改良膨脹土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

文章編號：1001-4179（2025）06-0191-07

中圖法分類號：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)差，具有雙重脹縮性質(zhì)的黏性土[1]，隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要，越來越多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地穿越膨脹土層。為此，學(xué)者提出了各種改良方法，其中化學(xué)穩(wěn)定、加筋技術(shù)以及兩者結(jié)合的方法最受關(guān)注。復(fù)合改良由于其加固效果好和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注。其中，研究改良膨脹土的動(dòng)力特性對于保障交通及地震工況下的安全運(yùn)行具有重要意義。

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

以上研究主要集中于恒定動(dòng)荷載下土體的動(dòng)力特性。在動(dòng)三軸試驗(yàn)中，動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力幅值也會(huì)改變，且分級加載較單級加載考慮了土體應(yīng)力歷史的影響。目前，已有部分學(xué)者采用分級加載動(dòng)三軸試驗(yàn)研究路基填料的動(dòng)力特性。Ku-mar等[通過三軸試驗(yàn)研究了印度東北部黏性土在分級循環(huán)荷載作用下的動(dòng)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(huán)加卸載試驗(yàn)，研究了三軸循環(huán)加卸載周期中的變形響應(yīng)、力學(xué)特性表現(xiàn)、力學(xué)損傷的累積過程，以及抗?jié)B性能的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及其作用機(jī)制。梅慧浩等[9對粉土開展間歇效應(yīng)的單級和分級加載動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究單級和分級間歇加載方式對粉土累積塑性應(yīng)變行為特征的影響。但目前關(guān)于分級加載下改良膨脹土動(dòng)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(dòng)力特性的具體影響，且分級加載下累積塑性應(yīng)變的發(fā)展規(guī)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(dòng)三軸試驗(yàn)，探討圍壓、動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率對改良膨脹土累積塑性應(yīng)變、應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線以及動(dòng)彈性模量等動(dòng)力特性的影響機(jī)制。

試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所用膨脹土土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，其顆粒級配曲線如圖1所示。

試驗(yàn)采用DJSZ-150型動(dòng)靜兩用三軸試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)具有靜、動(dòng)軸向力加載、周圍壓力和孔隙水壓力穩(wěn)定控制功能。試驗(yàn)所用膨脹土取自武漢地區(qū)，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(shù)指標(biāo)見文獻(xiàn)［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(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及三軸預(yù)試驗(yàn)，對不同粉煤灰及椰殼纖維摻量下的改良膨脹土力學(xué)特性進(jìn)行研究，試驗(yàn)得出粉煤灰摻量為 20% 、椰殼纖維摻量為0.5% 時(shí)的改良膨脹土的強(qiáng)度較高。試驗(yàn)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(jìn)行擊實(shí)，每層 10cm ，每層擊實(shí)后將試樣面進(jìn)行刮毛以減少分層現(xiàn)象，直到制樣完成。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，試樣壓實(shí)度控制在 95% 。采用水頭飽和法進(jìn)行飽和與固結(jié)，其中飽和時(shí)長不低于 。待固結(jié)完成后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(huán)次數(shù)設(shè)定為5000次，分級加載共分為3級，每級循環(huán)5000次，具體加載方式見圖2，加載方案見表3。參照J(rèn)TG3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，循環(huán)達(dá)5000次或試樣累積變形達(dá)其初始高度的 5% 時(shí)停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 累積塑性應(yīng)變及預(yù)測模型

累積塑性應(yīng)變 ε 隨循環(huán)次數(shù) N 的變化曲線如圖3所示。圖3（a）為圍壓 σ₃=120kPa 時(shí)試樣在不同動(dòng)應(yīng)力幅值作用下累積塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力由低幅值增加到高幅值時(shí)，試樣的累積塑性應(yīng)變狀態(tài)由安定向破壞變化。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較小時(shí)，累積塑性應(yīng)變增加緩慢。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較大時(shí)，累積塑性應(yīng)變迅速增加，直至試樣損壞?？梢?，累積塑性應(yīng)變受循環(huán)次數(shù)和動(dòng)應(yīng)力幅值影響顯著。根據(jù)JTGD50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的指導(dǎo)原則，結(jié)合動(dòng)三軸試驗(yàn)定量數(shù)據(jù)，對改良膨脹土試件累積塑性應(yīng)變進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并據(jù)此劃分為塑性安定、塑性蠕變和增量破壞3個(gè)階段。具體來說，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值低于 120kPa 時(shí)，土體處于塑性安定階段，表現(xiàn)出較小的應(yīng)變增長；動(dòng)應(yīng)力幅值在 120～ 150kPa 時(shí)，土體處于塑性蠕變范圍，應(yīng)變增長速率加快；而當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值超過 150kPa 時(shí)，土體處于增量破壞范圍，累積塑性應(yīng)變顯著增大，趨向破壞。

