長平高速公路典型原狀粉質粘土靜動力學特性

張 鋒，馮德成，凌賢長，李瓊林，王加輝

(1.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱;2.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱)

目前，我國高等級公路建設發展迅速，截止2011年底，高速公路通車里程達8.5×104km，全年新增1.1×104km.公路作為一種線性構筑物，路基是必不可少的一部分，它一方面長期經受季節性溫濕循環變化的影響，另一方面承受線路上部結構的靜荷載和重載汽車動荷載的重復作用，其物理、力學性能較竣工時大有不同[1－3].而且，當前高速公路的建設多以舊路改建和擴建為主，若老路基物理力學性能過差，加之新老路基拼接處理不當，勢必產生不均勻沉降而最終導致路面縱向開裂，影響道路正常使用功能.

長(春)－(四)平高速公路全長約133 km，于1996年建成通車，是聯結東北三省交通運輸的重要干線公路，為了適應新形勢下區域經濟的發展，有必要對其進行拓寬改造.通過對全線老路基進行現場鉆孔勘察，發現公路沿線地基和路基中廣泛存在黃褐色和紫紅色粉質粘土，為了定量評價拓寬擴建后新、老路基的穩定性，有必要研究全線典型粉質粘土的力學性能.迄今為止，國內外關于粉質粘土靜力和動力荷載作用下的力學性能研究較多[4－16].以粉質粘土動力特性研究為例，文獻[4－8]對粘土在周期荷載作用下的性狀進行系統研究;尚守平等[9]針對原狀粉質粘土分別進行的循環單剪試驗和擾動土樣的動三軸試驗，得到了其最大剪切模量和模量比與剪應變之間的關系;袁曉銘等[10]基于共振柱試驗給出了國內常規土類動剪切模量比、阻尼比隨動剪應變變化的平均曲線、推薦值和包線;陳國興等[11]給出了南京6類新近沉積土的動剪切模量比和阻尼比隨剪應變幅值變化的平均曲線的擬合曲線及其參數的推薦值;蔡輝騰等[12]對福州地區6種典型土進行了共振柱試驗，探討了圍壓和土的性質對其動剪切模量和阻尼比的影響;呂小飛等[13]研究了杭州灣淺層粉質粘土的動力學性質，發現其與黃河三角洲地區的粉質粘土歸一化應力應變曲線相似，而阻尼比相差較大;高志兵等[14]對比了463組飽和黏性土原狀樣和同一位置現場原位試驗確定的最大動剪切模量，發現室內試驗結果基本小于現場試驗結果，埋藏深的土樣相差更大;蔣通等[15]提出了針對砂土和黏性土的考慮圍壓影響的模量比和剪應變關系簡化計算公式.可以看出，現有關于原狀、擾動粉質粘土動力特性的研究多以場地地震安全評價為工程背景，得出的結果因為區域性特征而不盡相同.然而，與普通場地地基不同，考慮運營期長期公路交通荷載作用和季節性溫濕循環作用后，公路路基原狀粉質粘土的動力學性能的試驗研究鮮有定量資料可查.

本文依托長平高速公路拓寬工程，針對老路基原狀粉質粘土，考慮其運營期交通荷載和凍融循環作用的影響，采用室內固結不排水三軸壓縮試驗和共振柱試驗，研究其靜、動力學特性，并提出不同路基斷面鄧肯－張模型和等效線性化模型相應參數確定方法和推薦值.

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

試驗在哈爾濱工業大學巖土與地下工程實驗室完成.固結不排水靜三軸試驗采用應變控制式三軸儀;動力學參數試驗采用中國地震局工程力學研究所研制的GZ－1型共振柱試驗儀，該設備可在試樣小應變范圍內(10－6～10－4)研究土的動力性能.

1.2 試件采集與制備

試驗土樣采自長平高速公路沿線路基.現場勘察和取樣在春融期進行.取樣時，為盡量避免擾動土樣，采用直徑100 mm，高度200 mm的取土器靜壓取樣;試樣取出后，用取土筒包裹并采用石蠟密封.各試件的取樣地點、取樣深度和重度指標見表1.

表1 試樣取樣地點、取樣深度和重度指標

依據三軸壓縮試驗規程(SL237－017－1999)所提原狀試樣制備方法制備試樣.試件統一直徑39.1 mm，高度80 mm，共制備試件23個，試件制備完成后置于保濕器中，以備試驗.

