劉大鵬，楊曉華，王婧，楊曉東

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064；3.新疆交通科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830000)

礫類土是新疆綠洲區(qū)常用的路基填料，隨著新疆交通“三年攻堅(jiān)、五年跨越”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，礫類土路基也會(huì)越來(lái)越多．車輛荷載施加給路基的是長(zhǎng)期循環(huán)荷載，如果路基受到的實(shí)際動(dòng)應(yīng)力大于其臨界動(dòng)應(yīng)力，路基就會(huì)破壞，因此為了保持路基的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性，需要明確礫類土路基的臨界動(dòng)應(yīng)力．

對(duì)于土的臨界動(dòng)應(yīng)力，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，劉曉紅等[1]研究了原狀結(jié)構(gòu)紅黏土的臨界動(dòng)應(yīng)力，得到了不同條件時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力值，并考慮了含水比、圍壓和固結(jié)比的臨界動(dòng)應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；焦貴德等[2]研究了凍結(jié)粉土的臨界動(dòng)應(yīng)力，分析了振動(dòng)頻率對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律；周葆春等[3]研究了石灰改良膨脹土在不同含水率和不同振動(dòng)頻率下的臨界動(dòng)應(yīng)力，得到了含水率對(duì)石灰改良膨脹土的臨界動(dòng)應(yīng)力影響有限，振動(dòng)頻率對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響較弱的結(jié)論；冷伍明等[4]對(duì)鐵路路基粗顆粒土填料的臨界動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了研究，得到了不同含水率時(shí)粗顆粒土的臨界動(dòng)應(yīng)力，并給出了臨界動(dòng)應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式；唐益群等[5]對(duì)南京地鐵三山街站淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的臨界動(dòng)應(yīng)比進(jìn)行了研究，得到了不同固結(jié)狀態(tài)、不同固結(jié)比、不同軸向循環(huán)壓力和頻率時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)比；蔡英等[6]研究了成都粘土的臨界動(dòng)應(yīng)力，分析了加載次數(shù)、荷載頻率和圍壓對(duì)臨界動(dòng)應(yīng)力的影響規(guī)律．

對(duì)于礫類土的變形特性，劉大鵬等[7]曾進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)其臨界動(dòng)應(yīng)力的研究還未見(jiàn)報(bào)道，本文采用新疆三岔口至莎車高速公路礫類土的重塑試樣進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)．

1 試驗(yàn)材料和儀器

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用礫類土，取自新疆三岔口至莎車高速公路某路基填料場(chǎng)．此種類型的礫類土在新疆三岔口至莎車高速公路上應(yīng)用較多，具有一定的代表性，通過(guò)篩分試驗(yàn)確定了礫類土的顆粒級(jí)配情況，具體如表1所示，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定了礫類土的基本物理力學(xué)性質(zhì)，具體如表2所示．

表1 礫類土的顆粒級(jí)配

表2 礫類土的基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器

動(dòng)三軸試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)土工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪儀，該儀器可進(jìn)行動(dòng)、靜三軸以及動(dòng)、靜扭剪試驗(yàn)，本次試驗(yàn)選用其中的動(dòng)三軸模塊、空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀器如圖1所示．

1.3 試驗(yàn)試樣

由于礫類土顆粒較大，因此采用圓柱體大尺寸試樣，尺寸為100×200（mm），采用空心圓柱扭剪儀配套的三瓣模制作，制作完成的試樣如圖2所示．

圖1 空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀器

圖2 試樣

2 試驗(yàn)方案

為了全面分析含水率、圍壓、壓實(shí)度、動(dòng)荷載作用頻率和初始靜偏應(yīng)力對(duì)礫類土臨界動(dòng)應(yīng)力的影響，進(jìn)行了不同工況下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，采用了三種含水率，分別為7.5%（最佳含水率）、10%（大于最佳含水率）和6%（小于最佳含水率）．考慮到路基和車輛荷載的實(shí)際情況[8?12]，選擇了3種圍壓，分別為10 kPa、20 kPa和30 kPa，2種壓實(shí)度，分別為96%和90%，2種動(dòng)荷載作用頻率，分別為1 Hz和2 Hz，2種初始靜偏應(yīng)力，分別為0 kPa和10 kPa．動(dòng)荷載采用半正弦波進(jìn)行加載，具體試驗(yàn)方案如表3所示．

