路基礫類填料土動力特性試驗研究

摘要：以某公路路基的礫類土為研究對象，通過開展室內試驗，研究圍壓、含水率、壓實度、初始靜偏應力和荷載振動頻率對路基填料土的影響，以此研究礫類土的動力特性。研究結果表明：圍壓、含水率、壓實度、初始靜偏應力和荷載振動頻率曲線變化都呈非線性關系，且變化趨勢隨動應變增大，試樣動應力都先迅速增大，待到一定值時趨于穩定。改變圍壓、含水率和壓實度大小關系，可提升礫類土動應力，而初始靜偏應力和荷載振動頻率對礫類土動力特性無影響，其中增加壓實度，可使礫類土顆粒間孔隙減小，從而增強強度。

關鍵詞：礫類土；三軸試驗；動應力；圍壓；壓實度

0" "前言

公路運輸中呈現載重大、流量大等特點，重載車輛高速行駛等因素，造成路基所受承載力更大、激振頻率更高，加劇了路基累計變形，從而導致路基的安全性下降。為了提高公路路基的質量，許多學者對公路路基填料土進行了深入研究，這些研究對實際工況施工具有一定的指導性意義。

王婧等[1]在分析交通荷載作用下，通過三軸試驗研究礫類土在多種因素下的動本構關系。劉大鵬等[2]為研究礫類土模量關系，通過動三軸試驗，分析多種因素下其變化規律。鄧國棟等[3]利用大三軸儀器對路基填料進行試驗研究，分析荷載頻率等因素對填料土的影響，并由此得出其動力參數。商擁輝等[4]以鐵路工程膨脹土為研究對象，通過持續振動三軸試驗，分析圍壓、振動頻率等因素對不同水泥摻量膨脹土動力特性的影響。褚福永等[5]為真實反映動荷載下路基填料土動力特性，通過大三軸試驗，分析荷載幅值、密實度、圍壓等因素對粗粒土剪脹性的影響。

上述對于礫類土的研究雖然，但對于公路路基礫類土的動力特性研究不夠全面。本文基于室內三軸試驗，通過控制變量法對試驗影響因素進行控制，研究圍壓、含水率、壓實度、初始靜偏應力和荷載振動頻率對路基填料土的影響，以此研究礫類土的動力特性，可為實際工程提供參考。

1" "試驗介紹

1.1" " 土體參數

本文以新疆維吾爾自治區和田地區某高原公路項目為研究對象，對礫類土開展室內試驗，根據《土工試驗方法標準（GB/T50123-2019）》獲得礫類土物理指標，如表1所示。試驗儀器采用HCA型扭剪試驗系統，該試驗系統可進行不同圍壓、不同加載波形和不同振動類型的試驗。

1.2" " 試驗方案

運行車輛對路基的動力作用符合半正弦波作用，因此采用半正弦波的加載波形對試樣開展動三軸試驗。試樣選用顆粒粒徑5～10mm的礫類土制成高20cm、直徑10cm的圓柱體。

荷載振動頻率選擇1Hz和2Hz，循環加載次數為軸向累積應變到達5%，或加載5000次，此情況視為試樣已破壞。試驗圍壓10～30kPa，間隔為10kPa，選擇無初始靜偏壓力0kPa和10kPa初始靜偏壓力。選擇6%、7.6%和10%三種不同含水率以及90%和96%兩種壓實度進行分析對比。具體試驗方案如表2所示。

2" "試驗結果及分析

2.1" " 圍壓的影響

根據試驗結果，分析不同圍壓下，動應力應變關系曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，在不同圍壓下，動應力與動應變先呈正相關，后趨于穩定。具體如下：當試樣動應變處于0～0.2%范圍內，試樣動應力增長最為迅速；當試樣動應變處于0.2%～0.8%范圍內，試樣動應力增長逐漸減緩。

對比不同圍壓工況，試驗圍壓越大，試驗初期動應力增長速率越大，動應力趨于平緩速率越慢。試驗圍壓與動應力呈正相關，表明礫類土動強度的增強可通過增加圍壓來實現。

2.2" " 含水率的影響

研究不同因素下試樣動力特性變化規律，分析不同含水率下，動應力隨動應變關系曲線，并選擇6%、7.6%和10%三種不同含水率進行分析對比。不同含水率動應力應變關系曲線如圖2所示。

