交通動載下礫性土動三軸試驗分析

暢振超　王家全　周圓?！↑S世斌

摘??? 要：為了探討交通動載下礫性土的動力特性，采用GDS高級動態三軸測試系統，對級配良好的礫性土進行了大尺寸動態三軸試驗，分析礫性土的應力應變及動模量等參數的變化規律.試驗結果表明：循環荷載作用下，礫性土的應力應變關系整體上呈遞增的趨勢，動應變εd≤2.36%時，礫性土動應變隨動應力呈線彈性增長;εd>2.36%后，土體出現塑性變形，礫性土動應變呈非線性加速發展趨勢.礫性土軸向動應變隨振動次數逐漸增大，動應變增長率隨振次增加而增大.礫性土動彈性模量隨著動應變增加整體呈現驟減→略增→減小的趨勢，其中在1%<εd<3%范圍時動彈模出現小幅增長.密實的飽和礫性土在多級短時荷載作用下，產生剪脹變形，對應動孔壓隨動應變呈局部振蕩整體遞減的趨勢.

關鍵詞：礫性土;動三軸試驗;交通動載;累積應變;動模量

中圖分類號：TU441??????????? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.002

0??? 引言

礫性土是指包含礫石土、砂礫土、礫砂等在內的含有多粒組成分的寬級配土，是一種典型的天然土壤，廣泛存在于交通與水利工程中[1].目前，關于礫性土在靜力學方面的研究已經較為常見，但是在動力學方面的研究還相對較少.實際工程中，由于礫性土的物理力學性能和水穩定性比較好，因此，被廣泛應用于路基工程中.路基所受荷載一般以交通動載為主，這就要求設計施工時要考慮交通動載的影響.因此，礫性土動力特性的研究對路基工程設計施工有一定的參考價值.動態三軸試驗是研究土體動力特性的一個常規試驗類型，也是目前土體動力特性研究最常采用的試驗途徑.

國內外學者在砂土動力特性方面進行了相關試驗和數值及理論研究.在試驗研究方面，許華青[2]研究了圍壓、顆粒級配對礫性土動應力、動剪切模量、阻尼比、最大動剪切模量、最大阻尼比的影響，同時還進行了不同尺寸試樣（試樣直徑?=50和100 mm）的動三軸試驗，揭示了尺寸效應對礫性土動力特性的影響.劉大鵬等[3]和閆春嶺等[4]分別對礫性土和飽和軟粘土在循環荷載作用下的累積應變進行了研究，分析了荷載頻率和動應力幅值對累積應變的影響.值得一提的是，閆春嶺等[4]還通過正交試驗和方差分析研究了振動次數、荷載頻率、動應力幅值3種因素兩兩共同作用時對累積應變的影響規律.王勇等[5]進行了細粒含量對飽和砂土動彈性模量與阻尼比影響的試驗研究（試樣直徑?=39.1 mm），發現細粒含量以30%為臨界值，小于30%時，砂土的動力特性主要由粗粒起決定作用，大于30%后主要由細粒決定.王權民[6]和王艷麗[7]利用動三軸儀進行了試樣直徑為?=39.1 mm的動三軸試驗，研究了砂土的動模量和阻尼比，揭示了圍壓對動模量和阻尼比的影響規律.王權民等[6]還提出了描述孔壓變化規律的動孔壓模型，該模型能夠較好地描述砂土的動孔壓變化.除此之外，黃博等[8]采用動三軸儀施加不同的加荷波形模擬了高速列車荷載，得出室內試驗時可采用半正弦波在排水條件下進行動力試驗來模擬高速列車荷載.劉大鵬等[9]（試樣直徑? ?=100 mm）研究了含水率和圍壓、壓實度、動荷載作用頻率和初始靜偏應力對臨界動應力的影響，揭示了不同條件下臨界動應力的變化規律.在數值模擬方面，POWRIE等[10]通過數值軟件模擬了列車運行過程中，路基內部土體應力的變化，研究了鐵路路基的地應力在列車運行過程中的變化規律.Kaynia等[11]建立了用于列車運行中路基地面響應預測的數值模型，對實際工程中的路基條件進行了模擬，并與實測數據進行了比較，得到了與實測值較吻合的結果.王家全等[12]還對砂土的靜三軸試驗做了數值模擬研究，通過PFC3D離散元軟件建立加筋砂土三軸試驗模型，與室內試驗結果進行了對比驗證，探討了摩擦系數、剛度比和孔隙率等細觀參數對加筋砂土宏觀力學特性影響的敏感程度.動本構關系研究方面，王婧等[13]根據動三軸試驗的結果（試樣直徑?=100 mm），研究了不同條件下礫性土的動本構關系，發現礫性土的動本構關系可以采用Kondner 雙曲線模型對其進行描述，并得出了不同條件下的模型參數.雷華陽等[14]基于動三軸試驗結果（試樣直徑?=39.1 mm），研究了結構性軟土的動本構關系，得出振動波形對結構性軟土的動應力-應變類型影響不大，但對最大動彈模量和動剪切模量影響較為顯著.