3 礫類土的εp?N關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制礫類土的εp?N關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)εp?N關(guān)系曲線有三種類型，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd較小，在加載初期，累計(jì)塑性εp應(yīng)變隨著動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)N的增加而增加，當(dāng)動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)增加到一定程度時(shí)，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙達(dá)到一定值，此后動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)增加，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙保持不變，此種類型的εp?N關(guān)系曲線為穩(wěn)定型．當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd較大時(shí)，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙會(huì)隨著動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)N增加而一直增加，當(dāng)N達(dá)到一定值時(shí)，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)（5%），試樣破壞，此種類型的εp?N關(guān)系曲線為破壞型．介于穩(wěn)定型和破壞型之間的εp?N關(guān)系曲線為臨界型，臨界型所對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力幅值σd為臨界動(dòng)應(yīng)力．

表3 動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

4 不同工況下礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力

4.1 含水率

當(dāng)含水率為6%，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為130kPa、140kPa、150kPa、160kPa、170kPa和180kPa時(shí)εp?N曲線如圖3所示．含水率為7.5%，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140kPa、150kPa、160kPa、170kPa、180kPa和190kPa時(shí)εp?N曲線如圖4所示．含水率為10%，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為120 kPa、130 kPa、140 kPa和150 kPa時(shí)εp?N曲線如圖5所示．從圖3可知，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為130 kPa、140 kPa、150 kPa和160 kPa時(shí)，εp?N曲線為穩(wěn)定型，動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)N達(dá)到5 000次時(shí)，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙均小于2%．當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為180 kPa時(shí)，動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)N為1 500次時(shí)，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙就達(dá)到了5%，試樣發(fā)生破壞，εp?N曲線為破壞型．當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為170 kPa時(shí)，動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)N為5 000次時(shí)，累計(jì)塑性應(yīng)變?chǔ)舙約為3%，εp?N曲線為臨界型，此時(shí)礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力約為170 kPa．同理，從圖4和圖5可以得到，含水率為7.5和10%時(shí)，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力分別為180 kPa和140 kPa．可見(jiàn)當(dāng)含水率為7.5%（最佳含水率）時(shí)，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力最大，當(dāng)含水率小于最佳含水率時(shí)，臨界動(dòng)應(yīng)力隨著含水率的增加而增大，當(dāng)含水率大于最佳含水率時(shí)，臨界動(dòng)應(yīng)力隨著含水率的增加而減?。?/p>

4.2 圍壓

圍壓為10 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為130 kPa、140 kPa、150 kPa、160 kPa和170 kPa時(shí)εp?N曲線如圖6所示，σd為130 kPa、140 kPa和150 kPa時(shí)，εp?N曲線為穩(wěn)定型，σd為160 kPa時(shí)，εp?N曲線為臨界型，σd為170 kPa時(shí)，εp?N曲線為破壞型，因此可得圍壓為10 kPa時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為160 kPa．圍壓為20 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa、170 kPa、180 kPa和190 kPa時(shí)εp?N曲線如圖4所示，可以得出臨界動(dòng)應(yīng)力為180 kPa．圍壓為30 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為160 kPa、170 kPa、180 kPa、190 kPa、200 kPa和210 kPa時(shí)εp?N曲線如圖7所示，從圖7可知，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為200 kPa．可見(jiàn)圍壓為30 kPa時(shí)，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力最大，圍壓為10 kPa時(shí)，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力最小．可見(jiàn)圍壓越大，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力越大，工程中可以通過(guò)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┰黾勇坊膰鷫海瑥亩鴣?lái)提高路基土的臨界動(dòng)應(yīng)力．

