基于動力學(xué)試驗的路基動力參數(shù)特征研究

許華斌

文章通過循環(huán)荷載試驗，研究粉質(zhì)黏土路基在不同含水率、圍壓、頻率條件下的動力響應(yīng)。結(jié)果表明：粉質(zhì)黏土路基動彈性模量、動剪切模量與圍壓、循環(huán)荷載頻率為正相關(guān)關(guān)系，與含水率是負(fù)相關(guān)關(guān)系;阻尼比與含水率為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與頻率和圍壓為正相關(guān)關(guān)系。各因素對動力參數(shù)的影響程度重要性為：圍壓>含水率>頻率。

路基;循環(huán)荷載;動力參數(shù)

U416.1A150483

0?引言

準(zhǔn)確獲取路基強度參數(shù)是進行路基處理的關(guān)鍵。路基承擔(dān)車輛荷載不是一個穩(wěn)定值，而是一個動態(tài)變化的過程，因此，研究動力作用下路基動力參數(shù)十分必要。循環(huán)荷載試驗在動力學(xué)研究中使用較多：吳鐘騰等[1]考慮循環(huán)荷載條件下軟土累計沉積結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)為對數(shù)相關(guān)關(guān)系;韓培鋒等[2]研究循環(huán)荷載沖擊作用下機場跑道沉降規(guī)律，認(rèn)為隨次數(shù)增加變形速率降低;張建新等[3]采用循環(huán)荷載試驗研究硫酸鹽漬土動力特性，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)重載列車型號合理控制列車速度以控制路基變形量;王嶺軍[4]采用循環(huán)荷載試驗分析粗顆粒路基土動力響應(yīng)，認(rèn)為粗顆粒路基土在循環(huán)荷載下極短時間內(nèi)可達(dá)到峰值。根據(jù)前人研究可知循環(huán)荷載作用下巖土體響應(yīng)劇烈，強度劣化幅度大、速度快。實現(xiàn)循環(huán)荷載的方法較多，包括原位試驗[5]、物理模擬[6]、數(shù)值模擬[7]、巖土體力學(xué)試驗[8]等。

本文結(jié)合前人研究成果，現(xiàn)場獲取某處路基原狀巖土試樣，采用室內(nèi)動三軸試驗研究路基粉質(zhì)黏土動力學(xué)參數(shù)，為路基處理及后期維護提供參考。

1?試驗方法

1.1?試樣獲取及試驗儀器

試樣取自天然路基，巖土體類型為粉質(zhì)黏土，使用薄壁取樣器獲取原狀土樣，試驗時使用重塑樣，試樣采用圓柱體，高12.5～12.7 cm，直徑為6.18 cm。原狀試樣的物理參數(shù)見表1。試驗儀器采用動三軸試驗儀。

1.2?試驗方案設(shè)計

根據(jù)前人所做研究[9-10]，確定采用正弦波、等幅分級、單幅循環(huán)荷載，軸向動應(yīng)變達(dá)到20%即可認(rèn)為試樣破壞。試驗方案見表2。

2?試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果繪制動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線，見圖1。采用粘彈性模型耦合試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)動彈性模量和阻尼比反映循環(huán)荷載作用下，路基巖土體力學(xué)響應(yīng)的非線性和滯后性效應(yīng)。使用最小二乘法確定動應(yīng)變幅值函數(shù)。

圖1?加載過程中動應(yīng)力σ-動應(yīng)變ε關(guān)系曲線圖

2.1?動彈性模量分析

動彈性模量是粉質(zhì)黏土路基動應(yīng)力-動應(yīng)變的直接反映，是反映粉質(zhì)黏土動應(yīng)力響應(yīng)特征的一個重要參數(shù)。動彈性模量計算模型見圖2，采用式（1）計算：

E=σmax-σminεmax-εmid（1）

式中：Ed表示動彈性模量;σmax、σmin分別表示一次循環(huán)荷載最大、最小動應(yīng)力;εmax、εmid分別表示一次循環(huán)荷載最大、中間動應(yīng)變。

使用式（1）計算動彈性模量時可以剔除動荷載作用下粉質(zhì)黏土路基產(chǎn)生塑性變形的影響，即A～E部分。同時，也可以反映出粉質(zhì)黏土動力學(xué)響應(yīng)滯后性特征，即C～E部分。計算試樣動彈性模量，繪制其與動應(yīng)變的關(guān)系曲線。