綜上所述，目前對交通動載作用下飽和礫性土的動三軸試驗研究較少，且多數采用的試樣為直徑????? ?≤100 mm的小尺寸試樣.為減少尺寸效應對試驗結果的影響以及更好地模擬實際工程，本文以交通動載下的礫性土路基為工程背景，開展了循環荷載下飽和礫性土的大尺寸（直徑?=150 mm）動三軸試驗，研究了交通動載作用下飽和礫性土的動力特性，可為礫性土路基工程的設計施工提供借鑒與參考.

1??? 試驗裝置及試驗內容

1.1?? 試驗設備

試驗設備采用英國GDS儀器設備有限公司生產的DYNTTS電機控制高級動態三軸測試系統，如圖1所示.該系統包括儀器主機、壓力室、圍壓控制器、反壓控制器、荷重傳感器、孔壓傳感器、DCS 8通道數據采集控制盒 、GDSLAB數據采集及控制軟件等.可以施加的動載頻率為0～5 Hz，軸向荷載最大為10? kN.

1.2?? 試驗材料

本試驗采用的砂樣為廣西柳州本地的河砂，根據篩分試驗分析其顆粒級配如表1所示，砂樣的不均系數Cu=5，曲率系數Cc=1.25，為級配良好的礫砂.具體粒組分布情況見圖2砂土顆粒級配曲線.

1.3?? 試驗方案

通過對飽和砂土試樣施加不同動應力幅值下的循環荷載進行動三軸試驗.交通荷載在路基內引起的是一種單脈沖形式的動應力，是以一定的初始應力值和一定的振幅循環變化的動應力，如半正弦波的循環荷載形式[15].室內試驗中，可用半正弦波循環荷載模擬車輛通過時引起的復雜動應力，從而研究路基的動力響應.為了更加貼切的模擬車輛荷載，試驗選用循環荷載的波形為圖3所示的半正弦波.交通荷載的頻率受車輛行駛速度影響，并非是一個定值，一般在0.1～10.0 Hz之間[16]，本試驗循環荷載加載頻率設置為?? 1 Hz.不同交通荷載作用下，循環應力比R（R =σd/2σc，σd為豎向的動應力，σc 為圍壓）大小一般不同，但循環應力比一般在0.1～6.0范圍內[17-18].本試驗考慮GDS動三軸儀是按軸向壓力施加動應力，因此，取每級軸向壓力增量為0.2 kN，循環應力比取0.1～2.5.在圍壓100 kPa，固結應力比Kc=1.0的條件下進行動三軸試驗，具體動力參數如表2所示.考慮試驗材料選用礫性土，其顆粒直徑較大，為減小尺寸效應的影響，采用直徑150 mm、高度300 mm的大尺寸試樣.

1.4?? 試驗過程

試驗在DYNTTS電機控制高級動態三軸儀上進行，采用應力控制模式進行加載，排水條件為固結不排水.試驗過程大致分5個部分進行：①采用分層擊實的方法分6層進行裝樣，裝樣過程中，為了保證試樣密實度相同，振搗次數控制在每層30次;②裝樣后，先對試樣進行二氧化碳飽和，置換試樣孔隙中存在的空氣;③對試樣充水進行反壓飽和，使試樣孔隙中未排干凈的少量空氣溶于水中，達到充分飽和的條件，檢測孔隙水壓力系數B值≥0.95時認為試樣已經飽和;④對飽和試樣進行等向固結，待反壓體積保持不變時認為試樣固結完成;⑤固結完成后即可對試樣施加循環動載.

