王 婧，劉大鵬，楊曉華

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

交通荷載作用下礫類土動本構(gòu)關系試驗研究

王 婧1，劉大鵬1，楊曉華2

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

礫類土是新疆綠洲-荒漠區(qū)常用的一種路基填料，因此有必要研究其在交通荷載作用下的動本構(gòu)關系。通過動三軸研究了不同工況時礫類土的動本構(gòu)關系，發(fā)現(xiàn)可以采用R.L.Kondner雙曲線模型對礫類土的動本構(gòu)關系進行描述，并得出了不同工況時模型參數(shù)。基于試驗結(jié)果分析了含水率、圍壓、壓實度、初始靜偏應力和循環(huán)荷載作用頻率等因素對礫類土動本構(gòu)關系的影響規(guī)律，得出了含水率和最佳含水率越接近，圍壓越大、壓實度越高，礫類土動本構(gòu)關系曲線越接近應力軸，初始靜偏應力為0 kPa和10 kPa的動本構(gòu)關系曲線較接近，動荷載作用頻率為1 Hz和2 Hz的動本構(gòu)關系曲線也較接近。研究成果對新疆綠洲-荒漠區(qū)礫類土路基的應用具有重要的參考價值。

道路工程；礫類土；交通荷載；本構(gòu)關系；動三軸

0 引 言

礫類土是新疆綠洲-荒漠區(qū)常用的一種路基填料，其細粒含量較少(<5%)，礫粒組的含量較多(>60%)，且含有一定的鹽分。隨著新疆 “三年攻堅、五年跨越”交通戰(zhàn)略的實施，在新疆將會出現(xiàn)越來越多的礫類土路基。礫類土在汽車或者火車等交通荷載作用下的本構(gòu)關系與靜載作用下的本構(gòu)關系有著明顯區(qū)別，交通荷載是一種長期、周期性的荷載，在其作用下易引起路基的疲勞破壞，以往基于靜載作用下的本構(gòu)關系在進行路基受力分析時就可能會出現(xiàn)較大誤差，另外在進行準確的數(shù)值模擬時也需要采用動本構(gòu)關系，因此有必要研究交通荷載作用下礫類土的動本構(gòu)關系。

對于土的動本構(gòu)關系，國內(nèi)很多學者開展了大量的研究工作，且取得了豐碩的研究成果。劉曉紅等[1]針對原狀結(jié)構(gòu)紅黏土的動本構(gòu)關系，研究了不同試驗條件時，紅黏土動本構(gòu)關系的表達式，并分析了圍壓、固結(jié)比、含水比對紅黏土動本構(gòu)特征的影響。張譽等[2]研究了砂卵石土的動本構(gòu)關系，分析了圍壓、固結(jié)比和動荷載振動頻率對其動本構(gòu)關系的影響規(guī)律，并采用雙曲線方程對動本構(gòu)關系進行了描述。王權民等[3]研究了廈門砂土的動力特性，并確定了中粗砂與細粉砂的動本構(gòu)關系。唐益群等[4]研究了粉質(zhì)黏土的動本構(gòu)關系，得到了一定圍壓下不同動荷載頻率作用下的粉質(zhì)黏土在凍融前后的動本構(gòu)關系表達式。雷華陽等[5]研究了天津濱海新區(qū)結(jié)構(gòu)性軟土的動本構(gòu)關系，并得出了振動波型對于結(jié)構(gòu)性軟土的動本構(gòu)關系影響不大。王峻等[6]研究了不同粉煤灰摻入量時黃土的動本構(gòu)關系，給出了黃土動本構(gòu)關系的雙曲線模型，且粉煤灰摻入量對模型參數(shù)有一定的影響。對于新疆礫類土，許文輝等[7]曾對其回彈模量進行了相關研究，分析了含水率、壓實度以及細粒土含量對回彈模量的影響。劉大鵬等[8]研究了礫類土在循環(huán)荷載作用下的累積塑性應變，分析了圍壓、初始靜偏應力、循環(huán)荷載作用頻率、循環(huán)荷載大小和固結(jié)比對礫類土累計塑性變形的影響規(guī)律。劉大鵬等[9]研究了礫類土的臨界動應力，分析了含水率和圍壓等對臨界動應力的影響規(guī)律。對礫類土的動本構(gòu)關系的研究還未見報道，筆者采用新疆綠洲-荒漠區(qū)的礫類土，研究了其在交通循環(huán)荷載作用下的動本構(gòu)關系。

1 試驗材料和儀器

1.1 試驗材料

試驗材料選用礫類土，取自新疆綠洲-荒漠區(qū)，其級配情況如表1，基本物理力學性質(zhì)通過室內(nèi)試驗確定，具體如表2。

表1 礫類土的級配Table 1 Gradation of gravel soil

表2 礫類土的基本物理力學參數(shù)Table 2 Basic physical and mechanical parameters of gravel soil