由圖2可知，變化曲線呈非線性關系，且隨動應變增大而增大。對比不同含水率工況，當試樣含水率為7.6%（最佳含水率）時，初期動應力增長速率最快，趨于平緩的速率最慢，可見試樣處于最佳含水率狀態時，試樣的動強度最大。

含水率為6%試樣的動應力增長速率和動應力均大于含水率為10%的試樣，可見試樣含水率小于試樣最佳含水率時，提升含水率可以增大試樣的動強度；反之，降低含水率會減小試樣的動強度。綜上所述，土體含水率對路基動力特性有關鍵影響。

2.3" " 壓實度的影響

為研究壓實度對試樣動力特性的影響，繪制不同壓實度下試樣動應力隨動應變的變化曲線，對比96%和90%兩種壓實度。不同壓實度動應力應變關系曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，曲線變化趨勢相似，都呈非線性增大，當壓實度越大，動應力變化越大，主要是因為隨著壓實度增加，試樣的礫類土密實度增加，顆粒間的孔隙減小，導致試樣的抗剪強度得到提升。壓實度較高，可以使礫類土的物理機制發生變化，土壤內部孔隙減小，從而使強度增強。

2.4" " 初始靜偏應力的影響

研究不同因素下試樣動力特性變化規律，分析不同初始靜偏應力下，動應力隨動應變關系曲線，其中，以無初始靜偏壓力和10kPa初始靜偏壓力進行分析對比。不同初始靜偏應力動應力應變關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，初始靜偏應力對試樣的動力特性幾乎無影響，其曲線呈非線性關系，動應力在動應變0～0.2%范圍內時，飛速上升。當動應力上升到了130kPa周圍后，變化趨勢較為緩慢。之所以初始靜偏應力影響較小，是因為在動三軸試驗中，初始靜偏應力不破壞土體初始結構，即小于原狀土三軸壓縮試驗屈服應力。當滿足該條件時，初始靜偏應力大小對試樣的動應力應變關系無較大影響。

2.5" " 荷載振動頻率的影響

為研究荷載振動頻率對試樣動力特性的影響，繪制不同荷載振動頻率下試樣動應力隨動應變的變化曲線，對荷載振動頻率1Hz和2Hz，情況進行分析對比。不同荷載振動頻率動應力應變關系曲線如圖5所示。

由圖5可知，在兩種荷載作用頻率下，其動應力應變關系曲線十分接近，由此說明不同荷載振動頻率對動力特性無太大影響，其曲線呈非線性關系。其中動應力應變變化趨勢和其他因素影響相似，動應力在動應變0～0.2%范圍內時，其值變快速上升。當動應力上升到了140kPa周圍后，其變化趨勢較為緩慢。荷載振動頻率1Hz和2Hz的相差較小，后續試驗可以增加試驗荷載振動頻率差值，對荷載振動頻率進行更為深入的研究。

3" "結語

為研究某公路路基的礫類土動力特性，本文對礫類土開展動三軸試驗，研究圍壓、含水率、壓實度、初始靜偏應力和荷載振動頻率對路基填料土的影響。主要獲得以下主要結論：

圍壓、含水率、壓實度、初始靜偏應力和荷載振動頻率曲線變化趨勢是一致的，都呈非線性關系，隨動應變的增大，試樣的動應力都先迅速增大隨后趨于穩定。

改變圍壓、含水率和壓實度大小關系，可以有效提升礫類土動應力，其中增加壓實度，可以使礫類土顆粒間孔隙減小，礫類土的物理機制發生變化，從而增強強度。

初始靜偏應力和荷載振動頻率，對礫類土動力特性基本無影響。荷載振動頻率差值較小，后續試驗可增加荷載振動頻率差值，以此進行更為深入的研究。

參考文獻

[1] 王婧，劉大鵬，楊曉華.交通荷載作用下礫類土動本構關系試驗研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（8）： 49-53.

[2] 劉大鵬，楊曉華，劉恒任，等.礫類土動彈性模量和阻尼比的影響因素試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2017，14（2）：264-270.

[3] 鄧國棟，張家生，王啟云，等.高速鐵路粗粒土填料動力參數試驗研究[J]. 鐵道科學與工程學報，2014，11（2）：76-83.

[4] 商擁輝，徐林榮，黃亞黎，等.重載鐵路水泥改良膨脹土路基填料動彈模量及阻尼比研究[J]. 工程地質學報，2020，28（1）：103-110.

[5] 褚福永，朱俊高，殷建華.基于大三軸試驗的粗粒土剪脹性研究[J]. 巖土力學，2013，34（8）：44-53.