動載的加載方式采用多級循環荷載短時振動方式，即在多級動應力幅值下進行短時循環荷載加載.試驗選擇動應力幅值從0.1 kN，基準荷載0.1 kN開始，然后動應力幅值與基準荷載每級各增加0.1 kN.在每級動應力幅值下振動循環次數設置為5次，取第3個循環的數據為有效數據.每個循環的數據采集點設置為20個，由于頻率為1 Hz，則數據采集系統是按每0.05 s采集1個數據點進行數據采集.

2??? 試驗結果與分析

為分析礫性土在動載作用下的動力特性，分別分析動三軸試樣的應力應變特性、應變與振動次數、動模量及動孔壓的變化關系.

2.1?? 礫性土應力應變關系分析

如圖4所示，為飽和礫性土在圍壓100 kPa下，進行多級循環荷載短時振動三軸試驗所得到的應力應變關系曲線.從圖4中發現，應力應變曲線整體上呈遞增趨勢.在動應力σd≤200 kPa，即動應變εd≤2.36%時，曲線基本接近直線，試樣處于彈性階段.隨著動應力的增加，動應變也隨之增大.在動應變εd≥2.36%后，隨著動應力的增大，曲線的斜率開始減小，動應變增長速度加快，有屈服的趨勢.這是由于在動應變εd≥2.36%后，試樣出現塑性變形，土體開始發生部分塑性剪切破壞.

因此，在工程中，要盡量將循環荷載的動應力控制在一定范圍內，控制動應變處于緩慢的線性增長階段，此時礫性土結構尚處于穩定狀態，有利于減小和控制土體在循環荷載作用下的變形.

2.2? 累積應變與振次關系分析

施加動載時，試樣的軸向應變是隨著循環荷載次數的增加逐漸累積的過程.研究累積應變有助于分析長期交通動載作用下，飽和礫性土軸向應變的發展趨勢.如圖5所示，隨著循環荷載加載次數的增加，試樣的軸向累積應變是前緩后快的增長趨勢.軸向累積應變ε≤2.6%時，曲線基本為直線，即軸向累積應變的增長速率是恒定的.隨著振動次數的增加，軸向累積應變ε>2.6%后，曲線的斜率逐漸增大，軸向累積應變的增長速率逐漸增大.

對照圖5、圖6可以看出，試樣的體變量從振動開始就一直是增大的，也就是說從振動開始土體就開始產生剪脹變形.累積應變ε≤2.6%時，試樣中由粗粒土構建的土骨架結構還未發生破壞，試樣的軸向累積應變增長速率較緩.當軸向累積應變ε>2.6%，即振次N>50次后，試樣體變量與振次關系曲線的斜率開始增大，體變量的增長速率開始提高，試樣的剪脹變形更加劇烈，試樣中的土體開始發生剪脹破壞.由粗粒土形成的土骨架結構被破壞，試樣內部砂粒發生顆粒重組，從而導致軸向累積應變的增長速率開始提高.

如圖7所示，為不同振次下動應變隨時間變化的動應變時程曲線.從圖中可以看出，隨著振次的增加，動應變增長的幅度越大.從單條曲線看，振次越大單根曲線斜率的變化更加顯著.對比振次N=3和N=120這兩條曲線會發現，N=3時一個循環內動應變的變化很小，曲線基本水平.N=120時一個循環內動應變會出現一個峰值，這是由于振動過程中動應力幅值是逐級增加的，動應力幅值越大，單個循環內的動應變幅值相應也會增大.從每條曲線之間的動應變差值來看，分析動應變的增長率如表3所示，表3中動應變的增長率是相鄰曲線間動應變的差值與總應變的比值.由表3可發現，隨著振次的增加，動應變的增長率隨之增大，尤其是N=3和N=120這兩個循環的動應變增長率相差20%.這與上面分析的累積應變隨振次的增加曲線斜率增大的規律相符合.

2.3?? 動模量與動應變關系分析

動彈性模量是研究砂土動力特性的一個重要參數指標.研究動彈性模量有助于分析礫性土路基在短時動載下動應變的發展規律.如圖8所示，在圍壓100 kPa下，試樣的動彈性模量隨著動應變的增加呈現出驟減→略增→減小的趨勢.當動應變εd≤0.8%時，動模量隨著動應變的發展呈現出迅速減小的趨勢.