1.2 試驗儀器

采用英國GDS公司生產(chǎn)的空心圓柱扭剪試驗儀器，該儀器可進行動、靜三軸和動、靜扭剪試驗，本文中的試驗選用其中的動三軸模塊，空心圓柱扭剪試驗系統(tǒng)如圖1，試驗在長安大學土工樓進行。

圖1 空心圓柱扭剪試驗系統(tǒng)Fig.1 Hollow cylinder torsional shear test system

2 試驗方案

考慮到現(xiàn)場路基和地基的實際情況，選擇了10、20和30 kPa三種圍壓，含水率選擇了3種，分別為7.5%(最佳含水率)、6%(小于最佳含水率)和10%(大于最佳含水率)，壓實度選擇了96%和90%兩種，初始靜偏應力選擇了0 kPa和10 kPa，依據(jù)石峰等[10]以及王晅等[11]對車輛荷載作用下路基動應力的實測結(jié)果，路基和地基受到的車輛作用符合半正弦波變化規(guī)律，因此進行動三軸試驗時，施加的荷載波形選用半正弦波，每種工況下動應力幅值均以10 kPa遞增，半正弦波通過編程后加載到空心圓柱扭剪試驗系統(tǒng)，通過應力控制的方式進行加載，循環(huán)荷載作用頻率選擇1 Hz和2 Hz，荷載循環(huán)次數(shù)均為5 000次，利用重塑土制作圓柱體試樣，直徑為100 mm，高為200 mm。共進行了134組試樣的動三軸試驗，具體如表3。

3 礫類土動本構(gòu)關系模型

根據(jù)試驗結(jié)果，當循環(huán)荷載作用次數(shù)為10次時，其動應變值較穩(wěn)定且累積塑性應變部分較小，因此選取第10個循環(huán)的動應力和動應變進行分析，得出了不同工況下礫類土的動本構(gòu)關系曲線，如圖2～圖6。

表3 動三軸試驗方案Table 3 Dynamic tri-axial test scheme

圖2 不同含水率時動本構(gòu)關系曲線Fig.2 Dynamic constitutive relationship curves with different water contents

圖3 不同圍壓時動本構(gòu)關系曲線Fig.3 Dynamic constitutive relationship curves with different confining pressure

圖4 不同壓實度時動本構(gòu)關系曲線Fig.4 Dynamic constitutive relationship curves with different compaction degrees

圖5 不同初始靜偏應力時動本構(gòu)關系曲線Fig.5 Dynamic constitutive relationship curves with different initial static deviatoric stresses

圖6 不同循環(huán)荷載作用頻率時動本構(gòu)關系曲線Fig.6 Dynamic constitutive relationship curves with different cyclic loading frequencies

從圖2～圖6可以看出，不同工況下礫類土的動應變均隨著動應力的增加非線性增加，且初期增加較慢，后期隨著動應力的增加，動應變迅速增大，試樣發(fā)生破壞，礫類土動本構(gòu)關系符合R.L.Kondner 雙曲線模型：

(1)

式中：σd為動應力幅值；εd為動應變幅值；a、b為與試驗工況有關的參數(shù)。

通過擬合求解，可以得出不同試驗條件時式(1)中模型參數(shù)的取值以及決定系數(shù)(R2)，如表4，從表4中可以得出，決定系數(shù)均大于0.95，另外從圖2～圖6可以發(fā)現(xiàn)不同工況時動本構(gòu)關系試驗曲線和采用R.L.Kondner 雙曲線模型進行擬合得到的曲線都比較接近，說明可以采用R.L.Kondner 雙曲線模型描述礫類土的動本構(gòu)關系。

表4 不同試驗條件時礫類土動本構(gòu)關系雙曲線模型參數(shù)Table 4 Hyperbolic model parameters of gravel soil dynamic constitutive relationship under different test conditions

4 礫類土動本構(gòu)關系影響因素分析

4.1 含水率

當?shù)[類土含水率為6%、7.5%和10%時，礫類土動本構(gòu)關系如圖2。從圖2可以看出，含水率為7.5% 時，礫類土的動本構(gòu)關系曲線最接近應力軸，說明當?shù)[類土的含水率為最佳含水率時，其動強度大于含水率為6%和10%時的動強度，由此可以推出當?shù)[類土含水率低于7.5%時，隨著含水率的增加，礫類土的動強度會隨著增加，當?shù)[類土的含水率高于7.5%時，其動強度會隨著含水率的增加而減小。

4.2 圍壓

圍壓分別為10、20和30 kPa時，礫類土的動本構(gòu)關系曲線如圖3，從圖3可以看出，動本構(gòu)關系曲線接近應力軸的次序和圍巖有關，圍壓越大，其約靠近應力軸，說明礫類土的動強度隨著圍壓的增大而增加。