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

圖3（c）為圍壓 120kPa 、動(dòng)應(yīng)力幅值 150kPa 加載頻率 ^{1，1，5，2Hz} 作用下的累積塑性應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)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(yīng)變呈現(xiàn)的總體變化規(guī)律與上述不同圍壓下的變化規(guī)律類似。加載頻率對試件的累積塑性應(yīng)變有顯著影響。在給定圍壓和幅值下，累積塑性應(yīng)變最大值為 3.95% 。試件的累積塑性應(yīng)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(shí)間越長，導(dǎo)致土體變形發(fā)展越充分，相應(yīng)的累積塑性應(yīng)變就越大。Lei等[15]通過三軸試驗(yàn)對再生軟土的動(dòng)力特性進(jìn)行研究也得到類似規(guī)律。因此，在實(shí)際施工過程中可以采用較低頻率的振動(dòng)碾壓提高路基密實(shí)度。

分級加載下改良膨脹土試樣的累積塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)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(yīng)變發(fā)展影響顯著，與單級加載相比，分級加載在相同循環(huán)次數(shù)內(nèi)累積塑性應(yīng)變明顯減小。例如，當(dāng)幅值為 150kPa 時(shí)，單級加載與分級加載在加載5000次后的累積塑性應(yīng)變最大值分別為 3.95% 和 2.82% 。當(dāng)幅值為 180kPa 時(shí)，分級加載的試樣在承受更高的循環(huán)次數(shù)后發(fā)生破壞。這是由于分級加載下，在前一級動(dòng)應(yīng)力幅值作用下改良膨脹土試樣逐漸被壓密，施加下一級動(dòng)應(yīng)力幅值前土體的動(dòng)力穩(wěn)定性得到了提高，土體能夠承受更高的荷載幅值。

在實(shí)際工程中，路基材料處于增量破壞范圍時(shí)，在動(dòng)載作用下，路基的累積塑性應(yīng)變會(huì)迅速增大導(dǎo)致路基發(fā)生沉降，對路基和行車安全構(gòu)成威脅。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，防止路基材料處于增量破壞范圍至關(guān)重要。

分級加載下累積塑性應(yīng)變的預(yù)測方法有平移相加法和時(shí)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(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測值計(jì)算公式如下：

式中： ε_p^K+1 為第 K+1 級加載累積塑性應(yīng)變的預(yù)測值，ε_p^K 為第 K 級加載的實(shí)測值， 為第 K+1 級加載前 5000 次循環(huán)的調(diào)整值。后 5000 次循環(huán)的預(yù)測值認(rèn)定其與循環(huán)次數(shù)線性相關(guān)，直線斜率 θ 為第 K+1 級累積塑性應(yīng)變最后階段曲線的斜率。

預(yù)測結(jié)果如圖4。由圖4可知，采用平移相加方法的預(yù)測值大于實(shí)測值，平移相加方法通過先平移后相加的方法消除應(yīng)力歷史效應(yīng)，更準(zhǔn)確地估算了單級加載下試樣累積塑性應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化。

2.2 應(yīng)力－應(yīng)變滯回曲線

滯回曲線是構(gòu)建土動(dòng)力本構(gòu)模型的核心之一，描述了卸載和再加載過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的規(guī)律，反映了應(yīng)變對應(yīng)力的滯后[17]

圖5給出了圍壓 120kPa 時(shí)不同動(dòng)應(yīng)力幅值下應(yīng)力-應(yīng)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(huán)次數(shù)下滯回曲線的形態(tài)及趨勢相似。應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線沿動(dòng)應(yīng)變方向隨循環(huán)次數(shù)的增加而移動(dòng)。加載初期，滯回曲線的移動(dòng)距離隨加載循環(huán)次數(shù)的增加而增加。隨循環(huán)次數(shù)的增加，單次循環(huán)引起的殘余應(yīng)變增量逐漸減小。為更清晰顯示滯回曲線的發(fā)展規(guī)律，參考文獻(xiàn)[18]，將不同循環(huán)次數(shù)下的滯回圈平移至坐標(biāo)軸同一位置，如圖6所示。從圖6中可以看出，隨循環(huán)次數(shù)的增加，滯回曲線沿應(yīng)變軸的傾斜度有增大的趨勢并向應(yīng)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(dòng)彈性模量在逐漸增大，出現(xiàn)明顯的硬化現(xiàn)象。還可以看出滯回曲線從近似橢圓形逐漸變?yōu)檎獾牧~狀。滯回曲線的面積隨循環(huán)次數(shù)增加而減小，表明試樣累積塑性應(yīng)變速率逐漸減小。

圖7為圍壓 120kPa ，幅值 150kPa 時(shí)，3個(gè)振動(dòng)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(huán)次數(shù)。

圖中可以看出，不同加載瀕率，不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線表現(xiàn)出的規(guī)律具有相似性。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線向應(yīng)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(dòng)彈性模量

動(dòng)彈性模量是用于評估循環(huán)荷載作用下巖土材料動(dòng)力性能的指標(biāo)之一[19]，其計(jì)算公式如下：

式中： E_d 為動(dòng)彈性模量; σ_c，max，σ_D，min 分別為單個(gè)滯回圈中動(dòng)應(yīng)力最大值和最小值; ε_C，max，ε_D，min 分別為單個(gè)滯回圈中最大與最小動(dòng)應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變值。