由于試驗采用的土樣為級配良好礫砂，其容易被壓實，在裝樣時采取分層擊實方式，使試樣的壓實度達到密實狀態.結合圖6和圖8可以發現，在開始施加循環荷載時，試樣的體變量逐漸增大，土體發生剪脹變形，從而動模量迅速減小.當動應變0.8%≤εd≤2.6%時，隨著循環荷載的持續加載，動應變繼續發展，動模量呈現出小幅度增加的趨勢，這是因為土體在剪脹過程中發生了顆粒重組，應力應變曲線在局部呈現出遞增的趨勢.當動應變εd≥2.6%時，隨著動應變的增加，動模量逐漸減小，且減小的速率漸漸變大.

圖9所示的已破壞試樣亦可看出，試樣經過循環荷載作用后中部出現明顯鼓脹，顆粒間孔隙變大.隨著動應力幅值的逐級增大，礫性土土體發生剪脹變形也愈加劇烈，孔隙比不斷變大，導致土體越來越疏松，從而使動模量不斷減小且減小的速率越來越大.

2.4?? 動孔壓與動應變關系分析

如圖10所示，動孔壓與動應變曲線呈局部振蕩，整體遞減趨勢;隨著動應變的增加，曲線局部振蕩的振幅逐漸增大.本試驗循環荷載的加載方式為多級短時循環荷載加載方式，因而動應力幅值是逐級遞增的.此外，由于試樣處于密實狀態，在開始施加動載時，試樣同步發生剪脹變形.由于動應力幅值的不斷增大，動應變幅值也相應的增加，累積應變隨之增大.動應力幅值增大的過程中，剪脹變形的程度也會越發劇烈，最后導致試樣剪切破壞.試樣在剪脹變形過程中，試樣孔隙體積不斷擴大，由于振動過程是保持反壓體積不變，也就是振動在不排水條件下進行.飽和試樣振動開始前，孔隙是完全被水充滿的，隨著土體的剪脹變形，試樣中的孔隙體積變大，而孔隙水的體積保持不變，導致孔隙水壓力逐漸減小，并且動應力幅值越大動孔壓在一個循環內的變化幅度也就越大，體現在圖10中就是動孔壓與動應變關系曲線局部振蕩的幅度隨動應變的增加逐漸變大.

3??? 結論

1）交通動載作用下，礫性土的應力應變關系整體上呈遞增的趨勢.在動應變εd≤2.36%時，礫性土動應變隨動應力呈線彈性增長;動應變εd>2.36%后，土體出現塑性變形，礫性土動應變隨動應力增長加快，呈非線性加速發展趨勢.

2）礫性土軸向動應變隨振動次數逐漸增大，礫性土骨架發生顆粒重組，隨著動應力幅值的逐級增加，動應變的增長率隨振次的增加而增大，振次N=3和N=120對應動應變增長率相差達20%.

3）礫性土動彈性模量隨著動應變增加整體呈現驟減→略增→減小的趨勢，其中在1%<εd<3%范圍時，動彈模出現小幅增長.

4）密實的飽和礫性土在多級短時荷載作用下，產生剪脹變形，而且隨著動應力幅值的增大，剪脹變形繼續增大，而對應動孔壓隨動應變呈局部振蕩整體遞減的趨勢.

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Dynamic triaxial test analysis of gravel soil under traffic dynamic load

CHANG Zhenchao， WANG Jiaquan*， ZHOU Yuanwu， HUANG Shibin

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to investigate the dynamic characteristics of gravel soil under traffic load， GDS???? advanced dynamic triaxial test system was used to carry out large-scale dynamic triaxial test on?????? well-graded gravel soil. The test results show that under cyclic loading， the stress and strain relation of gravel soil is increasing on the whole. When the dynamic strain is less than or equal to 2.36%， the????? dynamic strain of gravel soil increases linearly with the dynamic stress. After the dynamic strain?????????? was greater than 2.36%， the soil body appeared plastic deformation， and the dynamic strain of gravel soil presented a trend of non-linear acceleration. The axial dynamic strain of gravel soil? increases with the number of vibration and the growth rate of dynamic strain increases with the number of vibration. As the dynamic strain increases， the dynamic elastic modulus of the gravel soil shows a tendency of sharp decrease， slight increase and decrease. Under the action of multi-stage and short-term loads， the compacted gravel soil produces shear expansion deformation， and the dynamic strain of the dynamic pore pressure shows an overall decreasing trend of local oscillation.

Key words： gravel soil; dynamic triaxial test; traffic dynamic load; cumulative strain; dynamic modulus