1.3 試驗方法

固結不排水靜三軸試驗(CU)依據三軸壓縮試驗規程(SL237－017－1999)完成.每個試件分別在圍壓100、200和300 kPa下等向固結排氣12 h后逐級加載，控制加載速率為0.1%·min－1，試件每產生0.25%(即0.2 mm)的軸向應變，記錄一次測力計讀數和軸向位移.當測力計讀數出現峰值后，應再繼續剪切3% ～5%;若測力計讀數無明顯減少，則剪切至軸向應變15%左右結束.

共振柱試驗依據規程(SL237－033－1999)按采用自由振動方法完成.試件先在圍壓80 kPa下等向固結排氣12 h后，在每一級激振力振動下試驗后，逐次增大激振力，繼續進行試驗得到在試樣應變幅值增大后測試的模量和阻尼比.在一級固結壓力試驗結束后，分別增加固結壓力至160和240 kPa排水固結后完成試驗.

2 靜三軸試驗結果分析

圖1為不同路基斷面不同圍壓(100、200和300 kPa)條件下原狀粉質粘土主應力差與軸向應變之間的關系曲線.隨著軸向應變的增加，主應力差逐漸增大，且增加趨勢逐漸減緩;不同圍壓下原狀粉質粘土的主應力差與軸向應變均呈雙曲線型;隨著圍壓增加，試件破壞時主應力差增加，破壞強度增大.其原因在于試件在圍壓作用下，土顆粒緊密排列，以致開放孔隙率減小，微裂隙部分閉合，土顆粒之間粘著力和咬合力增加，試件強度增加.特別對于K219+770(1)斷面和K254+550斷面試件，可能由于原狀試件在取樣或制作過程中造成內部損傷，因此造成部分圍壓條件下對試件的強度影響不明顯，但整體而言，圍壓越大，試件靜強度越大.

圖1 不同路基斷面原狀粉質粘土主應力差與軸向應變關系曲線

取軸向應變達到15%時對應的主應力差值作為試件破壞強度，據此，對同一試件繪制不同圍壓條件下試件破壞莫爾圓，可以得出不同路基斷面原狀粉質粘土的粘聚力c和內摩擦角φ，見表2.

式中:(σ1－σ3)f為破壞時的主應力差;(σ1－σ3)ult為主應力差的極限值.

根據鄧肯 －張模型，最大彈性模量Emax為

式中:pa為大氣壓;K和n為試驗常數.

按此式，當σ3=0時，Emax=0.但由于試驗所采用試樣為密實的粘性土，當σ3=0時，Emax≠0.故將式(2)改寫成式(3)形式

式中K0為試驗常數，與土性質有關.

表2為不同路基斷面原狀粉質粘土修改后的鄧肯－張模型參數.據表2各參數，并結合鄧肯－張模型，即可得到不同路基斷面不同圍壓條件下原狀粉質粘土主應力差與軸向應變的關系和最大彈性模量值.

表2 不同路基斷面原狀粉質粘土鄧肯－張模型參數

3 共振柱試驗結果分析

3.1 數據處理方法

采用等效線性化模型[16]描述土的動力性能.假定土的動剪應力幅值τd與動剪應變幅值γd之間的關系符合雙曲線規律，見式(5).

式中a和b均為試驗參數.

根據動剪切模量定義，可得到動剪切模量比Gd/Gdmax和阻尼比λ的計算公式為

式中:Gd為動剪切模量，Gd= τd/γd;Gdmax為最大動剪切模量，Gdmax=1/a;γr為參考剪應變幅值，γr=a/b.

3.2 試驗結果

圖2為不同路基斷面不同圍壓(80、160和240 kPa)條件下原狀粉質粘土的動剪切模量比、阻尼比與動剪應變幅值之間的關系曲線.由圖可見，隨著動剪應變幅值的增加，動剪切模量比逐漸減小，且減小幅度逐漸增加;阻尼比逐漸增加，且增加幅度逐漸增大;圍壓對原狀粉質粘土的變形特性和耗能特性影響較大，隨著圍壓的增加，土體剛度增加，耗能降低，同一動剪應變幅值對應的模量比增加，阻尼比減小.

