影響。冷伍明等[對鐵路路基粗顆粒土填料在動力作用下的破壞規律進行了大型動三軸試驗，分析了圍壓和含水率對填料塑性變形增長和動強度的影響，并提出了利用靜強度推求相應動強度的公式。

以上研究主要集中于恒定動荷載下土體的動力特性。在動三軸試驗中，動應力的加載方式主要分為單級加載和分級加載。路基土受交通車輛載重的不同其所受動應力幅值也會改變，且分級加載較單級加載考慮了土體應力歷史的影響。目前，已有部分學者采用分級加載動三軸試驗研究路基填料的動力特性。Ku-mar等[通過三軸試驗研究了印度東北部黏性土在分級循環荷載作用下的動力特性和液化行為。楊福見等[8]針對高性能混凝土開展了三軸循環加卸載試驗，研究了三軸循環加卸載周期中的變形響應、力學特性表現、力學損傷的累積過程，以及抗滲性能的動態演化規律及其作用機制。梅慧浩等[9對粉土開展間歇效應的單級和分級加載動三軸試驗，研究單級和分級間歇加載方式對粉土累積塑性應變行為特征的影響。但目前關于分級加載下改良膨脹土動力特性的研究仍非常有限，并且沒有直接對比單級加載與分級加載對試樣動力特性的具體影響，且分級加載下累積塑性應變的發展規律仍需深入研究。

基于此，本文以改良膨脹土為研究對象，開展了單級加載與分級加載動三軸試驗，探討圍壓、動應力幅值、加載頻率對改良膨脹土累積塑性應變、應力-應變滯回曲線以及動彈性模量等動力特性的影響機制。

試驗裝置及試驗內容

試驗所用膨脹土土樣基本物理性質指標見表1，其顆粒級配曲線如圖1所示。

試驗采用DJSZ-150型動靜兩用三軸試驗機，該機具有靜、動軸向力加載、周圍壓力和孔隙水壓力穩定控制功能。試驗所用膨脹土取自武漢地區，取樣深度為地表以下 2.0～2.5m ；所用粉煤灰顏色為淺灰色，屬于C類粉煤灰，其性能技術指標見文獻［10-11]；所用椰殼纖維長度為 20～25mm 。椰殼纖維的物理特性見表2。

表2椰殼纖維的物理特性Tab.2Physical properties of coir fiber

基于無側限抗壓強度試驗及三軸預試驗，對不同粉煤灰及椰殼纖維摻量下的改良膨脹土力學特性進行研究，試驗得出粉煤灰摻量為 20% 、椰殼纖維摻量為0.5% 時的改良膨脹土的強度較高。試驗之前，將椰殼纖維、粉煤灰和膨脹土分別按 的比例配置，按最佳含水量摻水并悶料 24h 。之后將處理好的填料分6層進行擊實，每層 10cm ，每層擊實后將試樣面進行刮毛以減少分層現象，直到制樣完成。結合預試驗經驗，試樣壓實度控制在 95% 。采用水頭飽和法進行飽和與固結，其中飽和時長不低于 。待固結完成后，進行動態加載。

為模擬交通荷載，加載波形選用半正弦波，加載方式分為單級加載與分級加載，單級加載循環次數設定為5000次，分級加載共分為3級，每級循環5000次，具體加載方式見圖2，加載方案見表3。參照JTG3430—2020《公路土工試驗規程》，循環達5000次或試樣累積變形達其初始高度的 5% 時停止試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 累積塑性應變及預測模型

累積塑性應變 ε 隨循環次數 N 的變化曲線如圖3所示。圖3（a）為圍壓 σ₃=120kPa 時試樣在不同動應力幅值作用下累積塑性應變隨循環次數的關系曲線。從圖中可以看出，當動應力由低幅值增加到高幅值時，試樣的累積塑性應變狀態由安定向破壞變化。當動應力幅值較小時，累積塑性應變增加緩慢。當動應力幅值較大時，累積塑性應變迅速增加，直至試樣損壞。可見，累積塑性應變受循環次數和動應力幅值影響顯著。根據JTGD50—2017《公路瀝青路面設計規范》的指導原則，結合動三軸試驗定量數據，對改良膨脹土試件累積塑性應變進行了系統分析，并據此劃分為塑性安定、塑性蠕變和增量破壞3個階段。具體來說，當動應力幅值低于 120kPa 時，土體處于塑性安定階段，表現出較小的應變增長；動應力幅值在 120～ 150kPa 時，土體處于塑性蠕變范圍，應變增長速率加快；而當動應力幅值超過 150kPa 時，土體處于增量破壞范圍，累積塑性應變顯著增大，趨向破壞。