動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)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(dòng)彈性模量發(fā)展規(guī)律具有相似性，動(dòng)彈性模量均隨動(dòng)應(yīng)變的增大而增長。如圖8（a）所示，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值較小時(shí)，動(dòng)彈性模量在短時(shí)間內(nèi)快速增長；隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加，動(dòng)彈模量增長趨勢放緩，曲線接近“L”形。除動(dòng)應(yīng)力幅值外，圍壓對路基材料的累積塑性應(yīng)變也有影響。如圖8（b）所示，當(dāng)動(dòng)應(yīng)變一定時(shí)，隨著圍壓的增加，土體動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)增大趨勢。這是因?yàn)閲鷫旱脑黾樱黾恿烁牧寂蛎浲猎嚇拥膫?cè)向約束，導(dǎo)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(fā)生變形和破壞，因此圍壓越高，相同動(dòng)應(yīng)力幅值下產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變越小，試樣的動(dòng)彈性模量越大。故在實(shí)際工程施工中，可以通過壓實(shí)、加筋等措施增加側(cè)向約束作用增加土體的動(dòng)彈性模量。圖8（c）為不同加載頻率下動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變的變化曲線，從圖中可以看出，不同加載頻率下，土體的動(dòng)彈性模量均隨動(dòng)應(yīng)變的增大而穩(wěn)定增長。土體的動(dòng)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(shí)間降低，土體能在短時(shí)間內(nèi)被壓密，變形在短時(shí)間內(nèi)來不及發(fā)生，動(dòng)彈性模量變大。但不同頻率下土體的動(dòng)彈性模量增幅不大，表明加載瀕率對改良膨脹土的動(dòng)彈性模量影響有限。這與文獻(xiàn)［20-21]的研究結(jié)果相似。圖8（d）為分級加載下動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)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(dòng)彈性模量變化規(guī)律與單級加載差異較大，單級加載時(shí)最大動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)力幅值的增加先增大后減小。這是由于動(dòng)應(yīng)力幅值較低時(shí)，土體自身的彈性性能能夠較好抵抗循環(huán)荷載；隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增加土體被擠壓密實(shí)，發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，表現(xiàn)出較大動(dòng)彈性模量;隨著動(dòng)應(yīng)力幅值繼續(xù)增大，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，土體抵抗變形的能力降低，動(dòng)彈性模量降低。分級加載時(shí)最大動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)力幅值的增加而增大，但增幅變緩。這是由于分級加載的應(yīng)力歷史效應(yīng)使得土體不斷被擠壓密實(shí)，剛度增大，土體能夠承受更高的動(dòng)應(yīng)力幅值。這也與實(shí)際工程中路基碾壓遵循的“初壓輕，復(fù)壓重”的原則一致。

3結(jié)論

針對改良膨脹土動(dòng)力特性進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了圍壓、動(dòng)應(yīng)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(yīng)變、應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線以及動(dòng)彈性模量的影響，得到如下結(jié)論：

（1）改良膨脹土累積塑性應(yīng)變與動(dòng)應(yīng)力幅值呈現(xiàn)正相關(guān)，與圍壓和加載頻率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。這一現(xiàn)象可以通過土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的微觀機(jī)制來解釋，即隨著動(dòng)應(yīng)力的增加，土體顆粒間的接觸應(yīng)力增加，導(dǎo)致更多的顆粒重排和結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)而產(chǎn)生累積塑性應(yīng)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(shí)間，抑制了塑性應(yīng)變的發(fā)展。本文研究結(jié)果與Lei等[15]的發(fā)現(xiàn)一致，特別是在描述動(dòng)應(yīng)力幅值對累積塑性應(yīng)變影響的正相關(guān)性方面。

（2）改良膨脹土的滯回曲線移動(dòng)距離隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，滯回曲線從近似橢圓形逐漸變?yōu)檎獾牧~狀，滯回曲線的面積逐漸減小，滯回曲線向應(yīng)力軸傾斜，試樣剛度變大，出現(xiàn)明顯的硬化現(xiàn)象。即隨著土體內(nèi)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(huán)荷載下變得更為緊密。

（3）不同試驗(yàn)工況下，改良膨脹土動(dòng)彈性模量均隨動(dòng)應(yīng)變的增大而增大。相同動(dòng)應(yīng)變對應(yīng)的動(dòng)彈性模量與圍壓、動(dòng)應(yīng)力幅值、加載頻率呈現(xiàn)正相關(guān)，但不同頻率下土體的動(dòng)彈性模量增幅不大。分級加載下改良膨脹土的動(dòng)彈性模量變化規(guī)律與單級加載差異較大。動(dòng)彈性模量的增加歸因于土體顆粒在循環(huán)荷載下的重新排列和結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及孔隙水壓力的累積和消散，導(dǎo)致土體密實(shí)度和剛度的提高。

（4）實(shí)際工程中可參考本研究推薦的動(dòng)彈性模量和累積塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，選擇合適的壓實(shí)度和加固措施。設(shè)計(jì)階段建議考慮土體動(dòng)力特性，優(yōu)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