4.3 壓實度

壓實度分別為90%和96%，礫類土的動本構(gòu)關系曲線如圖4，從圖4可以看出，當?shù)[類土的壓實度為96%時，其動本構(gòu)關系曲線距離應力軸較近，壓實度為90%時其動本構(gòu)關系距應力軸較遠，說明礫類土的動強度隨著壓實度的增加而增大。

4.4 初始靜偏應力

初始靜偏應力為0 kPa和10 kPa，礫類土動本構(gòu)關系曲線如圖5，從圖5可以看出，礫類土的動本構(gòu)關系曲線靠近應力軸存在分界點，分界點的動應力幅值為90 kPa，動應力幅值小于90 kPa時，初始靜偏應力為0 kPa的動本構(gòu)關系曲線比10 kPa時的動本構(gòu)關系曲線靠近應力軸，當動應力幅值大于90 kPa時，則相反。因此可以得出礫類土在初始靜偏應力為0 kPa和10 kPa時表現(xiàn)出的動強度也隨著動應力的變化存在分界點，動應力幅值小于90 kPa時，初始靜偏應力為0 kPa時表現(xiàn)出的動強度比初始靜偏應力為10 kPa時表現(xiàn)出的動強度大，當動應力幅值大于90 kPa時，則相反。

4.5 循環(huán)荷載作用頻率

循環(huán)荷載作用頻率分別為1 Hz和2 Hz，礫類土動本構(gòu)關系曲線如圖6，從圖6可以看出，循環(huán)荷載作用頻率為1 Hz時礫類土的動本構(gòu)關系曲線和2 Hz的動本構(gòu)關系曲線比較接近，說明循環(huán)荷載作用頻率在1～2 Hz變化對礫類土動強度影響較小。循環(huán)荷載作用頻率為1 Hz和2 Hz時，礫類土的動本構(gòu)關系曲線存在分界點，分界點的動應力幅值為120 kPa。當動應力幅值小于120 kPa時，循環(huán)荷載作用頻率為2 Hz的動本構(gòu)關系曲線比頻率為1 Hz的動本構(gòu)關系曲線靠近應力軸，可以得出當動應力幅值小于120 kPa時，礫類土在頻率為2 Hz的動荷載作用下表現(xiàn)出的動強度比1 Hz時大，當動應力幅值大于120 kPa時，規(guī)律則相反。

5 結(jié) 論

1) 礫類土的動本構(gòu)關系可以采用R.L.Kondner雙曲線模型進行描述。

2) 含水率、圍壓和壓實度對礫類土的動本構(gòu)關系的影響較大，含水率和最佳含水率越接近，圍壓越大、壓實度越高，其動本構(gòu)關系曲線越接近應力軸，說明含水率越接近最佳含水率、圍壓越大、壓實度越高，礫類土動強度越大。

3) 初始靜偏應力分別為0 kPa和10 kPa，礫類土的動本構(gòu)關系曲線存在分界點，分界點的動應力幅值為90 kPa。

4) 循環(huán)荷載作用頻率為1Hz和2 Hz時，礫類土的動本構(gòu)關系曲線存在分界點，分界點的動應力幅值為120 kPa。

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(責任編輯：朱漢容)

Experimental Study on Dynamic Constitutive Relationship of Gravel Soil under Traffic Loading

WANG Jing1，LIU Dapeng1，YANG Xiaohua2

(1.Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，P.R.China；2.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P.R.China)

Gravel soil is a kind of commonly used subgrade filling in Xinjiang oasis-desert region，so it is necessary to study its dynamic constitutive relation under the traffic loading.Dynamic constitutive relationships of gravel soil under different conditions were studied through dynamic triaxial tests.It was found that dynamic constitutive relationship of gravel soil could be described by R.L.Kondner hyperbolic model，and then the model parameters under different conditions were obtained.The effect rules of water content，confining pressure，compaction degree，the initial static deviatoric stress and cyclic loading frequency on the dynamic constitutive relationship of gravel soil were studied based on the test results.The closer the relationship between moisture content and optimum moisture content，the greater the confining pressure，the higher the compaction degree, the dynamic constitutive relationship curve of gravel soil was closer to the stress axis.Dynamic constitutive relationship curve is relatively closer when the initial static deviatoric stress is 0 kPa and 10 kPa.It is also relatively closer when the dynamic load frequency is 1 Hz and 2 Hz.The study results have important reference value for the application of gravel soil subgrade in Xinjiang oasis-desert region.

highway engineering；gravel soil；traffic loading；constitutive relationship；dynamic triaxial test

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.09

2016-05-02；

2016-06-26

西部交通建設科技資助項目(2011318797600)；江蘇建筑職業(yè)技術學院校級科研項目(JYQZ16-04)；江蘇住建廳科技項目(2016ZD81)

王 婧(1982—)，女，甘肅蘭州人，講師，主要從事交通工程方面的研究工作。E-mail：136089261@qq.com。

U416.1

A

1674-0696(2017)08-049-05