除動應力幅值外，圍壓對路基材料的累積塑性應變也有影響[12]。如圖3（b）所示，在相同動應力下，隨著圍壓的增大，試件的累積塑性應變逐漸減小。當圍壓為 90kPa 時，試件處于增量破壞范圍；圍壓為120kPa時，試件處于塑性蠕變范圍；圍壓為 150kPa 時，試件處于處于塑性安定范圍。說明對于給定的動應力幅值，在較低圍壓下，改良膨脹土試件更有可能發生破壞。這與黃娟等[13]和Li等[14]研究結果一致。

圖3（c）為圍壓 120kPa 、動應力幅值 150kPa 加載頻率 ^{1，1，5，2Hz} 作用下的累積塑性應變與循環次數的關系曲線。從圖中可以看出，在不同加載頻率下，改良膨脹土的累積塑性應變呈現的總體變化規律與上述不同圍壓下的變化規律類似。加載頻率對試件的累積塑性應變有顯著影響。在給定圍壓和幅值下，累積塑性應變最大值為 3.95% 。試件的累積塑性應變隨加載頻率的增加而減小。這是由于加載頻率越低，荷載變化速度越慢，在相同振次下土體的受荷時間越長，導致土體變形發展越充分，相應的累積塑性應變就越大。Lei等[15]通過三軸試驗對再生軟土的動力特性進行研究也得到類似規律。因此，在實際施工過程中可以采用較低頻率的振動碾壓提高路基密實度。

分級加載下改良膨脹土試樣的累積塑性應變隨循環次數的變化曲線見圖3（d）。由圖3（d）可知，分級加載下加載歷史對試樣的累積塑性應變發展影響顯著，與單級加載相比，分級加載在相同循環次數內累積塑性應變明顯減小。例如，當幅值為 150kPa 時，單級加載與分級加載在加載5000次后的累積塑性應變最大值分別為 3.95% 和 2.82% 。當幅值為 180kPa 時，分級加載的試樣在承受更高的循環次數后發生破壞。這是由于分級加載下，在前一級動應力幅值作用下改良膨脹土試樣逐漸被壓密，施加下一級動應力幅值前土體的動力穩定性得到了提高，土體能夠承受更高的荷載幅值。

在實際工程中，路基材料處于增量破壞范圍時，在動載作用下，路基的累積塑性應變會迅速增大導致路基發生沉降，對路基和行車安全構成威脅。因此，在實際工程應用中，防止路基材料處于增量破壞范圍至關重要。

分級加載下累積塑性應變的預測方法有平移相加法和時間硬化法，本文采用Wang等[16]使用的平移相加法對分級加載下累積塑性應變隨循環次數的變化進行預測。預測值計算公式如下：

式中： ε_p^K+1 為第 K+1 級加載累積塑性應變的預測值，ε_p^K 為第 K 級加載的實測值， 為第 K+1 級加載前 5000 次循環的調整值。后 5000 次循環的預測值認定其與循環次數線性相關，直線斜率 θ 為第 K+1 級累積塑性應變最后階段曲線的斜率。

預測結果如圖4。由圖4可知，采用平移相加方法的預測值大于實測值，平移相加方法通過先平移后相加的方法消除應力歷史效應，更準確地估算了單級加載下試樣累積塑性應變隨循環次數的變化。

2.2 應力－應變滯回曲線

滯回曲線是構建土動力本構模型的核心之一，描述了卸載和再加載過程中應力-應變關系的規律，反映了應變對應力的滯后[17]