圖2 不同路基斷面原狀粉質粘土模量比、阻尼比與動剪應變幅值的關系曲線

表3為原狀粉質粘土在不同路基斷面不同圍壓條件下的最大剪切模量Gdmax、參考剪應變幅值γr、最大阻尼比λmax和阻尼比擬合參數nλ.不同路基斷面上原狀粉質粘土最大剪切模量和參考剪應變幅值不盡相同，這與土樣的原始上覆壓力、固結狀態和應力歷史有關.隨著圍壓的增加，最大剪切模量和參考剪應變幅值增加;此外，最大阻尼比λmax和阻尼比擬合參數nλ變化不明顯.

表3 不同路基斷面不同圍壓條件下原狀粉質粘土的Gdmax、γr、λmax和nλ

圖3為本文動剪切模量比、阻尼比和動剪應變幅值曲線范圍與文獻[10－11]推薦曲線對比.文獻[10]推薦關系曲線適用于埋藏深度＜10 m的粉質粘土，文獻[11]推薦的關系曲線適用于硬塑態原狀粉質粘土.可以看出，與文獻曲線相比，在相同的動剪應變幅值下，本文原狀粉質粘土的模量比較大，相應地，阻尼比較小.主要原因在于土樣的賦存條件不同，文獻[10－11]中土賦存于自然環境中，而本文中土除受自然環境影響外，還經受長期的交通荷載產生的壓密作用.

圖3 模量比、阻尼比與動剪應變幅值關系曲線對比

3.3 Gdmax、γr與圍壓的關系

3.3.1 Gdmax與圍壓的關系

圖4為不同路基斷面原狀粉質粘土的最大動剪切模量與圍壓的關系曲線.可以看出，在試驗圍壓范圍內，原狀粉質粘土最大動剪切模量與固結圍壓之間呈線性關系.而且，除K254+550斷面異常外，隨著圍壓的增加，土的最大動剪切模量增加，這與文獻[12]和文獻[14]認識相同.主要在于圍壓的增加，使得土顆粒發生良性的剪切位移，開放孔隙減小，微裂隙部分閉合.

圖4 原狀粉質粘土最大動剪切模量與圍壓的關系曲線

不同路基斷面原狀粉質粘土最大動剪切模量與圍壓的擬合關系分別為

對于K218+130斷面

對于K219+770(1)斷面

對于K219+770(2)斷面

對于K250+820斷面

對于K277+440斷面

3.3.2 γr與圍壓的關系

圖5為不同路基斷面原狀粉質粘土的參考剪應變幅值與圍壓的擬合關系曲線.可以看出，在一定圍壓范圍內，原狀粉質粘土參考剪應變幅值與圍壓之間呈線性關系.不同路基斷面原狀粉質粘土的參考剪應變幅值擬合關系分別為

對于K218+130斷面

對于K250+820斷面

圖5 原狀粉質粘土參考剪應變幅值與圍壓的關系曲線

此外，由表3可見，圍壓對最大阻尼比λmax和阻尼比擬合參數nλ的影響較小且規律不明顯，可以通過取其平均值來確定.

4 結論

1)隨著圍壓的增加，原狀粉質粘土靜強度增加，最大彈性模量增大;當圍壓為0時，最大彈性模量存在初始值.最大動剪切模量、動剪應變幅值與固結圍壓呈線性增加關系，最大阻尼比和阻尼比擬合參數隨固結圍壓的升高而變化甚微.

2)不同路基斷面原狀粉質粘土的靜態力學特性可采用鄧肯－張模型描述，相關模型參數可參考表2獲得.

3)采用等效線性化模型描述不同路基斷面原狀粉質粘土動力性能，并得到其動剪切模量Gd和動剪應變幅值γd以及阻尼比λ和動剪應變幅值γd的關系曲線.

4)與現有粉質粘土的動剪切模量比、阻尼比和動剪應變幅值曲線相比，經歷運營期交通荷載和凍融循環作用后，同一剪應變幅值下，土的模量比大，而阻尼比小.

由于不同地區原狀粉質粘土土性不盡相同，且影響土的動剪切模量和阻尼比的因素較多，因此，所給出的推薦值對實際工程只起借鑒作用.

致謝 本文研究工作得到吉林省公路勘測設計院欒海高級工程師、哈爾濱工業大學張克緒教授和張爾其工程師的熱情支持與幫助，在此表示衷心感謝!

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