通過繪制曲線，粉質(zhì)黏土路基動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線為雙曲線型，可采用Hardin-Drnevich模型研究動彈性模量與動應(yīng)變的關(guān)系函數(shù)。數(shù)學(xué)計算過程如下：

σd=εda+bεd（2）

式中：σd、εd分別表示動應(yīng)力、動應(yīng)變幅值;a、b表示試驗常數(shù)。

粉質(zhì)黏土動彈性模量Ed也可采用如下計算方法：

Ed=σdεd（3）

聯(lián)合式（1）、式（2）得：

Ed=1a+bεd（4）

初始彈性模量Emax，即當(dāng)εd→0時曲線斜率，計算方法如下：

Emax=1a（5）

繪制不同條件下Ed與εd關(guān)系曲線，見下頁圖3。

圖3（a）為圍壓為1 MPa，頻率為1 Hz條件下，不同含水率粉質(zhì)黏土路基動彈性模量與動應(yīng)變關(guān)系曲線。隨著含水率的增加，最大動彈性模量逐漸降低，含水率從12%上升至15%的過程中，動彈性模量下降幅度最大，這是因為含水率達(dá)到15%時，超過了塑限13.7%，粉質(zhì)黏土強度衰減較大。

圖3（b）為15%含水率，圍壓為1 MPa條件下，不同頻率Ed與εd的關(guān)系。循環(huán)荷載頻率越大，Ed最大值越大，但頻率對粉質(zhì)黏土路基動力學(xué)參數(shù)的影響較小。

圖3（c）為15%含水率，頻率為1 Hz，不同圍壓Ed與εd的關(guān)系。圍壓越大，Ed越大，且圍壓對Ed變化影響較大。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：含水率低的粉質(zhì)黏土顆粒粘結(jié)好、摩擦力大，抗變形能力較強。隨著含水率提高，在“水滑”作用的影響下，顆粒間的粘結(jié)作用變差，在力的作用下更易發(fā)生變形，彈性模量降低。同時，圍壓變化造成彈性模量變化的主要原因是在外力作用下，改變粉質(zhì)黏土顆粒間的結(jié)合程度。

2.2?動剪切模量

動剪切模量Gd是粉質(zhì)黏土路基抵抗動剪切變形能力的反映，一般采用式（6）計算：

Gd=σd2εd（1+μ）（6）

因此，Gd與Ed關(guān)系為：

Gd=Ed2（1+μ）（7）

式中：μ為泊松比。

由式（7）可知，Gd與Ed變化規(guī)律一致，此處不再重復(fù)描述。

2.3?動阻尼比

動阻尼比是巖土體吸收能量能力的反映。所有試驗條件下，最大動阻尼比計算結(jié)果見表3。從表3可知，最大動阻尼比隨著粉質(zhì)黏土路基含水率、圍壓的增大而增大，隨著循環(huán)荷載頻率的提高而減小。這主要是因為：圍壓越大，粉質(zhì)黏土顆粒之間接觸更好，循環(huán)荷載作用下形成的振動波在粉質(zhì)黏土顆粒之間的傳播速度越快，其能量損失越小，因此動阻尼比越小。含水率越高，粉質(zhì)黏土顆粒之間的接觸越差，粉質(zhì)黏土顆粒在循環(huán)荷載作用下更易產(chǎn)生顆粒間的錯動，顆粒之間的摩擦作用將會消耗更大的能量，從而導(dǎo)致含水率越高，動阻尼比越大的現(xiàn)象。

3?結(jié)語

（1）根據(jù)三軸試驗結(jié)果，粉質(zhì)黏土路基動模量隨著圍壓、頻率增大而增大，隨著含水率增大而減小;阻尼比隨著含水率的提升而提升，隨頻率、圍壓的降低而降低。其中圍壓對動力學(xué)參數(shù)影響最大，頻率對其影響最小。

（2）通過室內(nèi)力學(xué)試驗，可為路基土處理提供參考，在道路使用過程中為保證安全性和耐久性應(yīng)該注意控制路基含水率，保持在較低水平。同時，過往車輛載重和車速應(yīng)該嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

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