圖5給出了圍壓 120kPa 時不同動應力幅值下應力-應變滯回曲線。從圖中可以看出，所有滯回曲線均平行排布，不同循環次數下滯回曲線的形態及趨勢相似。應力-應變滯回曲線沿動應變方向隨循環次數的增加而移動。加載初期，滯回曲線的移動距離隨加載循環次數的增加而增加。隨循環次數的增加，單次循環引起的殘余應變增量逐漸減小。為更清晰顯示滯回曲線的發展規律，參考文獻[18]，將不同循環次數下的滯回圈平移至坐標軸同一位置，如圖6所示。從圖6中可以看出，隨循環次數的增加，滯回曲線沿應變軸的傾斜度有增大的趨勢并向應力軸靠近，說明由于超孔隙壓力的耗散，試件的剛度有增大的趨勢，土體動彈性模量在逐漸增大，出現明顯的硬化現象。還可以看出滯回曲線從近似橢圓形逐漸變為窄而扁的柳葉狀。滯回曲線的面積隨循環次數增加而減小，表明試樣累積塑性應變速率逐漸減小。

圖7為圍壓 120kPa ，幅值 150kPa 時，3個振動頻率 （1，1.5，2Hz ）下，改良膨脹土試樣的滯回圈曲線。從

注： N 為循環次數。

圖中可以看出，不同加載瀕率，不同循環次數下的應力-應變滯回曲線表現出的規律具有相似性。隨著循環次數的增加，應力-應變滯回曲線向應力軸方向靠攏。加載頻率越低，土體的滯回曲線越大越飽滿，加載頻率越大，滯回曲線越接近線型。滯回曲線整體傾斜度隨加載頻率的增大而變陡，表明土體的剛度隨加載頻率的增大而增大。

2.3 動彈性模量

動彈性模量是用于評估循環荷載作用下巖土材料動力性能的指標之一[19]，其計算公式如下：

式中： E_d 為動彈性模量; σ_c，max，σ_D，min 分別為單個滯回圈中動應力最大值和最小值; ε_C，max，ε_D，min 分別為單個滯回圈中最大與最小動應力所對應的應變值。

動彈性模量隨動應變的變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，不同加載條件下，土體的動彈性模量發展規律具有相似性，動彈性模量均隨動應變的增大而增長。如圖8（a）所示，當動應力幅值較小時，動彈性模量在短時間內快速增長；隨著動應力幅值的增加，動彈模量增長趨勢放緩，曲線接近“L”形。除動應力幅值外，圍壓對路基材料的累積塑性應變也有影響。如圖8（b）所示，當動應變一定時，隨著圍壓的增加，土體動彈性模量呈現增大趨勢。這是因為圍壓的增加，增加了改良膨脹土試樣的側向約束，導致土體顆粒與椰殼纖維接觸更緊密，試樣的剛度越大，更不易發生變形和破壞，因此圍壓越高，相同動應力幅值下產生的動應變越小，試樣的動彈性模量越大。故在實際工程施工中，可以通過壓實、加筋等措施增加側向約束作用增加土體的動彈性模量。圖8（c）為不同加載頻率下動彈性模量隨動應變的變化曲線，從圖中可以看出，不同加載頻率下，土體的動彈性模量均隨動應變的增大而穩定增長。土體的動彈性模量隨加載頻率增大而增大，這是由于隨加載瀕率的增加，荷載對土體的作用時間降低，土體能在短時間內被壓密，變形在短時間內來不及發生，動彈性模量變大。但不同頻率下土體的動彈性模量增幅不大，表明加載瀕率對改良膨脹土的動彈性模量影響有限。這與文獻［20-21]的研究結果相似。圖8（d）為分級加載下動彈性模量隨動應變的變化曲線，從圖中可以看出，分級加載下改良膨脹土的動彈性模量變化規律與單級加載差異較大，單級加載時最大動彈性模量隨動應力幅值的增加先增大后減小。這是由于動應力幅值較低時，土體自身的彈性性能能夠較好抵抗循環荷載；隨著動應力幅值的增加土體被擠壓密實，發生不可恢復的塑性變形，表現出較大動彈性模量;隨著動應力幅值繼續增大，土體結構發生破壞，土體抵抗變形的能力降低，動彈性模量降低。分級加載時最大動彈性模量隨動應力幅值的增加而增大，但增幅變緩。這是由于分級加載的應力歷史效應使得土體不斷被擠壓密實，剛度增大，土體能夠承受更高的動應力幅值。這也與實際工程中路基碾壓遵循的“初壓輕，復壓重”的原則一致。