圖3 含水率為6%時(shí)εp?N曲線

圖4 含水率為7.5%時(shí)εp?N曲線

圖5 含水率為10%時(shí)εp?N曲線

圖6 圍壓為10 kPa時(shí)εp?N曲線

4.3 壓實(shí)度

壓實(shí)度為90%，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為110 kPa、120 kPa、130 kPa和140 kPa時(shí)εp?N曲線如圖8所示，可見(jiàn)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為110 kPa和120 kPa，εp?N曲線為穩(wěn)定型，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為130 kPa，εp?N曲線為臨界型，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140 kPa，εp?N曲線為破壞型，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為130 kPa．其他條件相同，壓實(shí)度為96%，不同動(dòng)應(yīng)力幅值作用下的εp?N曲線如圖4所示，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為180 kPa，可見(jiàn)隨著壓實(shí)度的增加，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力也增大，因此在實(shí)際工程中可以通過(guò)提高路基的壓實(shí)度來(lái)增大其臨界動(dòng)應(yīng)力．

圖7 圍壓為30 kPa時(shí)εp?N曲線

圖8 壓實(shí)度為90%時(shí)εp?N曲線

4.4 動(dòng)荷載作用頻率

動(dòng)荷載作用頻率為2 Hz，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa、170 kPa、180 kPa和190 kPa時(shí)εp?N曲線如圖9所示，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa和170 kPa時(shí)，εp?N曲線為穩(wěn)定型，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為180 kPa，εp?N曲線為臨界型，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為190 kPa，εp?N曲線為破壞型，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為180 kPa．其他條件相同，動(dòng)荷載作用頻率為1 Hz，不同動(dòng)應(yīng)力幅值作用下的εp?N曲線如圖4所示，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為180 kPa，可見(jiàn)當(dāng)動(dòng)荷載作用頻率為1 Hz和2 Hz時(shí)具有相同的臨界動(dòng)應(yīng)力，只是在不同動(dòng)應(yīng)力作用下應(yīng)變大小略有差別，可見(jiàn)動(dòng)荷載作用頻率對(duì)礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力影響較?。?/p>

4.5 初始靜偏應(yīng)力

初始靜偏應(yīng)力為10 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa、170 kPa、180 kPa和190 kPa時(shí)εp?N曲線如圖10所示，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為140 kPa、150 kPa、160 kPa和170 kPa時(shí)，εp?N曲線為穩(wěn)定型，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力幅值σd為180 kPa，εp?N曲線為臨界型，動(dòng)應(yīng)力幅值σd為190 kPa，εp?N曲線為破壞型，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為180 kPa．其他條件相同，初始靜偏應(yīng)力為0 kPa，不同動(dòng)應(yīng)力幅值作用下的εp?N曲線如圖4所示，此時(shí)的臨界動(dòng)應(yīng)力為180 kPa，可以得到初始靜偏應(yīng)力為0 kPa和10 kPa時(shí)礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力均為180 kPa，只是在不同動(dòng)應(yīng)力作用下應(yīng)變大小略有差別，可見(jiàn)小于10 kPa的初始靜偏應(yīng)力對(duì)礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力影響較?。?/p>

圖9 作用頻率為2 Hz時(shí)εp?N曲線

圖10 初始靜偏應(yīng)力為10 kPa時(shí)εp?N曲線

5 結(jié)論

（1）動(dòng)荷載循環(huán)作用下礫類土的εp?N曲線可分為三種類型：穩(wěn)定型、臨界型和破壞型；

（2）其他條件一定，當(dāng)含水率為最佳含水率時(shí)，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力最大；

（3）其他條件一定時(shí)，圍壓越大，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力越大；壓實(shí)度越大，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力越大；

（4）其他條件一定，循環(huán)荷載作用頻率在1Hz～2Hz變化時(shí)，礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力變化較?。?～10kPa范圍的初始靜偏應(yīng)力對(duì)礫類土的臨界動(dòng)應(yīng)力影響也較小；

（5）實(shí)際路基工程中可以通過(guò)修建路基支擋結(jié)構(gòu)、在最佳含水率時(shí)壓實(shí)路基土以及增大壓實(shí)度等措施提高路基的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性．

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