3結論

針對改良膨脹土動力特性進行了動三軸試驗，研究了圍壓、動應力幅值、加載瀕率以及加載方式等因素對改良膨脹土的累積塑性應變、應力-應變滯回曲線以及動彈性模量的影響，得到如下結論：

（1）改良膨脹土累積塑性應變與動應力幅值呈現正相關，與圍壓和加載頻率呈現負相關。這一現象可以通過土體內部結構在循環荷載作用下的微觀機制來解釋，即隨著動應力的增加，土體顆粒間的接觸應力增加，導致更多的顆粒重排和結構調整，進而產生累積塑性應變。而較高的圍壓和加載頻率則通過增加土體的剛度和減少荷載作用時間，抑制了塑性應變的發展。本文研究結果與Lei等[15]的發現一致，特別是在描述動應力幅值對累積塑性應變影響的正相關性方面。

（2）改良膨脹土的滯回曲線移動距離隨著循環次數的增加而增加，滯回曲線從近似橢圓形逐漸變為窄而扁的柳葉狀，滯回曲線的面積逐漸減小，滯回曲線向應力軸傾斜，試樣剛度變大，出現明顯的硬化現象。即隨著土體內部孔隙水壓力的累積和消散，以及顆粒骨架的重排，土體在循環荷載下變得更為緊密。

（3）不同試驗工況下，改良膨脹土動彈性模量均隨動應變的增大而增大。相同動應變對應的動彈性模量與圍壓、動應力幅值、加載頻率呈現正相關，但不同頻率下土體的動彈性模量增幅不大。分級加載下改良膨脹土的動彈性模量變化規律與單級加載差異較大。動彈性模量的增加歸因于土體顆粒在循環荷載下的重新排列和結構調整，以及孔隙水壓力的累積和消散，導致土體密實度和剛度的提高。

（4）實際工程中可參考本研究推薦的動彈性模量和累積塑性應變數據，選擇合適的壓實度和加固措施。設計階段建議考慮土體動力特性，優化材料配比，以提高路基整體性能。

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（編輯：鄭毅）

Abstract：Tostudythedynamiccharacteristics of improved expansivesoil under cyclic loading，weusedthedynamic triaxial apparatustoinvestigatetheinfluenceofconfining pressre，dynamicstresslevel，loading frequencyandloadingmodeonthecumulative plasticstrain，stress-strain hystereticcurveanddynamic modulusofimprovedexpansivesoil.Theexperimentalresults indicatedthatthecumulativeplasticstrainincreasedwithteincreaseofdyamicstresslevel，anddecreasedwiththeiceaseof confining pressreorloading frequency.Asthedynamicstresslevelincreased，tecumulativeplasticstrainstateof theimproved expansivesoilchangedfromstable tocolapse.Areasofhystereticcurves decreasedwiththeincreaseofthenumberofcycles，nd thehysteresiscurve tltedclosed tothestressaxis，resultinginthehardening phenomenon.Thedynamicmodulus increasedwith theincreaseofdynamicstrain.Thedynamic moduluscorrespondingtothesamedynamicstrainwaspositivelycorrelated withconfining presure，dynamicstresslevel，andloading frequency.Comparedtosingle-stageloading，themulti-stageloadingplayed anactiveroleinimprovingtheabilityofthespecimenstoresistpermanentdeformation.Accordingtotheresearchresults，confining pressure，dynamicstresslevel，loadingfrequencyandloadingmodehaveasignificantimpactonthedynamichaacterstics of improved expansivesoil.Theresearchresults havereference values forunderstandingand evaluating thedynamiccharacteristics of improved expansive soil.

Key words： improvd expansive soil; dynamic triaxial test;cumulative plastic strain; stress -strain hysteretic curve; dynamic modulus